我國山藥機械化種植與收獲技術現狀與對策

關鍵詞：山藥；特性；淺生種植；套管種植；機械化收獲

0引言

山藥屬于薯蕷科薯蕷屬植物，山藥塊莖肥厚多汁，含有多種有益物質，有利于脾胃的消化吸收，增強免疫力[1]。我國山藥種植主要分布于華北、華中、華南、東北和西北5個產區，占70%以上，其中華北地區的山藥栽培面積最大，起步最早。山東省、河北省和河南省3省種植面積均已超過1萬hm2。懷山藥和鎮平山藥主要產自河南省焦作市、南陽市和商丘市等地，其中懷山藥產量最高。山藥主要作為藥用和食用，產品銷往全國各地，并出口日本、韓國，以及歐美等國家和地區。山藥種植主要是采用傳統的挖溝起壟栽培方式，多為人工種植，費時費力，種植技術較單一，缺乏創新思維。山藥種植和收獲的機械化程度低，農藝和農機結合較差，專門針對山藥種植和收獲的機械設備研究較少，生產效率低，山藥育種、栽培和收獲等新技術利用率明顯偏低甚至嚴重滯后[2]。

1山藥生物學特性

為實現機械化播種與收獲，減少收獲過程中的損傷，對山藥根莖特征的研究必不可少，研究其自身抗彎性、抗壓性和抗剪等力學特征對機械挖掘收獲過程起到關鍵作用。曹少波等[3]對新鮮麻山藥的根莖進行抗拉伸、抗壓縮和抗彎曲試驗，結果表明，麻山藥根莖抗拉和抗壓性較差，最易受到壓縮破碎，而抗彎強度變形能力較強，但該試驗沒有考慮到山藥含水率、直徑大小等因素的影響。劉國華[4]用單因素試驗方法和正交試驗方法分別研究了山藥直徑大小、含水率和加載速度3個因素對其承受的拉斷力、壓斷力和折斷力的影響，結果表明，在設計山藥收獲機時應盡量減少拉扯和擠壓以減少山藥出現斷裂的可能。

山藥塊莖深埋于土壤中，根系廣泛分布在塊莖周圍，導致塊莖與土壤之間存在復雜的黏結關系。要解決山藥采收過程中塊莖與土壤分離的問題，必須了解山藥塊莖的物理特性、土壤屬性，以及山藥收獲時在土壤中的塊莖與土壤的結合方式與關系，然后通過合理的土一根分離方法采收山藥塊莖。隨著計算機性能的提高及數值模擬理論和軟件的發展，越來越多的研究利用數值模擬軟件對土一根莖相互作用機理進行分析。

劉月廣等[5]對麻山藥種植區黏質土壤進行離散元參數標定與試驗，運用EDEM中的Hertz-Mindlin withJKR模型建立土壤顆粒模型，通過仿真試驗和田間試驗得到麻山藥種植區土壤間最優參數。郝建軍等[6]通過軸向壓縮、剪切對麻山藥進行力學特性研究，結合EDEM中的Hertz-Mindlin with bonding模型建立麻山藥模型，通過仿真試驗和HY-0580微型電子拉力機試驗得到山藥間的接觸參數。LIU Yueguang等[7]建立了山藥根莖和土壤的離散元模型并進行了參數標定，通過剪切、壓縮和彎曲試驗進行了驗證。龍思放[8]測定了白嘴麻山藥的生物特性參數，建立了山藥一沙壤土離散元仿真模型，對仿真參數進行了標定，對山藥收獲過程進行了仿真試驗分析，得出了山藥破損率最小、沙壤土破碎率最大的振動頻率和振動幅度。

以上研究為山藥根莖和土壤分離打下了理論基礎，為后續的山藥收獲機設計提供了依據。

2山藥開溝種植與收獲技術現狀

2.1螺旋式開溝種植與收獲技術

山藥開溝種植方式俗稱為開溝，實為松土，沿山藥生長方向將土壤旋松種植，有利于山藥向下生長[9]。這種開溝起壟的栽培模式可以使山藥在生長時有良好的通風保墑效果，提高山藥產量。山藥機械化種植有機械開溝、挖掘刃挖掘和機械打洞等模式。機械開溝方式有螺旋式、鏈式。螺旋式鉆頭開溝機的工作原理是螺旋松土桿深入土壤將深層土壤松動，旋轉前進時不會改變原先的土層，并向上輸送一部分土壤用于培壟播種，如圖1所示。山藥一般采用開溝種植及高壟栽培技術，可采用單壟單行或單壟雙行栽培[10]。勃農興達機械有限公司在原有精密播種機的基礎上單獨設計了適用于黃芪、山藥等中草藥的專用排種器和播種開溝及覆土部件，成功研制出了2BHS-2型黃芪壟上撒播機，也適用于山藥播種。該機械主要由排種器、撒種器、施肥開溝器、播種開溝器和覆土器組成。工作時播種開溝器在開溝的同時將化肥覆土，撒種器組合后面的拉板型覆土器給種子覆土，然后鎮壓器對種子進行鎮壓作業，從而實現黃芪、山藥等中草藥的壟上撒播作業[11]。賴慶輝等[12]研制了一種開溝一排種單體式人參精密播種機，主要結構有雙圓盤開溝器、鏈勺式精密排種器，整機可一次性完成開槽溝、人參播種、土地鎮壓等作業。東方紅LX2204型拖拉機可以實現自動駕駛進行山藥種植前的開溝、起壟作業，作業時只要預先設定好路線，即可自動完成開溝作業，既省心又省力[13]。繆明[14]研制出了錦華牌2C-2型山藥種植機，該種植機在平整過的田里用鉆頭機械打洞，洞可以連續使用3～4年，減輕勞動強度。但是這種打洞模式不適宜在沙丘地進行，因為打洞后容易坍塌，也不適宜在過于堅硬的土壤或過濕的排水不良的田間進行，不利于山藥生長[15]。

