基于可持续发展的三七产业农机农艺融合工程技术体系研究

杨文彩+朱有勇+张汝坤+宁旺云

摘要： 三七（Panax notoginseng）作为云南省高原特色经济作物，开发潜力巨大。在阐述三七生长特性及云南省三七产业发展历史的基础上，首先分析了云南三七产业可持续发展面临的问题，然后结合三七栽培规范，从系统工程视角，利用三七育苗工程技术和三七大田栽培工程技术构建起农机、农艺融合的三七栽培工程技术体系，为云南省三七产业向工程化、规模化、标准化方向发展提供理论支持。

关键词：三七（Panax notoginseng）产业；农机农艺融合；工程技术体系

中图分类号：S567.23+6；S23 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0122-04

Studies on the Engineering and Technical System of Integrating Agricultural Machinery and Agronomic Based on Sustainable Development of Panax notoginseng Industry

YANG Wen-caia，ZHU You-yongb，ZHANG Ru-kuna，NING Wang-yuna

（a. College of Engineering Technology；b. Applied Technology National Engineering Research Center on Agricultural Biodiversity， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201，China）

Abstract： Panax notoginseng， one kind of economic crops with plateau characteristics in Yunnan province， is tremendously potential for development. The growth characteristics and the development history of Panax notoginseng in Yunnan is analyzed；From the perspective of systems engineering，the engineering and technical system including nursery engineering technology and field cultivation engineering technology of Panax notoginseng are establishod according to Panax notoginseng cultivation norms. The engineering and technical system would help develop Panax notoginseng industry in Yunnan province in the direction of engineering， large-scale， standardization.

Key words： Panax notoginseng industry；integration of agricultural machinery and agronomic；engineering and technical system

收稿日期：2013-03-29

基金项目：文山三七现代农业工程技术产业化示范项目[云发改农经（2011）2513]

作者简介：杨文彩（1973-），女，云南昆明人，副教授，博士，主要从事农业系统工程、运筹与优化及人因与新效率工程方面的研究，（电话）

15887294829（电子信箱）yangwencai2005@126.com。

三七（Panax notoginseng）系五加科（Aralialeae）人参属（Panax）植物，是驰名中外的名贵中药材，是400多种药品的主要成分[1]。三七的生长对环境要求比较苛刻，喜冬暖夏凉，畏严寒酷热；喜潮湿但怕积水，土壤含水量以25%～40%为宜；夏季气温不超过35 ℃，冬季气温不低于零下5 ℃；生长适宜温度为20～25 ℃。土壤以疏松、排水良好的沙壤土为宜，凡过黏、过沙及低洼易积水的地段不宜种植；忌连作，土壤pH在4.5～8.0之间。三七对光敏感，喜斜射、散射、漫射光照，忌强光，一年生、二年生、三年生的三七透光率要求依次为8%～12%、12%～15%、15%～20%[2，3]。云南省文山州因特殊的气候条件成为三七的主产地，目前，三七在文山的种植面积和产量均占全国的98%，由于三七是药食两用植物，市场需求量大，加上国际上对三七原料的需求以每年20%的速度快速增长，三七原料总体供应不足[4]。因而，近年来云南省三七种植面积及产量逐年递增。但其种植模式还是以传统的手工模式为主，种植效率低。三七的生长因子以凭经验控制为主，配套工程技术体系不健全，产量不稳定，加之流通业、加工业不够发达，制约着云南省高原特色生物资源的深度开发。从产业链的视角来看，探索农机、农艺融合的高效优质三七栽培工程技术体系，对三七产业的可持续发展具有重要意义。

