根莖類中藥材生產全程機械化發展現狀

蔡龍基，劉克福，李青濤，廖 敏，趙曉冬

(西華大學機械工程學院，現代農業裝備研究院，四川 成都610039)

0 引言

我國常用中藥材有600多種，其中約50%已實現人工種植，面積達220萬hm2。根據氣候特點，我國中藥分為7大種植產區：東北產區占全國種植總面積的5%，主要品種有人參和鹿茸；華北產區占總面積的7%，主要品種有黃芪和黨參；華東產區占總面積的11%，主要品種有杭白芍和杭麥冬；華中產區占總面積的16%，主要品種有懷山藥和懷地黃；華南產區占總面積的6%，主要品種有何首烏和佛手；西南產區占總面積25%，主要品種有麥冬和川芎；西北地區占總面積的30%，主要品種有當歸和枸杞。以四川為例，根據《四川省中藥材產業發展規劃(2018—2025年)》統計，四川有川芎、川貝母和附子等道地藥材共86種，其中根莖類共45種，占比52%。根莖類中藥材無論是在醫療領域還是日常生活保健中都被廣泛應用。如家中常備預防感冒的板藍根顆粒，人們日常食用的山藥，以及用以調味的生姜、大蒜等，都屬于根莖類中藥材?！端拇ㄊ≈兴幉漠a業發展規劃(2018—2025年)》中提到，重點種植的67味中藥材中根莖類有37類，占比56%，可見根莖類中藥材十分重要[1]。

根莖類藥材的機械化種植依然存在挑戰，其種植部位的多樣性及收獲時對藥材完好性的嚴格要求使該類中藥材的機械難以通用化，研究專用機械費時費力，因此總體機械化程度較低且發展緩慢。此外，不同地域機械研發的難易程度不同，導致了機械化發展的區域不平衡。本文主要分析了當前根莖類中藥材機械化種植各個環節的相關研究及成果，并提出相應建議，希望為解決當前根莖類中藥材生產機械化難題提供新思路。

1 關鍵環節技術要點

1.1旋耕整地環節

在農機農藝深度融合的大趨勢下，耕整地作為種植前的關鍵一步，對農藝具有一定要求。根莖類藥材一般種植于沙壤土中，并且一些根部較長的根莖類藥材如黃芪、甘草還需要土地深耕，整地要求翻耕到適當土壤濕度，整平耙細，使地平整、土地松軟、上松下實。結合整地撒施或條施糞肥，底肥量要施足，多施腐熟農家肥、復合肥及生物有機肥[2]。一般來說，根莖類藥材的根部大部分分布在0～20 cm深的土壤中，小部分分布在20～50 cm的土層，因此深耕可以實現增產。但耕種深度取決于中藥材的品種，如甘草、黃芪和牛膝等根部較長的藥材，至少應翻耕30 cm；貝母、半夏類淺根藥材，只需翻耕15 cm即可；一般長度藥材翻耕20 cm左右就能保證良好生長[3]。

根莖類中藥材耕地機械與普通作物通用，如圖1所示，藥材的深耕深度由其品種而定。在機具操作上應保持直行，以減少工作阻力。由于田間作業振動大，工作環境條件差，雜草殘膜等會不時卷入機具中，因此應選好工作擋位，并及時清理機具，避免造成卡死或內部損壞。一般流程為先用翻轉犁或深松機進行適量的深耕松土，適量暴曬一段時間后進行施肥，接著利用旋耕機對施肥土地進行旋耕碎土和作畦，便于后續栽種[4]。

圖1 旋耕機Fig.1 Rotary cultivator

1.2鋪膜種植環節

根莖類中藥材對于栽種的時間季節性要求較高，適時栽種能有效提高藥材質量。如當歸種植時間過早，會造成苗齡過大，早起抽薹率明顯提高，影響生產效率[5]。應采用科學的種植技術，合理密栽是提高產量又不影響質量的有效途徑，通過檢測不同根莖類藥材的合理密植程度能幫助從業人員實現增產增收。陳菁瑛等[6]探究了不同種植密度對短葶山麥冬生長動態及產量質量的影響，研究發現種植密度對塊根的含糖量影響不大，卻對產量影響異常顯著，結果顯示每叢6株、33萬叢/hm2是最適宜的種植密度。胡倩倩等[7]研究了不同種植密度和施肥量對川續斷生長及產量和品質的影響，得出川續斷地上部分受栽植密度的影響較小，而地下部分影響顯著，適當減少種植密度可促進根部發育，使根長、根粗、根質量和根冠比得到顯著提升，但會減少產量，最佳行株距為25、30 cm，最佳密度為39萬株/hm2，肥料對于川續斷整體生長皆有促進作用，復合肥用量會影響產量，因此應合理使用復合肥，結論提出能保證品質和產量的最佳施肥量為有機肥2 130 kg/hm2和復合肥660 kg/hm2。

