黄瓜自动化栽培系统研究进展

黄瓜自动化栽培系统研究进展

我国作为典型的农业大国，果蔬产业产出一直较大，1978年，我国蔬菜播种面积为333.1万hm2，2021年扩大到21 99.967万hm2，分别占当年全国农作物总播种面积的222%、1322%;2021年我国蔬菜种植总产量达到76 005.48万t，2021年增长到78 526.10万t，比2021年增长3.3%。黄瓜种植成本由人工成本、物质服务费用和土地成本构成。人工成本包括家庭用工折价和雇工费用，随着黄瓜种植面积增大，收获就要耗费大量的时间和人力。但随着农村劳动力缺乏，人口老龄化加剧，必须降低采摘成本、提高采摘果实质量、提高劳动生产率、保证果实的适时采收、提高产品的国际竞争力，进而降低设施黄瓜种植成本中的人工成本占比，提高黄瓜种植净利润。

针对上述研究背景，本研究提出的黄瓜农艺规程为播种育苗→移栽定植→搭架引蔓与整枝→采收。为了实现黄瓜种植的以上4个流程，一套完整的黄瓜自动化栽培系统应该包括栽培系统、侧枝修剪机器人和黄瓜采摘机器人。本研究通过分析比较各部分的国内外研究现状，提出黄瓜自动化栽培系统关键部分的发展趋势，并进行总结，旨在为未来开发完整的黄瓜自动化栽培系统提供参考。

1 黄瓜栽培系统国内外研究现状

栽培系统包括培育系统、移栽系统和吊落蔓系统，分别实现黄瓜种植过程中的播种育苗、移栽定植和搭架引蔓过程。

1.1 培育系统

黄瓜种子属于包衣类蔬菜种子，为实现播种育苗环节自动化，须要利用播种机实现自动化育苗。温室育苗用播种机多为固定型机器人，作业流程为穴盘填土→浇水→播种→覆土→育苗箱搬出。

国外设施育苗配套设施的穴盘育苗播种设备研制较早，目前日本和美国的育苗工厂已大规模开发使用温室机械化育苗播种成套设备，流水线自动完成穴盘装土、刮平、压窝、播种、覆土和浇水等多道工

序作业。发达国家的蔬菜商品穴盘育苗率约为70%，荷兰某公司生产的岩棉块种苗生产线的播种作业生产率约为14 400粒/h。

目前，我国穴盘育苗播种机有针式、板式和滚筒式，按工作原理分为机械式和气力式。现阶段的穴盘育苗播种机械多以气力式为主，精度不高，推广程度不高。2021年，青岛农业大学的张峰峰等研制出一种自动蔬菜穴盘育苗精量播种机，对辣椒和南瓜进行试验，平均播种单籽率约为96%，漏播率约为1.4%，多籽率约为2.5%。

1.2 移栽系统

为了培育出优质黄瓜，必须对瓜苗进行适当的移栽作业，目前移栽机分为全自动型和半自动型2种，作业流程为供苗→取苗→挖坑→栽苗→覆土。2021年，中国农业大学的Jin 等研究了蔬菜移栽机中幼苗拾取设备的发展现状，分析比较了国内外拾取机构的优劣势。国外温室自动移栽机技术已经较为成熟，但其结构复杂、价格昂贵、体积庞大，与我国现阶段设施农业的生产模式适应性较差。

国内对穴盘苗移栽机的研究大多处于研究和试验阶段，移栽装备经历了3个发展阶段：滑道机构、杆机构和回转机构。2021年，江苏大学的胡建平等研制出了一种八爪温室钵苗移栽机（图1），可实现自动填土、打穴、定位输送、整体间隔取苗、分散间隔投苗、苗盘连续进给，移栽平均合格率约为95%。他的团队同年又研制出了一种温室穴盘苗移栽机，其末端执行器到达取苗点后，取出幼苗，输送至目标盘放苗点后，释放幼苗并进行栽苗，平均取苗移栽成功率约为90.7%。

1.3 吊落蔓系统

黄瓜为藤生农作物，贴地生长的黄瓜沾泥，易腐烂、商品性差、产量低。为提高农产品质量，通常采用搭架引蔓方法，但僅适合生长量不大的短季节露地栽培，近年来随着黄瓜品种的改良，单株植株可长达几十米，而竹竿高度有限，植株爬到竹竿顶端仍会再次匍匐在地面，故吊蔓式立体栽培成为温室作物栽培的趋势和潮流。

国外对果蔬新型栽培模式的研究很多，如草莓高架栽培模式、番茄拉线栽培模式、黄瓜高拉线栽培模式，在适应机械化采摘的同时，

也达到了高产高效的目的。针对新的种植模式也研发出了相应的自动化栽培系统，如中国农业大学的陈一飞等研发了温室草莓立体栽培智能控制系统，栽培支架在电机的驱动下使栽培槽实现升降和摆动动作，以达到改善采光条件和调控温度层的目的。日本农业机械学会的Ota 等研发出了一种自动间距控制的可移动番茄高架栽培系统，根据番茄生长阶段的不同来合理分配台架间距，以达到增加果实产量的目的。黄瓜的高拉线栽培模式最早源于荷兰，21世纪初，荷兰农业工程研究所的研究员提出了以拉线种植代替传统黄瓜搭架种植模式，此模式下种植的黄瓜瓜藤与拉线缠绕，随着黄瓜生长长度的无限型发展，研究的重点已经逐步转向如何实现拉线收放，即吊落蔓作业是此新模式的关键。现多为人工操作，近年来向机械化发展，韩国目前采用一种可移动的拉线栽培模式，但仍处于半自动形式，未实现垂直落蔓与水平移动的同步作业，仍需要人工辅助。

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