李芝茹，吳曉峰，2*，李全罡，2，羿宏雷，2，曹曦明，張北航，李時(shí)舫，2

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091)

加強(qiáng)林業(yè)建設(shè)是改善生態(tài)環(huán)境、創(chuàng)建生態(tài)文明的重要措施[1-2]。林木種苗嫁接能夠在保持良種接穗性狀的同時(shí)，充分利用砧木的優(yōu)良性狀，從而增強(qiáng)栽培品種的適應(yīng)性和抗逆性，擴(kuò)大苗木的栽培范圍或降低生產(chǎn)成本[3]。嫁接技術(shù)最早起源于我國(guó)，在1925年的日本出現(xiàn)了用于蔬菜瓜果培植中的嫁接技術(shù)[4-5]。隨著我國(guó)改革開(kāi)放進(jìn)程的深入和農(nóng)林培育技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)70～80年代，嫁接技術(shù)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展[6]，在林業(yè)行業(yè)中更是得到了廣泛的應(yīng)用。例如目前在我國(guó)城市園林綠化中廣為應(yīng)用的垂枝榆(Ulmuspumila‘tenue’，又名龍爪榆，榆科榆屬，屬亞喬木落葉樹(shù))，其生長(zhǎng)快、耐鹽堿、形態(tài)優(yōu)美、樹(shù)冠茂盛，來(lái)源于1974年新疆林業(yè)廳組織的科研人員從甘肅地區(qū)采集的種條，與白榆嫁接后的榆科垂枝型品種，在東北、西北、華北等地區(qū)均有分布[7]；同樣廣泛應(yīng)用于城市綠化的大葉榆(Ulmuslaevis，薔薇目，榆科榆屬)，不但耐干旱、低溫，還具備抗風(fēng)沙、高溫等優(yōu)良特性，最初亦是通過(guò)嫁接培育而來(lái)[8]；嫁接技術(shù)也應(yīng)用于很多優(yōu)質(zhì)的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，如具有悠久栽培歷史的木本油料作物油茶，大面積生長(zhǎng)在我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)的高山及丘陵地帶，作為我國(guó)特有的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種能產(chǎn)出純天然的高級(jí)油料。而油茶良種苗木的主要來(lái)源就是嫁接培育，其具有抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，造林成活率可高于90%[9]。嫁接技術(shù)的應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)油茶良種化、適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的要求、提高其經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用[10]。同時(shí)，嫁接技術(shù)被更多的應(yīng)用于果樹(shù)的培植中，包括種內(nèi)嫁接如嫁接核桃、櫻桃、山桃等，還有種間嫁接如蘋(píng)果樹(shù)與梨樹(shù)、梨樹(shù)與蘋(píng)果樹(shù)分別作接穗、砧木培育出來(lái)的蘋(píng)果梨、梨蘋(píng)果等。有關(guān)嫁接技術(shù)的要點(diǎn)和方法也在逐步的發(fā)展和完善，以下詳細(xì)介紹嫁接培育原理、方法，油茶嫁接機(jī)的發(fā)展等。

1 苗木嫁接原理及主要方法

1.1 苗木嫁接原理

嫁接(grafting)作為一種人工營(yíng)養(yǎng)繁殖方法，即人為的、有目的地將一株植物上的枝條或芽等組織，接到另一株帶有根系的植物的枝、干或根上，使這個(gè)枝條或芽能夠接受后者的營(yíng)養(yǎng)，最后愈合生長(zhǎng)在一起形成新的植株[11]。其中，選取的枝條或芽稱(chēng)接穗，帶有根系的苗木稱(chēng)砧木，如圖1所示。嫁接后的苗木成活與否的關(guān)鍵在于愈傷組織的形成：即切取的接穗嫁接到砧木上以后，在愈傷激素刺激下二者的接觸面(及削穗、切砧的傷口處)周?chē)?xì)胞及形成層細(xì)胞分裂旺盛，逐漸形成愈傷組織。砧木和接穗間的間隙被不斷增加的愈傷組織填滿(mǎn)，其薄壁細(xì)胞相互連接使二者的形成層逐漸連接起來(lái)。隨后愈傷組織繼續(xù)分化，向內(nèi)形成新的木質(zhì)部、向外形成新的韌皮部，其導(dǎo)管和篩管也逐漸聯(lián)通，最后接穗和砧木結(jié)合為一體形成新的植株。