播種分為種子直播、塊莖播種和種苗移栽，種子直播一般開溝深1～2 cm，塊莖繁殖開溝深5～6 cm，而育苗移栽需要10 cm左右。吳靜等[8]介紹了種繩播種技術，利用氣吸式種繩纏繞機，將種子用種繩進行包裹，播種后種繩可融化并對土地無污染，同時利用立式覆膜直播保苗技術和膜下滴灌技術，采用一系列機械化配套技術，大大提升了出苗率與防風的品質，同時降低成本，提升經濟效益，平均可節省成本3萬元/hm2。

目前，中藥材的種植機械化程度較低，實現機械化種植能大力提高生產效率，增產增收。郭海燕[9]對2味中藥分別以機械種植和人工種植的方式計算成本，機械化種植均可降低成本，售價相同情況下，機械種植利潤增幅可達到20.2%和17.8%，具有廣闊的市場前景。對于特殊中藥材的播種機和移栽機的研發刻不容緩。張亞萍等[10]設計了一款中藥材種植機，主要由傳動機構、開溝機構、施肥機構和播種平土機構等組成，可實現播種和移栽，能一次完成開溝、播種、施肥和覆土鎮壓等聯合作業，為中藥材種植機械設計提供了切實有效的方案。

1.3田間管理環節

(1)除草。除草一般以機械噴藥和人工除草為主。機械耕地除草不易掌握耕深，根莖類中藥材的根系很脆弱，一旦破壞會直接影響其產量及品質，因此機械作業一般是噴藥除草[11]。噴藥機械可采用拖拉機配套的懸掛噴灌式噴霧劑，也可利用植保無人機進行噴藥，如圖2所示。無人機不受地理條件限制，并且農藥霧化程度高，噴灑范圍廣，可有效節約農藥用量，防止污染土地，也解決了人工噴藥不均勻、作業效率低等問題，值得推廣[5]。根莖類中藥材一般一年除草不得少于4次，在澆水和雨后需及時除草。

圖2 無人機噴藥Fig.2 UAV spraying

(2)追肥。根莖類藥材生長期需追肥3次，第1次在萌發后，第2次在花芽分化期，第3次在花后果前，冬季在休眠前還需施越冬肥[12]。此外，一些喜水藥材如天南星白及等要注意排灌水，旱季應及時澆水，澇期及時排水以避免倒伏與爛根。

1.4起膜收獲環節

收獲是根莖類中藥材種植機械化最重要的一環。正確的收獲方式不僅可以降低產品損失，還能節省勞動力、降低成本和增加收入[13]。

1.4.1農藝要求

根莖類中藥材種類繁多，其成熟期的尺寸大小與生物特性不盡相同，根莖類中藥材收獲期生長深度一般在5～60 cm，根莖有粗有細；有些根莖纖維多，木質性強，根莖結實，在機械采收時不易斷；有些含水率很高，非常嫩脆，機械采收時深度不夠容易斷裂破損。因此在機械化收獲時，對不同類型的中藥材采用不同的收獲方式，才能保證收獲的藥材品質[14]。此外，不同的收獲時節對收獲機械的機具配套要求也不同，80%的中藥材在晚秋初冬季節收獲，這個時節雨水較多，土壤濕度大，工作阻力較小，但相對土壤黏度較大，清選分離難度大，要求作業速度慢；20%的中藥材在春季收獲，且大部分是多年生長根莖類中藥材，春天雨水少氣候干燥，土壤板結阻力大，藥材和土壤的粘連嚴重，對駕駛員的操作技術和收獲機具的強度要求較高[15]。

