山丘區根莖類中藥材機械化收獲技術與裝備研究

陳林 張亞振 王達 張冰輝

1、河北省農業機械化研究所有限公司 2、安國市農業農村局 3、安國市輝騰農機具制造有限公司

引言

中藥材是中醫藥事業傳承和發展的物質基礎。作為北藥主產區，河北省中藥材資源豐富，中藥材種植面積近300萬畝，其中山丘區種植面積占比近65%。根莖類道地中藥材種植地域性非常強，主要集中在山丘區，由于土地平整度不高，種植地塊分散、面積小，大型農機難以充分發揮作用；市場上現有小型農機具多數為適應傳統農作物生產設計，難以滿足藥材的生產農藝需求。因此，山丘區根莖類中藥材的收獲多以人工作業為主，存在嚴重的“無機可用、無好機用”的問題。機械裝備的匱乏，已經嚴重制約了中藥材產業的發展。

1 山丘區根莖類中藥材種植、機械化收獲現狀

河北省太行山、燕山中藥材資源豐富，依托兩大山系，柴胡、丹參、黃芩、北蒼術、知母、黃芪、桔梗、防風等根莖類中藥材廣泛種植。其中，涉縣柴胡、青龍北蒼術、承德黃芩等知名道地中藥材已初步形成優勢產區，正在向集中產業鏈上下游的產業集群方向發展。

中藥材的藥性、藥效主要依賴次生代謝產物，依靠逆境條件積累，因此大多數中藥材適宜種植在具有小氣候特征和生物多樣性的山區丘陵等區域，而山區丘陵機械正是我國農業機械化發展瓶頸。目前山丘區農作物耕種收綜合機械化水平達到62%，但是中藥材收獲機械化水平（包括平原區）僅為14.6%，機械化水平嚴重滯后。其中，根莖類中藥材收獲的機械化程度高于其它花類、葉類、果實、籽粒類中藥材，但這種優勢主要體現在平原區。山丘區根莖類中藥材仍然是收獲難題。

山丘區根莖類中藥材根據根莖生長的深度，可以分為：淺根類中藥材（柴胡、蒼術等，生長深度小于20cm）；中根類藥材(丹參、黃芩、桔梗等，生長深度大于等于20cm、小于40cm)；深根類藥材（黃芪、防風等，生長深度大于等于40cm）。機械化情況根據動力機械是否能夠進入地塊和能夠進入地塊的動力機械功率大小，可以分為4種情況。①大、中型拖拉機能夠進入：能使用平原區機械，向小型、復式、智能方向發展；②小型拖拉機能夠進入：可以收獲淺根類中藥材；③手扶動力機械能夠進入：可以實現淺根類中藥材半機械化收獲，人工輔助工作量大；④動力機械無法進入：無法實現機械化，完全依靠人工收獲，或者運用挖掘機等工程機械進行破壞性收獲。

2 發展機械化收獲的限制因素

2.1 地形限制

山丘區土地普遍平整度不高，且種植地塊分散、面積較小，海拔相對較高。大型農機難以發揮作用，機具轉移地塊不方便。這決定了中藥材采收機械應以小型化為主。平原區能夠解決的機械化問題，山丘區并不能簡單復制。

2.2 動力限制

根莖類中藥材收獲機械，相對需要的動力較大，動力因素影響顯著。一般收獲根深≥20cm,工作幅寬80cm,就需要50馬力以上拖拉機(四驅)。從目前機械化收獲現狀看，動力機械是否能夠進入地塊和能夠進入地塊的動力機械功率大小，直接影響機械化應用程度的高低。

2.3 農藝限制

中藥材從野生到人工撫育種植轉變的歷程較短，在滿足道地性、生產環境的條件下，多以能種、有產量為主要目標，機械運用經驗缺乏；迫切需要品種繁育、種植規范的協同發展和配合。根莖類中藥材一般都是多年生，藥材收獲時根深大多在20～50cm，有些藥材品種根深在半米以上，并且地表堅實，挖掘收獲比較困難。

2.4 投入限制

中藥材屬于小眾產業，品種多、規模小、品種間差異大、用藥部位各不相同，這就決定中藥材機械無法實現大批量生產，以一品一機及小批量為主要特征，社會投入動力不足；與大農業相比，獲得來自國家的政策支持和大幅度經費支持比較困難[1]。

3 機械化收獲技術發展對策

3.1 地形宜機化改造

山丘區坡地作業對機械設備的要求嚴格，且坡度越大，機械動力有效利用率越低，因此可視坡度大小對種植地塊進行宜機化改造。低于25度的坡地，建議進行梯田改造，改造后縱向坡度要低于10度，橫向坡度要低于5度，大中小型機具都可以用。種植時預留機耕道。機械作業需要有足夠的空間通過。

3.2 加強關鍵技術研究

3.2.1 高效能動力配置

解決機型小、動力足、地形高適應性三者之間的矛盾問題。研究中藥材根莖收獲機的動力消耗特點，分析牽引力和篩分動力的不同特點，通過結構改進及優化配置，提高動力能效。

3.2.2 挖掘鏟結構優化和篩分機構性能提升[2]

