西瓜嫁接育苗與機械嫁接技術(shù)研究進(jìn)展

丁明，黃丹楓

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，200240）

專家論壇

西瓜嫁接育苗與機械嫁接技術(shù)研究進(jìn)展

丁明，黃丹楓

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，200240）

西瓜是我國園藝生產(chǎn)中的重要經(jīng)濟(jì)作物，為了克服連作而引起的枯萎病、根結(jié)線蟲病和土壤鹽漬化等問題，嫁接技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于西瓜生產(chǎn)。人工嫁接勞動強度大，嫁接和管理用工量大、技術(shù)要求高，是嫁接西瓜苗推廣應(yīng)用的主要限制因素。在回顧西瓜嫁接育苗技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，闡述了機械嫁接機及其配套的斷根嫁接、大接穗嫁接、苗床四段式管理等關(guān)鍵技術(shù)在西瓜工廠化育苗中的應(yīng)用。

西瓜；工廠化育苗；機械嫁接；嫁接機；斷根嫁接

1 蔬菜嫁接及應(yīng)用

植物嫁接是一門古老的農(nóng)業(yè)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著巨大的推動作用。嫁接歷史悠久，目前多數(shù)農(nóng)業(yè)史學(xué)家認(rèn)為我國是最早記載嫁接技術(shù)的國家，距今近3 000 a的《尚書·禹貢篇》中就描述了柑橘類果樹的嫁接，到了公元前1世紀(jì)西漢時期，農(nóng)學(xué)家汜勝之所著《汜勝之書》中提到了用嫁接生產(chǎn)瓠瓜的農(nóng)作方式[1]。在古希臘，被譽為植物學(xué)之父的亞里士多德（Aristotle，384-322 B.C.）曾提及“相似的樹木可以相互嫁接”，亞里士多德的學(xué)生狄奧弗拉斯塔斯（Theophrastus，371-286 B.C.）在《植物的歷史 和 植 物 本 原 》 （De Historia et De Causis Plantarum）一書中專門討論了“木本植物的嫁接繁殖”，到了公元1世紀(jì)，羅馬學(xué)者加伊烏斯·普林尼·塞坤杜斯 （Gaius Phinius Secundus，A.D.23-79）詳細(xì)描述了劈接的過程[2]（圖1）。據(jù)考證，日本的嫁接技術(shù)是隨著佛教由我國傳去的，在《古今著聞集》中有嫁接櫻花（A.D.837）的記載，由此推測日本大約在1 100 a前已開始利用嫁接技術(shù)[3]。隨著生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，嫁接技術(shù)已應(yīng)用到多種作物上，嫁接的方式也越來越多，現(xiàn)在已成為園藝生產(chǎn)中必不可少的一項技術(shù)。

現(xiàn)代的蔬菜嫁接的應(yīng)用始于20世紀(jì)20年代的日本及朝鮮地區(qū)，最初主要是利用葫蘆作為砧木解決西瓜保護(hù)地生產(chǎn)的連作障礙問題，后來逐漸擴展到甜瓜、茄子、黃瓜、番茄等果菜，50年代以后嫁接技術(shù)得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。我國于20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用嫁接西瓜解決溫室連作問題[4]。到20世紀(jì)80年代，嫁接生產(chǎn)的方式已遍及日本、韓國和中國等東亞國家，西方國家也開始逐步應(yīng)用，并對植物嫁接展開了系統(tǒng)的生物學(xué)研究。目前，日本和韓國的葫蘆科嫁接栽培面積已達(dá)到總面積的90%以上，在美國約有70%的番茄采用嫁接苗生產(chǎn)[7]（圖2）。在現(xiàn)代的生物學(xué)研究中，嫁接也被作為一個“植物-植物互作”的特殊共生現(xiàn)象，廣泛用于細(xì)胞識別機制、物質(zhì)運輸、信息傳遞、病毒侵染和開花機理等重大理論問題的研究[8~10]。

圖1 植物嫁接的歷史和發(fā)展[1~6]

