中药材生产机械化的技术装备需求量化模型构建

赵祖松颖，郑志安，黄璐琦

中药材生产机械化的技术装备需求量化模型构建

赵祖松颖1，郑志安1※，黄璐琦2

（1. 中国农业大学工学院，中国农业机械化发展研究中心，北京 100083；2. 中国中医科学院中药资源中心，北京 100700）

为分析与判断中药材各生产环节机械化的差异化发展需求，从机械化作业程度、技术装备状况、用户需求3个角度，结合熵权法和层次聚类分析法构建了中药材生产机械化的技术装备发展需求量化评价模型，并基于Fisher判别法将该模型进行函数化表达。实证评价结果表明，中药材生产环节的发展需求可分为3类，其中收获、中耕、移栽环节属于A类需求水平，“无机可用”和“有机难用”的现象明显，机械化技术装备的发展需求迫切。Fisher判别法训练得到的函数I贡献率为79.4%，Wilks’ Lambda值为0.037，具有统计显著性，获得的3种需求类别的中心值分别为-2.868，1.904和1.675，可用此数学模型精确表达发展需求的分类。该模型可在形成分类的同时体现原因和细节，对于有针对性地开展特定应用需求的技术装备研发、推进农业机械化供给侧改革、促进中药材生产机械化的可持续发展具有指导意义，同时也可为其他机械化发展滞后的作物品种或地区的技术装备发展需求评价提供参考。

机械化；模型；中药材；需求；聚类分析；判别分析；熵权法

0 引 言

中医药是中华文明的瑰宝，中药材是中医药事业的物质基础。从20世纪中叶开始，中国开始大力发展中药材的人工种植生产，目前市场上超过70%的药材由人工种植[1]，中国中药材种植面积在改革开放以来的40年间提升了10倍，已经形成规模种植的品种占常规使用品种的40%以上，中药材集约化、规模化生产的趋势明显[2-3]。

相对其他农作物的生产，中药材在生产过程中对品质、安全性、有效性等方面的要求更严苛[4-6]，劳动密集特征十分突出[7]。伴随着人口老龄化的加剧和农村劳动力的短缺，在药材生产规模不断扩大的背景下，以机械代替人工劳动进行中药材的生产，已成为解决当前药材规模生产与人工成本高、劳动力供给不足矛盾的关键手段。近年来，有关药材生产机械与装备成为农机行业的关注热点和潜在价值增长点，然而中药材生产机械化的发展起步较晚，技术水平落后[1]，中药材机械化生产总体上面临着“无机可用”的局面。

在这一背景下，整合现阶段的研究资源，有的放矢地发展中药材机械化生产，实现关键环节机械化技术装备的“从无到有”，是解决现阶段机械化生产需求与供给矛盾问题的关键。然而，由于中药材品种繁多、生产环节复杂、区域差异性大等因素，有关药材机械化生产的需求判断困难且方法缺乏。如何根据实际生产情况，科学认识与评价机械化技术装备的发展需求，有针对性地开展特定应用需求的技术装备研发，既是中药材生产机械化发展过程中的现实需求，也是农业机械化供给侧改革过程中的重要研究内容。

为此，本文从中药材生产的特征出发，基于中药材机械化技术装备发展的评价环节，构建了集合机械化作业程度、技术装备状况和用户需求的评价体系，运用层次聚类分析方法构造评价模型，采用判别分析法将模型进行数学化表达，并以国家中药材产业技术体系各综合试验站示范基地为对象进行实证评价，旨在为分析与判断中药材各生产环节机械化的差异化发展需求提供量化参考依据，也为其他机械化发展滞后的作物品种或地区的技术装备发展需求量化评价提供参考。

1 模型的构建

鉴于中药材生产的特殊性，为构建可量化表达技术装备发展需求评价模型，需要在明确模型适用范围的基础上制定评价原则，进而确定相关评价指标及评价方法，以增强模型的适用性。

1.1 模型适用范围

在品种范围上，中药材的概念范围宽泛，广义的中药材指经初步加工处理的中药原料，包括植物类、动物类、矿物类药材等[8]，本研究所针对的中药材是指相对狭义的药材概念，即植物类药材或中草药，其中的中药材生产是指根据药用植物生长发育规律，通过人工培育来获得中药材产品的生产活动，属于农业生产范畴[1]。