1 云南省三七产业可持续发展面临的问题

云南省三七的栽培历史可以追溯到上世纪60年代，目前已发展到红河、玉溪、普洱等地。2012年三七产量呈现历史新高，但以三七为原料的新产品研发速度与三七原料供给速度不匹配，导致价格出现下滑，不过三七的药用和食用价值在国内外的认可度逐年提高，因而这只是短暂的调整。“十一五”初期，云南省政府就三七产业发展进程中出现的诸如三七产业链不紧密、核心竞争力不强、企业规模不大和产业投入不足等问题，从产业规划、种植基地建设、加工和流通等方面制定了相应政策，并进行了总体规划部署。

从产业链的视角来看，只有种植业、加工业、流通业、服务业等全方位良性发展，三七产业才能实现可持续发展。三七栽培处于产业链的前端，栽培技术的好坏势必影响产业的后续发展。云南农业大学与文山苗乡三七科技有限公司正在联合攻关三七种植资源选育、育苗连作障碍及病虫害控制等技术问题，目前已取得了初步成效，但从工程视角来看，三七种植业还面临以下问题：第一，育苗阶段，广泛采用传统的人工播种方式，播种效率低下，基质压实程度、播种深度不均匀，出苗率及种苗质量不均匀；第二，大田移栽及三七采挖手段落后，还没有实现机械化作业，劳动强度大、用工成本高、工作效率低，不符合高效现代农业的发展要求；第三，苗期及大田管理阶段对三七生长所需温、光、水、气、肥等的管理普遍凭经验确定，实时监测手段落后，相配套的设施、设备体系尚未形成等。

根据三七栽培SOP规范，三七的栽培工艺流程已形成，如图1所示。但如何提升栽培质量及栽培效率的相关工程技术体系尚未形成。

笔者认为，该体系的建立应从农机、农艺融合的视角系统考虑，即农艺的设计、规划要考虑机械化配套设施设备的操作及实现的可能性，同时机械化配套设施设备应考虑农艺的需求，强调相互适应。因此，从系统工程视角构建农机、农艺融合的三七栽培工程技术体系，采用先进的技术手段和配套的设施设备提高三七的栽培效率和质量，对促进云南省三七产业的可持续发展具有重要意义。

2 三七栽培工程技术体系

从工程视角来看，以先进的育苗设施和设备装备种苗生产车间，采用工厂化育苗代替传统育苗，机械化精密播种代替人工播种，将现代施肥灌溉技术与设备、现代环境调控技术与设备、先进移栽、修剪技术及配套设备等贯穿于三七的栽培过程，以现代化、企业化的模式组织生产，成为现代化三七栽培的发展趋势。下面根据三七栽培的工艺流程，将三七栽培工程技术体系划分为三七育苗工程技术体系和三七大田栽培工程技术体系两大部分，分别讨论农机、农艺融合的工程技术体系架构。

2.1 三七育苗工程技术体系

2.1.1 三七大棚搭建及遮阳网选型 三七从播种到移栽需要一年时间，一年中不同生长期对光照量和光照强度要求不同。因此，需要搭建阴棚调节透光率[3]。传统阴棚的建棚材料多为杉树叶。在文山马关地区，1 hm2三七阴棚的材料及建棚工时费约3万元，耕地整地作业费约2.4万元，被大多数农户所接受[5]。但是随着三七种植面积的不断增加，本地的林业资源已满足不了传统三七建棚的需要。据有关报道，构建1 hm2的三七阴棚需要竹竿5.25万～6.15万根，木杈3 000～4 500根，还需要大量的山草或杉树叶遮阴，相当于3.5 hm2森林3～5年的生长量[6]。长此下去，建棚木材将会供不应求，还会严重破坏云南的森林资源。因此，如何科学地利用现代化材料来建造阴棚，对发展三七产业和缓解云南森林资源有着重要意义。

从工程视角来看，选用不同材料的棚架材料搭建大棚，再搭配不同厚度的塑料薄膜及不同透光率的塑料遮阳网，是三七工厂化育苗大棚建造的一种发展趋势。但是，市面上针对工厂化育苗所需的塑料薄膜及遮阳网的规格很多，在大棚建造时，应选择哪一种规格的塑料薄膜，以及选用哪几种透光率的遮阳网，按照何种方式布局于大棚顶部，按何种调节方式对透光率进行调节，需要经过反复的科学试验，才能满足三七育苗期的最佳光照要求。