根莖類中藥材的收獲需要利用挖掘鏟對一定深度的土壤進行切割、松動，并將土壤與藥材根莖進行有效分離。需進行挖掘機構力學與運動學仿真分析，優化挖掘機構運動形式，改進挖掘鏟結構、形狀和材料，減少動力消耗，增加采挖深度；研究藥材、土壤篩分機理，提高土壤、藥材篩分效率和篩分質量。

3.3 農機農藝融合發展

根莖類（尤其是深根型）中藥材種植在條件允許的情況下，宜采用起壟種植的模式。栽培規范和種子繁育，應充分考慮機械化收獲的問題，例如，根莖分叉特點、生長方向、根莖深度一致性、行距及種植密度等都直接影響實現機械化的難易程度。要以提高經濟效益為目標，尋找產量高低、品質優劣、機械化難易的平衡點。在充分考慮種植效益的基礎上，規范種植農藝，推廣宜機化種植模式。

3.4 分類施策

結合山丘區地形特點和根莖類中藥材收獲農藝要求，區分不同根深中藥材，應用相適應的收獲裝備。針對淺根類藥材柴胡、蒼術等，中根類藥材丹參、黃芩、桔梗等，深根類藥材黃芪、防風等,分別研制、推廣相適應的輕簡收獲裝備，以此來降低成本、提高效率。

3.5 聯合發展

中藥材產業比較特殊，應加強從種植、加工到制藥的全產業鏈協同，大力發展訂單模式和產業聯盟。動員各方力量，探索建立多元化的投入機制，為中藥材產業的可持續發展和機械化高質量提升，搭建平臺。著重發展定制機械裝備服務，充分應用現代農機技術儲備和先進的信息技術及制造技術，提高機械裝備質量。

4 關鍵機械裝備研究

4.1 手扶式采挖機

針對淺根類中藥材（根深≤20cm），應加強手扶式收獲機研究。如圖1所示:主要手扶動力和后置式挖掘、篩分機構組成。機具輕便，使用靈活，可以在梯田或山坡地作業。機具可以拆分搬運，能夠到達沒有田間道路的地塊作業。根據收獲對象的深度或土質、地塊情況，可以選用履帶式驅動輪或者坡地專用高低輪，增強地面附著力和操作穩定性。

圖1 手扶式根莖藥材收獲機

4.2 履帶拖拉機

針對中根類中藥材(根深20-40cm)，研制輕便型履帶底盤拖拉機，配套后懸掛式中藥材聯合收獲機使用。此種配置，能夠適應山丘區相對較大地塊的根莖類藥材收獲作業。根據根莖藥材收獲機耗能特點，其工作時對牽引力的需求比較大，牽引力和輪胎對地面的附著力有直接關系。因此，選用履帶拖拉機，相對輪式拖拉機，達到同樣作業寬度和深度的作業效果，所需功率較小，機具相對輕便、緊湊，能夠提高在山丘區作業的適應性。

圖2 履帶拖拉機

4.3 山地履帶自走式根莖藥材收獲機

山地履帶自走式根莖藥材收獲機既能解決輪式拖拉機在山地作業適應性差的問題，又集自走、挖掘、碎土、分離、裝箱等多功能于一體。抓地能力強、地形適應性好，結構緊湊、轉彎靈活，作業深度可滿足淺根、中根類中藥材的收獲需求。關鍵技術是：①緊湊布置履帶動力底盤、內燃機、采挖機構和篩分機構，減小整機尺寸。②利用高效能動力配置技術，實現“小機型，高效能”,增加采挖深度，提高作業效率。

如圖3所示。部件1為履帶底盤，部件2為挖掘機構，部件3為一級輸送篩分機構，部件4位二級垂直提升篩分機構，部件5位三級輸送篩分機構，部件6位集料箱，部件7位駕駛系統，部件8位動力系統。采用循環篩分系統，在較短距離上實現多級篩分，保證土藥分離，結構緊湊。采用履帶機構，增加了牽引力，可以有效減低配備的動力功率。

圖3 山地履帶自走式根莖藥材收獲機結構示意圖

4.4 人工輔助收獲機械

針對仿野生種植或在較大坡度地塊生長的深根類藥材，研制人工輔助收獲機械，實現半機械化作業。如圖4所示的手持式動力挖掘鏟，部件1為動力源，部件2位手柄及控制器，部件3位動力排鉆組。利用動力鉆頭，減輕人工挖掘的工作強度。

圖4 手持動力挖掘鏟

5 結語

根莖類中藥材收獲應根據生長深度和地形特點，選用適宜的裝備。其中山地履帶自走式根莖藥材收獲機適用范圍相對較廣，人工勞動強度低，可以繼續向遙控、無人駕駛方向發展，還能提高山丘區機械使用的安全性，應該著重發展。同時，應兼顧新型挖掘技術研究，探索可控震動及微型爆破等技術在深根類中藥材挖掘中的應用。