根莖類中藥材收獲機械化應用及研究現狀*

于慶旭，曹光喬，陳彬，劉燕，龔艷，陳小兵

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

經濟作物主要包括油料、茶葉、糖料和中藥材等，在人們的日常生活中扮演著重要角色，對整個國民經濟的發展和社會穩定起到了關鍵作用。中藥材作為特種經濟作物，其經濟效益較高，不僅可以起到脫貧攻堅、鄉村振興作用，而且中藥材在疫情防治中起到了顯著作用，中藥材行業迎來發展新機遇[1]。我國是中醫藥發源地，中藥在我國已經有千年歷史。全球對中藥材的需求逐年增長，其中根莖類中藥材品種在流通市場占比最高，2021年11月份中藥材市場共監測1 445個品規種類的中藥材，其中根莖類中藥材共440個，占比最高達30.45%[2]。收獲是關鍵環節之一，我國根莖類中藥材收獲機械化水平較低、生產效率低，嚴重制約了根莖類中藥材產業的發展，中藥材收獲機的需求日漸加劇，根莖類中藥材收獲機械化水平的提高，對緩解農村勞動力和提高藥農收入具有重要的意義。本文針對根莖類中藥材主要種植現狀，簡述我國根莖類中藥材收獲機械化應用現狀，以及關鍵部件挖掘機構、分離機構和輸送機構研究情況，分析根莖類中藥材收獲機械化存在的問題和發展趨勢，為我國根莖類中藥材收獲機的研究提供參考，以促進根莖類中藥材收獲機械化水平的提高。

1 我國中藥材種植現狀

中藥材發源于野生資源，但隨著社會的發展、科學技術的進步，野生中藥材資源越來越少，已經無法滿足社會的需求，隨著中藥材馴化種植，目前人工栽培種植的中藥材已成為了中藥主要來源[3]。中藥材從野生為主到栽培為主，從零星分布到大面積連片種植，中藥材種植面積呈現連年持續增長的態勢，2011—2020年中藥材種植面積如圖1所示。據國家中藥材產業技術體系統計，2020年全國中藥材種植總面積為5 864 khm2，我國每個省(區、市)幾乎都種植中藥材，由于各地區地理環境及氣候不同，中藥材的種植品種各異，中藥材種植面積也不均衡，云南、貴州、四川的種植面積分別為582 khm2、474 khm2、467 khm2，河南、湖南、廣東、廣西、甘肅5個省份種植面積在300～333 khm2，山西、山東、湖北3個省份種植面積在200～267 khm2，陜西、河北、遼寧、吉林、黑龍江、安徽、江西、海南、重慶9個省份種植面積在133～533 khm2，內蒙古、江蘇、新疆3個省份種植面積在67～133 khm2[4]；2019年有統計數據的59種常用大宗中藥材種植總面積為1 364 khm2，12種中藥材種植面積突破33 khm2，其中黃芪、丹參等根莖類中藥材種植面積超過67 khm2，黃芩、黨參、當歸、柴胡、山茱萸、苦參等根莖類中藥材種植面積超過33 khm2[5]。為了進一步提升中藥材的質量，農業農村部、國家藥品監督管理局、國家中醫藥管理局印發了《全國道地藥材生產基地建設規劃(2018—2025)》，道地藥材是指某個地區特有的傳統優質效佳藥材，目前我國有7大道地藥材產區，分別為東北、華北、華東、華中、華南、西南和西北道地藥材產區。

圖1 2011—2020年中藥材種植面積Fig. 1 Planting area of Chinese herbal medicine from 2011 to 2020

2 根莖類中藥材收獲機械化應用現狀

根及根莖類中藥材通常簡稱為根莖類中藥材，是指主要入藥部分(根部、根莖、鱗莖等)生長于土壤下的中藥材，不同根莖類中藥材因其品種、生長環境等因素的影響，具有不同的形狀長度、生長深度，根據形狀長度可以劃分為長根莖類、短根莖類和塊狀根莖類等，根據生長深度可分為淺根莖類(生長深度小于20 cm)、中根莖類(生長深度20～40 cm)和深根莖類(生長深度大于40 cm)[6]。目前根莖類中藥材分純人工收獲、半機械化收獲和機械化收獲3種，丘陵山區生產的根莖類中藥材還主要依靠人工收獲；半機械化收獲是采用改裝的犁具等進行挖掘翻土，再進行人工根土分離和收集作業，鏵犁式中藥材收獲機有4GJ-700型、4Y-300型、4Y-30型和4UY-20型等[7]；機械化收獲是指使用機械完全代替人工完成根莖類藥材的挖掘、根土分離和收集等作業，機械化收獲分為分段收獲和聯合收獲。目前根莖類中藥材收獲機分為挖掘機和聯合收獲機。挖掘機是指完成根莖類中藥材挖掘，并將根莖與土壤分離、鋪放或集條于地表的機具，收獲性能指標要求明莖率≥90%、深松率≥95%、傷損率≤5%；聯合收獲機是指完成根莖類中藥材挖掘，并將根莖與土壤分離、分級、收集等的機具，按結構型式分為牽引式、懸掛式和自走式，收獲性能指標要求挖凈率≥95%、傷損率≤7%[8]。

