西瓜嫁接育苗与机械嫁接技术研究进展

丁明，黄丹枫

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

专家论坛

西瓜嫁接育苗与机械嫁接技术研究进展

丁明，黄丹枫

（上海交通大学农业与生物学院，200240）

西瓜是我国园艺生产中的重要经济作物，为了克服连作而引起的枯萎病、根结线虫病和土壤盐渍化等问题，嫁接技术被广泛的应用于西瓜生产。人工嫁接劳动强度大，嫁接和管理用工量大、技术要求高，是嫁接西瓜苗推广应用的主要限制因素。在回顾西瓜嫁接育苗技术发展的基础上，阐述了机械嫁接机及其配套的断根嫁接、大接穗嫁接、苗床四段式管理等关键技术在西瓜工厂化育苗中的应用。

西瓜；工厂化育苗；机械嫁接；嫁接机；断根嫁接

1 蔬菜嫁接及应用

植物嫁接是一门古老的农业技术，对农业的发展起着巨大的推动作用。嫁接历史悠久，目前多数农业史学家认为我国是最早记载嫁接技术的国家，距今近3 000 a的《尚书·禹贡篇》中就描述了柑橘类果树的嫁接，到了公元前1世纪西汉时期，农学家汜胜之所著《汜胜之书》中提到了用嫁接生产瓠瓜的农作方式[1]。在古希腊，被誉为植物学之父的亚里士多德（Aristotle，384-322 B.C.）曾提及“相似的树木可以相互嫁接”，亚里士多德的学生狄奥弗拉斯塔斯（Theophrastus，371-286 B.C.）在《植物的历史 和 植 物 本 原 》 （De Historia et De Causis Plantarum）一书中专门讨论了“木本植物的嫁接繁殖”，到了公元1世纪，罗马学者加伊乌斯·普林尼·塞坤杜斯 （Gaius Phinius Secundus，A.D.23-79）详细描述了劈接的过程[2]（图1）。据考证，日本的嫁接技术是随着佛教由我国传去的，在《古今著闻集》中有嫁接樱花（A.D.837）的记载，由此推测日本大约在1 100 a前已开始利用嫁接技术[3]。随着生产的发展、科学技术的进步，嫁接技术已应用到多种作物上，嫁接的方式也越来越多，现在已成为园艺生产中必不可少的一项技术。

现代的蔬菜嫁接的应用始于20世纪20年代的日本及朝鲜地区，最初主要是利用葫芦作为砧木解决西瓜保护地生产的连作障碍问题，后来逐渐扩展到甜瓜、茄子、黄瓜、番茄等果菜，50年代以后嫁接技术得到了大规模的推广和应用。我国于20世纪70年代开始应用嫁接西瓜解决温室连作问题[4]。到20世纪80年代，嫁接生产的方式已遍及日本、韩国和中国等东亚国家，西方国家也开始逐步应用，并对植物嫁接展开了系统的生物学研究。目前，日本和韩国的葫芦科嫁接栽培面积已达到总面积的90%以上，在美国约有70%的番茄采用嫁接苗生产[7]（图2）。在现代的生物学研究中，嫁接也被作为一个“植物-植物互作”的特殊共生现象，广泛用于细胞识别机制、物质运输、信息传递、病毒侵染和开花机理等重大理论问题的研究[8~10]。

图1 植物嫁接的历史和发展[1~6]

2 西瓜嫁接育苗

2.1 我国西瓜生产现状

西瓜 [Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum.and Nakai]原产非洲南部沙漠地区，5 000多a前古埃及人就开始引种用于生产。多数农史学家认为西瓜于16-17世纪经丝绸之路传入我国后，逐渐在世界范围内广泛传播[12]，现在西瓜已成为我国园艺生产的重要经济作物。FAOSTAT[9]统计数据表明，2009年我国西瓜种植面积已达220万hm2，占世界总面积的58.1%，总产量6 820万t，占世界总产量的67.7%（图3）。我国西瓜生产主要有两大产区[13]，一是包括冀、鲁、豫、晋、陕、京津在内的华北平原和西北高原地区，该区西瓜产量约占全国产量的45%；二是包括苏、浙、皖、赣、鄂、湘、沪在内的长江中下游地区，该区产量约占全国产量的30%（图4）。

近几年由于我国西瓜栽培面积不断扩大，西瓜轮作周期不断缩短，导致西瓜枯萎病（Fusarium orysporum）、根结线虫（Meloidogyne incognita）和土壤盐渍化等胁迫和根系病虫害大面积发生，特别是长江中下游产区。由于长江中下游地区农业耕地紧张，老瓜区和保护地重茬栽培十分严重，已严重影响西瓜产业发展[14]。这些根系病害及胁迫问题，目前仍缺少理想的农药或高抗性品种来防治，因此，嫁接是目前最有效的防治措施[15，16]。