2 西瓜嫁接育苗

2.1 我國西瓜生產(chǎn)現(xiàn)狀

西瓜 [Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum.and Nakai]原產(chǎn)非洲南部沙漠地區(qū)，5 000多a前古埃及人就開始引種用于生產(chǎn)。多數(shù)農(nóng)史學(xué)家認(rèn)為西瓜于16-17世紀(jì)經(jīng)絲綢之路傳入我國后，逐漸在世界范圍內(nèi)廣泛傳播[12]，現(xiàn)在西瓜已成為我國園藝生產(chǎn)的重要經(jīng)濟(jì)作物。FAOSTAT[9]統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2009年我國西瓜種植面積已達(dá)220萬hm2，占世界總面積的58.1%，總產(chǎn)量6 820萬t，占世界總產(chǎn)量的67.7%（圖3）。我國西瓜生產(chǎn)主要有兩大產(chǎn)區(qū)[13]，一是包括冀、魯、豫、晉、陜、京津在內(nèi)的華北平原和西北高原地區(qū)，該區(qū)西瓜產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的45%；二是包括蘇、浙、皖、贛、鄂、湘、滬在內(nèi)的長江中下游地區(qū)，該區(qū)產(chǎn)量約占全國產(chǎn)量的30%（圖4）。

近幾年由于我國西瓜栽培面積不斷擴大，西瓜輪作周期不斷縮短，導(dǎo)致西瓜枯萎?。‵usarium orysporum）、根結(jié)線蟲（Meloidogyne incognita）和土壤鹽漬化等脅迫和根系病蟲害大面積發(fā)生，特別是長江中下游產(chǎn)區(qū)。由于長江中下游地區(qū)農(nóng)業(yè)耕地緊張，老瓜區(qū)和保護(hù)地重茬栽培十分嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響西瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展[14]。這些根系病害及脅迫問題，目前仍缺少理想的農(nóng)藥或高抗性品種來防治，因此，嫁接是目前最有效的防治措施[15，16]。

2.2 西瓜嫁接技術(shù)

圖3 我國及世界各洲西瓜栽培面積及產(chǎn)量[9]

圖2 2010年部分國家和地區(qū)嫁接應(yīng)用狀況（嫁接應(yīng)用率以深色表示）[7,11]

圖4 我國西瓜栽培分布

西瓜嫁接的方法主要有靠接法、插接法、單葉切接等，我國手工嫁接以劈接和插接為主。嫁接西瓜的砧木都是葫蘆科作物，主要有葫蘆 （Lagenaria siceraria）、南瓜 （Cucurbita moschata；C.maxima×C. moschata）、西葫蘆（Cucurbita pepo）、冬瓜 （Benincasahispida）、多刺黃瓜 （Sicyos angulatus）和野生西瓜（Citrullus lanatusvar.citroides）等[4，16，18]。根據(jù)西瓜和砧木品種及季節(jié)溫度的差異，通常西瓜接穗比砧木晚播3~10 d，西瓜播種5~15 d后進(jìn)行嫁接，嫁接結(jié)合處以嫁接夾固定 （圖5），然后將嫁接苗移入拱棚內(nèi)，并覆蓋薄膜和遮陽網(wǎng)以保持黑暗環(huán)境，棚內(nèi)溫度（26~28）℃/（24~25）℃ （晝/夜），空氣相對濕度>90%。4~5 d后開始短時間通風(fēng)換氣及適時光照，以后逐漸增加通風(fēng)量、通風(fēng)時間及延長光照時間，嫁接6~9 d后，嫁接成活，即可轉(zhuǎn)為正常苗床環(huán)境管理（圖6）。

3 機械嫁接

嫁接所需的勞動力和復(fù)雜的嫁接苗維護(hù)技術(shù)是西瓜嫁接育苗擴大利用的主要限制因素。一個熟練的工人每1 h僅能嫁接100株，嫁接愈傷成活需6~ 9 d，在這個過程中溫度、光照及濕度管理要求嚴(yán)格，這給勞動力價格高的發(fā)達(dá)國家與生產(chǎn)者素質(zhì)相對較低及栽掊設(shè)施簡陋的發(fā)展中國家利用嫁接技術(shù)帶來了一定的難度[19，20]。因此20世紀(jì)80年代日本首先開始了自動嫁接機的研制，發(fā)展至今，很多國家都開發(fā)出了不同應(yīng)用范圍、采用不同嫁接方法的嫁接設(shè)備，提高了嫁接效率。采用自動嫁接機進(jìn)行嫁接，由于砧木和接穗接合迅速，避免了切口長時間氧化和植株傷流液的損失，從而也提高了嫁接成活率，因此，嫁接機的應(yīng)用被稱為現(xiàn)代工廠化育苗的一場革命[20，21]。