在流程范围上，中药材生产过程相对较长，从田间生产到药材饮片商品的形成通常在产地完成，由于本研究针对原药材生产的过程，侧重于农业生产，因此在流程方面的边界范围仅延伸至初加工环节，不包括后续的炮制、储存、包装等环节。

在评价模型的运用范围上，模型可适用于多品种中药材机械化技术装备发展需求的评价，也可用于区域内的中药材生产，二者在评价环节的选择上有所不同。

1.2 评价环节选择原则

不同品种的中药材在不同地区的生产方式差异较大，在评价之初需要进行一定的筛选，以有针对性地评价有必要和有明显发展需求的环节。

由于中药材机械化生产处于起步时期，机械装备在各生产环节中的渗透不够，发挥的作用还不足，因此，在选择评价环节时，应遵循发展和需求的思想，从促进关键环节的中药材生产机械化为目的进行考虑，推进技术装备的形成和优化。评价环节的选择可分为基本原则和特色原则，具体解释如下：

1）基本原则。参考有关农业机械化的研究，设置3类基本原则：代表性原则、可比性原则和可测量原则[9-13]。代表性原则指在以区域或品种进行评价时，所选环节要能够反映区域内一般中药材的生产流程或品种在某一范围具有共性的环节。可比性原则指各环节需要相互独立，不存在包含关系或重叠部分，以实现各指标的横向可比。可测量原则指所选环节涉及的数据要能够在实际生产过程中获取，或通过科学的方法换算可得，具有可操作性。

2）特色原则。特色原则是在遵循当前中药材生产过程的基础上，以药材的生产为核心，以机械化发展为目标的原则，分为环节特殊性贡献原则和发展迫切性原则。

环节特殊性贡献原则是以“药”为核心，充分考虑药材生产过程中相对特殊的环节，尤其是对于主要活性成分形成和积累具有较大贡献的环节，或是具有特殊要求和意义的环节要给予着重考虑。

发展迫切性原则指评价环节选择过程中，需要从解决现实问题出发，着重考虑劳动强度大、劳动力需求较高且机械装备不足的环节，将生产者对机械化作业的迫切需求考虑在内；与之相对的，对于当前需求较小、机械装备发展相对成熟或是可以直接采用其他作物通用机械的环节，要弱化考虑。

1.3 评价指标的设置与计算

在以上范围和原则的基础上，以用户为核心，从现阶段中药材机械化生产的技术发展情况、数据可获得性等方面进行考虑，构建涵盖机械化作业程度、机械化技术装备状况和用户对机械化技术装备需求的评价指标体系。如图1所示。

图1 中药材生产机械化技术装备发展需求的形成与作用

1.3.1 机械化作业程度

机械化作业程度反映有关技术装备在实际生产中的应用状况，综合体现发展需求的差异，通常采用机械化作业水平进行量化描述。中药材生产环节由田间生产和初加工2个部分组成，参考有关标准，田间生产环节的机械化作业程度计算方法如下[14-15]：

式中A表示第个环节的机械化作业程度，%；S表示第个环节中利用机械装备进行作业的面积，hm2；S表示第个环节中的总作业面积，hm2。

初加工环节的机械化作业程度计算方法如下：

式中M表示第个环节中利用机械装备生产药材的总量，t；M表示第个环节中的实际生产总量，t。由于中药材处理工序上存在差异，在测算中需将药材机械化生产总量和实际生产总量折算成干燥加工后的干药材质量进行计算。

1.3.2 机械化技术装备状况

农业机械的鉴定评价对于将机具的研发和优化与实际生产要求结合具有重要意义，对现有中药材生产机械装备的技术特征进行识别，能够体现机械装备应用过程中使用者的使用需求和存在的技术问题，对促进供需对应的农业机械研发具有重要意义。参考相关标准和部分文献[16-20]，本文设置5个反映现有机械装备状况的指标，如表1所示。

通常情况下，农业机械的评价需要设定功能细节指标并设计试验进行测算评价，侧重于评估机械装备的某方面性能。本文针对品种或区域范围的评价，主要目的是通过各方面的特征反映机械装备在长期使用过程中的效果，因此对于以上5个方面的评价，直接由有关机械的使用者或管理者对所使用的机械装备进行等级评定，以简化评价流程，体现用户的长期使用感受，获得可用数据。

