根茎类中药材生产全程机械化发展现状

蔡龙基，刘克福，李青涛，廖 敏，赵晓冬

(西华大学机械工程学院，现代农业装备研究院，四川 成都610039)

0 引言

我国常用中药材有600多种，其中约50%已实现人工种植，面积达220万hm2。根据气候特点，我国中药分为7大种植产区：东北产区占全国种植总面积的5%，主要品种有人参和鹿茸；华北产区占总面积的7%，主要品种有黄芪和党参；华东产区占总面积的11%，主要品种有杭白芍和杭麦冬；华中产区占总面积的16%，主要品种有怀山药和怀地黄；华南产区占总面积的6%，主要品种有何首乌和佛手；西南产区占总面积25%，主要品种有麦冬和川芎；西北地区占总面积的30%，主要品种有当归和枸杞。以四川为例，根据《四川省中药材产业发展规划(2018—2025年)》统计，四川有川芎、川贝母和附子等道地药材共86种，其中根茎类共45种，占比52%。根茎类中药材无论是在医疗领域还是日常生活保健中都被广泛应用。如家中常备预防感冒的板蓝根颗粒，人们日常食用的山药，以及用以调味的生姜、大蒜等，都属于根茎类中药材。《四川省中药材产业发展规划(2018—2025年)》中提到，重点种植的67味中药材中根茎类有37类，占比56%，可见根茎类中药材十分重要[1]。

根茎类药材的机械化种植依然存在挑战，其种植部位的多样性及收获时对药材完好性的严格要求使该类中药材的机械难以通用化，研究专用机械费时费力，因此总体机械化程度较低且发展缓慢。此外，不同地域机械研发的难易程度不同，导致了机械化发展的区域不平衡。本文主要分析了当前根茎类中药材机械化种植各个环节的相关研究及成果，并提出相应建议，希望为解决当前根茎类中药材生产机械化难题提供新思路。

1 关键环节技术要点

1.1旋耕整地环节

在农机农艺深度融合的大趋势下，耕整地作为种植前的关键一步，对农艺具有一定要求。根茎类药材一般种植于沙壤土中，并且一些根部较长的根茎类药材如黄芪、甘草还需要土地深耕，整地要求翻耕到适当土壤湿度，整平耙细，使地平整、土地松软、上松下实。结合整地撒施或条施粪肥，底肥量要施足，多施腐熟农家肥、复合肥及生物有机肥[2]。一般来说，根茎类药材的根部大部分分布在0～20 cm深的土壤中，小部分分布在20～50 cm的土层，因此深耕可以实现增产。但耕种深度取决于中药材的品种，如甘草、黄芪和牛膝等根部较长的药材，至少应翻耕30 cm；贝母、半夏类浅根药材，只需翻耕15 cm即可；一般长度药材翻耕20 cm左右就能保证良好生长[3]。

根茎类中药材耕地机械与普通作物通用，如图1所示，药材的深耕深度由其品种而定。在机具操作上应保持直行，以减少工作阻力。由于田间作业振动大，工作环境条件差，杂草残膜等会不时卷入机具中，因此应选好工作挡位，并及时清理机具，避免造成卡死或内部损坏。一般流程为先用翻转犁或深松机进行适量的深耕松土，适量暴晒一段时间后进行施肥，接着利用旋耕机对施肥土地进行旋耕碎土和作畦，便于后续栽种[4]。