2.2 西瓜嫁接技术

图3 我国及世界各洲西瓜栽培面积及产量[9]

图2 2010年部分国家和地区嫁接应用状况（嫁接应用率以深色表示）[7,11]

图4 我国西瓜栽培分布

西瓜嫁接的方法主要有靠接法、插接法、单叶切接等，我国手工嫁接以劈接和插接为主。嫁接西瓜的砧木都是葫芦科作物，主要有葫芦 （Lagenaria siceraria）、南瓜 （Cucurbita moschata；C.maxima×C. moschata）、西葫芦（Cucurbita pepo）、冬瓜 （Benincasahispida）、多刺黄瓜 （Sicyos angulatus）和野生西瓜（Citrullus lanatusvar.citroides）等[4，16，18]。根据西瓜和砧木品种及季节温度的差异，通常西瓜接穗比砧木晚播3~10 d，西瓜播种5~15 d后进行嫁接，嫁接结合处以嫁接夹固定 （图5），然后将嫁接苗移入拱棚内，并覆盖薄膜和遮阳网以保持黑暗环境，棚内温度（26~28）℃/（24~25）℃ （昼/夜），空气相对湿度>90%。4~5 d后开始短时间通风换气及适时光照，以后逐渐增加通风量、通风时间及延长光照时间，嫁接6~9 d后，嫁接成活，即可转为正常苗床环境管理（图6）。

3 机械嫁接

嫁接所需的劳动力和复杂的嫁接苗维护技术是西瓜嫁接育苗扩大利用的主要限制因素。一个熟练的工人每1 h仅能嫁接100株，嫁接愈伤成活需6~ 9 d，在这个过程中温度、光照及湿度管理要求严格，这给劳动力价格高的发达国家与生产者素质相对较低及栽掊设施简陋的发展中国家利用嫁接技术带来了一定的难度[19，20]。因此20世纪80年代日本首先开始了自动嫁接机的研制，发展至今，很多国家都开发出了不同应用范围、采用不同嫁接方法的嫁接设备，提高了嫁接效率。采用自动嫁接机进行嫁接，由于砧木和接穗接合迅速，避免了切口长时间氧化和植株伤流液的损失，从而也提高了嫁接成活率，因此，嫁接机的应用被称为现代工厂化育苗的一场革命[20，21]。

3.1 机械嫁接机

20世纪80年代，以日本农机研究所 （Iam Brain）牵头联合数家农机制造商开始蔬菜嫁接机的研发[7]，并于1987年推出了第一台样机（G871）。在此带动下，日本一些实力雄厚的厂家如井关（Iseki）、洋马（Yanmar）、三菱（Mitsubishi）等也竞相研究开发嫁接机，井关于1994年推出了商品化嫁接机（GR800B）。日本研制开发的嫁接机具有较高的自动化水平，但设备体积大、结构复杂、价格昂贵[21]。随后，韩国也开始了对自动化嫁接技术的研究，并开发出一系列有特点的产品，如用于茄科作物的嫁接机Ideal system[21]（图7D），采用针接法使嫁接速度达到了1 200株/h。在西方农业发达国家，如意大利、法国、荷兰和美国等，嫁接虽然也逐步应用于蔬菜生产，但这些国家尚无自己的嫁接机和相配套的生产技术，仅有少数国家引进日本的嫁接机用于蔬菜生产。

在我国，中国农业大学张铁中率先在国内开展嫁接机的研究[20]，攻克了砧木、接穗供给，砧木搬运、切削、接穗切削和嫁接夹供给等环节的设计问题[21]，于1998年研制出2JSZ-600型自动嫁接机（图7F），该嫁接机采用单叶切接法，实现了砧木和接穗的取苗、切削、接合、嫁接夹固定、排苗等一系列自动化作业。随后东北农业大学（图7G）、华南农业大学（图7H）和上海交通大学等高校和科研单位也推出了各自的嫁接机。目前，一些主要嫁接机的性能指标见表1。

图5嫁接夹及其应用[17]

图6 西瓜嫁接苗生产管理时间表

图7 日本、韩国和我国的嫁接机

与手工嫁接略有不同，机械嫁接根据嫁接机的设计原理和嫁接对象的特点主要有靠接法、插接法、贴接法（单叶切接法）、劈接法等[22]。机械嫁接后嫁接体的固定夹持物因嫁接方法的不同也有所差异。靠接法、贴接法、劈接法以嫁接夹固定植株；套管法是以专用塑料套管来支撑嫁接苗；针接法是用嫁接针将接穗和砧木连接起来，以便愈合；而平接法是喷涂一种生物胶使砧木和接穗粘接在一起，其优点是嫁接苗成活后无需去除嫁接夹或套管，作业速度快，但粘接剂成本高。此外，插接法因砧木和接穗结合紧密，生产上有时可不使用其他物体来固定植株。