中藥材收獲應適時收獲，保證藥材質量與產量。不同季節收獲采用不同的機具配套；挖掘深度應根據不同藥材適當調整，達到生長深度要求；保證較高的挖凈率與收獲后地表的平整性。

1.4.2操作要求

機械化收獲配套拖拉機一般為履帶式或輪式拖拉機，丘陵地區履帶式更佳，動力一般為36～66 kW，駕駛員選擇Ⅱ、Ⅲ擋位較合理，發動機轉速控制在1 500～2 000 r/min，前進速度在8～10 km/h，如速度過快，振動篩運動頻率過高，易導致運動件損壞。田間作業應盡量保證直線行駛，避免產生偏轉力矩，使收獲機械左右搖擺，影響作業效率和作業質量。在轉彎掉頭時，需先抬起機具，避免帶作業負荷掉頭，產生較大扭矩，造成機具的變形損壞或加速磨損。保證拖拉機和作業機具在前進反向的同一中心線上，允許有2～6 cm范圍的左右游動。收獲前應及時清理殘膜和雜草，避免纏繞在機具上，造成阻力增大或損壞機具。適當增加驅動輪配重，添加配重鐵塊，使驅動輪附著力提高，避免因轉速加大時發生打滑[16]。

1.4.3收獲機械現狀

目前，有多種中藥材的收獲機型，如以薯類收獲機改制的根莖類收獲機，這種機具功能單一，用途較小，不能滿足不同根莖類中藥材的收獲要求，挖掘深度不夠，需要進行2次挖掘，沒有采集箱，需要進行人工撿拾，勞動強度大。也有專門研制的收獲機械，如山西研制的4SD-280型收獲機、黑龍江研制的4WZ-140型收獲機、甘肅研制的4WG-120型收獲機和4YW-160型收獲機，以及吉林研制的4GKJ-11型收獲機都存在一些問題。機具只能完成挖松工作，還需人工拔苗，工作效率低，只能滿足北方工作條件，不適用于在南方種植收獲[17]。還有以振動篩和鏈條加振動篩為主要部件的收獲機，可以一次完成挖掘、采集等工作，較大提高了工作效率，但機械容易出現故障[18]。河南研制的YJS-110型收獲機收獲的藥材干凈，能夠滿足農藝要求，但鏈式振動篩處容易夾石頭，一旦夾入石頭就會停止振動，使藥材無法篩出，只適合大地塊作業，振動篩連桿處也因負載過大易斷裂。JS-130型收獲機收獲當歸的效果較好，但收獲深度較淺，無法收獲根深藥材如黃芪，也只適用于大地塊[19]。4Y-160F型收獲機的拾凈率高，破損率低，且符合黃芪、黨參等長根莖類中藥材挖掘收獲的農藝要求[20]。

當前中藥材收獲機具按作業方式分為切割框架式和振動篩式。切割框架式收獲機如圖3所示[21]。主要機型有4Y-1600C型、4WGX-120/150型和4YW-160型。4Y-1600C型配套58.5 kW以上履帶式拖拉機，機型由動力連接裝置、機架和挖掘裝置組成，可一次完成切割分離作業，還可完成深松作業。4WGX-120/150型與東方紅802型履帶式拖拉機配套，結構包括機架、下加強拉桿、上加強拉桿、限深調節機構、矩形切割松土框架、梳齒式分離柵、懸掛架、吊耳和挖掘深松鏟，可完成深層破土、切割、松土和初級的藥土分離作業，適宜平地作業，適合挖掘黃芪、紅芪、甘草和黃芩等藥材。4YW-160型適宜收獲長根莖類，主要由限深機構、松土機構、分離機構和懸掛機構組成，機具升降由液壓懸掛控制，通過中央拉桿、下拉桿及限深機構實現對挖掘深度的調節。

圖3 切割框架式收獲機Fig.3 Harvester of cut frame type

振動篩式收獲機如圖4所示，主要機型有4Y-800型、4UY-1000型、4UY-1500型和4Y-1100A型[21]。4Y-800型由挖掘鏟、分離篩和限深裝置組成，配套動力25.7～33.0 kW，挖掘深度30～40 cm。