图1 旋耕机Fig.1 Rotary cultivator

1.2铺膜种植环节

根茎类中药材对于栽种的时间季节性要求较高，适时栽种能有效提高药材质量。如当归种植时间过早，会造成苗龄过大，早起抽薹率明显提高，影响生产效率[5]。应采用科学的种植技术，合理密栽是提高产量又不影响质量的有效途径，通过检测不同根茎类药材的合理密植程度能帮助从业人员实现增产增收。陈菁瑛等[6]探究了不同种植密度对短葶山麦冬生长动态及产量质量的影响，研究发现种植密度对块根的含糖量影响不大，却对产量影响异常显著，结果显示每丛6株、33万丛/hm2是最适宜的种植密度。胡倩倩等[7]研究了不同种植密度和施肥量对川续断生长及产量和品质的影响，得出川续断地上部分受栽植密度的影响较小，而地下部分影响显著，适当减少种植密度可促进根部发育，使根长、根粗、根质量和根冠比得到显著提升，但会减少产量，最佳行株距为25、30 cm，最佳密度为39万株/hm2，肥料对于川续断整体生长皆有促进作用，复合肥用量会影响产量，因此应合理使用复合肥，结论提出能保证品质和产量的最佳施肥量为有机肥2 130 kg/hm2和复合肥660 kg/hm2。

播种分为种子直播、块茎播种和种苗移栽，种子直播一般开沟深1～2 cm，块茎繁殖开沟深5～6 cm，而育苗移栽需要10 cm左右。吴静等[8]介绍了种绳播种技术，利用气吸式种绳缠绕机，将种子用种绳进行包裹，播种后种绳可融化并对土地无污染，同时利用立式覆膜直播保苗技术和膜下滴灌技术，采用一系列机械化配套技术，大大提升了出苗率与防风的品质，同时降低成本，提升经济效益，平均可节省成本3万元/hm2。

目前，中药材的种植机械化程度较低，实现机械化种植能大力提高生产效率，增产增收。郭海燕[9]对2味中药分别以机械种植和人工种植的方式计算成本，机械化种植均可降低成本，售价相同情况下，机械种植利润增幅可达到20.2%和17.8%，具有广阔的市场前景。对于特殊中药材的播种机和移栽机的研发刻不容缓。张亚萍等[10]设计了一款中药材种植机，主要由传动机构、开沟机构、施肥机构和播种平土机构等组成，可实现播种和移栽，能一次完成开沟、播种、施肥和覆土镇压等联合作业，为中药材种植机械设计提供了切实有效的方案。

1.3田间管理环节

(1)除草。除草一般以机械喷药和人工除草为主。机械耕地除草不易掌握耕深，根茎类中药材的根系很脆弱，一旦破坏会直接影响其产量及品质，因此机械作业一般是喷药除草[11]。喷药机械可采用拖拉机配套的悬挂喷灌式喷雾剂，也可利用植保无人机进行喷药，如图2所示。无人机不受地理条件限制，并且农药雾化程度高，喷洒范围广，可有效节约农药用量，防止污染土地，也解决了人工喷药不均匀、作业效率低等问题，值得推广[5]。根茎类中药材一般一年除草不得少于4次，在浇水和雨后需及时除草。

图2 无人机喷药Fig.2 UAV spraying

(2)追肥。根茎类药材生长期需追肥3次，第1次在萌发后，第2次在花芽分化期，第3次在花后果前，冬季在休眠前还需施越冬肥[12]。此外，一些喜水药材如天南星白及等要注意排灌水，旱季应及时浇水，涝期及时排水以避免倒伏与烂根。

1.4起膜收获环节

收获是根茎类中药材种植机械化最重要的一环。正确的收获方式不仅可以降低产品损失，还能节省劳动力、降低成本和增加收入[13]。

1.4.1农艺要求

根茎类中药材种类繁多，其成熟期的尺寸大小与生物特性不尽相同，根茎类中药材收获期生长深度一般在5～60 cm，根茎有粗有细；有些根茎纤维多，木质性强，根茎结实，在机械采收时不易断；有些含水率很高，非常嫩脆，机械采收时深度不够容易断裂破损。因此在机械化收获时，对不同类型的中药材采用不同的收获方式，才能保证收获的药材品质[14]。此外，不同的收获时节对收获机械的机具配套要求也不同，80%的中药材在晚秋初冬季节收获，这个时节雨水较多，土壤湿度大，工作阻力较小，但相对土壤黏度较大，清选分离难度大，要求作业速度慢；20%的中药材在春季收获，且大部分是多年生长根茎类中药材，春天雨水少气候干燥，土壤板结阻力大，药材和土壤的粘连严重，对驾驶员的操作技术和收获机具的强度要求较高[15]。