3.1 機械嫁接機

20世紀(jì)80年代，以日本農(nóng)機研究所 （Iam Brain）牽頭聯(lián)合數(shù)家農(nóng)機制造商開始蔬菜嫁接機的研發(fā)[7]，并于1987年推出了第一臺樣機（G871）。在此帶動下，日本一些實力雄厚的廠家如井關(guān)（Iseki）、洋馬（Yanmar）、三菱（Mitsubishi）等也競相研究開發(fā)嫁接機，井關(guān)于1994年推出了商品化嫁接機（GR800B）。日本研制開發(fā)的嫁接機具有較高的自動化水平，但設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴[21]。隨后，韓國也開始了對自動化嫁接技術(shù)的研究，并開發(fā)出一系列有特點的產(chǎn)品，如用于茄科作物的嫁接機Ideal system[21]（圖7D），采用針接法使嫁接速度達(dá)到了1 200株/h。在西方農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，如意大利、法國、荷蘭和美國等，嫁接雖然也逐步應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)，但這些國家尚無自己的嫁接機和相配套的生產(chǎn)技術(shù)，僅有少數(shù)國家引進(jìn)日本的嫁接機用于蔬菜生產(chǎn)。

在我國，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中率先在國內(nèi)開展嫁接機的研究[20]，攻克了砧木、接穗供給，砧木搬運、切削、接穗切削和嫁接夾供給等環(huán)節(jié)的設(shè)計問題[21]，于1998年研制出2JSZ-600型自動嫁接機（圖7F），該嫁接機采用單葉切接法，實現(xiàn)了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夾固定、排苗等一系列自動化作業(yè)。隨后東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（圖7G）、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)（圖7H）和上海交通大學(xué)等高校和科研單位也推出了各自的嫁接機。目前，一些主要嫁接機的性能指標(biāo)見表1。

圖5嫁接夾及其應(yīng)用[17]

圖6 西瓜嫁接苗生產(chǎn)管理時間表

圖7 日本、韓國和我國的嫁接機

與手工嫁接略有不同，機械嫁接根據(jù)嫁接機的設(shè)計原理和嫁接對象的特點主要有靠接法、插接法、貼接法（單葉切接法）、劈接法等[22]。機械嫁接后嫁接體的固定夾持物因嫁接方法的不同也有所差異。靠接法、貼接法、劈接法以嫁接夾固定植株；套管法是以專用塑料套管來支撐嫁接苗；針接法是用嫁接針將接穗和砧木連接起來，以便愈合；而平接法是噴涂一種生物膠使砧木和接穗粘接在一起，其優(yōu)點是嫁接苗成活后無需去除嫁接夾或套管，作業(yè)速度快，但粘接劑成本高。此外，插接法因砧木和接穗結(jié)合緊密，生產(chǎn)上有時可不使用其他物體來固定植株。

雖然嫁接機的設(shè)計原理和嫁接對象不同，但嫁接的步驟一般如圖8所示。首先將砧木和接穗放置于嫁接機的機械臂上 （半自動嫁接機需要人工取苗后放置于機械臂，全自動嫁接機的機械臂自動從穴盤中取苗）（圖8A），嫁接機的切削機構(gòu)按照嫁接方法的需要分別切斷砧木和接穗（圖8B），機械臂將切斷的砧木和接穗接合在一起（圖8C），最后以嫁接夾或其他夾持物固定嫁接部位（圖8D），嫁接即完成，整個過程僅需3~5 s。

3.2 西瓜機械嫁接育苗技術(shù)

嫁接機大幅提高了西瓜嫁接和育苗的效率，但是特殊的生產(chǎn)模式也帶來了新的栽培管理問題?？萍脊ぷ髡咴谏a(chǎn)實踐中針對機械嫁接的嫁接技術(shù)要求，從西瓜抗性砧木品種篩選、斷根嫁接、接穗嫁接、嫁接苗管理等方面著手研究，篩選出抗病性強、機械嫁接適用型砧木品種，創(chuàng)建了斷根嫁接、大接穗嫁接、機械嫁接育苗環(huán)境四段式管理等西瓜機械嫁接育苗方法，并加以信息化管理，推進(jìn)了西瓜機械嫁接技術(shù)的發(fā)展。

為了便于嫁接機操作，西瓜機械嫁接常使用斷根嫁接，也就是將砧木沿基質(zhì)表面去掉原有根系，并按要求將砧木莖切削，然后與接穗進(jìn)行嫁接。斷根嫁接則是去除砧木原有的根系，在嫁接苗愈合期間，砧木莖段基部重新產(chǎn)生新根。斷根嫁接的砧木產(chǎn)生的根系無主根，增強了須根的活力，定植后緩苗快，吸肥能力與抗旱性明顯強于傳統(tǒng)嫁接苗；而且，斷根嫁接可提高嫁接苗的整齊度和商品性，有利于西瓜嫁接苗的工廠化生產(chǎn)和管理[24]。

