西瓜甜瓜生产关键环节机械化现状、存在问题及发展建议

王果 刘德江 陈晓 张晓 龚艳

摘    要： 我国西瓜甜瓜生产机械化起步晚、机械化程度低，生产效率低下，“机器换人”已成为西瓜甜瓜生产节本、提质、增效的必然需求。分析比较了国内外西瓜甜瓜生产中移栽、播种、施肥及病虫害防治等环节的机械化装备发展现状，指出目前国内西瓜甜瓜生产机械化存在的不足与短板，建议从改进规模化种植，强化产、学、研合作，加强农机农艺融合等方面提升我国西瓜甜瓜生产机械化水平，为西瓜甜瓜生产机械装备研发和应用提供参考。

关键词： 西瓜; 甜瓜; 机械化生产; 现状; 问题; 建议

中图分类号： S233.75+S651+S652 文献标志码： B 文章编号： 1673-2871（2021）12-118-07

Abstract： Due to the late beginning， low-level and poor efficiency of the mechanization of watermelon and melon production in China. “machine instead of manpower” has become an inevitable demand for cost saving， quality improvement， and efficiency increase in watermelon and melon production. In this paper， the development status of mechanization between domestic and abroad was analyzed and compared during the period of transplanting， sowing， fertilizing and pesticide application of watermelon and melon production. The shortage and disadvantage of mechanization in watermelon and melon production in China was indicated. Then， the advices of improving planting scale， strengthening Industry-University-Research Cooperation， reinforcing agricultural machinery and agronomy integration were proposed in order to promote the mechanization level of watermelon and melon production in China， and furthermore， to provide reference for the development and application of producing device of watermelon and melon.

Key words： Watermelon; Melon; Mechanized production; Current status; Problem; Suggestion

西瓜甜瓜產业作为劳动密集型产业，一直以来存在生产用工多、劳动强度大、机械化程度低等问题。国家统计数据显示，截至2019年，我国西瓜甜瓜总种植面积达193万hm2，占全年农作物总种植面积的1.1%，单位面积产量已达75.52 t·hm-2[1-2]。尽管我国农作物耕种收综合机械化率已达69%，主要粮食作物更是达到80%，但是西瓜甜瓜的耕种收综合机械化率仍然处于较低水平，仅为20%～30%[3-4]。目前已在西瓜甜瓜生产中大面积推广应用的主要为耕整地、植保、水肥一体化等通用型机械，而起垄、播种、移栽等环节因缺乏与西瓜甜瓜种植农艺要求相配套的专用机械，仍主要依赖于人工。人工作业不仅难以保证作业质量，并且无法满足规模化生产需求，尤其是随着我国农业“用工难”“用工贵”问题日益突出，西瓜甜瓜生产的经济效益不断下降，限制了西瓜甜瓜产业发展，“机器换人”已成为西瓜甜瓜生产节本、提质、增效的必然需求。

目前，西瓜甜瓜生产机械化主要环节包括：耕整地环节、种植环节、植保环节。（1）耕整地环节：露地西瓜甜瓜耕整地环节在用机具大多为铧式犁、旋耕机、开沟机等常规大田机械，缺乏与西瓜甜瓜不同栽培农艺相适应的起垄、施肥、铺管、铺膜复式作业机，机械化装备高效节本省工的优势难以发挥。（2）种植环节：在机械化播种方面，受西瓜甜瓜种子物料特性影响，采用已有的玉米、棉花、蔬菜等精量播种机进行西瓜甜瓜直播，存在空穴率、重播率（多粒率）及机械破碎率高等问题，无法满足西瓜甜瓜精量播种的要求，因而机械化播种在我国西瓜甜瓜实际生产中的应用并不多。在机械化移栽方面，由于现有蔬菜移栽机存在对大株型瓜苗的适应性差、旱地移栽成活率低、膜上移栽不具备种植穴堆土功能等问题，无法满足西瓜甜瓜机械化移栽要求，目前西瓜甜瓜移栽主要依赖于人工。（3）植保环节：西瓜甜瓜的病虫害防治目前主要采用背负式手动（或电动）喷雾器、担架式机动喷雾机等传统植保机械，而缺乏与西瓜甜瓜植株冠层特性及施药技术要求相适应的精准施药技术装备。背负式手动（电动）喷雾器、担架式机动喷雾机等传统植保机械不仅施药量大、喷雾不均匀、农药利用率低，并且药液流失严重，造成农田环境污染。爬地西瓜甜瓜叶片紧贴地面，使用传统植保机械，雾滴难以沉积于叶背，对白粉虱、霜霉病等病虫害的防治效果不理想，而吊蔓西瓜甜瓜大多数在温室大棚内，相对于大田，适用于设施农业的植保机械种类较少。尽管喷杆喷雾机、植保无人机等高效植保机械已开始应用于新疆、甘肃等地露地西瓜甜瓜病虫害的规模化防治，但瓜田封行后，喷杆喷雾机下田作业极易造成瓜蔓的机械损伤;而植保无人机强大的下洗气流易导致雾滴飘移，大大降低防治效果，从而影响西瓜甜瓜生长及产量。