中药材收获应适时收获，保证药材质量与产量。不同季节收获采用不同的机具配套；挖掘深度应根据不同药材适当调整，达到生长深度要求；保证较高的挖净率与收获后地表的平整性。

1.4.2操作要求

机械化收获配套拖拉机一般为履带式或轮式拖拉机，丘陵地区履带式更佳，动力一般为36～66 kW，驾驶员选择Ⅱ、Ⅲ挡位较合理，发动机转速控制在1 500～2 000 r/min，前进速度在8～10 km/h，如速度过快，振动筛运动频率过高，易导致运动件损坏。田间作业应尽量保证直线行驶，避免产生偏转力矩，使收获机械左右摇摆，影响作业效率和作业质量。在转弯掉头时，需先抬起机具，避免带作业负荷掉头，产生较大扭矩，造成机具的变形损坏或加速磨损。保证拖拉机和作业机具在前进反向的同一中心线上，允许有2～6 cm范围的左右游动。收获前应及时清理残膜和杂草，避免缠绕在机具上，造成阻力增大或损坏机具。适当增加驱动轮配重，添加配重铁块，使驱动轮附着力提高，避免因转速加大时发生打滑[16]。

1.4.3收获机械现状

目前，有多种中药材的收获机型，如以薯类收获机改制的根茎类收获机，这种机具功能单一，用途较小，不能满足不同根茎类中药材的收获要求，挖掘深度不够，需要进行2次挖掘，没有采集箱，需要进行人工捡拾，劳动强度大。也有专门研制的收获机械，如山西研制的4SD-280型收获机、黑龙江研制的4WZ-140型收获机、甘肃研制的4WG-120型收获机和4YW-160型收获机，以及吉林研制的4GKJ-11型收获机都存在一些问题。机具只能完成挖松工作，还需人工拔苗，工作效率低，只能满足北方工作条件，不适用于在南方种植收获[17]。还有以振动筛和链条加振动筛为主要部件的收获机，可以一次完成挖掘、采集等工作，较大提高了工作效率，但机械容易出现故障[18]。河南研制的YJS-110型收获机收获的药材干净，能够满足农艺要求，但链式振动筛处容易夹石头，一旦夹入石头就会停止振动，使药材无法筛出，只适合大地块作业，振动筛连杆处也因负载过大易断裂。JS-130型收获机收获当归的效果较好，但收获深度较浅，无法收获根深药材如黄芪，也只适用于大地块[19]。4Y-160F型收获机的拾净率高，破损率低，且符合黄芪、党参等长根茎类中药材挖掘收获的农艺要求[20]。

当前中药材收获机具按作业方式分为切割框架式和振动筛式。切割框架式收获机如图3所示[21]。主要机型有4Y-1600C型、4WGX-120/150型和4YW-160型。4Y-1600C型配套58.5 kW以上履带式拖拉机，机型由动力连接装置、机架和挖掘装置组成，可一次完成切割分离作业，还可完成深松作业。4WGX-120/150型与东方红802型履带式拖拉机配套，结构包括机架、下加强拉杆、上加强拉杆、限深调节机构、矩形切割松土框架、梳齿式分离栅、悬挂架、吊耳和挖掘深松铲，可完成深层破土、切割、松土和初级的药土分离作业，适宜平地作业，适合挖掘黄芪、红芪、甘草和黄芩等药材。4YW-160型适宜收获长根茎类，主要由限深机构、松土机构、分离机构和悬挂机构组成，机具升降由液压悬挂控制，通过中央拉杆、下拉杆及限深机构实现对挖掘深度的调节。

图3 切割框架式收获机Fig.3 Harvester of cut frame type

振动筛式收获机如图4所示，主要机型有4Y-800型、4UY-1000型、4UY-1500型和4Y-1100A型[21]。4Y-800型由挖掘铲、分离筛和限深装置组成，配套动力25.7～33.0 kW，挖掘深度30～40 cm。