圖4 振動篩式收獲機Fig.4 Harvester of vibrating screen type

4UY-1000型配套動力40.4～55.1 kW拖拉機，挖掘深度20～40 cm；4UY-1500配套60.27～91.88 kW拖拉機，挖掘深度20～40 cm。4Y-1100A型由V型挖掘鏟、柵條式分離篩裝置、限深裝置和鋪放裝置組成，配套動力51.45～66.15 kW，挖掘深度20～40 cm[21]。

1.4.4收獲機械研究進展

目前，對根莖類中藥材采收類專用機械的研究仍在繼續。崔振猛等[22]著眼于西南地區機械化收獲三七難度大或無機械化收獲的現狀，設計了一款4SD-1700型懸掛式三七收獲機。該機型主要由機架、挖掘鏟和升運篩組成，工作幅寬1 700 mm，挖掘深度50～200 mm可調，采用3點懸掛連接36.75 kW東方紅拖拉機。利用解析作圖法與受力分析法對挖掘鏟進行分析，確定了挖掘傾角15°，鏟長350 mm；設定升運篩的線速度為0.7～0.9 m/s，分析得振動頻率為1.9～2.4 Hz。他們還以挖掘深度、升運速度、篩面傾角和前進速度為變量，以收凈率和損傷率為評價指標，進行試驗，得到最優參數組合，即當挖掘深度148 mm、升運速度0.8 m/s，篩面傾角15°和前進速度0.5 m/s時，收凈率為95.22%，損傷率為1.6%，滿足設計要求。

孫立峰等[23]設計了一款以齒排為主要工作部件的收獲機，齒排由數根齒桿組成，在液壓系統控制下，齒排完成垂直插入土下、左右移動切割土壤、向上翻起帶起藥材與土壤、齒排垂直向上移動、待人工撿拾后向下翻轉5個步驟。該機作業幅寬160 cm，挖掘深度60 cm，適用于挖掘中藥材與深松作業。

張順等[24]針對現有的收獲機挖掘阻力大，雜物分離不凈等問題，設計了一款以桔梗為收獲對象的根莖類中藥材收獲機。該機械主要由仿形輪、圓盤切刀、秧蔓輸送帶、挖掘鏟、振動分離篩、偏心塊、輸送帶和收集箱組成。首先，仿形輪帶動圓盤切刀隨田壟高低起伏一起運動，圓盤切刀使中藥材根莖與秧蔓分離，秧蔓輸送帶將秧蔓推至機械兩側，隨后挖掘鏟將整個壟挖起送至振動分離篩處，分離篩與偏心塊用連桿連接，隨偏心塊運動，并隨振動分離篩振動，從而分離藥材與土壤，藥材與剩余雜質送入輸送帶進行2次篩分，最終藥材進入收集箱完成收獲。根據桔梗的收獲方式確定了挖掘深度、挖掘寬度與行進速度等基本參數，應用相關設計理論確定了切割裝置、挖掘裝置與篩分裝置的結構和主要參數，并利用有限元分析對挖掘鏟進行了強度校核，整機挖掘深度300 mm可調，挖掘寬度1 000 mm，行進速度1.5～1.8 km/h，理論生產率0.12～0.15 hm2/h。

吳芳霞等[25]設計的收獲機主要由手扶拖拉機、旋切分離裝置、縱向犁地裝置、固定平臺和振動分離裝置組成。首先，由兩個旋向相反的旋切分離裝置將地上部分旋切至采挖地兩旁，縱向犁地裝置能犁地松土，并能將遺漏在采挖地的地上部分撥至兩旁，而后振動分離裝置負責采挖藥材，采用振動棒的方式篩除土壤與雜質，將藥材放入收集箱內。

王婧等[26]提出了一種收獲機設計方案，收獲機具包括上懸掛架焊合件、齒輪箱總成、三角架組件、左側板、傳動帶張緊裝置、主動軸組件、三角帶、主動軸張緊裝置、中間軸組件、后托鏈輪組件、左限位橇組件、前托鏈輪組件、被動軸組件、挖掘鏟組件、下懸掛板、下懸掛架焊合件、右側板、右限位橇組件、輸送鏈及支承梁組件。機具通過萬向傳動軸將拖拉機動力輸出軸與收獲機齒輪箱總成的動力輸入軸相連，形成作業機組，挖掘時鏟尖先入土，進行碎土后再挖掘，減少了挖掘阻力，中間軸鏈輪和托鏈輪可對輸送鏈產生振動作用，使輸送鏈篩除雜質，不用添加偏心裝置，簡化了結構，輸送鏈鏈輪上裝有套筒，減少了破損率。

