中藥農(nóng)業(yè)機(jī)械化收獲技術(shù)現(xiàn)狀及對(duì)策

　　摘 要: 我國(guó)是中藥材的生產(chǎn)和出口大國(guó)。近年來(lái)，我國(guó)中藥材的種植面積越來(lái)越大，但中藥材的生產(chǎn)環(huán)節(jié)大多還依賴于人工，尤其是在收獲環(huán)節(jié)。目前，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力急劇短缺，很大程度上限制了中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為 此，從藥材的收獲部位區(qū)分，將其分為根莖類、花類、葉類、果實(shí)類及秸稈類藥材，分別對(duì)我國(guó)各類中藥材收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出現(xiàn)階段中藥材收獲機(jī)械推廣應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。最后，針對(duì)中藥收獲機(jī)械化的現(xiàn)存問(wèn)題，提出了相應(yīng)的發(fā)展建議與對(duì)策，皆在為今后研究中藥農(nóng)業(yè)收獲技術(shù)裝備提供參考。

　　關(guān)鍵詞: 中藥材; 中藥農(nóng)業(yè); 機(jī)械化; 收獲; 發(fā)展現(xiàn)狀

　　王榮炎，鄭志安，高 磊，姜大龍，張子梅;農(nóng)機(jī)化研究;2022 年 7 月

　　0 引言

　　“中藥材是中醫(yī)藥事業(yè)傳承和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略性資源，保護(hù)和發(fā)展中藥材，對(duì)于深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革、提高人民健康水平，對(duì)于發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、增加農(nóng)民收入、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，具有十分重要的意義。”摘自《中藥材保護(hù)和發(fā)展規(guī)劃( 2015—2020 年) 》[1 - 2]。如今中藥材，尤其是藥食兩用的中藥材已常見在人們?nèi)粘ｏ嬍成钪?，隨著全民健康意識(shí)的不斷加強(qiáng)[3]，中藥農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大。然而，我國(guó)中藥材的生產(chǎn)機(jī)械化水平依然很低[4]，加之近年來(lái)，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力急劇緊缺，中藥農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到了嚴(yán)重制約。為此，著重分析了我國(guó)中藥材收獲機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了我國(guó)中藥材收獲機(jī)械存在的問(wèn)題，并針對(duì)今后我國(guó)中藥材收獲機(jī)械的發(fā)展方向提出了相應(yīng)的建議。

　　1 中藥農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　我國(guó)中藥農(nóng)業(yè)有著幾千年的發(fā)展史[5]，如今，中藥材遍及在我國(guó)的各個(gè)地區(qū)，甚至成為個(gè)別省份的支柱性產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)加快了對(duì)中藥現(xiàn)代化建設(shè)的步伐，各省份相繼出臺(tái)了支持中藥材種植的政策，大大鼓勵(lì)了農(nóng)民種植中藥材的積極性。目前，中國(guó)常用藥材品種的種植基地有 430 個(gè)，年產(chǎn)量接近 900 萬(wàn) t，中藥材種植面積越來(lái)越大，且在逐年增加[6]。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示: 2017 年，除北京市、西藏自治區(qū)、臺(tái)灣省、香港和澳門自治區(qū)之外的 29 個(gè)省市的中藥材總種植面積已高達(dá) 455. 54 萬(wàn) km2 ( 數(shù)據(jù)來(lái)源: 人民網(wǎng)) 。2020 年我國(guó)中藥材的種植面積如圖 1 所示。

　　近年來(lái)，人們的生活水平逐步提高，對(duì)健康生活的意識(shí)也大幅提升，大多數(shù)人開始注重養(yǎng)生和保健，促使了健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，藥食兩用的藥材需求量也逐年增多，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有了巨大的需求和發(fā)展空間[7]。圖 2 是對(duì) 2016—2017 年淘寶藥食兩用藥材品種同月度成交筆數(shù)進(jìn)行的抽樣統(tǒng)計(jì)( 數(shù)據(jù)來(lái)源: 淘寶采集) 。 2017 年，藥食兩用藥材品種發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，相關(guān)品種需求總量增長(zhǎng)率為 9. 5%[8]( 見圖 3) ( 數(shù)據(jù)來(lái)源: 中藥材天地網(wǎng)) 。