表1 中药材生产机械化技术装备状况评价指标

为综合体现机械化技术装备状况，对以上5个指标进行权重赋值。为保证模型对品种或区域的针对性，避免主观认识带来的干扰和因指标差异过小造成的分析不清，本文采用客观赋值法中的熵权法（Entropy Weight Method）进行赋值[21-22]，计算步骤如下：

1）原始数据矩阵标准化

设有个评价指标，个评价对象，得到原始数据矩阵为

进行标准化后得到的矩阵为

式中y为第个评价对象在第个评价指标上的标准化值，y的计算公式如下：

2）计算信息熵

第个指标的信息熵值E为

3）计算熵权

第个指标的熵权w为

通过熵权法确定各指标的权重后，计算各环节的机械化技术装备综合状况评分值B，计算公式为

1.3.3 用户需求

农户是中药材生产有关机械装备的使用主体，也是机械化作业的主要受益对象，农户对机械化技术装备的需求是一种结合使用者条件和各方面效益考虑的综合需求。一般情况下，农户对某一事物的关注频率会对其行为方式产生重要作用，关注频率越高，需求意愿越强，对于中药材来说，机械化技术装备空白较大，机械化生产的整体发展程度较低，但以机械代替人工劳动具有很强的迫切性，在这一过程中，农户往往会关注市场中是否已存在适合的机械装备，具有较强的技术的感知能力[23-24]。因此，结合农户的需求和对技术的感知，设置用户需求程度指标。

将用户对机械化技术装备的需求程度从低至高平均分为个等级，1为需求程度最低等级，为需求程度最高等级，则第个环节机械化技术装备的用户的需求程度C为

式中P为需求机械化技术装备的用户占所有调查用户的比例，%；U为需求该环节技术装备但又无机可用的用户占总需求用户的比例，%；T为第个需求等级的用户占总需求用户的比例，%。

某一环节的机械化技术装备用户需求程度越高，说明该环节的技术装备发展需求程度越高，而对于机械化作业程度和技术装备状况这2个指标，高的发展需求往往对应较低的机械化作业程度和综合状况评分值，因此将三者进行整合分析时，为使3类指标方向一致，将用户需求程度进行相反数变换，反映用户不需求机械化技术装备的程度。

1.4 评价模型的构建

以上3类指标既有不同之处，又有规律性特征，可以使用层次聚类分析法（Hierarchical Cluster Analysis Method）对其进行总体归类，将机械化技术装备发展需求程度相似的环节进行划分，结合指标细节进行分析。

由于以上3类指标的单位不同，数值之间存在较大差异，在进行聚类分析距离计算时会得到较大的数值，造成距离相异性结果误差[25]，因此在进行分析前采用得分法，使每个变项间的平均数为0，标准差为1，计算过程如下：

假设有个环节，则第个环节第个指标的标准化计算公式为

其中

式中D为标准化后的数据，d为原始数据，`d为原始数据的平均值，S为标准差。

根据以上分析，形成中药材生产机械化技术装备发展需求评价技术路线，如图2所示。

图2 中药材生产机械化技术装备发展需求评价技术路线

在层次聚类分析评价的基础上，为进一步体现以上3指标的内在联系，使分类计算更具体化，通过对指标直接进行分组计算，保障评价模型能适应机械化技术装备的发展变化过程，进一步采取Fihser判别分析法[26]进行训练，建立判别函数，精确实现分类量化评价。

在本研究中，设评价对象某个环节的三维参数向量为=(1,2,3)T，其投影公式为[27]

