中藥農業機械化收獲技術現狀及對策

　　摘 要: 我國是中藥材的生產和出口大國。近年來，我國中藥材的種植面積越來越大，但中藥材的生產環節大多還依賴于人工，尤其是在收獲環節。目前，農業勞動力急劇短缺，很大程度上限制了中藥材產業的發展。為 此，從藥材的收獲部位區分，將其分為根莖類、花類、葉類、果實類及秸稈類藥材，分別對我國各類中藥材收獲機的研究現狀進行分析，指出現階段中藥材收獲機械推廣應用面臨的挑戰。最后，針對中藥收獲機械化的現存問題，提出了相應的發展建議與對策，皆在為今后研究中藥農業收獲技術裝備提供參考。

　　關鍵詞: 中藥材; 中藥農業; 機械化; 收獲; 發展現狀

　　王榮炎，鄭志安，高 磊，姜大龍，張子梅;農機化研究;2022 年 7 月

　　0 引言

　　“中藥材是中醫藥事業傳承和發展的物質基礎，是關系國計民生的戰略性資源，保護和發展中藥材，對于深化醫藥衛生體制改革、提高人民健康水平，對于發展戰略性新興產業、增加農民收入、促進生態文明建設，具有十分重要的意義。”摘自《中藥材保護和發展規劃( 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日常飲食生活中，隨著全民健康意識的不斷加強[3]，中藥農業經濟進入了快速發展的階段，產業規模正在不斷擴大。然而，我國中藥材的生產機械化水平依然很低[4]，加之近年來，農業勞動力急劇緊缺，中藥農業的發展受到了嚴重制約。為此，著重分析了我國中藥材收獲機械的發展現狀，指出了我國中藥材收獲機械存在的問題，并針對今后我國中藥材收獲機械的發展方向提出了相應的建議。

　　1 中藥農業發展現狀

　　我國中藥農業有著幾千年的發展史[5]，如今，中藥材遍及在我國的各個地區，甚至成為個別省份的支柱性產業。目前，我國加快了對中藥現代化建設的步伐，各省份相繼出臺了支持中藥材種植的政策，大大鼓勵了農民種植中藥材的積極性。目前，中國常用藥材品種的種植基地有 430 個，年產量接近 900 萬 t，中藥材種植面積越來越大，且在逐年增加[6]。據調查數據顯示: 2017 年，除北京市、西藏自治區、臺灣省、香港和澳門自治區之外的 29 個省市的中藥材總種植面積已高達 455. 54 萬 km2 ( 數據來源: 人民網) 。2020 年我國中藥材的種植面積如圖 1 所示。

　　近年來，人們的生活水平逐步提高，對健康生活的意識也大幅提升，大多數人開始注重養生和保健，促使了健康產業的發展，藥食兩用的藥材需求量也逐年增多，在國內市場有了巨大的需求和發展空間[7]。圖 2 是對 2016—2017 年淘寶藥食兩用藥材品種同月度成交筆數進行的抽樣統計( 數據來源: 淘寶采集) 。 2017 年，藥食兩用藥材品種發展勢頭強勁，相關品種需求總量增長率為 9. 5%[8]( 見圖 3) ( 數據來源: 中藥材天地網) 。

　　我國《中醫藥“一帶一路”發展規劃( 2016—2020 年) 》等為中醫藥產業發展提供了良好的政策環境。中藥材逐漸打開了國際市場，我國成為了藥材出口大國。近年來，中國等一帶一路國家的中藥材出口量暴增，中藥材已經出口到 183 個國家和地區[9]，圖 4 為 2015—2017 年中藥材出口額數據，如圖 4 所示。

　　2 中藥材機械分類

　　中藥材生產需要大量的人工，導致生產成本高，目前農村勞動力短缺且年齡大，雇工困難，迫切需要機械代替人工、降低生產成本、提升藥材收獲效率與質量。中藥材的種植生產環節復雜，所需要的機械多種多樣[10]。從功率、應用地域和作業環節來看，藥材機械可如圖 5 進行分類。其中，根據收獲部位不同，藥材收獲機一般可分為根莖收獲機、花類收獲機、葉類收獲機、果實類收獲機和秸稈類收獲機。

　　對于中藥農業的耕整地、播種、田間管理等環節皆可借鑒大田作物已經推廣應用的機械，但由于中藥材品種繁多，生長特性和收獲部位差異大，收獲期和收獲要求比較嚴格，無法直接將大田作物的收獲機械應用到藥材收獲，實現藥材的機械化收獲難度很大。由于國外中藥材的種植較少，相應的機械研究較少，且國外藥材品種和種植方式與我國差異很大，所以只對我國藥材收獲機械的技術進行分析，了解我國藥材收獲機的發展現狀[11]。

　　3 中藥材收獲機械分類

　　3. 1 根莖收獲機械

　　根莖收獲機械一般由傳動部件、收獲部件、偏心振動部件和液壓部件等組成[12 - 13]。根莖類藥材有長根莖與短根莖、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的作用對象不同，可分為深根型、顆粒型和淺根型根莖收獲機械。