图4 振动筛式收获机Fig.4 Harvester of vibrating screen type

4UY-1000型配套动力40.4～55.1 kW拖拉机，挖掘深度20～40 cm；4UY-1500配套60.27～91.88 kW拖拉机，挖掘深度20～40 cm。4Y-1100A型由V型挖掘铲、栅条式分离筛装置、限深装置和铺放装置组成，配套动力51.45～66.15 kW，挖掘深度20～40 cm[21]。

1.4.4收获机械研究进展

目前，对根茎类中药材采收类专用机械的研究仍在继续。崔振猛等[22]着眼于西南地区机械化收获三七难度大或无机械化收获的现状，设计了一款4SD-1700型悬挂式三七收获机。该机型主要由机架、挖掘铲和升运筛组成，工作幅宽1 700 mm，挖掘深度50～200 mm可调，采用3点悬挂连接36.75 kW东方红拖拉机。利用解析作图法与受力分析法对挖掘铲进行分析，确定了挖掘倾角15°，铲长350 mm；设定升运筛的线速度为0.7～0.9 m/s，分析得振动频率为1.9～2.4 Hz。他们还以挖掘深度、升运速度、筛面倾角和前进速度为变量，以收净率和损伤率为评价指标，进行试验，得到最优参数组合，即当挖掘深度148 mm、升运速度0.8 m/s，筛面倾角15°和前进速度0.5 m/s时，收净率为95.22%，损伤率为1.6%，满足设计要求。

孙立峰等[23]设计了一款以齿排为主要工作部件的收获机，齿排由数根齿杆组成，在液压系统控制下，齿排完成垂直插入土下、左右移动切割土壤、向上翻起带起药材与土壤、齿排垂直向上移动、待人工捡拾后向下翻转5个步骤。该机作业幅宽160 cm，挖掘深度60 cm，适用于挖掘中药材与深松作业。

张顺等[24]针对现有的收获机挖掘阻力大，杂物分离不净等问题，设计了一款以桔梗为收获对象的根茎类中药材收获机。该机械主要由仿形轮、圆盘切刀、秧蔓输送带、挖掘铲、振动分离筛、偏心块、输送带和收集箱组成。首先，仿形轮带动圆盘切刀随田垄高低起伏一起运动，圆盘切刀使中药材根茎与秧蔓分离，秧蔓输送带将秧蔓推至机械两侧，随后挖掘铲将整个垄挖起送至振动分离筛处，分离筛与偏心块用连杆连接，随偏心块运动，并随振动分离筛振动，从而分离药材与土壤，药材与剩余杂质送入输送带进行2次筛分，最终药材进入收集箱完成收获。根据桔梗的收获方式确定了挖掘深度、挖掘宽度与行进速度等基本参数，应用相关设计理论确定了切割装置、挖掘装置与筛分装置的结构和主要参数，并利用有限元分析对挖掘铲进行了强度校核，整机挖掘深度300 mm可调，挖掘宽度1 000 mm，行进速度1.5～1.8 km/h，理论生产率0.12～0.15 hm2/h。

吴芳霞等[25]设计的收获机主要由手扶拖拉机、旋切分离装置、纵向犁地装置、固定平台和振动分离装置组成。首先，由两个旋向相反的旋切分离装置将地上部分旋切至采挖地两旁，纵向犁地装置能犁地松土，并能将遗漏在采挖地的地上部分拨至两旁，而后振动分离装置负责采挖药材，采用振动棒的方式筛除土壤与杂质，将药材放入收集箱内。

王婧等[26]提出了一种收获机设计方案，收获机具包括上悬挂架焊合件、齿轮箱总成、三角架组件、左侧板、传动带张紧装置、主动轴组件、三角带、主动轴张紧装置、中间轴组件、后托链轮组件、左限位橇组件、前托链轮组件、被动轴组件、挖掘铲组件、下悬挂板、下悬挂架焊合件、右侧板、右限位橇组件、输送链及支承梁组件。机具通过万向传动轴将拖拉机动力输出轴与收获机齿轮箱总成的动力输入轴相连，形成作业机组，挖掘时铲尖先入土，进行碎土后再挖掘，减少了挖掘阻力，中间轴链轮和托链轮可对输送链产生振动作用，使输送链筛除杂质，不用添加偏心装置，简化了结构，输送链链轮上装有套筒，减少了破损率。