2.1.2 三七育苗苗床的选择与设计 传统三七育苗直接在土壤里进行，土壤就是苗床，但连作障碍使三七育苗对土地的无限需求与土地的有限供给矛盾日益凸显，在连作障碍没有得到完全解决前，传统的育苗方式已不能适应三七产业化的发展模式，因此，采用穴盘和育苗槽作为三七的苗床进行育苗成为必然。

1）三七育苗的穴盘选型及设计。穴盘育苗是以少量土壤、草炭、蛭石、作物秸秆等轻质材料为育苗基质（不同作物的基质配方不同），采用机械化精量播种、一次成苗的现代化育苗方法。穴盘育苗具有省工、省力、节约能源、便于规模化管理等优点[7]。

按材质不同，目前主要有泡沫和塑料2种穴盘。泡沫穴盘适合蔬菜、烤烟等育苗期较短的作物，三七的育苗期为一年，时间较长，并且基质也相对较重，因此，塑料穴盘比较合适。但穴盘的规格有32、50、72、128、200、288孔等多种型号，由于穴盘的外形尺寸为标准件，孔越多，穴孔的体积越小，因此，育苗时，穴盘规格的选择应从穴孔能否供给作物足够营养，施肥、浇水是否能均匀渗透以及三七苗的株距等方面来综合考虑。经云南农业大学三七课题组研究，规格为28 cm×54 cm的50孔穴盘比较适合三七育苗。但试验发现，塑料穴盘在育苗期对水分的吸收不均匀，导致三七种苗质量不均匀。因此，若要采用穴盘进行三七育苗，需要按照三七育苗所需的基质重量重新设计新型的带小孔穴盘，使育苗设施与三七育苗的农艺性状相适应。

2）三七育苗槽的优化设计。与穴盘育苗不同，育苗槽育苗是先将基质铺在槽里，然后在基质里点播三七种子。按照三七栽培的传统规范，播种前需先作畦，宽1.2～1.5 m，高30～40 cm，畦间约50 cm，畦面呈瓦背形，便于排水。从产业化的发展角度来看，应考虑引进高效率作业的设施设备来提高育苗效率及质量，以便实现规模化效应。因此，育苗槽的设计既要符合三七种植规范，又要考虑设施设备作业的可能性。从形式上看，育苗槽可以设计成低于地表的形式（即槽式），也可以设计成高于地表的形式（即台式）；2种形式的土地利用率不同，机械化播种的便捷性也不一样；从槽宽来看，较窄的槽宽便于手推式的小型播种机通过，方便人工除草、施肥等，但土地利用率低；若宽度增加，表面上看可以增加土地利用率，但由于不便于手推式小型播种机械通过，若要实现机械化播种，必须要设计成有动力带动的播种机，而这种形式的播种机要求在槽的端头预留出2.0～2.5 m的距离供拖拉机转弯使用，土地利用率也不一定高，而且人工除草、施肥时容易疲劳。因此，提出育苗槽的设计应引入系统的思想进行优化，即设计时需统筹考虑：①槽的尺寸及形式要与播种机的作业可行性相匹配，便于机械化播种；②槽的尺寸设计应符合人机工程学原理，便于苗期人工管理；③槽的设计应能充分提高土地利用率，增加种苗产出率。本课题组初步提出2种方案：台式育苗槽和槽式育苗槽，其主视图如图2所示。

无论是台式育苗还是槽式育苗，都需要在每条槽的两旁留出人行通道，便于机械化作业和人工管理。这2种育苗槽究竟哪一种设计形式更好，需要结合人机工程学原理，引入系统思想进行优化计算和对比试验，这项工作正在进行中。