　　我國(guó)《中醫(yī)藥“一帶一路”發(fā)展規(guī)劃( 2016—2020 年) 》等為中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境。中藥材逐漸打開了國(guó)際市場(chǎng)，我國(guó)成為了藥材出口大國(guó)。近年來(lái)，中國(guó)等一帶一路國(guó)家的中藥材出口量暴增，中藥材已經(jīng)出口到 183 個(gè)國(guó)家和地區(qū)[9]，圖 4 為 2015—2017 年中藥材出口額數(shù)據(jù)，如圖 4 所示。

　　2 中藥材機(jī)械分類

　　中藥材生產(chǎn)需要大量的人工，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，目前農(nóng)村勞動(dòng)力短缺且年齡大，雇工困難，迫切需要機(jī)械代替人工、降低生產(chǎn)成本、提升藥材收獲效率與質(zhì)量。中藥材的種植生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜，所需要的機(jī)械多種多樣[10]。從功率、應(yīng)用地域和作業(yè)環(huán)節(jié)來(lái)看，藥材機(jī)械可如圖 5 進(jìn)行分類。其中，根據(jù)收獲部位不同，藥材收獲機(jī)一般可分為根莖收獲機(jī)、花類收獲機(jī)、葉類收獲機(jī)、果實(shí)類收獲機(jī)和秸稈類收獲機(jī)。

　　對(duì)于中藥農(nóng)業(yè)的耕整地、播種、田間管理等環(huán)節(jié)皆可借鑒大田作物已經(jīng)推廣應(yīng)用的機(jī)械，但由于中藥材品種繁多，生長(zhǎng)特性和收獲部位差異大，收獲期和收獲要求比較嚴(yán)格，無(wú)法直接將大田作物的收獲機(jī)械應(yīng)用到藥材收獲，實(shí)現(xiàn)藥材的機(jī)械化收獲難度很大。由于國(guó)外中藥材的種植較少，相應(yīng)的機(jī)械研究較少，且國(guó)外藥材品種和種植方式與我國(guó)差異很大，所以只對(duì)我國(guó)藥材收獲機(jī)械的技術(shù)進(jìn)行分析，了解我國(guó)藥材收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀[11]。

　　3 中藥材收獲機(jī)械分類

　　3. 1 根莖收獲機(jī)械

　　根莖收獲機(jī)械一般由傳動(dòng)部件、收獲部件、偏心振動(dòng)部件和液壓部件等組成[12 - 13]。根莖類藥材有長(zhǎng)根莖與短根莖、韌性根莖與脆性根莖以及根莖類與塊根類之分，所以根莖類藥材收獲機(jī)的作用對(duì)象不同，可分為深根型、顆粒型和淺根型根莖收獲機(jī)械。

　　1) 深根型收獲機(jī)械。深根型收獲機(jī)械可用于收獲黨參、香附子、柴胡、防風(fēng)、桔梗、黃芪、板藍(lán)根、黃芩、白芷、龍膽草和蒼術(shù)等藥材。以河北圣和深根型根莖收獲機(jī)為例( 見圖 6) ，收獲機(jī)械參數(shù)如表 1 所示。深根型收獲機(jī)械所需動(dòng)力大，收獲部件的采挖深度較大，進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，需要克服的土壤阻力大[14]，對(duì)收獲挖掘部件的強(qiáng)度以及收獲機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)有很高的要求[15]; 同時(shí)，要求作業(yè)后的土垡要保證回位良好，藥材的原耕層也要保存良好，最重要的是要避免對(duì)藥材造成損傷。

　　2) 顆粒型根莖收獲機(jī)械。顆粒型根莖收獲機(jī)械多用于收獲半夏、天南星、貝母、螺絲菜、元胡及油莎豆等顆粒型藥材，待收獲藥材直徑一般在 6 mm 以上。顆粒型根莖收獲機(jī)械不同于深根型收獲機(jī)械，所需要的動(dòng)力較小，作業(yè)時(shí)的土壤阻力大大減小，收獲機(jī)可將藥材進(jìn)行清理分級(jí)。顆粒型根莖收獲機(jī)械可以參照土豆等根莖類收獲機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以 4U - 1600 型顆粒型根莖收獲機(jī)械( 見圖 7) 為例，其工作參數(shù)如表 2 所示。