圖1 嫁接示意圖(插接法)

在此過(guò)程中，接穗和砧木的親和力(graft affinity)是影響愈傷組織形成的關(guān)鍵。實(shí)際嫁接操作中，接穗和砧木的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、遺傳和生理特性越相近，其親和力越強(qiáng)，嫁接愈合性越好，成活率越高，生長(zhǎng)發(fā)育越正常。

1.2 影響嫁接成功率的主要因素

除接穗和砧木親緣關(guān)系外，不同的嫁接類(lèi)型、嫁接溫度(包括氣溫、土溫)、接口濕度、氧氣含量、光照強(qiáng)度、砧穗質(zhì)量、技術(shù)手段等都不同程度地制約著嫁接的成敗。

應(yīng)根據(jù)具體不同的嫁接項(xiàng)目擬定相應(yīng)的嫁接方法，一般雨季、大風(fēng)天氣不適于嫁接；嫁接氣溫以20～25℃為宜：不同樹(shù)種和嫁接方式對(duì)溫度的要求有差異(土溫不高于氣溫即可)。如核桃嫁接后形成愈傷組織的最適溫為26～29℃[12]。葡萄室內(nèi)嫁接的最適溫度是24～27℃，超過(guò)29℃時(shí)細(xì)胞分裂形成的愈傷組織柔嫩、栽植時(shí)易損壞，低于21℃則愈合組織形成緩慢[13]。接口保持一定濕度利于愈傷組織的形成，但不要浸入水中，同時(shí)接口應(yīng)避免接觸空氣以防止有害細(xì)菌介入。氧氣在愈傷組織的形成過(guò)程中起著舉足輕重的作用，尤其對(duì)好氧型的樹(shù)種。如葡萄硬枝嫁接時(shí)，接口宜稀疏的加以綁縛，不需涂蠟[13]。一般說(shuō)來(lái)光線對(duì)愈傷組織的生長(zhǎng)有抑制作用，因此嫁接好的苗木應(yīng)做避光處理；接穗和砧木發(fā)育完好、貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足時(shí)，嫁接更易于成活，因此應(yīng)精選砧木苗和穗木苗；而傳統(tǒng)意義上的嫁接是純手工作業(yè)，這就要求操作人員要做到快、平、準(zhǔn)、緊和嚴(yán)。即動(dòng)作速度快、削面平、形成層對(duì)準(zhǔn)、包扎捆綁緊、封口嚴(yán)；但是隨著科技的進(jìn)步和嫁接技術(shù)的完善，越來(lái)越多的科技元素嵌入到嫁接技術(shù)中，使嫁接過(guò)程中的變量可控性加強(qiáng)，如根據(jù)相應(yīng)嫁接方法研發(fā)嫁接機(jī)等，將在以下篇幅討論。

1.3 主要的嫁接方法

根據(jù)切取穗木類(lèi)型的不同，大致將嫁接方法歸為芽接法、枝接法和根接法三大類(lèi)。

其中芽接法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便、嫁接速度快，砧木和接穗取材方便(一年生砧木苗即可)，且易愈合、接合牢固、成活率高，適于大量繁殖苗木。根據(jù)芽接時(shí)對(duì)砧木切口的不同大致將其分為T(mén)形芽接、I形芽接、方形芽接、套芽接、開(kāi)槽芽接、嵌芽接和帶木質(zhì)芽接等方法，如圖2所示。

枝接法是指直接將帶有若干芽的枝條接到砧木上，其優(yōu)點(diǎn)是成活率高、嫁接苗生長(zhǎng)快。在砧木較粗、砧穗均不離皮的前提下多用枝接法，但操作較為復(fù)雜、耗用接穗較多，對(duì)砧木要求較高，適于個(gè)別珍貴植株嫁接或在秋季對(duì)春季芽接未成活的苗木進(jìn)行補(bǔ)接。枝接法一般包括劈接、切接、靠接、舌接、腹接、合接和插接等。

圖2 常用林木嫁接方法

根接又稱(chēng)掘接，是以根系作砧木直接在其上嫁接接穗。其中用作砧木的根可以是完整的根系或一截根段。選好穗木苗后用劈接、嵌接、插皮接等方法進(jìn)行嫁接[14]。在板栗、桑樹(shù)和個(gè)別果樹(shù)嫁接中有過(guò)應(yīng)用，易于生根、成活率高，但操作較為繁瑣，在花圃嫁接中較為常見(jiàn)[15]。