目前國內中藥材收獲機生產企業較多，主要集中在河北省、山東省和甘肅省等地區，市場上主要是中小型的根莖類中藥材收獲機，其中挖掘機的結構簡單、制造成本較低，市場占比份額較大，應用范圍較廣，可實現對黨參、黃芪、黃芩、丹參、桔梗、天花粉、白芷、辣根、板藍根等多種根莖類中藥材的挖掘收獲，但針對深根莖中藥材還依然存在挖掘阻力大、功率損耗大、挖掘深度不夠、收凈率低和破損率高等現象；自走式聯合收獲機是未來發展的趨勢，但其機構復雜、制造成本較高，價格昂貴，市場占比份額相對較少，目前主要用于收獲貝母、元胡、半夏、太子參等淺根莖類中藥材。

3 根莖類中藥材收獲機械化研究現狀

中藥材主要種植于我國，國外針對根莖類中藥材收獲機械化的研究較少，韓國、美國、加拿大和俄羅斯主要針對高麗參、西洋參等淺根莖類中藥材的收獲機進行研究[9]，日本研發了幾款深根莖中藥材收獲機，其中日本苫米地技研工業株式會社發明了一款TG系列牛蒡收獲機[10]，日本株式會社小松制作所研制了一款YCD-60PM型鋸齒式山藥收獲機[11]。

目前國內大量學者對根莖類中藥材收獲機進行了研究，陳威[12]研制了一臺自走式太子參聯合收獲機，針對挖掘鏟和振動篩進行試驗研究，采凈率和破損率可達到96.56%、6.12%，可用于丘陵山區太子參收獲作業；李增璽[13]研制了一臺百合收獲機，針對挖掘鏟和升運器進行優化試驗，得到最佳工作參數組合，損失率和損傷率分別為2.31%、1.82%，可適用于東北地區百合種植模式；宋江等[14]針對東北地區貝母種植模式，改進了4B-1200型平貝母藥材收獲機，將損失率和損傷率分別降低至3.8%、2.9%；何曉芬[15]研究設計了一臺小型折耳根收獲機，針對挖掘鏟和輸送分離裝置關鍵部件進行設計，以適合我國西南方山區、丘陵地區小面積土地的折耳根收獲使用；張文杰[16]針對西北道地產區，研究設計一臺4Y-1200型藥材收獲機，可適應于黃芪、紅芪、黨參、甘草等深根莖類藥材的收獲；謝新亞[17]研究設計了一種適合新疆地區甘草種植模式的甘草收獲機，可一次性完成甘草的挖掘、輸送、分離、鋪地等作業；昆明理工大學張兆國教授團隊[18-22]研發了懸掛式、牽引式和自走式等多款三七收獲機，可適用于云南丘陵山區、溫室工廠等不同場景的三七收獲作業。

目前主要參考馬鈴薯、胡蘿卜、花生等收獲機進行改進，通過試驗研究挖掘機構、分離機構和輸送機構，提高根莖類中藥材收獲機作業質量，以適用于不同地區、不同種植農藝要求的根莖類中藥材收獲作業。根莖類中藥材收獲機主要由機架、挖掘機構、分離機構、輸送機構、收集機構等組成，根莖類中藥材收獲機結構簡圖如圖2所示，其中挖掘機構、分離機構、輸送機構為主要關鍵部件。隨著自動化、智能化農機的發展，根莖類中藥材收獲機也將增加自動化、智能化技術，關鍵部件的結構參數和作業參數將隨作業條件自適應調控，提高根莖類中藥材收獲機的普適性。

圖2 根莖類中藥材收獲機結構簡圖Fig. 2 Structure diagram of Rhizome Chinese herbal medicine harvester1.挖掘機構 2.分離機構 3.輸送機構 4.收集機構 5.機架