　　3) 淺根型根莖收獲機(jī)械。淺根型根莖收獲機(jī)械 ( 見圖 8) 用于收獲根莖深度不大于 150 mm 的藥材，如油莎豆、太子參等，相較于重型深根型收獲機(jī)械，淺根型根莖收獲機(jī)所需動(dòng)力較小，能一次性完成挖掘、分離等工序，其工作參數(shù)如表 3 所示。

　　根莖類中藥材品種繁多，有些藥材含水率高，非常脆、易折斷，對(duì)機(jī)械收獲作業(yè)的要求較高。每個(gè)藥材品種的直徑、生長(zhǎng)深度等物理特性差異很大。所以，根莖類收獲機(jī)械的通用性較差，需要根據(jù)不同品種藥材的生長(zhǎng)特性，采用不同的機(jī)具和收獲方式，才能保證藥材的收獲質(zhì)量。

　　3. 2 花類收獲機(jī)械

　　花類藥材形態(tài)各異，生長(zhǎng)特性復(fù)雜，成熟期的花朵不在同一高度，相較于根莖類藥材，花類藥材具有更高的采摘難度和收獲要求。所以，花類中藥材收獲作業(yè)基本依靠人工完成，現(xiàn)有的花類藥材收獲機(jī)械大多處于專利技術(shù)及樣機(jī)試驗(yàn)階段，還未大規(guī)模推廣應(yīng)用。

　　1) 金銀花收獲機(jī)。韋翠慶等人發(fā)明了一種金銀花采摘機(jī)[16]，采用柔性撥葉桿和軟滾輪摘取金銀花，金銀花的花、葉子等雜質(zhì)經(jīng)由輸送裝置送至花葉分離機(jī)，在濾網(wǎng)作用下，花朵可以被有效清選分離?；ǘ鋸臑V網(wǎng)間隙掉落，軸向風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)將其輸送至出料口，葉子在出葉口被吹出，少量葉子隨著金銀花掉落; 位于下方的鼓風(fēng)機(jī)將隨花朵掉落的葉子吹起，再通過(guò)軸向風(fēng)機(jī)將葉子吹出出葉口; 反復(fù)循環(huán)，直至葉子從出葉口排出，殘留在濾網(wǎng)上的花朵由刷子刷落，自動(dòng)進(jìn)入儲(chǔ)花筒中。該收獲機(jī)能對(duì)花葉進(jìn)行自動(dòng)分離，工作效率為 680 ～ 800 kg /( 人·天) ，是人工采摘的 10 倍，大大提高了采摘效率。金銀花采 花 機(jī) 如 圖 9 所示。

　　2) 菊花收獲機(jī)械。菊花收獲機(jī)械一般利用梳齒和刀具相結(jié)合或者梳齒與氣吸相結(jié)合的采摘方式進(jìn)行菊花的采摘作業(yè)，行走方式有手推式和自走式。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭志安團(tuán)隊(duì)[17]研制的梳齒往復(fù)式菊花采摘機(jī)( 見圖 10) ，采摘部件由直流減速電機(jī)、曲柄、連桿、滑塊、滑軌、采摘梳齒和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。工 作時(shí)，曲柄做勻速旋轉(zhuǎn)，滑塊做變速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)采摘梳齒做平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)，利用梳齒進(jìn)行菊花采摘作業(yè); 采摘梳齒運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)插入菊花植株，并向斜上方運(yùn)動(dòng)采下菊花; 當(dāng)運(yùn)動(dòng)到行程的最高點(diǎn)時(shí)，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的急回特性，給采摘梳齒一個(gè)回程力，完成菊花采摘; 采摘下來(lái)的菊花掉落至機(jī)器后方的收集盒，輥刷將梳齒上殘留的菊花掃入收集盒。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明: 當(dāng)采摘梳齒的往復(fù)頻率為 40 r / min、梳齒間距為 6. 5 mm、梳齒工作深度為 200 mm 時(shí)，菊花的 采 摘 率、含 雜 率、破碎率和落地?fù)p失率分別為 92. 47% 、11. 07% 、1. 48% 和 1. 41% 。

　　3) 紅花絲采收機(jī)械。紅花絲采收機(jī)械基本是采用氣力式或氣力與切割相結(jié)合的方式，目前的采摘機(jī)紅花絲掉落損失及花絲損傷率都較大。2012 年，李景彬等人發(fā)明了一種便攜式單人紅花采收機(jī)[18]，利用切割采收機(jī)構(gòu)將紅花花絲從根部切割下來(lái)，切割下來(lái)的花絲通過(guò)負(fù)壓輸送機(jī)構(gòu)，運(yùn)送至收集箱，如圖 11 所示。