式中()为投影函数，J为投影系数，R为一维变量，表示维数。

Fisher判别是有监督学习的判别算法，需要在样本数据中提供先验分类作为训练基础，构造训练集和测试集，而层次聚类分析的结果可作为Fisher判别模型训练的参考。

将指标代入线性判别函数中进行计算，比较计算结果与各中心值的距离，当距离某类中心越近，说明将某一环节判别为该类别越合理。判别函数的形式如下：

式中、、分别为机械化作业程度、技术装备综合状况评分、用户需求程度的系数，为常量。

2 实证评价

为进一步对评价模型和有关流程进行阐述，选择国家中药材产业技术体系下各综合试验站示范基地（简称中药材体系基地）作为评价对象。各基地对现代化生产技术和装备的应用相对较广，是全国中药材机械化生产的代表；在品种覆盖方面，评价对象涉及的品种类型多，代表了常见中药材品种和地方特色中药材品种的生产情况；在范围方面，评价对象分布在全国23个主要中药生产省份，基地生产面积累计超过2.8×104hm2。评价对象涉及品种多、范围广、代表性强，可一定程度反应全国中药材生产的机械化技术装备情况。

2.1 评价环节选择

评价对象为区域型多品种中药材，结合环节选择的基本原则和特色原则，选择了播种、移栽、施肥、中耕、植保、收获、净制和干燥8个环节。

2.1.1 播种和移栽环节

中药材体系基地所涉及的药材在种植方式上可分为2种形式，一种是直接播种种子、块茎等生物组织的直播方式，如柴胡、薏苡、栝楼等药材；另一种育苗后移栽，如党参、当归、黄芪等药材。不同品种在不同地区采取符合当地条件的种植方式，其中需要移栽种植的中药材较多，而移栽通常需和播种配合，因此从种植过程考虑，选择播种和移栽2个环节。

2.1.2 施肥、中耕、植保环节

中药材的田间管理对药材生长发育过程中的有效药用成分积累至关重要，其过程也影响着药材的质量安全。

药用植物的主要活性成分一般是次生代谢产物，其类型和含量受到遗传因素和环境因素的共同影响[28-29]，其中，环境胁迫对于增强药材次生代谢产物的合成和积累具有重要作用[30-31]。田间管理贯穿着整个药材的发育过程，是人为的药材生长环境调节，可获得符合需要的产品。遵循药用植物的生物学发育规律，通过科学的田间管理促进药材有效成分的合成和累积，对于提高药材的药物价值属性具有重要的意义。

在安全性方面，中药材生产兼具农业生产和药物生产的属性，通过农业生产活动获得的不仅是农产品，还是具有治疗或预防疾病功能的药材原料，市场、消费者对其质量安全的要求更高[32]，在药材生产过程中，施肥、农药使用等环节也具有更严格的规范和要求[33]。

因此，从药物属性形成和药材安全性的角度考虑，施肥、中耕和植保3个环节应在评价中考虑。

2.1.3 收获环节

收获环节是农业机械化生产的重要环节，其机械装备的种类较多、机具构造较复杂。对于中药材来说，收获环节还具有2个特殊意义，应符合环节选择原则中的特色原则。

其一，多数药材的收获时机和方式对于药材品质具有较大影响。例如，艾草的采收时期宜在端午前后，此时总黄酮和总酚酸含量较高，产量也相对较高[34]；薄荷应在上午8:00－10:00点、下午2:00－4:00点进行采收，此时挥发油含量较高[35]；牡丹皮应在8－10月选择晴天进行收获，这是基于该时期丹皮酚累积量与产量、种植成本等经济因素的综合考虑[36]。此外，药材的经济价值较高，收获过程中对破损率、收获率等均具有较高要求，收获的部位也会对其品质和产量的形成产生影响。例如贯叶金丝桃收割的部分若在花序以下30 cm，则有效成分含量比例较合适，若大于30 cm，虽然会增加生物量，但会降低含有金丝桃素的花和含有贯叶金丝桃素的果的比例，降低有效成分含量[37]。“适时收获”和“适位收获”是药材收获的基本要求，因此，药材收获机械的专用性较强，作业效率和质量要求较高。

其二，药材机械化收获作业的发展是必要的。药材收获通常是中药材生产过程中用工较多、劳动强度较大的环节，虽然中药材体系基地在现代化生产技术的应用方面位于全国前列，但目前依旧以人工收获作业为主。如麦冬收获需要大量人员蹲坐在田间进行劳动，每公顷成本高达30 000元；艾草采收的平均年龄在60岁以上，劳动能力整体不足。中药材收获在机械装备的种类、数量均与需求存在巨大差距，现有的药材收获机多从大田作物收获机械转化而来，适应性不强，对适配性好的优质中药材收获机械装备需求旺盛。