立式螺旋開溝機可以使開溝過程中的切削、提升、拋撒一次完成，其開溝深度也能滿足山藥收獲的深度。同時大功率拖拉機的發展也逐漸提升，能夠與開溝機相匹配，山藥的機械化種植與收獲也大幅發展[16-17]。有研究者設計了1KL-100型立式螺旋開溝機，通過在旱田和水田中進行挖溝試驗，其性能指標滿足開溝技術要求[18]。孫繼東[19]設計了一種可連續挖掘的懸掛式旋轉開溝機，結構簡單、機型小、作業阻力小，提高了開溝質量和效率，但開溝深度不足以滿足山藥根莖長度。王茂成[20]設計的螺旋式山藥收獲種植兩用機，收獲山藥時，開溝裝置先挖松山藥行兩側土壤，再用振動裝置將山藥下方及周圍土壤振松，并將山藥頂出，確保山藥在挖掘過程中完好，提高了工作效率；該機構與開溝機相比增加了振動裝置，可實現山藥與土壤的輕微分離，但土壤阻力較大，入土困難。

2.2鏈式開溝種植與收獲技術

鏈式開溝機結構簡單、成本低、效率高，所以就目前應用數量而言，使用最多的是鏈式開溝機。鏈式雙溝開溝機可以實現機械挖溝種植，主要由主支架、傳動鏈條、主鏈輪和轉向器等組成，以農用拖拉機為動力源，一次作業可開雙溝，溝深可達到85～120cm，土地深翻后，形成栽培溝[21]。

順義縣農機具研究所[22]設計了雙排鏈式山藥種植收獲一體機，主要由機架、挖掘裝置和傳動裝置等組成，挖掘裝置為雙排鏈傳動裝置，兩鏈輪軸上分別設有主、從動鏈輪。在山藥種植時，可使用該裝置將土壤按要求的深度挖掘翻松；在山藥收獲時，使用該裝置將山藥行側面的土壤刨開，再由人工挖掘撿拾山藥，很大程度上減少了勞動強度。但是山藥根部的土壤依然較硬，收獲時易挖斷。梁學強等[23]研究了1K-17型鏈式山藥開溝收獲機，該機有獨立的液壓懸掛系統，通過改變傳動比來滿足作業與行走對不同速度的需求，開溝寬度可達到12～35cm，開溝深度可達到40～120cm，如圖2所示。劉國華等[24]對山藥收獲機的鏈式開溝機構的支撐架進行了設計和仿真分析，不僅實現了開溝機構與地面之間角度可調，而且主軸轉動和支撐架轉動互不干涉。刁懷慶[25]對4USY-1型山藥收獲機進行的田間試驗表明，機械挖掘深度到位，作業效率高，山藥破損率低，效果好；該機為單行作業，可一次性完成開溝、掘進、舉升和起土等作業，但該機具對標準化種植要求較高，不適合寬窄行種植模式的收獲，操作不便。于萬勝[26]設計了一種能實現山藥自動出土，并能與土壤分離的山藥收獲機，使用去除山藥塊莖兩邊的土壤取其中間的方法，其中動力機構通過提升油缸調整挖深掘進機構與地面的夾角，從而改變挖掘深度；通過輸送油缸調整輸送機構與地面的夾角，這兩部分的改良對不同深度的山藥收獲有顯著效果，提升了該機的適用性。自走式麻山藥收獲機集推土機構、開溝裝置、土壤翻振和回填機構于一體，結構緊湊，通用性好；田間試驗表明，山藥破損率在5%以下，符合農藝要求[27]。楊發展等[28]基于經驗設計方法，設計了全液壓懸掛式單行山藥收獲機，采用左右兩側鏈式開溝的運動結構設計，開溝效率高，并且振動裝置的整體碎土效果較好，可以使包裹山藥的土體高效分離，機械收獲完好率高，基本滿足農戶的高收獲率和低損失率要求。

3山藥淺生種植與收獲技術現狀

傳統山藥種植技術需要深溝種植和深挖收獲，費時費工，并且山藥塊莖極易發生斷裂，造成經濟損失。定向槽淺生種植技術是一種適合在各種土壤中種植的山藥栽培方法，也適用于各種薯蕷科山藥栽培種植[29]。通過人為改變山藥根莖垂直向下生長，利用定向槽引導山藥塊莖在淺土層生長，解決收獲不便、收獲時山藥塊莖易發生損壞的問題。對于定向槽淺生種植技術，楊建楚[30]發明了一種淮山淺生槽開槽機，該機構在支架一端設置電機、減速機，旋耕螺桿通過軸承固定在支架上。此開槽機功率大、效率高，省時省力。