　　由于花類藥材的含水率較高，花朵嬌嫩易損傷，要求花類收獲機(jī)首先保證花朵的采收品質(zhì)，還要具有較好的通過(guò)性，降低對(duì)花類藥材植株的碾壓傷害。

　　3. 3 葉類收獲機(jī)械

　　葉類收獲機(jī)械的收割裝置一般分為往復(fù)割刀式、圓盤割刀式和回轉(zhuǎn)帶鋸式，行走方式主要有手扶式和自走式兩種，輸送裝置主要有帶式輸送、夾持輸送和風(fēng)力輸送 3 種形式[19]。圖 12( 圖片來(lái)源: 農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)) 為上海倉(cāng)田公司與上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所聯(lián)合研制的手扶式葉菜收割機(jī)。該收獲機(jī)為手扶電力驅(qū)動(dòng)，采用往復(fù)割刀式和帶式輸送，田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該收獲機(jī)操作簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)性較好。

　　3. 4 果類收獲機(jī)械

　　1) 紅棗收獲機(jī)械。嚴(yán)積業(yè)等人發(fā)明了一種新型紅棗收獲機(jī)( 圖片來(lái)源: 農(nóng)機(jī) 1688 網(wǎng)) ，基于機(jī)械振動(dòng)實(shí)現(xiàn)紅棗采收，如圖 13 所示。收獲機(jī)的采摘部件為帶有撥桿的立軸采摘滾筒，工作時(shí)，采摘滾筒位于棗樹兩側(cè)，在收獲機(jī)勻速前進(jìn)的同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)作用下做旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，與收獲機(jī)前進(jìn)速度相配合; 采摘滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，撥桿伸入樹冠以高頻小振幅振動(dòng)，完成紅棗的收獲。該收獲機(jī)的收獲效率為 0. 89 hm2 / h。該機(jī)對(duì)果園行距和果樹樹型有嚴(yán)格要求，且要求紅棗成熟期集中，果實(shí)含水率不能高于 60% ，否則容易對(duì)果實(shí)表皮造成損傷。

　　2) 枸杞收獲機(jī)械。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所首次提出適宜機(jī)械化采收的枸杞種植模式，即枸杞枝條呈兩側(cè)垂掛栽培，并研制了一種往復(fù)式高頻低幅振動(dòng)枸杞采摘機(jī)( 圖片來(lái)源: 江蘇科技報(bào)) ，如圖 14 所示。工作時(shí)，采摘機(jī)振動(dòng)桿拍打枸杞掛果枝條，使其受迫振動(dòng)，當(dāng)慣性力大于枸杞與果柄的結(jié)合力時(shí)，枸杞掉落，采摘掉下的枸杞通過(guò)輸送帶運(yùn)輸至收集箱，完成枸杞的收獲過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明: 枸杞采摘率達(dá)到 90% 以上，損傷率小于 5% ，作業(yè)效率為 144 棵/ h，收獲效率是人工收獲的 30 倍。

　　3. 5 秸稈類收獲機(jī)械

　　秸稈類收獲機(jī)械有手扶式、自走式、前置懸掛式等，型 號(hào) 眾 多。以 4GL - 100 自走式微型割曬機(jī)為例[20]，其主要的功能部件包括輸送鏈、撥禾輪和切割器總成，如圖 15 所示。該收獲機(jī)可用來(lái)收獲艾葉、茴香等秸稈類藥材，也可用來(lái)收割株高在 0. 5 ～ 2 m 高的農(nóng)作物，割幅可設(shè)置成 0. 8、1. 0、1. 2 m; 傳動(dòng)裝置采用鏈條、鏈輪，配套動(dòng)力可選用風(fēng)冷柴油機(jī)或汽油機(jī)，工作效率為 0. 201 ～ 0. 402 hm2 / h。該收割機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑小，適應(yīng)于山區(qū)、丘陵和不規(guī)則地塊，可以有效替代人工作業(yè)。

　　4 中藥材收獲機(jī)械面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展對(duì)策

　　4. 1 面臨的挑戰(zhàn)