3.1 挖掘機構研究

許多根莖類中藥材的根系發達，分布于土壤深層，根系與土壤形成團聚體，根系起到加強筋作用，增強土壤抗剪切強度和根土分離難度[23]，為了保證根莖類中藥材的完整性，挖掘機構的作業深度須大于藥材最大根深，在挖掘過程中會產生大量的根土混合物以及雜草，要求挖掘機構不僅具有較大的作業深度和良好的入土性能，同時還需具有一定的土壤破碎分離功能[24]。

3.1.1 挖掘鏟

挖掘鏟對土壤直接施加作用力，將堅實的土壤破碎、疏松和將團粒結構破壞，起到切削、破碎土壤作用，避免大量土垡造成擁堵現象，同時降低挖掘阻力，因此挖掘鏟直接關系到收獲質量。為了適應各地區不同的挖掘條件，我國各地科研機構研發出眾多類型的挖掘鏟以適應當地環境和挖掘條件，查閱相關文獻[17-18, 24-27]，依據挖掘鏟平面形狀可分為平面鏟、曲面鏟、叉齒鏟和組合鏟等，挖掘鏟類型如圖3所示。

圖3 挖掘鏟類型Fig. 3 Shovel type

王鋒等[28]針對機收黃芪時三角平面鏟挖掘效果不佳且易損壞問題，通過仿真試驗和田間試驗，研究確定三角平面鏟最優傾角；陳威等[29]針對太子參聯合收獲機的三角平面鏟，進行理論計算、仿真計算和土槽試驗研究，確定工作性能較優的參數組合。目前主要將螻蛄、巨蜥、砂魚蜥、穿山甲、狗獾、黃毛鼠、鼴鼠等作為仿生原型，研制不同類型仿生鏟；周夢淵[30]針對黃芪機收研發一種仿生挖掘鏟，選用螻蛄前足爪趾作為仿生對象，進行了仿生學結構優化，通過仿真試驗對比，優化后鏟片的最大應力、形變量都有所下降；郎沖沖等[31]針對三七種苗挖掘鏟挖掘阻力大、碎土性能與減黏性差等問題，運用仿生學原理，對穿山甲前爪中趾和鱗片進行結構分析，將仿生鏟表面設計成有凸起的楔形鏟面，設計一種三七種苗仿生挖掘鏟。昆明理工大學張兆國團隊[32-33]為解決挖掘鏟前易壅土的問題，設計了一種組合式挖掘鏟，在不同作業速度和挖掘深度條件下，組合鏟的水平和垂直阻力皆小于傳統挖掘鏟，可降低三七收獲機工作能耗和阻力。

平面鏟構造相對簡單、緊湊、實用、便于制造，且入土容易，目前應用最廣；曲面鏟一般結合仿生技術，鏟面的曲面特征仿制動物挖掘器官表面，起到減黏降阻效果，同時提高使用壽命，但表面特征及制造工藝復雜；叉齒鏟入土容易，減小了鏟面與土壤的接觸面積，可減小挖掘阻力及牽引阻力，且易于碎土和分離土壤，但可靠性較差，容易折斷叉齒和折彎柵條等；組合鏟具有良好的碎土分離效果，減少挖掘阻力并降低鏟前壅土，但結構復雜。隨著加工制造技術的進步，根莖類中藥材挖掘作業深度和作業速度等要求不斷提高，對于深根莖中藥材，需克服挖掘過程中易壅土、挖掘阻力大等缺點，結合仿生技術的組合挖掘鏟將成為趨勢。

3.1.2 挖掘機構

挖掘機構依據挖掘鏟運動形式分固定式、驅動式和組合式等。固定式挖掘機構與機架部件組成剛性連接，一般主要由挖掘鏟和鏟架構成；驅動式挖掘機構工作時，其傳動結構比較復雜，挖掘鏟在動力的驅動下做往復運動和旋轉運動等；組合式挖掘機構包含兩種或兩種以上不同類型的挖掘機構。

固定式挖掘機構和振動式挖掘機構應用于根莖類中藥材收獲較多，旋轉式挖掘機構和組合式挖掘機構相對較少，有研究將旋轉式挖掘機構應用于馬鈴薯收獲[34]。朱昊杰[35]新設計了一種適用于元胡的固定式挖掘機構，收獲作業前可調節不同的入土角，通過EDEM離散元仿真研究在不同入土角和不同作業速度的挖掘阻力情況。振動式挖掘方式是一種有效降低阻力的途徑，國內外研究者通過理論分析和試驗研究了振動式挖掘方式的減阻機理，可分為強迫式和自激式兩種振動方式[36-39]。