1 国内西瓜甜瓜生产关键环节机械化现状

在移栽技术方面，随着现代农业机械的发展，农业生产对农机作业、穴盘育苗移栽农机作业对自动化和精准化的需求越来越高，已经成为育苗移栽领域的一个研究方向。新疆农业大学机电工程学院[5-7]针对目前使用压缩基质的钵苗无法在现有移栽机上完成移栽作业的问题，研制了一种半自动压缩基质型西瓜钵苗移栽机（图1-a），该机具包含了间歇式打穴装置、持苗栽植装置和钵体苗输送装置。试验结果表明在2.1～2.6 km·h-1作业速度时，移栽平均株距为98.6 cm，合格率达90.62%，倒伏率为21.9%，配套的钻穴器的孔距、孔深合格率达95%以上，孔径合格率达90%以上，三者变异系数分别为3.2%、5.1%、5.2%，打孔一致性较好，可基本满足西瓜钵苗移栽要求。东北农业大学工程学院[8-9]针对西瓜钵体苗茎秆纤细、大株冠造成的取秧、输送过程中秧苗脱落和子叶损伤等问题，设计了一种夹护式西瓜钵体苗自动移栽机构（图1-b），通过探入式取钵移栽，实现了保护秧苗茎冠及形态，提高了移栽合格率。该机构为由非圆齿轮、取钵机构、护苗机构组成的末端执行器，通过动力源驅动取钵机构与夹护机构，实现两者同步运行。对该样机进行的移栽试验表明，其取苗成功率较普通的探入式移栽机构提高5%，栽植成功率提高7.5%，栽植优良率提高15%，性能指标可满足旱地移栽要求，护苗机构显著提高了移栽质量，减少了秧苗脱落与子叶损伤。

在精量播种技术方面，国内高校、科研院所及企业研制了适宜西瓜甜瓜种子的专用的排种器，提高了西瓜甜瓜种子播种效率和质量，降低重播率与漏播率。吉林农业大学工程学院[10]设计开发了一种适用于甜瓜种子穴盘播种的气吸式穴盘苗播种器（图2-a），该装置基于负压吸种、整盘对穴的工作原理，通过风机产生的负压将种子吸到吸种盘上，吸种盘摆动至穴盘上方，实现放气投种，其吸种盘下表面的针孔吸嘴间隔与位置和穴盘匹配一致，可实现整盘对穴，精确落种。试验表明，该设备吸嘴与种子间距为0.5～1.0 mm时，吸种率可达到97%，满足穴盘育苗精量播种的要求。宁夏大学[11]针对目前压砂西瓜主要依靠人力完成种植，劳动强度大、生产效率低的问题，设计开发了集播种、施肥、灌溉为一体的作业机械（图2-b），该装备主要由播种机构、分石器、行走轮、排肥灌溉机构组成，通过拖拉机牵引，行走轮在地面滚动时，通过链轮传动，带动排种器、排肥和灌溉机构转动，可精准有效控制播种间距，行走轮转动一周，完成一次播种、施肥、灌溉作业。田间播种试验表明，当牵引速度为1.5～2.0 m·s-1时，播种效率为1.07～1.44 hm2·h-1，较当地人工播种效率提高10倍以上，且大大降低了劳动强度。

在西瓜甜瓜施肥技术方面，目前国内西瓜甜瓜种植合作社、农机制造企业及高校等机构的研究重点在于提高施肥作业效率、精确控制施肥量、灌溉施肥共同作用，达到了高效、精准、优质的效果。贵州大学[12-13]针对水肥一体化技术中的混肥系统（图3-a）进行了流场仿真分析及系统性能试验，运用Solid Works建立了三通旁路吸肥式施肥机的混肥系统模型，并基于FloEFD流体力学分析软件模拟混肥系统的运行。田间测试试验表明：在2.2 kW抽吸泵作用下，该混肥系统可实现对水及单元素液肥的稳定均匀吸取，左中右三通道吸肥量试验值与仿真值误差分别为1.82%、1.97%、2.06%，为水肥一体化设备定量定比施肥提供了设计参考依据。山东滨州市农业机械化科学研究所[14]针对自主研发的大容量有机肥施肥机（图3-b）的下螺旋破碎机构、撒施圆盘，基于Solid Works的Simulation模块，建立有限元分析模型，进行了静应力分析和模态分析，通过分析这两种关键部件固有频率与外界激振频率特点，研究其在路面运输和工作状态下产生共振的可能性。仿真分析表明：下螺旋破碎机构及撒施圆盘的固有频率与外界激振频率无重叠，共振可能性低;田间技术指标试验表明：施肥机施肥幅宽4.5 m，横向均匀度变异系数21.3%，纵向均匀度变异系数13.8%，施肥量变异系数3.6%，作业效率3.6 hm2⸱h-1。