孙叶强等[27]应用Pro/E对振动深松铲进行了运动仿真分析，得到了铲尖的运动轨迹曲线图和数学模型，为以后优化设计提供了理论依据。

巩自卫[28]针对收获机的挖掘铲进行了设计，使挖掘铲带有减阻功能，主要由铲头、铲架、支撑轴、旋转环和固定板组成，可与分离装置直接衔接装配，优点在于铲刃较短可减少入土阻力，提升挖掘性能；铲面装有旋转环，降低了摩擦阻力；铲与铲架螺钉固定可随时更换；尾部栅条与铲架焊接，具有药土分离的作用。

由上述研究可见，现有收获机械技术在保证收获中药材完整性的基础上，正向着提高药土分离程度的方向发展。其中振动分离作为药土分离的主要技术，可有效避免损坏中药材的完整性，筛分效率高，易于维修更换。

1.5产后环节

吴翠等[29]探究了何首乌、白芷、三七和三七粉中药材在2种储藏条件下，中药材的外观及化学成分随储藏时间的变化规律。以观察法观色；烘干法测定水分；高效液相色谱法测定化学成分的含量，为根茎类中药材储藏研究提供了有用数据。结果显示，随着储藏时间的增长，未做任何处理的简易库和进行恒温恒湿处理的冷藏库中何首乌颜色均出现加深，5-羟甲基糠醛含量均出现波动升高；二苯乙烯苷含量简易库中何首乌呈波动下降趋势，而冷藏库呈波动升高趋势；结合蒽醌含量简易库中呈波动升高趋势，冷藏库中变化不明显。白芷颜色在两库中均有加深，欧前胡素含量均未出现明显变化。三七和三七粉的色泽，人参皂苷Rg1，Rb1及三七皂苷R1的含量均未见明显变化。无论在简易库还是冷藏库中，何首乌在储藏33个月后，白芷、三七和三七粉在储藏27个月后，虽然发生了不同程度的颜色与化学成分含量的改变，但改变较为轻量，均符合合格药材质量要求。

王克霞等[30]对储藏期间病虫害进行了研究，采集了30份储藏根茎类药材样本，利用直接镜检法和光照驱虫法对样本进行驱虫和镜下观察，最终发现30份样本中有28份患有虫害，种类皆为嗜卷书虱；该书虱平均孳生密度为57头/g，孳生指数142，同时提出可通过降低室内相对湿度、直接干燥受病虫害药材消灭其食物来源的方法抑制书虱孳生。

李啸云等[31]设计了一款根及根茎类中药材自动浸润喷淋软化设备，解决了人工润制耗时耗力、损失较大及硫磺熏蒸影响药材质量的问题。在浸润空间内采用2个室区分布，室区间采用可透水材料分隔。药材放在1个室区内，另1个室区空置。将药材和适量的水同时放入封闭空间，空间以几何中心为轴旋转，在旋转过程中药材只能在一侧的室区内翻转，而水则可以透过隔层进入到空置的空间，随着机器转动，药材不停与水接触分离，从而达到浸润的效果。研究还探究了白芍的最佳工艺参数为温度45℃，加水量为加入药材量的0.45倍，每隔30 min设备自动旋转1 min，直径在1～2 cm白芍个药软化总时间设定为21 h。比工厂工艺缩短3 h，比传统工艺缩短1倍，并且芍药苷含量提高19%以上。结果表明，该机器提高了生产效率与产品质量，是一种适合工业自动化生产的新型工艺。

陈国璧等[32]在中药材的净洗技术上提出基于超声波的净洗技术，有望解决根茎类中药材实现快速、节水和无污染净洗的难题，详细地讨论了研究思路、方法、技术路线及创新性等。结果表明，其研究思路清晰，技术路线合理，方法可靠，在畜牧与动物医学等领域有广泛的应用前景。