2.1.3 三七播种机的选型与设计 目前，三七播种普遍采用传统的手工模式，播种深度不均匀，播种效率低，不利于优质三七种苗的生产，不能满足大规模产业化发展的生产要求。无论是采用穴盘育苗还是育苗槽育苗，机械化播种代替人工点播无疑是提供优质三七种苗的必然途径。采用精密播种机具有节约良种、土地利用率高、省工省时、经济性好等优点，从农机、农艺融合的角度出发，针对三七种子的物理机械特性，对三七播种机进行选型与设计显得尤为重要。

1）穴盘播种机的选型与设计。穴盘播种机是针对穴盘育苗进行流水线播种的精密播种机械，其功能包括穴盘输送、基质填充、压穴、精密播种、覆土和洒水等。其中，精密播种是关键环节，目前广泛应用于温室的主要是气吸式穴盘精密播种机，包括气吸针式、气吸盘式及气吸滚筒式播种机。气吸针式播种机针式吸嘴的最大规格为0.5 mm，吸嘴适合播种100～500粒/g的小粒种子；自清洗式吸嘴规格有0.30、0.60、1.15 mm 3种[8]。气吸针式播种机真空度容易控制，单粒度很高，但其吸嘴容易堵塞，播种效率一般在250盘/h左右。气吸盘式播种机播种方式为间歇步进式整盘播种，播种速度快，但对种子规格要求严格、空穴率相对高、播种部件易磨损。气吸滚筒式播种机广泛应用于蔬菜、花卉、烟草等植物工厂，播种精度可达99%，播种速度高达800～1 200 盘/h[9]，但其结构复杂，针对不同类型的种子其负压腔的真空度要求不同，且气流场不易控制，对种子的外形、质量要求严格，价格较高。目前市场上还没有能完全满足三七播种要求的穴盘播种机，可以考虑在现有穴盘播种机的基础上进行改进，改进设计包括两方面的工作。第一，分析现有穴盘播种机对三七种子的适应性，确定排种器的结构形式；第二，对三七的播种参数（如针对滚筒式排种器的吸孔形式、气压、播种速度等）进行试验。

2）育苗槽播种机的选型及设计。育苗槽播种机不同于穴盘播种机，按照播种的农艺要求，播种机需要在槽的两侧边行走边播种，而且要能够在槽的端头转向。目前，此类播种机主要有人力驱动的手推式和有动力装置驱动的自走式，手推式播种机结构简单、价格低廉，但是工作效率低、劳动强度大[10]，而且设计时体积应以小巧为主，否则自重加大，不利于人力驱动。自走式播种机因为有动力装置，结构相对复杂，体积庞大而且笨重。当前市面上已有的2种形式播种机的结构尺寸及播种精度都不能满足三七的播种要求，因此需要进行重新设计，设计时应充分考虑育苗槽的形式、尺寸与三七槽播种机结构形式的匹配性，做到农机、农艺的最佳匹配。

2.1.4 苗期管理工程技术体系 三七在不同生长时期对环境变量的要求不同，当前育苗过程中环境变量的控制主要凭种植者的经验，可操作性不强，不符合工程化、标准化、产业化的发展要求。引进现代化的温室控制系统，按照三七育苗过程中的规范，对三七不同生长时期的温、光、水、气、肥等进行实时控制，为大规模优质种苗的生产提供可能。现代化温室环境的控制系统一般采用智能温室控制系统，主要由主控PC机、数据采集模块、执行设备等组成[11]。但就三七育苗而言，尽管SOP规范明确规定了三七苗在不同生长时期的环境因子参数范围，但如何选配与三七育苗农艺性状相匹配的实时数据采集与控制设施设备尚需进行大量的科学试验，包括如何对温室自动喷灌系统中喷头数量、喷头形式与规格、喷头悬挂高度等进行科学选择与合理布局；种类与型号繁多的温湿度、光敏传感器如何选型、如何布点等[12]。