綜合分析機械嫁接操作的要求、嫁接苗的健壯度以及嫁接成活率，當(dāng)西瓜接穗苗從第1片真葉顯露到1葉1心，即苗齡10~13 d時為機械嫁接的最適時期[25]。接穗過于幼嫩不利于嫁接機操作，且嫁接后莖稈柔弱，子葉不夠健壯，接穗也容易徒長；而當(dāng)接穗生長到1葉1心后進(jìn)行嫁接，嫁接成活率顯著下降。相比手工嫁接（接穗5~7 d苗齡）的西瓜種苗生產(chǎn)，這種“接穗嫁接技術(shù)”更適合西瓜機械嫁接苗生產(chǎn)[26]。

表1 嫁接機性能比較[22]

圖8 機械嫁接方法和步驟（以GR-800CS為例）[23]

針對斷根嫁接育苗的特點，生產(chǎn)上推薦應(yīng)用苗床四段式環(huán)境管理[27]。具體管理：前5 d為第一階段，白天 28℃，夜間 25℃，濕度 95%以上，光照強度5 000 lx。嫁接穴盤苗置于珍珠巖上，電加溫苗床上加小拱棚，第一層覆蓋無紡布（吸濕），第二層加蓋農(nóng)膜保溫保濕，薄膜外加蓋一層遮陽網(wǎng)。隨后6~8 d為第二階段，白天25℃，夜間22℃，濕度85%以上，光照強度8 000 lx，此階段遮陽網(wǎng)早晚揭除，中午覆蓋，早晚棚內(nèi)濕度較高時可揭開農(nóng)膜適當(dāng)通底風(fēng)，中午前后需覆蓋遮陽網(wǎng)遮蔭。第9~11天為第三階段，白天25℃，夜間18~20℃，濕度85%以上，光照強度8 000~ 10 000 lx，此階段遮陽網(wǎng)僅在中午光照強烈時覆蓋，其他時間揭開，早晚棚內(nèi)濕度較高時可揭開農(nóng)膜適當(dāng)通底風(fēng)，通風(fēng)口與通風(fēng)時間比第二階段增大和延長。第11天后為第四階段，白天20~25℃，夜晚16~ 18℃，光照10 000 lx以上，可逐步完全揭去覆蓋物，按常規(guī)苗管理。

復(fù)雜的育苗管理一直是嫁接在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用較慢的主要因子，特別是大規(guī)模的工廠化育苗生產(chǎn)，有必要采用信息技術(shù)來實現(xiàn)育苗標(biāo)準(zhǔn)化，以提高種苗質(zhì)量、減少管理成本。在總結(jié)專家知識和生產(chǎn)者經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用 ERP（Enterprise Recourse Planning）管理理論[27]，對嫁接西瓜嫁接育苗過程的QACCP（Quality Analysis and Critical Control Point）進(jìn)行分析[28]，為生產(chǎn)決策提供可靠的量化數(shù)據(jù)，便于企業(yè)制定合理的生產(chǎn)計劃和管理方法。

[1]周肇基.中國嫁接技藝的起源和演進(jìn)[J].自然科學(xué)史研究，1994，13（3）：264-272.

[2]Richard H.Plant grafting history[N/OL].http://www.ehow. com.

[3]町田英夫.接ぎ木のすべて [M].東京：誠文堂新光社，1987：32.

[4]于賢昌，王立江.蔬菜嫁接的研究與應(yīng)用 [J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1998（2）：249-256.

[5]Roberts R H.Theoretical aspects of graftage [J].The Botanical Review,1949,15(7):423-463.

[6]Rogers W S,Beakbane A B.Stock and scion relations[J]. Annual Review of Plant Physiology,1957,8:217-236.

[7]Lee J M,Kubota C,Tsao S J,et al.Current status of vegetable grafting:Diffusion,grafting techniques,automation [J].Scientia Horticulturae,2010,127:93-105.

[8]Turnbull C G N.Grafting as a research tool[J].Methods in Molecular Biology,2010,655:11-26.

[9]Taller J,Hirata Y,Yagishita N,et al.Graft-induced genetic changes and the inheritance of several characteristics in pepper(Capsicum annuumL.)[J].Theoretical and Applied Genetics,1998,97:705-713.