在病虫害防治技术方面，国内研究重点在于实现自动化，提升作业效率，降低人力劳动强度。针对设施蔬菜病虫害防治常用的背负式喷雾器雾滴大、跑冒滴漏严重、农药利用率低、防治效果差的问题，北京市植物保护站[15]开发了一种设施专用的新型常温烟雾施药机械JT 3YC1000D-Ⅲ背负式高效常温烟雾施药机（图4-a）。该施药装备由移动线缆小拖车和背负式烟雾施药机两部分组成，通过雾化器高速气流与特殊喷嘴结构形成高速涡流场，喷出的烟雾状农药喷幅达15 m以上，雾滴平均粒径降低至50 μm左右，较常规背负式喷雾器农药利用率提高30%以上;正常行走速度下，667 m2施药量5～15 L，667 m2施药时间5～10 min;农业农村部南京农业机械化研究所[16-17]针对设施吊蔓种植模式的甜瓜生长中后期植保作业难题，研制了一种电动履带式立式喷杆喷雾机（图4-b）。该机具主要有履带式行走系统、喷杆高度调节系统、喷杆平衡系统、喷雾系统、电控系统和遥控器组成，通过遥控器控制机具行走、喷杆升降、喷雾作业。该机具的实验室试验与田间试验结果表明：各喷头流量变异系数低于10%，不同高度雾滴粒径变异系数低于15%，叶片上雾滴密度大于25个·cm-2，沉积量大于0.3 μg·cm-2，喷雾效果可满足设施吊蔓甜瓜的施药作业。

2 国外西瓜甜瓜生产关键环节机械化现状

国外在西瓜甜瓜生产机械化方面起步较早，机械装备的应用比国内更成熟。在移栽技术方面，日本井关农机公司[18]（ISEKI AGRIC MACH MFG CO LTD）针对传统移栽设备上苗盘输送机构结构复杂，且苗盘在输送装置上左右水平方向输送时，由于苗盘自重而导致移栽机左右配重不平衡，幼苗栽种位置出现偏移等不稳定的问题，研发了一种全自动幼苗移栽装备（图5），与传统的全自动移栽机相比，该移栽装备由一组托盘输送机构、取苗机构及栽植机构组成，该移栽装备将托盘卷成圆筒状，通过托盘输送机构将卷成圆筒状的托盘螺旋传输，输送过程中托盘的单元格依次对准取苗器，从而使苗盘单元格中的秧苗落入取苗器中。该移栽装备简化了苗盘输送机构，提高了可操作性和维修的便利性，降低了苗盘输送机构的生产成本，同时实现了平稳均匀的移栽，提高了移栽的位置精确度，还可用于不同间距单元格苗盘的移栽。

在精量播种技术方面，俄罗斯学者[19-20]研制了2种适用于蔬菜及瓜类种子的精量播种机构。一种为犁刀精量深播机（图6-a），该机具通过横梁与平行四边形连杆机构相连，其前端为一空心法兰圆柱形状的圆盘刀，该圆盘刀通过一倾斜角度可调的支架与横梁连接，圆盘刀后为楔形开沟装置，开沟装置前沿部分设计成抛物线形，开沟装置后方为弹性材料制成的排种器，其由两个反向联接的截锥组成一个楔形滚筒结构，在楔形滚筒连接处形成一个排种槽，并与种箱排种管相连。另一种为可实现单粒播种的精量播种机（图6-b），其排种装置形状为一个垂直安装的带有勺状单元格的圆盘，每个勺状单元格留有一个与播种种子形状尺寸相匹配的开口，并通过排种导管与圆盘相连，排种导管管径大于最大种子粒径的2倍，排种管另一端与安装于固定支架上的集种器相连，并通过导种器与铧式犁连接以实现落种。作业时，通过地轮驱动圆盘，并通过导种器将种子落入土壤中。这两种播种机构均可高效实现瓜类种子的精量播种。Abdolahzare和Zahra Mehdizadeh[21]等学者运用基因编程算法和圖像处理技术，在实验室条件下进行气动播种机的性能试验，建立了用于种距均匀性评估的非线性数学模型。其针对玉米、蓖麻、高粱、甜菜、西瓜和黄瓜种子，在2.5～4.0 km⸱h-1及6.0～8.5 km⸱h-1 2种作业速度区间及不同气压条件下，通过检测喂入质量指数、种距精度、重播和漏播指数，获得最佳播种效果时的作业参数，其试验结果见表1;另外，为探究影响气动装置性能的播种作业参数与种子物理性质间的关系，通过基因编程算法建立了可包含所有种子物理性质和作业参数的回归数学模型，该数学模型通过相关系数R2、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）等参数清晰表述了试验因素对种距均匀度的影响，数据表明，该数学模型的关联系数P值为2.985 1×10-17，具备统计学上的显著性。通过基因编程算法得到的该回归数学模型不仅能获得更高相关系数，而且还可表达影响气动装置性能的上述两项作业参数与种子物理性质之间的关系。