　　1) 深根型收獲機械。深根型收獲機械可用于收獲黨參、香附子、柴胡、防風、桔梗、黃芪、板藍根、黃芩、白芷、龍膽草和蒼術等藥材。以河北圣和深根型根莖收獲機為例( 見圖 6) ，收獲機械參數如表 1 所示。深根型收獲機械所需動力大，收獲部件的采挖深度較大，進行收獲作業時，需要克服的土壤阻力大[14]，對收獲挖掘部件的強度以及收獲機的動力系統有很高的要求[15]; 同時，要求作業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藥材造成損傷。

　　2) 顆粒型根莖收獲機械。顆粒型根莖收獲機械多用于收獲半夏、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。顆粒型根莖收獲機械不同于深根型收獲機械，所需要的動力較小，作業時的土壤阻力大大減小，收獲機可將藥材進行清理分級。顆粒型根莖收獲機械可以參照土豆等根莖類收獲機械進行設計研究，以 4U - 1600 型顆粒型根莖收獲機械( 見圖 7) 為例，其工作參數如表 2 所示。

　　3) 淺根型根莖收獲機械。淺根型根莖收獲機械 ( 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械，淺根型根莖收獲機所需動力較小，能一次性完成挖掘、分離等工序，其工作參數如表 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，對機械收獲作業的要求較高。每個藥材品種的直徑、生長深度等物理特性差異很大。所以，根莖類收獲機械的通用性較差，需要根據不同品種藥材的生長特性，采用不同的機具和收獲方式，才能保證藥材的收獲質量。

　　3. 2 花類收獲機械

　　花類藥材形態各異，生長特性復雜，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基本依靠人工完成，現有的花類藥材收獲機械大多處于專利技術及樣機試驗階段，還未大規模推廣應用。

　　1) 金銀花收獲機。韋翠慶等人發明了一種金銀花采摘機[16]，采用柔性撥葉桿和軟滾輪摘取金銀花，金銀花的花、葉子等雜質經由輸送裝置送至花葉分離機，在濾網作用下，花朵可以被有效清選分離。花朵從濾網間隙掉落，軸向風機和鼓風機將其輸送至出料口，葉子在出葉口被吹出，少量葉子隨著金銀花掉落; 位于下方的鼓風機將隨花朵掉落的葉子吹起，再通過軸向風機將葉子吹出出葉口; 反復循環，直至葉子從出葉口排出，殘留在濾網上的花朵由刷子刷落，自動進入儲花筒中。該收獲機能對花葉進行自動分離，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 如 圖 9 所示。

　　2) 菊花收獲機械。菊花收獲機械一般利用梳齒和刀具相結合或者梳齒與氣吸相結合的采摘方式進行菊花的采摘作業，行走方式有手推式和自走式。中國農業大學鄭志安團隊[17]研制的梳齒往復式菊花采摘機( 見圖 10) ，采摘部件由直流減速電機、曲柄、連桿、滑塊、滑軌、采摘梳齒和鏈傳動機構組成。工 作時，曲柄做勻速旋轉，滑塊做變速往復直線運動，連桿帶動采摘梳齒做平面復合運動，利用梳齒進行菊花采摘作業; 采摘梳齒運動到最低點插入菊花植株，并向斜上方運動采下菊花; 當運動到行程的最高點時，利用曲柄連桿機構的急回特性，給采摘梳齒一個回程力，完成菊花采摘; 采摘下來的菊花掉落至機器后方的收集盒，輥刷將梳齒上殘留的菊花掃入收集盒。試驗驗證結果表明: 當采摘梳齒的往復頻率為 40 r / min、梳齒間距為 6. 5 mm、梳齒工作深度為 200 mm 時，菊花的 采 摘 率、含 雜 率、破碎率和落地損失率分別為 92. 47% 、11. 07% 、1. 48% 和 1. 41% 。

　　3) 紅花絲采收機械。紅花絲采收機械基本是采用氣力式或氣力與切割相結合的方式，目前的采摘機紅花絲掉落損失及花絲損傷率都較大。2012 年，李景彬等人發明了一種便攜式單人紅花采收機[18]，利用切割采收機構將紅花花絲從根部切割下來，切割下來的花絲通過負壓輸送機構，運送至收集箱，如圖 11 所示。

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

　　3. 3 葉類收獲機械

　　葉類收獲機械的收割裝置一般分為往復割刀式、圓盤割刀式和回轉帶鋸式，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、夾持輸送和風力輸送 3 種形式[19]。圖 12( 圖片來源: 農業產業信息網) 為上海倉田公司與上海市農業機械研究所聯合研制的手扶式葉菜收割機。該收獲機為手扶電力驅動，采用往復割刀式和帶式輸送，田間試驗發現該收獲機操作簡便、機動性較好。