定向槽的種類多種多樣，廣西壯族自治區農業科學院經濟作物研究所[31]公開了一種淮山藥定向結薯栽培的方法，在種植時起壟，然后在壟斜面用塑料薄膜墊底鋪設，讓淮山藥結薯時塊莖可以沿著材料定向生長。林桂發[32]公開了一種用于山藥定向淺生栽培的定向槽，定向槽的槽壁有橫向加強筋與縱向加強筋交替分布，增強槽壁強度；槽壁是有彈性的，會隨著山藥塊莖的增大而增大，如圖3所示，適用于各種山藥作為淺生栽培的定向槽。鄒建運等[33]根據淮山藥生物學特性，利用淺土層的優勢，用PVC板設計適合淮山藥栽培的U型塑料槽，其特點是適宜種區范圍廣、產薯快、易采收。江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所[34]發明了山藥淺生帶定向結薯栽培技術，把使用過的編織袋剪為淺生帶，用淺生帶來代替淺生槽。山藥淺生槽種植技術在丘陵坡地容易實現，但在平原地區需要人工造斜坡開溝，發明了一種淺生槽栽培定向器，收獲時只需淺挖露出山藥嘴子，輕拉淺生帶，就可整條取出山藥[35-36]。

淺生槽定向栽培技術改變了山藥塊莖的垂直生長方式，降低了山藥在土壤中的生長阻力，產出的山藥外表皮比傳統的更光滑，并顯著提高了產量和外觀質量[37]。淺生槽定向栽培克服了傳統種植和收獲山藥需要深溝的缺點，收獲方便，機械損傷小，不僅可以降低勞動強度、提高勞動效率，還大幅提高山藥塊莖的商業化水平，對山藥種植的規模化發展和推進鄉村振興具有重要意義[38]。

4山藥套管種植與收獲技術現狀

山藥播種和收獲相對于短根莖類作物，其種植模式多樣和播種工藝復雜，山藥根莖長而脆，收獲時易傷易斷，這些因素決定了山藥機械化播種和收獲的難度，因此要從農藝上開始為機械化收獲鋪墊。

用套管技術進行種植已有較多研究，套管種植可以讓山藥塊莖按照套管的方向進行生長，收獲方便且商品性好[39-43]。王耀琴等[44]公開了一種農藝農機相結合的簡約化栽培方法，通過機械打孔的方法，在孔內添加稻殼、粉粹麥秸、木屑等填充物，防止土壤坍塌，拓展了山藥塊莖的膨大空間，減少了塊莖和土壤的接觸面積，以便機械收獲時塊莖與土壤快速分離不致斷裂。但該栽培方法仍未實現完全機械化，其機械化種植和收獲技術方面，仍需要進一步研究[45]。

5山藥機械化種植與收獲研究對策

（1）創新型山藥種植模式。研究適合山藥生長特點，開發淺生、套管及其他種植方式，提高山藥品質，降低山藥機械化種植和收獲的難度，為實現機械化規模化種植和收獲創造有利條件。

（2）種植農藝與收獲相融合。將農機和農藝有機融合，開發有利于山藥機械化播種和收獲的標準化和規模化種植，積極推進農田改造，建立與高標準相配套的設施，為機械化高效收獲創造條件，更好地推動山藥種收機械一體化技術的發展。

（3）提高山藥收獲機械適用性。對不同品種的山藥進行力學特性研究，開發一種適合不同品種山藥收獲的機械，從而降低收獲成本，提高采摘效率，減輕農民負擔，促進山藥產業的發展。

（4）智能化收獲系統。隨著智慧農業、精準農業、智能控制技術的發展，針對山藥收獲機可以增加導航定位技術和山藥識別裝置，實現精準收獲，減小收獲動能消耗。

（5）加大扶持力度，推進山藥產業創新驅動戰略。通過落實鄉村振興戰略，出臺各種扶持政策，構建統一高效的科技協同創新機制，積極推動山藥栽培、管理、收獲創新和科技成果轉化創新，加快轉變山藥種植、管理、收獲和加工全程機械一體化模式。

6結束語

山藥根莖的力學特征對機械化收獲起關鍵作用，了解山藥根莖的物理特性、土壤屬性及采收時的結合方式與關系是解決分離問題的關鍵，數值模擬軟件可用于分析土一根莖相互作用機理并提供設計依據。對山藥種植與收獲技術進行研究，有開溝、挖掘刃挖掘、機械打洞、淺生種植和套管種植等模式，研究了不同種植與收獲模式的優缺點，應針對上述問題進行改進完善，探索山藥收獲機械的關鍵技術，加大研發力度從而更好地促進山藥產業的發展。通過產業融合發展戰略．打造“全鏈條、高質量、高效益”的山藥全產業鏈。