2 嫁接機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及油茶嫁接機(jī)的發(fā)展

2.1 自動(dòng)嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

嫁接過(guò)程屬于植物無(wú)性生殖中的營(yíng)養(yǎng)繁殖，其繁殖系數(shù)大，便于苗木大面積生產(chǎn)和推廣種植。但原始的嫁接技術(shù)嫁接效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，因而現(xiàn)代的嫁接作業(yè)大多結(jié)合機(jī)械和自動(dòng)化等技術(shù)，如開(kāi)發(fā)適于各種作物的嫁接機(jī)。

適用于蔬菜的嫁接機(jī)，早在20世紀(jì)就已被研制出來(lái)。1986年日本井關(guān)農(nóng)機(jī)公司研發(fā)了適用于瓜科、茄科蔬菜的GR800B/T型半自動(dòng)嫁接機(jī)，嫁接效率為800株/h，隨后1993年日本洋馬農(nóng)機(jī)公司研發(fā)出適用于瓜科蔬菜的AG1000型全自動(dòng)嫁接機(jī)，嫁接效率1 000株/h，適于茄科蔬菜的600T型全自動(dòng)嫁接機(jī)，嫁接效率600株/h[16]。以上嫁接機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)較為笨重，自動(dòng)化程度高但價(jià)格高昂。而此時(shí)韓國(guó)TGR研究所研究出的半自動(dòng)機(jī)械嫁接機(jī)體積小巧、價(jià)格低廉，但嫁接效率僅為310株/h。

我國(guó)嫁接機(jī)的發(fā)展也較為迅速，1998年中國(guó)農(nóng)大張鐵中教授研發(fā)的2JSZ-600型蔬菜嫁接機(jī)，如圖3(a)所示，實(shí)現(xiàn)了砧木苗、穗木苗的自動(dòng)送苗、切削，上嫁接夾等操作，采用貼接式嫁接法，嫁接效率600株/h[17-18]。類(lèi)似的嫁接機(jī)器人湖南大學(xué)也展開(kāi)過(guò)研究，都取得了一定程度的進(jìn)步[19]。針對(duì)我國(guó)蔬菜生產(chǎn)模式和勞動(dòng)力富足的現(xiàn)狀，2005年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出2JC-350型插接式自動(dòng)嫁接機(jī)，如圖3(b)所示，該嫁接機(jī)適用于瓜類(lèi)蔬菜，可自動(dòng)完成砧木夾持、切除生長(zhǎng)點(diǎn)、砧木打孔，接穗夾持、切削，砧木接穗對(duì)接等動(dòng)作，生產(chǎn)率為350株/h[20-22]。而市面上的嫁接設(shè)備多是針對(duì)蔬菜的良種嫁接，較少適用于林木種苗的嫁接，因此適用性更廣的自動(dòng)嫁接設(shè)備還有待開(kāi)發(fā)。

圖3 常見(jiàn)的蔬菜自動(dòng)嫁接機(jī)

2.2 油茶嫁接機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用情況

很多嫁接機(jī)僅適用于瓜科、茄科等蔬菜嫁接，而在林業(yè)很多方面也有嫁接需求，用以對(duì)果樹(shù)、花木進(jìn)行優(yōu)化生產(chǎn)、低質(zhì)低產(chǎn)林改造等。根據(jù)需要酌情選取接穗和砧木以調(diào)節(jié)樹(shù)種、樹(shù)勢(shì)，使其矮化或喬化，以滿(mǎn)足實(shí)際栽培或消費(fèi)上的不同需求。