淺根莖類中藥材收獲機主要采用固定式挖掘機構，固定式挖掘機構結構簡單、制造及維修容易、可靠性較高，依然存在挖掘深度不足、入土阻力大、功率損耗嚴重、碎土效果差等問題；深根莖類中藥材收獲機主要采用強迫振動式挖掘機構，可有效減小挖掘阻力，具有良好的碎土分離效果；目前組合式挖掘機構其結構復雜、制造困難，能夠適應多種挖掘環境，未來可用在自走式聯合收獲機上，適用于深根莖類中藥材收獲。

3.2 分離機構研究

分離機構同時具有輸送作用，作業時需承受的載荷較大，據研究馬鈴薯收獲機要分離的土壤達70%～80%[12, 40]，許多根莖類中藥材的挖掘深度遠大于馬鈴薯，土壤喂入量較大，因此對根莖類中藥材分離機構的性能要求更高。目前根莖類收獲機上廣泛采用的分離機構類型有升運鏈式、分離篩式、滾筒式等。

3.2.1 升運鏈式

升運鏈式分離機構也稱作為桿條式升運器，主要由桿條、鏈條和振動器等組成，依據鏈條結構型式，可分為鏈桿式、鉤桿式以及帶桿式等。李增璽[13]針對百合輸送分離時損傷現象，設計一種帶桿式升運器，通過離散元仿真進行損傷機理研究，明確機具的前進速度、升運器帶速以及升運器傾角等工作參數范圍。申世龍等針對丹參機械化收獲，設計一種鏈桿式清土輸送裝置，為了增加輸送鏈的清土效果，設計有振動鏈輪，以實現輸送鏈的振動，可將挖掘后的丹參實現參土分離，同時將丹參輸送至輸送裝置中。目前升運鏈式分離機構的理論研究較多，技術較成熟，其具有較強的分離能力，并在傾角較大時仍具有良好的輸送能力，被廣泛使用，但使用過程中磨損速度快，部件易于損壞，從而造成機器故障率較高。

3.2.2 分離篩式

分離篩式分離機構主要由分離篩和驅動機構組成，分離篩的種類較多，依據分離篩的運動形式可分為振動式、擺動式等，依據篩面結構形式可分為桿條篩、鋸齒篩、編織篩和組合篩等。馬川等[41]研發的平貝收獲機采用偏心輪式振動分離篩，通過對振動機構運動學分析，利用Matlab優化工具箱對振動機構核心參數偏心輪的轉速和半徑進行優化，降低平貝機械化收獲損傷率；張澤璞[11]針對板藍根機械收獲，設計了一種具有篩條—篩板組合式篩面的擺動式根土分離篩，并對其關鍵部件偏心機構、雙搖桿機構、組合式篩面結構進行設計，分析根土復合體相對篩面正向滑動、相對篩面反向滑動、相對篩面發生拋擲運動的條件，研究得到影響收獲效果的主要因素為篩面傾角、曲柄轉速、曲柄半徑。振動式分離篩結構簡單、性能穩定，在根莖類收獲機上經常被使用，擺動式分離篩存在慣性力平衡不足的問題[42]，但其承受載荷大、碎土性能較強和分離性能較好等，能把篩面上的混合物快速向分離篩尾部輸送，其輸送效率較高。

3.2.3 滾筒式

滾筒式分離機構具有受力均勻、故障率低、使用壽命長和能量消耗少等優點，但其結構復雜，加工制造困難[34, 43]。王密[44]設計了一種帶有揚料板的滾筒式分離機構，用于平貝母機械化收獲，通過液壓馬達驅動滾筒旋轉，實現滾筒的無級調速，滾筒篩內裝有一定角度的揚料板，不僅有利于物料在滾筒內向后輸送，而且還能起到翻轉物料的作用。滾筒篩分離機構可適用于短根莖類、塊狀根莖類中藥材，但需在含水率和粘黏性較低的土壤中進行篩分作業。