孫葉強等[27]應用Pro/E對振動深松鏟進行了運動仿真分析，得到了鏟尖的運動軌跡曲線圖和數學模型，為以后優化設計提供了理論依據。

鞏自衛[28]針對收獲機的挖掘鏟進行了設計，使挖掘鏟帶有減阻功能，主要由鏟頭、鏟架、支撐軸、旋轉環和固定板組成，可與分離裝置直接銜接裝配，優點在于鏟刃較短可減少入土阻力，提升挖掘性能；鏟面裝有旋轉環，降低了摩擦阻力；鏟與鏟架螺釘固定可隨時更換；尾部柵條與鏟架焊接，具有藥土分離的作用。

由上述研究可見，現有收獲機械技術在保證收獲中藥材完整性的基礎上，正向著提高藥土分離程度的方向發展。其中振動分離作為藥土分離的主要技術，可有效避免損壞中藥材的完整性，篩分效率高，易于維修更換。

1.5產后環節

吳翠等[29]探究了何首烏、白芷、三七和三七粉中藥材在2種儲藏條件下，中藥材的外觀及化學成分隨儲藏時間的變化規律。以觀察法觀色；烘干法測定水分；高效液相色譜法測定化學成分的含量，為根莖類中藥材儲藏研究提供了有用數據。結果顯示，隨著儲藏時間的增長，未做任何處理的簡易庫和進行恒溫恒濕處理的冷藏庫中何首烏顏色均出現加深，5-羥甲基糠醛含量均出現波動升高；二苯乙烯苷含量簡易庫中何首烏呈波動下降趨勢，而冷藏庫呈波動升高趨勢；結合蒽醌含量簡易庫中呈波動升高趨勢，冷藏庫中變化不明顯。白芷顏色在兩庫中均有加深，歐前胡素含量均未出現明顯變化。三七和三七粉的色澤，人參皂苷Rg1，Rb1及三七皂苷R1的含量均未見明顯變化。無論在簡易庫還是冷藏庫中，何首烏在儲藏33個月后，白芷、三七和三七粉在儲藏27個月后，雖然發生了不同程度的顏色與化學成分含量的改變，但改變較為輕量，均符合合格藥材質量要求。

王克霞等[30]對儲藏期間病蟲害進行了研究，采集了30份儲藏根莖類藥材樣本，利用直接鏡檢法和光照驅蟲法對樣本進行驅蟲和鏡下觀察，最終發現30份樣本中有28份患有蟲害，種類皆為嗜卷書虱；該書虱平均孳生密度為57頭/g，孳生指數142，同時提出可通過降低室內相對濕度、直接干燥受病蟲害藥材消滅其食物來源的方法抑制書虱孳生。

李嘯云等[31]設計了一款根及根莖類中藥材自動浸潤噴淋軟化設備，解決了人工潤制耗時耗力、損失較大及硫磺熏蒸影響藥材質量的問題。在浸潤空間內采用2個室區分布，室區間采用可透水材料分隔。藥材放在1個室區內，另1個室區空置。將藥材和適量的水同時放入封閉空間，空間以幾何中心為軸旋轉，在旋轉過程中藥材只能在一側的室區內翻轉，而水則可以透過隔層進入到空置的空間，隨著機器轉動，藥材不停與水接觸分離，從而達到浸潤的效果。研究還探究了白芍的最佳工藝參數為溫度45℃，加水量為加入藥材量的0.45倍，每隔30 min設備自動旋轉1 min，直徑在1～2 cm白芍個藥軟化總時間設定為21 h。比工廠工藝縮短3 h，比傳統工藝縮短1倍，并且芍藥苷含量提高19%以上。結果表明，該機器提高了生產效率與產品質量，是一種適合工業自動化生產的新型工藝。

陳國璧等[32]在中藥材的凈洗技術上提出基于超聲波的凈洗技術，有望解決根莖類中藥材實現快速、節水和無污染凈洗的難題，詳細地討論了研究思路、方法、技術路線及創新性等。結果表明，其研究思路清晰，技術路線合理，方法可靠，在畜牧與動物醫學等領域有廣泛的應用前景。