油茶(CamelliaoleiferaAbel)作為茶科的常綠灌木或中喬木，其苗木枝芽木質(zhì)化程度較高，較蔬菜枝芽粗壯，因此用蔬菜嫁接機(jī)進(jìn)行油茶嫁接作業(yè)難度較大。針對(duì)油茶培育生產(chǎn)需求，加強(qiáng)油茶良種化程度以增加其經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到油茶嫁接機(jī)的開(kāi)發(fā)與研制工作中[10]。如趙金英[23]等將PLC技術(shù)應(yīng)用到嫁接機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，劉世春、劉明剛等通過(guò)分析應(yīng)用TRIZ理論建立場(chǎng)模型和沖突矩陣，由此進(jìn)行對(duì)油茶嫁接機(jī)的深入研究[24]。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，更多的應(yīng)用現(xiàn)代化仿真技術(shù)，以避免其機(jī)構(gòu)不合理產(chǎn)生機(jī)械干涉、運(yùn)動(dòng)受阻等，如羅輝[25]等在嫁接機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用0penGVS軟件，建立靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)以直觀顯示設(shè)計(jì)情況，防止機(jī)械干涉和結(jié)構(gòu)不合理[9，11，21]。

3 BYJ-800型油茶嫁接機(jī)

BYJ-800型油茶嫁接機(jī)結(jié)合了機(jī)械加工、無(wú)線傳感、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)模擬等多種技術(shù)，更能適應(yīng)油茶苗木的嫁接需求，適用于不同領(lǐng)域的自動(dòng)嫁接機(jī)正逐步被開(kāi)發(fā)研制。

2013年，哈爾濱林機(jī)所開(kāi)發(fā)研制的BYJ-800型油茶嫁接機(jī)，經(jīng)過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、校核后應(yīng)用Pro/e軟件進(jìn)行嫁接機(jī)的動(dòng)、靜態(tài)仿真，優(yōu)化其機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該嫁接機(jī)采用電控、氣動(dòng)結(jié)合PLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人工上苗。該油茶嫁接機(jī)可完成對(duì)砧木苗和穗木苗的自動(dòng)夾持、切削、嫁接、固定，并自動(dòng)完成硅膠苗夾的輸送及嫁接苗木的運(yùn)送。經(jīng)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，調(diào)試其機(jī)械部分、傳感部分、控制部分的功用，最后整機(jī)完成。該油茶嫁接機(jī)實(shí)物如圖4所示。

圖4 BYJ-800型油茶苗木嫁接機(jī)

該BYJ-800型油茶嫁接機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)，采用硅膠苗夾固定苗木，取代傳統(tǒng)的鋁箔包扎，降低了嫁接成本、減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)樣機(jī)調(diào)試，該油茶嫁接機(jī)生產(chǎn)率可達(dá)到800～1 200株/h，夾持機(jī)構(gòu)對(duì)苗木軸徑取值適用范圍 2～5 mm，更提高了適用的廣泛性。切削機(jī)構(gòu)動(dòng)作快捷、可靠、流暢，處理后的苗木切口光滑。硅膠苗夾質(zhì)地柔軟，利于降低嫁接苗木水分的流失，促進(jìn)愈傷組織的形成。同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，易于維修，造價(jià)低廉。不但提高了嫁接作業(yè)的工作效率，還大大降低了嫁接成本，提高了嫁接苗木的成活率，促進(jìn)嫁接苗木的規(guī)?；a(chǎn)，更能適應(yīng)社會(huì)對(duì)苗木良種的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

嫁接作為良種育苗的主要技術(shù)手段，林業(yè)中常用嫁接技術(shù)進(jìn)行果樹(shù)、花木的優(yōu)化生產(chǎn)、低質(zhì)低產(chǎn)林改造等。根據(jù)需要選取接穗和砧木來(lái)調(diào)節(jié)樹(shù)種、樹(shù)勢(shì)，以滿(mǎn)足實(shí)際栽培或消費(fèi)上的不同需求。實(shí)際作業(yè)中可根據(jù)其原理和適用范圍選取不同的嫁接方式，以提高苗木的適應(yīng)性和抗逆性，實(shí)現(xiàn)苗木的大面積生產(chǎn)和推廣種植。尤其嫁接機(jī)的研發(fā)和使用更進(jìn)一步提高了嫁接作業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率和苗木成活率，如用于蔬菜嫁接的2JSZ-600嫁接機(jī)和2JC-350型插接式自動(dòng)嫁接機(jī)等。近年來(lái)涌現(xiàn)的油茶嫁接機(jī)如BYJ-800型劈接式油茶苗木嫁接機(jī)，在提高嫁接效率和降低嫁接成本中起著一定的作用。而性能更優(yōu)越、自動(dòng)化程度更好、適用性更強(qiáng)、智能化程度更高，將是今后嫁接機(jī)主要的發(fā)展趨勢(shì)。

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