[10]羅正榮,胡春根,蔡禮鴻.嫁接及其在植物繁殖和改良中的作用[J].植物生理學(xué)通訊，1996，32（1）：59-63.

[11]FAOSTAT.Food and Agriculture Organization of the United Nations[EB/OL].(2010-09).http://faostat.fao.org/.

[12]張德純.西瓜[J].中國蔬菜，2008（30）：53.

[13]曉輯.我國西瓜主要產(chǎn)區(qū)[J].企業(yè)經(jīng)濟(jì)，1983（6）：61.

[14]宋榮浩，顧衛(wèi)紅，戴富明，等.國外西瓜抗病種質(zhì)在我國抗病西瓜育種中的應(yīng)用 [J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報，2009，25（1）：124-128.

[15]Beltrán R,Vicent A,García-Jiménez J,et al.Comparative epidemiology of Monosporascus root rot and vine decline in muskmelon,watermelon,and grafted watermelon crops [J].Plant Disease，2008,92:158-163.

[16]Davis A R,Perkins-Veazie P,Sakata Y,et al.Cucurbit grafting [J].Critical Reviews in Plant Sciences,2008,27 (1):50-74.

[17]Grafting and Technology[EB/OL].http://www.graftingtechnology.com.

[18]許如意，曹兵，李勁松，等.我國西瓜嫁接技術(shù)的研究進(jìn)展[J].廣西園藝，2007，18（4）：55-56.

[19]李中秋.蔬菜嫁接機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J].當(dāng)代農(nóng)機，2007（4）：61-62.

[20]張鐵中，徐麗明.大有前景的蔬菜自動嫁接機器人技術(shù)[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（2）：14-15.

[21]張鐵中.蔬菜自動嫁接技術(shù)研究：I.嫁接苗特性試驗與機械設(shè)計方案選擇 [J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996（6）：26-29.

[22]辜松，江林斌.國內(nèi)外蔬菜嫁接機的發(fā)展現(xiàn)狀[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，38（6）：847-851.

[23]Tucson A Z.Pictures of operation sequence of robograft [EB/OL].http://www.redjacs.com/pictures.

[24]王希英.蔬菜機械化嫁接育苗生產(chǎn)體系的研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[25]丁明.西瓜機械嫁接育苗生理及種苗生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[26]黃丹楓，呂恬生，薛萬新，等.工廠化育苗關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新集成及產(chǎn)業(yè)化示范與推廣[EB/OL].（2010-10-08）[2012-03-06].http://www.ylagri.gov.cn/ngh/ngh_info.jsp?urltype= news.NewsContentUrl&wbtreeid=1283&wbnewsid=25610.

[27]Ding M,Lu S L,Li L,et al.Analysis and design of a management system for seedling production based on ERP [J].Architectonics and Materials,2011,226:1 218-1 224.

[28]申廣榮，黃丹楓.基于HACCP的出口蔬菜安全生產(chǎn)智能決策支持系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2005（11）：18-20.

Research Progress of Grafting Technology and Automation for Watermelon Seedling Nursery

DING Ming,HUANG Danfeng
(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong University,200240)

Watermelon[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.and Nakai]is an important horticultural crop in China.In order to resist the Fusarium wilt,root-knot nematode and soil salinization caused by succession cropping,the grafting technology is universally used in watermelon seedling nursery.However,the intensive labor and complicated management are the limiting factors for the extension of watermelon grafting technology.On reviewing the development of graftingtechnology for watermelon,this paper summarizes the application of grafting technology in watermelon industrial seedling nursery, including the grafting robot and the matched nursery technology,such as root-cutting graft,older age scion graft and fourstage management of the grafted seedlings.

Watermelon[Citrullus lanatus(Thunb.)Matsum.and Nakai];Industrial seedling nursery;Mechanical grafting; Grafting robot;Root-cutting graft

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.06.001

國家“863”計劃課題“設(shè)施農(nóng)業(yè)數(shù)字化管理與精準(zhǔn)化作業(yè)技術(shù)研究”（2012AA101303），上海市農(nóng)委項目“上海市綠葉蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)”（育苗與機械化組），上海市科委科技攻關(guān)項目“新型育苗苗床體系及配套育苗技術(shù)研究”（11dz1960200）

丁明（1979-），男，博士，主要從事工廠化育苗、園藝作物生理生態(tài)等方面的研究，E-mail：dingmingsjtu@163.com

黃丹楓，女，通信作者，教授，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2012-02-29