雷明成等[33]针对初加工设计了一款带曲柄摇杆机构的中药材揉搓机，主要由机架、传动机构、输送机构和揉搓机构等组成，工作原理为输送带运送药材进入揉搓板下方，揉搓板经曲柄摇杆运动做平面往复运动实现对药材的揉搓，最终机具额定功率1.1 kW，对根茎较直粗的搓净率可达90%以上，根茎较细密的搓净率可达75%以上。

陈学深等[34]设计了一款根土分离装置，该装置主要由电机、柔性碾压脱土机构、柔性辊指击打机构、罩板A、柔性输送喂入机构、柔性抖动脱土输送机构、下料箱、收集箱、齿轮换向传动机构和罩板B等组成。工作时，由喂入机构带入药材，经过碾压脱土机构实现一次脱土，然后通过柔性辊指击打罩板A实现二次脱土，最后掉落至抖动松土机构抖动振落剩余碎土落入收集箱。研究确定了主要部件的参数，碾压辊表面形状为圆凸块，碾压间隙30 mm，驱动轴转速200 r/min，其根土分离率为90.42%，且无损伤。

2 制约因素及对策

2.1制约因素

2.1.1种植环节机械化程度仍较低

作为与收获同等重要的环节，根茎类中药材种植的机械化程度远不如收获环节，由于根茎类中药材品类繁多，种植的部位也不尽相同，有的是种子直播，有的是块茎播种，有些则需要种苗移栽，同一播种类型的药材也因种植深度等农艺要求存在差异，因此难以通用化、标准化，行业内也缺乏一套完善的标准，因此阻碍了种植机械化的发展。

2.1.2机械化发展的区域不平衡仍然存在

相比平原地区，以丘陵地区为主的地域耕种田地具有分散且规模较小的特点，因此对于机具的要求也普遍较高，需要机具尽量轻量化、小型化，且能适应山地的复杂地形，因此在机具的研发上提高了不少难度，机械化进度也因此减慢，区域不平衡逐渐加深。

2.1.3中药材各类品种间机械化程度不平衡

有些根茎类药材在农艺上具有特殊要求，如麦冬在移栽前需要对种苗进行分拣，川芎在种植前有修剪苓种的要求等，而这些目前都是靠人工完成，因此当前想要实现这些特殊药材的完全机械化仍存在困难，随着没有特殊要求的品种机械化程度越来越高，也使得不平衡性逐渐凸显。

2.2发展对策

2.2.1按照种植类型实现通用化

虽然根茎类中药材有多种种植部位，但可以将其进行分类，针对类别专门设计机械，如种子直播机械、块茎播种机械和种苗移栽机械，并在这一类别里实现通用化，这样可大幅降低设计成本，节约人力财力。另外应推行一套完善的行业标准，融合农机农艺，形成兼具普适性与针对性的种植技术规范。

2.2.2借鉴成熟机型，实现关键参数可调

平原地区使用机械体型相对较为庞大，且无法适应丘陵地区的复杂地形，因此丘陵地区想要使用这些机械不现实，但可以借鉴平原地区的成熟机型，降低研发的难度，集中力量针对丘陵地区机械所需要满足的功能进行设计，实现关键参数可调，缩短研发周期。

2.2.3研发针对特殊农艺要求的自动化机械

对于某些具有特殊要求的农艺，也应设计出相应机械以减少大量的人力成本。此类农艺工序一般较为简单，且工作量大，如麦冬种苗的分拣与川芎的修剪苓种，人工完成需要投入大量人力与时间，如研发出相应机械，则可以减少人员投入，提高工作效率，从而避免错过适宜的播种时间，实现真正意义上的全程机械化。

3 结束语

中药材的应用起源于中国，随着人们保健意识的提高，对根茎类中药材的需求也逐步提升，因此提高其机械化程度，实现保质保量是当前的迫切任务。在机械化的进程中，应加快种植机械的研发，提高其通用性；结合农机农艺，加快行业标准的制定与推广；针对薄弱地区集中力量攻坚克难，设计出适合丘陵地区等复杂环境的农业机械；针对特殊农艺设计相应机械以全面提高机械化水平，为我国的中医药事业发展作出积极贡献。