因此，以机械代替人工劳动进行收获，同时满足药材对收获时间和方式的严格要求，具有必要性、迫切性和挑战性，加上药材的种类繁多、形态各异、收获部位要求不同，药材的机械化收获或将成为药材生产作业中最具特色的环节，评价收获环节的发展需求十分有必要。

2.1.4 净制、干燥环节

药材收获后的初加工对于毒性成分的去除、有效活性成分的转化形成以及贮藏保存等具有重要影响。初加工环节中的净制和干燥环节是常见且具有共性的环节，也是初加工过程中影响药材质量和药性形成的2个主要环节。

在净制过程中，药材经筛选、除杂、清洗等处理，除去外源污染物，形成达到净度标准的产品，这一过程可能会可能造成有效成分的损失。例如三七干制后清洗和趁鲜清洗均会造成不同程度的三七素损失，清洗时间与损失程度有关联性[38]；丹参水洗净制后丹参酮类和丹参酚酸类均有所降低，正确掌握清洗力度和时间有助于提升药材品质[39]。

干燥是中药材初加工过程的代表性环节，干燥方式很大程度的影响着药材的品质，国内外对于干燥方式、参数与药用植物有效成分关系的研究十分丰富。通过现代机械装备进行中药材的干燥，能够避免在传统加工过程中的一些药材安全风险，如传统自然干燥过程中为弥补天气等不利因素带来的影响，不规范地使用熏硫以避免药材变质而带来的药材质量安全问题等[40-41]。

因此，以机械装备辅助进行净制和干燥加工，通过现代化的初加工手段控制生产过程，不仅是当前生产规模扩大情况下解决劳动力短缺问题的要求，也是药材品质和安全的保障措施，更是药材初加工技术工艺的发展趋势。

需要特别说明的是，中药材生产过程中可通过机械装备代替人工作业的环节较多，本文对其他未选环节原因解释如下：

1）耕整地环节。首先，评价对象涉及的品种类别较多，在部分药材的生产过程中，耕整地作业的存在必要性不强，甚至不存在该环节，如厚朴、沉香、杜仲等木皮类药材，枸杞、枳壳、五味子等果种类药材，耕整地环节不满足代表性原则；其次，多数药材从种植到收获的时间较长，需要长时间积累活性成分，历经多年才能成为符合要求的原药材，许多药材还存在较长的采摘年限，因此耕整地环节在其中的作用较弱；此外，耕整地机械的通用性好，其他作物的耕整地装备无需经过太多改进便能运用到药材生产中，发展迫切性相对较低。

2）初加工过程中的切制环节。药材初加工一般由农户或企业完成。农户向市场或企业提供切制或未切制的药材，由企业经过再次处理加工，药材原料销售时对切制没有严格要求，因此对于切制环节的调查较困难，不满足可测量原则。同时，许多药材机械参照中药饮片的要求进行定制设计，结构不复杂，已经形成了符合要求的稳定工艺技术，发展的迫切性也较弱。

3）其他环节。对于覆膜、修剪、种子预处理等环节，由于需要根据品种进行实施，共性程度不足，机械化发展的需求迫切程度也不够。田间转运机械的通用性好，并不是特别需要关注的环节，因而也不予考虑。

2.2 数据采集与测算

有关数据的调查采集在2019年7月至11月开展，由各基地的一线生产负责人填写统计问卷，每个基地针对一个品种，仅填写一份问卷。调查共回收有效问卷229份，其中企业基地占52%，合作社基地占36%，个体种植户占12%。问卷涉及73个常用及地方特色品种的中药材，其中根茎类药材占68%，果种类13%，花类8%，全草类7%，其他类4%。

为便于用户对有关信息进行准确填写，在机械化技术装备状况调查中，设置“优”、“良”、“中”、“可”、“差”5个等级选项，在数据处理方面，对各评价等级进行赋值评分，“优”为5分、“良”为4分、“中”为3分、“可”为2分、“差”为1分，某一环节的机具在各指标取平均得分值；在用户需求程度调查中，设置“一般”、“较急”和“急需”3个等级。

经测算，中药材体系基地在机械化作业、技术装备状况、用户需求方面的数据如表2、表3所示。

表2 中药材体系基地机械化作业与用户需求情况

表3 中药材体系基地技术装备状况及各指标权重

注：环节间比较采用Tamhane’s T2和Dunnett’s T3检验，检验结果一致；相同小写字母表示环节间没有显著性差异（≥0.05）。

Note: Tamhane’s T2 and Dunnett’s T3 tests were used for comparing difference within production section, and he results of the tests are the same; The same lowercase letter means no significant difference between production processes (≥0.05).