雷明成等[33]針對初加工設計了一款帶曲柄搖桿機構的中藥材揉搓機，主要由機架、傳動機構、輸送機構和揉搓機構等組成，工作原理為輸送帶運送藥材進入揉搓板下方，揉搓板經曲柄搖桿運動做平面往復運動實現對藥材的揉搓，最終機具額定功率1.1 kW，對根莖較直粗的搓凈率可達90%以上，根莖較細密的搓凈率可達75%以上。

陳學深等[34]設計了一款根土分離裝置，該裝置主要由電機、柔性碾壓脫土機構、柔性輥指擊打機構、罩板A、柔性輸送喂入機構、柔性抖動脫土輸送機構、下料箱、收集箱、齒輪換向傳動機構和罩板B等組成。工作時，由喂入機構帶入藥材，經過碾壓脫土機構實現一次脫土，然后通過柔性輥指擊打罩板A實現二次脫土，最后掉落至抖動松土機構抖動振落剩余碎土落入收集箱。研究確定了主要部件的參數，碾壓輥表面形狀為圓凸塊，碾壓間隙30 mm，驅動軸轉速200 r/min，其根土分離率為90.42%，且無損傷。

2 制約因素及對策

2.1制約因素

2.1.1種植環節機械化程度仍較低

作為與收獲同等重要的環節，根莖類中藥材種植的機械化程度遠不如收獲環節，由于根莖類中藥材品類繁多，種植的部位也不盡相同，有的是種子直播，有的是塊莖播種，有些則需要種苗移栽，同一播種類型的藥材也因種植深度等農藝要求存在差異，因此難以通用化、標準化，行業內也缺乏一套完善的標準，因此阻礙了種植機械化的發展。

2.1.2機械化發展的區域不平衡仍然存在

相比平原地區，以丘陵地區為主的地域耕種田地具有分散且規模較小的特點，因此對于機具的要求也普遍較高，需要機具盡量輕量化、小型化，且能適應山地的復雜地形，因此在機具的研發上提高了不少難度，機械化進度也因此減慢，區域不平衡逐漸加深。

2.1.3中藥材各類品種間機械化程度不平衡

有些根莖類藥材在農藝上具有特殊要求，如麥冬在移栽前需要對種苗進行分揀，川芎在種植前有修剪苓種的要求等，而這些目前都是靠人工完成，因此當前想要實現這些特殊藥材的完全機械化仍存在困難，隨著沒有特殊要求的品種機械化程度越來越高，也使得不平衡性逐漸凸顯。

2.2發展對策

2.2.1按照種植類型實現通用化

雖然根莖類中藥材有多種種植部位，但可以將其進行分類，針對類別專門設計機械，如種子直播機械、塊莖播種機械和種苗移栽機械，并在這一類別里實現通用化，這樣可大幅降低設計成本，節約人力財力。另外應推行一套完善的行業標準，融合農機農藝，形成兼具普適性與針對性的種植技術規范。

2.2.2借鑒成熟機型，實現關鍵參數可調

平原地區使用機械體型相對較為龐大，且無法適應丘陵地區的復雜地形，因此丘陵地區想要使用這些機械不現實，但可以借鑒平原地區的成熟機型，降低研發的難度，集中力量針對丘陵地區機械所需要滿足的功能進行設計，實現關鍵參數可調，縮短研發周期。

2.2.3研發針對特殊農藝要求的自動化機械

對于某些具有特殊要求的農藝，也應設計出相應機械以減少大量的人力成本。此類農藝工序一般較為簡單，且工作量大，如麥冬種苗的分揀與川芎的修剪苓種，人工完成需要投入大量人力與時間，如研發出相應機械，則可以減少人員投入，提高工作效率，從而避免錯過適宜的播種時間，實現真正意義上的全程機械化。

3 結束語

中藥材的應用起源于中國，隨著人們保健意識的提高，對根莖類中藥材的需求也逐步提升，因此提高其機械化程度，實現保質保量是當前的迫切任務。在機械化的進程中，應加快種植機械的研發，提高其通用性；結合農機農藝，加快行業標準的制定與推廣；針對薄弱地區集中力量攻堅克難，設計出適合丘陵地區等復雜環境的農業機械；針對特殊農藝設計相應機械以全面提高機械化水平，為我國的中醫藥事業發展作出積極貢獻。