虽然嫁接机的设计原理和嫁接对象不同，但嫁接的步骤一般如图8所示。首先将砧木和接穗放置于嫁接机的机械臂上 （半自动嫁接机需要人工取苗后放置于机械臂，全自动嫁接机的机械臂自动从穴盘中取苗）（图8A），嫁接机的切削机构按照嫁接方法的需要分别切断砧木和接穗（图8B），机械臂将切断的砧木和接穗接合在一起（图8C），最后以嫁接夹或其他夹持物固定嫁接部位（图8D），嫁接即完成，整个过程仅需3~5 s。

3.2 西瓜机械嫁接育苗技术

嫁接机大幅提高了西瓜嫁接和育苗的效率，但是特殊的生产模式也带来了新的栽培管理问题。科技工作者在生产实践中针对机械嫁接的嫁接技术要求，从西瓜抗性砧木品种筛选、断根嫁接、接穗嫁接、嫁接苗管理等方面着手研究，筛选出抗病性强、机械嫁接适用型砧木品种，创建了断根嫁接、大接穗嫁接、机械嫁接育苗环境四段式管理等西瓜机械嫁接育苗方法，并加以信息化管理，推进了西瓜机械嫁接技术的发展。

为了便于嫁接机操作，西瓜机械嫁接常使用断根嫁接，也就是将砧木沿基质表面去掉原有根系，并按要求将砧木茎切削，然后与接穗进行嫁接。断根嫁接则是去除砧木原有的根系，在嫁接苗愈合期间，砧木茎段基部重新产生新根。断根嫁接的砧木产生的根系无主根，增强了须根的活力，定植后缓苗快，吸肥能力与抗旱性明显强于传统嫁接苗；而且，断根嫁接可提高嫁接苗的整齐度和商品性，有利于西瓜嫁接苗的工厂化生产和管理[24]。

综合分析机械嫁接操作的要求、嫁接苗的健壮度以及嫁接成活率，当西瓜接穗苗从第1片真叶显露到1叶1心，即苗龄10~13 d时为机械嫁接的最适时期[25]。接穗过于幼嫩不利于嫁接机操作，且嫁接后茎秆柔弱，子叶不够健壮，接穗也容易徒长；而当接穗生长到1叶1心后进行嫁接，嫁接成活率显著下降。相比手工嫁接（接穗5~7 d苗龄）的西瓜种苗生产，这种“接穗嫁接技术”更适合西瓜机械嫁接苗生产[26]。

表1 嫁接机性能比较[22]

图8 机械嫁接方法和步骤（以GR-800CS为例）[23]

针对断根嫁接育苗的特点，生产上推荐应用苗床四段式环境管理[27]。具体管理：前5 d为第一阶段，白天 28℃，夜间 25℃，湿度 95%以上，光照强度5 000 lx。嫁接穴盘苗置于珍珠岩上，电加温苗床上加小拱棚，第一层覆盖无纺布（吸湿），第二层加盖农膜保温保湿，薄膜外加盖一层遮阳网。随后6~8 d为第二阶段，白天25℃，夜间22℃，湿度85%以上，光照强度8 000 lx，此阶段遮阳网早晚揭除，中午覆盖，早晚棚内湿度较高时可揭开农膜适当通底风，中午前后需覆盖遮阳网遮荫。第9~11天为第三阶段，白天25℃，夜间18~20℃，湿度85%以上，光照强度8 000~ 10 000 lx，此阶段遮阳网仅在中午光照强烈时覆盖，其他时间揭开，早晚棚内湿度较高时可揭开农膜适当通底风，通风口与通风时间比第二阶段增大和延长。第11天后为第四阶段，白天20~25℃，夜晚16~ 18℃，光照10 000 lx以上，可逐步完全揭去覆盖物，按常规苗管理。

复杂的育苗管理一直是嫁接在生产中推广应用较慢的主要因子，特别是大规模的工厂化育苗生产，有必要采用信息技术来实现育苗标准化，以提高种苗质量、减少管理成本。在总结专家知识和生产者经验的基础上，综合应用 ERP（Enterprise Recourse Planning）管理理论[27]，对嫁接西瓜嫁接育苗过程的QACCP（Quality Analysis and Critical Control Point）进行分析[28]，为生产决策提供可靠的量化数据，便于企业制定合理的生产计划和管理方法。

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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

国家“863”计划课题“设施农业数字化管理与精准化作业技术研究”（2012AA101303），上海市农委项目“上海市绿叶蔬菜产业技术体系建设”（育苗与机械化组），上海市科委科技攻关项目“新型育苗苗床体系及配套育苗技术研究”（11dz1960200）

丁明（1979-），男，博士，主要从事工厂化育苗、园艺作物生理生态等方面的研究，E-mail：dingmingsjtu@163.com

黄丹枫，女，通信作者，教授，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2012-02-29