在病虫害防治技术方面，日本学者Yamane，Miyazaki等[22-23]研制了一种低浓度、大容量的静电感应喷雾系统，旨在通过降低化学农药的用量、缩减田间病虫害防治作业时间，来达到降低蔬菜生产成本的目的。该系统核心部件为静电感应充电设备，形状为环绕于大流量液力喷嘴的环形感应充电电极（图7-a），该充电设备在4 kV充电电压下，空心圆锥喷头流量在1.0～2.6 L⸱min-1时，雾滴荷质比可达-0.30～-0.45 mC⸱kg-1。基于上述环形感应充电设备，研制了两种静电喷雾装备（图7-b、7-c），其中一种为适用于卷心菜施药的喷杆喷雾机，田间试验表明，可较传统施药方式节约30%的用药量;另一种为温室甜瓜施药机器人，试验表明，有效作业效率为0.038 hm2·h-1。

3 存在的问题

近年来，国内高校、研究机构等单位在提高西瓜甜瓜生产机械化水平、降低人工作业强度、增加作物产量、提升产品质量等方面开展了大量的创新性研究工作，研制了具有针对性的机械装备，取得了丰硕成果，但与国外西瓜甜瓜生产机械化的发展现状相比，我国的机械化生产设备目前仍主要存在如下问题：

（1）自动化、智能化程度较低。与西瓜甜瓜机械化发展成熟的国家相比，目前我国西瓜甜瓜生产过程机械装备还是以手动、半自动为主，生产过程中还需辅以较大的劳动力，且智能化作业程度低导致作业精度较差，从而使得机具作业效果不理想，难以完全满足西瓜甜瓜种植所需农艺要求，影响后续作业环节机具的衔接与配套。

（2）规模化、集成化程度较低。目前我国西瓜甜瓜种植模式以个体农户为主，种植规模偏小，规模化的种植模式占比较低，且种植地域跨度大，从干旱少雨的西北内陆到高温潮湿的海南均有西瓜甜瓜种植，不同种植地域间巨大的气候差异，使种植模式存在较大差异性，难以形成一套普适性的标准化、规范化种植模式，而不同种植模式对机械装备的需求各不相同，对于机械装备生产制造企业而言难以实现批量化生产，利润微薄，从而制约了西瓜甜瓜生产机械装备向着标准化、规模化的方向发展。

4 发展建议

针对当前我国西瓜甜瓜生产机械化存在的上述问题，提出如下几点发展建议：

（1）发展规模化种植。通过土地流转、成立合作社等方式，将散户种植转变为集中种植，大力提升西瓜甜瓜种植的规模，以规模化、集成化的种植模式，为机械化生产作业提供条件与基础，降低机械化作业成本，促进机械化生产的发展。

（2）强化产、学、研合作。针对目前西瓜甜瓜种植过程各环节中目前机械化程度低、人工作业量大、作业效率低、难以实现机械化的薄弱环节，采取产学研合作模式，加强高校-科研院所-生产企业间的合作，联合攻克关键技术难题，突破瓶颈，创新机械化生产新技术，研制具有适用性、针对性的装备，提高西瓜甜瓜种植生产效率、降低生产成本，改进各环节作业质量。

（3）提高农机农艺融合水平。广泛调研不同地域的西瓜甜瓜种植模式，从农机农艺融合的角度出发，为不同种植模式的西瓜甜瓜机械化作业提供保障，通过创新西瓜甜瓜栽培种植模式，以适应不同环节机械化作业需求;同时，创新研制机械化作业装备，以满足不同种植模式下的机械化作业需求，促进作业机具和种植农艺间的匹配程度，提升机械化作业水平。

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