2.3 评价结果

根据表2、表3结果，利用公式（1）~（9）计算得到各评价指标，结果如表4。

表4 各评价指标计算结果

对用户需求程度数据进行相反数转换，根据公式（10）~（12），对以上数据进行标准化换算，结果如表5。

表5 各评价指标标准化结果

以表5结果为基础进行层次聚类分析，采用离差平方和法（Ward’s method）和欧基里德距离平方法（square Euclidean distance）计算类间和样本间距离[42-43]，形成聚类树状图，如图3所示。

图3 机械化技术装备发展需求聚类树状图

2.4 结果分析与判别模型构建

2.4.1 评价结果分析

根据图3所示的聚类过程，将评价环节划分为3种类型，收获、中耕、移栽为A类，播种为B类，干燥、净制、植保、施肥环节为C类。为便于分析各环节形成分类的细节原因，对表5中3种指标的标准化数据从小到大进行排序，与划分的类别进行对比，结果如表6。

表6 各环节类别划分与评价指标排序

从表6可看出，收获环节属于A类，发展需求程度最高，但现有收获机械的状况不佳，用户需求程度非常高，二者排名均为第1，但从机械化作业程度的排名上看，收获环节排名第3。推测其原因，可能是由于药材收获对劳动力的需求量大、劳动强度高，虽然现有收获机械存在许多不足，但在缺乏劳动力的情况下，只好勉强使用体验不佳的机械。在调研过程中也发现，部分药材在收获时使用翻土、挖掘等其他种类甚至工程机械辅助进行收获作业。

结合表3分析可知，收获环节的机械化技术装备在经济性和适用性上与播种、植保、净制环节具有显著差异，在可靠性和安全性上也与施肥、净制、干燥差异显著，说明收获环节的机械装备与其他环节差距明显，机械装备整体表现差。在用户需求方面，收获环节的整体需求占比与急需程度的占比均超过了50%，有一半的用户表示没有可用的收获机械。“有机难用”和“无机可用”的现象体现出了中药材机械化收获技术装备十分迫切的发展需求。

中耕和移栽同样属于A类，发展需求程度迫切。相对于同样属于田间管理环节的施肥和植保环节，中耕环节的机械化程度较低，技术装备状况排序也与二者具有较大差距，这可能是由于种植方式的差异形成了不同的中耕作业要求，通用装备的使用受到了阻碍，加上需要创造适当的“逆境”促使药材积累有效成分[44]，以及药材对于中耕作业质量要求较高等因素，使得中耕环节的机械化技术装备具有迫切的发展需求。

移栽环节与同属于种植过程的播种环节相比差异十分明显，尤其在机械化作业程度的排序上，移栽环节处于最后一位，而播种环节处于第1位。其原因可能是由于播种环节技术装备开发和使用相对容易从大农业中借鉴，由于药材种子、块茎组织等幼体与其他作物形态相似，其他作物成熟的机械化播种技术可以较为容易地移植并运用到中药材之中。然而对于机械化移栽，无论在药材品种之间，还是在与大农业作物的形态对比上，均已初步显示出了差异，使中药材的机械化移栽难以简单地通过技术装备移植进行发展，需要根据品种进行针对性开发，再加上药材本身的高价值属性对作业质量有更高要求，机械化移栽有较高的技术挑战。

播种环节属于B类环节，拥有最高的机械化作业程度，但技术装备的评价不高，其原因可能是中药材虽然从大农业中借鉴并引入了机械化播种的技术装备，但针对药材品种或区域的定制化改造不足，优化程度不够，在作业过程中出现了可靠性不高的问题，也存在较高的“无机可用”占比，机械化播种技术装备的发展需求程度也较高。