　　我國(guó)雖然是藥材大國(guó)，但與大田農(nóng)作物相比，中藥材的收獲機(jī)械化發(fā)展相對(duì)滯后，自動(dòng)化和智能化程度非常低。追本溯源，我國(guó)藥材農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械化程度低的原因: 首先，大多數(shù)中藥材的成熟期較短，收獲期大約只有 3 ～ 4 周，種植面積相較于其他農(nóng)作物較少，所以農(nóng)機(jī)企業(yè)對(duì)中藥材收獲機(jī)的研制興趣較少，機(jī)械化程度較低。我國(guó)中藥材品種多、品種間的物理特性差異大、不同藥材品種的用藥部位各不相同，采收時(shí)間不同，所以收獲機(jī)械通用性差，決定了中藥材機(jī)械無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，目前中藥農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械依然是 “一品一機(jī)”式。其次，我國(guó)中藥材種植散戶的數(shù)量仍較大，這些散戶的種植經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)等與藥材基地比較，存在著明顯差距，大多數(shù)藥材品種未從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的角度進(jìn)行栽培種植，沒(méi)有形成統(tǒng)一的生產(chǎn)種植模式; 藥材多為分散種植，區(qū)域地形復(fù)雜，技術(shù)管理和市場(chǎng)信息落后，同樣阻礙了中藥農(nóng)業(yè)的發(fā)展[21]。同與日益增長(zhǎng)的中藥農(nóng)業(yè)產(chǎn)品需求相比，種植戶、相關(guān)職能部門等在中藥農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械方面的投入資金相對(duì)較少，由于藥材收獲本身就是一種勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，而研發(fā)一臺(tái)藥材收獲機(jī)的成本較大，所以種植散戶對(duì)藥材收獲機(jī)械的需求迫切程度較低，嚴(yán)重影響了藥材收獲機(jī)械的推廣應(yīng)用[22]。

　　4. 2 發(fā)展對(duì)策

　　研制適合我國(guó)國(guó)情的中藥材收獲機(jī)械及相關(guān)配套機(jī)具，是降低中藥農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、促進(jìn)廣大農(nóng)民增收和早日脫貧致富的重要途徑，必須實(shí)施中藥農(nóng)業(yè)收獲的機(jī)械化[11]。針對(duì)目前面臨的問(wèn)題，首先要做到農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合[23 - 24]，根據(jù)采收機(jī)械的規(guī)格參數(shù)，定制中藥材的標(biāo)準(zhǔn)化種植模式，中藥農(nóng)業(yè)需要充分吸收、借鑒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合方面的新技術(shù)、新方法[25]，只有促進(jìn)技術(shù)推廣與生產(chǎn)種植方式融合，才能更好地推廣藥材收獲機(jī)械。其次，鼓勵(lì)種植散戶、農(nóng)機(jī)部門技術(shù)人員共同入駐農(nóng)機(jī)農(nóng)藝農(nóng)信融合示范應(yīng)用平臺(tái)，加強(qiáng)科技研發(fā)，建立企業(yè)和藥材種植基地、專業(yè)農(nóng)戶的合作機(jī)制，促進(jìn)中藥農(nóng)業(yè)機(jī)械的科技研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化，確保形成一種可推廣應(yīng)用、持續(xù)發(fā)展的全程機(jī)械化藥材生產(chǎn)模式[26]。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，國(guó)家層面應(yīng)加大政策、資金投入，鼓勵(lì)和支持中藥農(nóng)業(yè)，定向支持中藥農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展，加大對(duì)藥材收獲機(jī)械的扶持。同時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)各類藥材的物料特性及采摘機(jī)理研究，在今后藥材收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)中增加調(diào)節(jié)裝置，提高機(jī)具對(duì)藥材無(wú)規(guī)律生長(zhǎng)特性的適用性，收獲機(jī)的機(jī)型應(yīng)向功能集約化的方向發(fā)展。最后，充分利用“互聯(lián)網(wǎng) + ”等現(xiàn)代技術(shù)，把各種藥材的物理特性參數(shù)做成數(shù)據(jù)庫(kù)[27]，利用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)藥材收獲機(jī)械的智能控制，加強(qiáng)對(duì)藥材收獲機(jī)械的智能化研究，提高收獲作業(yè)的自動(dòng)化。