3.3 輸送機構研究

輸送機構主要作用是輸送轉移物料，可附帶分離和分級功能，在薯類、花生等聯合收獲機應用較多，且技術較成熟，根據輸送級數可分為一級輸送、二級輸送和多級輸送[45]，根莖類中藥材的輸送機構參考薯類輸送機構改進或直接引用，主要有網帶輸送式、刮板輸送式、輥筒輸送式等。陳威[12]研發的太子參聯合收獲機選用網帶輸送式輸送機構，網帶的兩側為鏈條，鏈條與傳動軸上的鏈輪相配合進行傳動，調節輸送網帶的松緊度，在工作過程中網帶能夠產生一定自激振動，有利于進一步將細小土粒分離，研究表明最佳傾角在20°～30°。刮板輸送式依據結構形式可分為帶式刮板輸送式和鏈條刮板輸送式，王密等針對4B-1200型平貝母機械收獲過程中，黏濕土壤易進入帶式刮板輸送機構的輸送帶內側，引起側滑和堆土現象，重新設計了一種鏈條刮板式反向升運器，通過理論分析的方法確定了升運器結構參數和工作參數，傾角為45°，線速度0.26 m/s，升運效率提升了2倍。謝新亞[17]針對新疆地區甘草機械化收獲，設計一種輥筒輸送機構，由傳動鏈輪、輸送輥筒、機架和鏈輪護殼等組成，其中輸送輥筒周向均布安裝4排刮板及釘齒，釘齒與刮板成45°夾角焊接，起到破碎土壤和向上輸送甘草作用，經過理論計算和試驗分析得到最佳機構參數和工作參數：輥筒直徑 60 mm、傾角為15°、輥筒轉速255 r/min。

對于不同物理特性和形狀尺寸的根莖類中藥材可采用不同形式的輸送機構，需保證輸送效率，同時防止中藥材與輸送機構纏繞，造成根莖類中藥材損傷。目前短根莖類和塊狀根莖類等一般采用網帶輸送式、刮板輸送式等，長根莖類中藥材一般采用刮板輸送式、輥筒輸送式等。

4 存在問題

目前國內學者對根莖類中藥材收獲機進行了大量的研究，中藥材收獲機械化還處于起步階段，根莖類中藥材與主要糧食作物的收獲機械化水平相差較大，在根莖類中藥材收獲機實際應用中，依然存在挖掘阻力較大、收凈率低和破損率高等現象，制約收獲機械化水平的因素較多且復雜，主要存在以下問題。

1) 農機農藝融合程度不足。根莖類中藥材的品種繁多，即便相同品種在不同地區的種植方式和農藝要求也不同，有直播、移栽種植方式，有半覆膜、全覆膜、膜上栽培、膜側栽培、開溝、起畦和起壟等農藝要求，導致機械化收獲的要求也各異，給配套收獲機械帶來較大難度。

2) 聯合收獲機械的研發積極性不高。根莖類中藥材主要種植丘陵山區、零散地塊等，受地理環境的影響及制約，主要以手扶拖拉機等動力機具配套微小型收獲機具作業，通用聯合收獲機械無法施展，企業研發根莖類中藥材收獲機的積極性不高。

3) 收凈率和破損率缺乏系統性研究。由于各地區的土壤物理特性不同，土壤—根系的團聚體的物理力學參數和模型不同，不同根莖類中藥材、土壤和機械之間的相互作用機理尚不明確，收凈率和破損率在挖掘作業和分離作業中缺乏系統性研究，在機械化收獲過程中收凈率和破損率的關鍵影響因素尚不明確。

4) 收獲作業的智能調控技術缺乏研究。對不同地區、不同品種根莖類中藥材的挖掘機構和分離機構的作業參數要求不同，現有挖掘機構無法實時調節挖掘鏟角度、深度和速度等作業參數，以降低工作阻力，分離機構無法根據根土喂入量實時調節振動頻率、速度等作業參數，以提高分離效果，目前尚未對不同根莖類中藥材收獲作業參數的智能調控技術進行研究，主要依靠人工經驗判斷收獲機具的作業參數。

5 發展趨勢

隨著小地塊集中連片，逐步擴大中藥材種植面積，正在由人工收獲和半機械化收獲向機械化收獲轉變，由傳統挖掘機向聯合收獲機發展，目前需突破中藥材農機農藝融合的關鍵技術，提高收獲機的田間作業適應能力，最終逐步向智能化聯合收獲機發展。

1) 挖掘機構向低耗深挖技術發展，針對深根莖挖掘收獲的挖掘深度不夠、挖掘阻力大和功耗損耗嚴重等問題，進一步研究土壤切削破碎、挖掘機構功率損耗等機理，研發融合仿生技術、振動減阻技術的組合式深挖機構，實現低耗深挖新技術。

2) 分離機構和輸送機構向柔性低損技術發展，針對不同土壤和根莖類中藥材的物理特性，進一步分析分離機構和輸送機構等損傷占比，加大機械化收獲過程中根莖類中藥材損傷機理的研究，研發各機構的柔性收獲關鍵技術，以降低機械收獲的破損率。

3) 收獲整機向智能調控技術發展，針對不同種植模式和作業環境，收獲機集成基于北斗導航的智能調控系統，實現挖掘機構、分離機構和輸送機構等自適應調控技術，以適應不同根莖類藥材、不同地區地形和不同田間環境的機械收獲作業。