干燥、净制、植保、施肥属于C类，机械化技术装备的发展需求相对其他类别不高。干燥和净制属于药材的初加工环节，在净制方面，农户可以采取简易的方式进行药材的清洗、去杂、筛选等。而在干燥方面，虽然大多数药材均需要进行干燥加工，但农户可采取自然晾晒、烘烤等传统方式进行干燥，以达到节约能耗和设备购置成本的目的，因而没有较高的机械化技术装备发展需求。植保和施肥与中耕环节的发展需求具有跨类型的差距，这可能是由于“农”与“药”的生产要求不同造成的。在整个生产过程中，可向大农业进行借鉴的机械化技术装备发展需求相对较低，具备一定特殊要求、突显中药材生产特色的环节需求较高，而“特色”部分正是当前中药材生产机械化发展的难点，也是发展需求最旺盛和最有必要的部分。

2.4.2 判别模型构建

根据聚类分析的结果，采用Fisher判别模型进行训练后得到2个典型判别函数，二者的有关特征参数如表7。

表7 Fisher判别函数特征参数

判别函数的选择通常根据方差百分比和威尔克Λ及显著性进行判断，方差百分比越高，表明其特征值的贡献率越高[45]，威尔克Λ值越小，样本的贡献率越大[46]。根据表7，函数I的贡献率高于函数II，威尔克Λ值更小，具有显著性（≥0.05），因此将函数I作为判别函数更合适。为进一步进行判断说明，以2个函数的计算对所评价的8个环节进行分组，结果如图4所示。

注：将各评价指标标准化数据代入函数I得到横坐标值，代入函数II得到纵坐标值。

由图4可见，函数I对A类和B、C类的分类效果较好，而函数II只能将B类和A、C类区分开，分类效果欠佳。因此，宜采用函数I作为主要判别函数，其表达式为

式中、、分别为机械化作业程度、技术装备综合状况、用户需求程度的标准化值。3种类别的中心值分别为−2.868，1.904，1.675。

采用层次聚类与Fisher判别建立的判别函数说明了评价模型的3个指标不仅具有一定联系，还可以进行函数化表达，在机械化技术装备发展过程中，可通过数学模型量化地表达需求的变化，实现分类的便捷运算。

3 结论与建议

本文基于中药材生产的特点和机械化发展状况，从机械化作业程度、技术装备状况、用户需求3个方面构建了中药材生产机械化技术装备发展需求评价模型和量化方法，通过对中药材体系基地进行实证研究，得到以下结论：

1）中药材体系基地各生产环节的机械化技术装备发展需求依照从高至低的程度可分为3类，A类为收获、中耕和移栽，B类为播种，C类为干燥、净制、植保和施肥。A类环节中的机械化技术装备发展需求十分迫切，但由于存在更高或特殊的作业要求，机械化生产发展的技术挑战较高，“无机可用”和“有机难用”的现象较明显。

2）各类环节的对比分析显示，可向大农业进行借鉴的环节机械化技术装备发展需求相对较低，而具备一定特殊要求、突显出中药材生产特色的环节发展需求较高。

3）对中药材体系基地的评价可以一定程度代表全国中药材生产机械化的情况，评价结果与实际情况相符，模型设置合理，可以采用Fisher判别法将模型进行函数化表达，通过量化模型精确便捷地实现分类。

针对实证研究的结论，本文从环节发展与技术策略角度提出以下中药材生产机械化技术装备发展的建议：

在生产环节方面，首先应重点推进中药材在收获环节的装备开发进程，研发针对性强、经济、适用、可靠、安全的新型机械装备，缓解需求矛盾；其次，应关注以移栽为主的种植机械化技术装备开发，增强机械可靠性，满足品种和地域的生产要求；此外，对于田间管理技术装备，应以中耕为重点，将中药材次生代谢产物累计形成研究与机械化作业方式结合，科学进行有关机械的优化设计，在节约人工劳动的同时，使中药材生产形成药效和产量的平衡发展。

在技术策略方面，对各环节的分析以及环节特点的总结得到启示：一方面可继续借鉴大农业机械化技术的成果，在尊重药材生产特点的基础上，将大农业机械化生产技术向中药材生产进行转化；另一方面，应将自主研发创新与引进吸收结合，针对药材品种、种植模式、生产要求等，实现农机农艺融合，走“一品一机”的定制化发展道路，快步伐、高质量地提升中药材生产机械化技术装备的质量和应用水平。