　　3. 4 果類收獲機械

　　1) 紅棗收獲機械。嚴積業等人發明了一種新型紅棗收獲機( 圖片來源: 農機 1688 網) ，基于機械振動實現紅棗采收，如圖 13 所示。收獲機的采摘部件為帶有撥桿的立軸采摘滾筒，工作時，采摘滾筒位于棗樹兩側，在收獲機勻速前進的同時，在驅動馬達作用下做旋轉振動，與收獲機前進速度相配合; 采摘滾筒轉動過程中，撥桿伸入樹冠以高頻小振幅振動，完成紅棗的收獲。該收獲機的收獲效率為 0. 89 hm2 / h。該機對果園行距和果樹樹型有嚴格要求，且要求紅棗成熟期集中，果實含水率不能高于 60% ，否則容易對果實表皮造成損傷。

　　2) 枸杞收獲機械。南京農業機械化研究所首次提出適宜機械化采收的枸杞種植模式，即枸杞枝條呈兩側垂掛栽培，并研制了一種往復式高頻低幅振動枸杞采摘機( 圖片來源: 江蘇科技報) ，如圖 14 所示。工作時，采摘機振動桿拍打枸杞掛果枝條，使其受迫振動，當慣性力大于枸杞與果柄的結合力時，枸杞掉落，采摘掉下的枸杞通過輸送帶運輸至收集箱，完成枸杞的收獲過程。試驗結果表明: 枸杞采摘率達到 90% 以上，損傷率小于 5% ，作業效率為 144 棵/ h，收獲效率是人工收獲的 30 倍。

　　3. 5 秸稈類收獲機械

　　秸稈類收獲機械有手扶式、自走式、前置懸掛式等，型 號 眾 多。以 4GL - 100 自走式微型割曬機為例[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。該收獲機可用來收獲艾葉、茴香等秸稈類藥材，也可用來收割株高在 0. 5 ～ 2 m 高的農作物，割幅可設置成 0. 8、1. 0、1. 2 m; 傳動裝置采用鏈條、鏈輪，配套動力可選用風冷柴油機或汽油機，工作效率為 0. 201 ～ 0. 402 hm2 / h。該收割機轉彎半徑小，適應于山區、丘陵和不規則地塊，可以有效替代人工作業。

　　4 中藥材收獲機械面臨的挑戰和發展對策

　　4. 1 面臨的挑戰

　　我國雖然是藥材大國，但與大田農作物相比，中藥材的收獲機械化發展相對滯后，自動化和智能化程度非常低。追本溯源，我國藥材農業收獲機械化程度低的原因: 首先，大多數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作物較少，所以農機企業對中藥材收獲機的研制興趣較少，機械化程度較低。我國中藥材品種多、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，采收時間不同，所以收獲機械通用性差，決定了中藥材機械無法實現大批量生產，目前中藥農業收獲機械依然是 “一品一機”式。其次，我國中藥材種植散戶的數量仍較大，這些散戶的種植經驗和技術等與藥材基地比較，存在著明顯差距，大多數藥材品種未從農機農藝融合的角度進行栽培種植，沒有形成統一的生產種植模式; 藥材多為分散種植，區域地形復雜，技術管理和市場信息落后，同樣阻礙了中藥農業的發展[21]。同與日益增長的中藥農業產品需求相比，種植戶、相關職能部門等在中藥農業收獲機械方面的投入資金相對較少，由于藥材收獲本身就是一種勞動密集型產業，而研發一臺藥材收獲機的成本較大，所以種植散戶對藥材收獲機械的需求迫切程度較低，嚴重影響了藥材收獲機械的推廣應用[22]。

　　4. 2 發展對策

　　研制適合我國國情的中藥材收獲機械及相關配套機具，是降低中藥農業生產成本、促進廣大農民增收和早日脫貧致富的重要途徑，必須實施中藥農業收獲的機械化[11]。針對目前面臨的問題，首先要做到農機農藝融合[23 - 24]，根據采收機械的規格參數，定制中藥材的標準化種植模式，中藥農業需要充分吸收、借鑒現代農業領域在農機農藝融合方面的新技術、新方法[25]，只有促進技術推廣與生產種植方式融合，才能更好地推廣藥材收獲機械。其次，鼓勵種植散戶、農機部門技術人員共同入駐農機農藝農信融合示范應用平臺，加強科技研發，建立企業和藥材種植基地、專業農戶的合作機制，促進中藥農業機械的科技研發和成果轉化，確保形成一種可推廣應用、持續發展的全程機械化藥材生產模式[26]。最關鍵的一點是，國家層面應加大政策、資金投入，鼓勵和支持中藥農業，定向支持中藥農業機械的發展，加大對藥材收獲機械的扶持。同時，需要加強對各類藥材的物料特性及采摘機理研究，在今后藥材收獲機械的設計中增加調節裝置，提高機具對藥材無規律生長特性的適用性，收獲機的機型應向功能集約化的方向發展。最后，充分利用“互聯網 + ”等現代技術，把各種藥材的物理特性參數做成數據庫[27]，利用大數據實現藥材收獲機械的智能控制，加強對藥材收獲機械的智能化研究，提高收獲作業的自動化。