2.2 三七大田栽培工程技术体系

2.2.1 大田耕整地作业工程技术 根据三七的种植标准，为了生产优质三七，移栽前需要对大田进行三犁三耙，彻底清除杂草、树根、石块，保证土壤松碎、地面平整，并经阳光曝晒对土壤进行充分消毒。由于耕靶作业通常在移栽前2～3个月就开始，因此，目前耕整地作业基本都能采用耕整地作业机械来完成。但由于连作障碍，使得三七种植地域不断扩大，不同地域的光照强度及土壤质地有所不同，原有的大田移栽前的三犁三靶作业是否是现代三七种植模式下的最佳耕靶规程需要进行重新测定及试验。

2.2.2 三七移栽机械化技术 三七种苗移栽要求在12月至翌年1月现挖现移栽，移栽前需对种苗进行切根，然后进行消毒处理。传统移栽过程中，先用10.0 cm×12.5 cm或10.0 cm×15.0 cm的模板打穴，然后将种苗芽头向下倾斜约20°栽下，栽后盖土3 cm左右，再盖上稻草，栽完后覆盖火土或细土拌农家肥，至看不见播种材料为止，之后再撒一层粉碎过的山草或松毛[13]。目前，移栽过程中，切根、打穴、移栽、覆土阶段基本采用人工操作，劳动强度大，效率低。从产业化的发展方向来看，应从工程视角设计打穴、移栽和覆土机械来代替人工操作，减轻移栽的劳动强度，通过标准化技术手段提高移栽效率，以实现规模化生产。目前移栽机在烟草、水稻上应用比较成熟，但适于三七移栽的机械尚未见到，可以尝试走“引进-消化吸收-改进设计”的方法设计适宜三七的移栽机械，也可以尝试将打穴、移栽、覆土等工序集成，设计全自动移栽机，但三七移栽时要求将种苗芽头向下倾斜约20°栽下，这给机械化移栽提出了难题，因此，与移栽工序相适应的机械设备需考虑配备自动识别系统。

2.2.3 大田管理工程技术体系 三七苗移栽至大田后，仍然需要搭建阴棚来调节透光率，只是三七在大田生长期的透光率与苗期透光率不完全相同，阴棚搭建工程技术与透光率调节技术与三七育苗阶段一样需要进行试验与选型。另外，大田管理也需要对三七生长不同时期的温、光、水、气、肥等进行控制，控制设施设备类似于育苗阶段，但参数范围不完全相同。

2.2.4 采挖阶段 采挖三七基本是用锄头挖起，要求不能挖断主根，然后去掉茎叶，洗净泥土，剪除须根，将其分别晒干。将已剪去须根的三七，按大小分级，在阳光下曝晒2～3 d，约六成干时，再将支根和根状茎分别剪下，剪时应在离块根表面1 mm处剪下，待干燥收缩后，剪口刚好与块根表面相平，成品表面平滑美观[14]。目前，主要是采用人工采挖，不但费工费时，还会因为疲劳导致用力不均，容易使三七受到损伤，降低三七的品质。因此，从工程视角设计适宜三七采挖的配套机械，不仅可以减轻劳动强度，降低用工成本，还可以提高采挖效率，保证三七品质。但市场上适于三七采挖的机械尚未出现，可以考虑与设计生产自动挖藕机的厂家联合攻关，实现三七采挖机械化作业，满足三七的产业化发展需求。

3 结语

大力发展高原特色农业对探索现代农业新路、促进农民持续增收、推动云南省跨越发展具有重大意义。三七作为云南省高原特色经济作物，开发潜力巨大。本研究结合国家“十二五”规划中发展现代农业要走“规模化、工程化、标准化、集约化”等的思路，从系统工程视角构建起农机、农艺相融合的三七栽培工程技术体系，为促进云南省三七产业可持续发展提供理论支持。

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