本文模型针对中药材生产进行构建，但对于其他小众作物和山区、丘陵等机械化发展程度较低的品种和地区也具有参考和借鉴价值。机械化技术装备的从无到有和从有到用是一个变化的过程，需要根据机械化的进程分析需求的变化，与时俱进地融入新的元素，以提升模型的分析能力。

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Quantitative model for technology and equipment demanded for mechanization production of traditional Chinese medicine

Zhao Zusongying1, Zheng Zhian1※, Huang Luqi2

(1./100083,; 2.100700,)

Modern mechanical equipment is very important to agricultural production. The introduction of modern machinery and equipment into the production process of traditional Chinese medicine is an effective way to solve the contradiction between the expansion of production scale of traditional Chinese medicine industry and the reduction of labor force. The mechanization development of traditional Chinese medicinal materials production is in the initial stage. The main goal at this stage is to realize the "from scratch" of the relevant technical equipments. However, due to the varieties of traditional Chinese medicine, complex production process, regional differences and other factors, it is difficult to judge the demand for mechanized production of traditional Chinese medicine and lack of methods. How to evaluate and analyze the the differences in the demand for mechanized development is of great significance to the research of technical equipment, the implementation of supply side reform and the promotion of the production and development of traditional Chinese medicine. According to the characteristics of traditional Chinese medicinal materials production, combined with the analysis of degree of mechanized operation, status of technology and equipment and levels of user demand, this paper constructs the evaluation index system for the development of technical and equipment of traditional Chinese medicinal materials production. The degree of mechanized operation indicates the ratio of mechanized operation area to the total planting area. The status of technology and equipment is alculated by weighting the five indexes of advance ment, economy, applicability, reliability and security. The levels of user demand is divided according to the proportion of users with demand, users with demand but no machinery available and the proportion of users with demand in different production process. Then an evaluation model combined with entropy weight method and hierarchical cluster analysis method is formed, and after classifying by the hierarchical cluster analysis method, the model is expressed functionally based on the Fisher discriminant method. In empirical research, the demonstration base of national comprehensive experimental station of traditional Chinese medicinal materials is selected as the research object, eight production processes of sowing, transplanting, fertilization, intertillage, plant protection, harvesting, cleaning and drying are selected for evaluation Through the investigation in 23 provinces of China, the production processes of traditional Chinese medicinal materials production are categorized into three types. The harvest, intertillage, and transplanting belonged to the type A, which have the highest demand level. The seeding is classified as type B, and the drying, cleaning, plants protection and fertilization are type C. The phenomenons of “no machinery available” and “unsuitable to use” are obvious for type A, and there is an urgent demand for the development of technology and equipment, the evaluation results are consistent with the investigation results. According to the further calculation results based on discriminant Function I, the central values of type A, type B and type C are -2.868, 1.904 and 1.675 respectively, which shows that the evaluation model of development demands classification can be accurately expressed by quantitative mathematical functions. The machinery of the type A production processes represented by harvest should be developed in priority in traditional Chinese medicinal materials production. The research and development of special machinery for the production of traditional Chinese medicinal materials should take the road of combining independent innovation research with the introduction of other main grain production machinery.The model proposed in this paper reflects the reasons and details at the same time of forming classification, which can provide reference for the development demand evaluation of other crops or regional agricultural machinery technology and equipment with backward mechanization development.

mechanization; models; traditional Chinese medicinal materials; demand; cluster analysis; discriminant analysis; entropy weight method

赵祖松颖，郑志安，黄璐琦. 中药材生产机械化的技术装备需求量化模型构建[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：307-317.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.037 http://www.tcsae.org

Zhao Zusongying, Zheng Zhian, Huang Luqi. Quantitative model for technology and equipment demanded for mechanization production of traditional Chinese medicine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 307-317. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.037 http://www.tcsae.org

2020-02-05

2020-03-20

国家现代农业产业技术体系专项资金资助（CARS-21）

赵祖松颖，博士生，研究方向为中药材生产机械化。Email：zzsy@cau.edu.cn

郑志安，博士，副教授，博士生导师，主要从事中药材生产机械化、农业系统工程等方面的研究。Email：zhengza@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.037

S23; R282

A

1002-6819(2020)-10-0307-11