山丘区根茎类中药材机械化收获技术与装备研究

陈林 张亚振 王达 张冰辉

1、河北省农业机械化研究所有限公司 2、安国市农业农村局 3、安国市辉腾农机具制造有限公司

引言

中药材是中医药事业传承和发展的物质基础。作为北药主产区，河北省中药材资源丰富，中药材种植面积近300万亩，其中山丘区种植面积占比近65%。根茎类道地中药材种植地域性非常强，主要集中在山丘区，由于土地平整度不高，种植地块分散、面积小，大型农机难以充分发挥作用；市场上现有小型农机具多数为适应传统农作物生产设计，难以满足药材的生产农艺需求。因此，山丘区根茎类中药材的收获多以人工作业为主，存在严重的“无机可用、无好机用”的问题。机械装备的匮乏，已经严重制约了中药材产业的发展。

1 山丘区根茎类中药材种植、机械化收获现状

河北省太行山、燕山中药材资源丰富，依托两大山系，柴胡、丹参、黄芩、北苍术、知母、黄芪、桔梗、防风等根茎类中药材广泛种植。其中，涉县柴胡、青龙北苍术、承德黄芩等知名道地中药材已初步形成优势产区，正在向集中产业链上下游的产业集群方向发展。

中药材的药性、药效主要依赖次生代谢产物，依靠逆境条件积累，因此大多数中药材适宜种植在具有小气候特征和生物多样性的山区丘陵等区域，而山区丘陵机械正是我国农业机械化发展瓶颈。目前山丘区农作物耕种收综合机械化水平达到62%，但是中药材收获机械化水平（包括平原区）仅为14.6%，机械化水平严重滞后。其中，根茎类中药材收获的机械化程度高于其它花类、叶类、果实、籽粒类中药材，但这种优势主要体现在平原区。山丘区根茎类中药材仍然是收获难题。

山丘区根茎类中药材根据根茎生长的深度，可以分为：浅根类中药材（柴胡、苍术等，生长深度小于20cm）；中根类药材(丹参、黄芩、桔梗等，生长深度大于等于20cm、小于40cm)；深根类药材（黄芪、防风等，生长深度大于等于40cm）。机械化情况根据动力机械是否能够进入地块和能够进入地块的动力机械功率大小，可以分为4种情况。①大、中型拖拉机能够进入：能使用平原区机械，向小型、复式、智能方向发展；②小型拖拉机能够进入：可以收获浅根类中药材；③手扶动力机械能够进入：可以实现浅根类中药材半机械化收获，人工辅助工作量大；④动力机械无法进入：无法实现机械化，完全依靠人工收获，或者运用挖掘机等工程机械进行破坏性收获。

2 发展机械化收获的限制因素

2.1 地形限制

山丘区土地普遍平整度不高，且种植地块分散、面积较小，海拔相对较高。大型农机难以发挥作用，机具转移地块不方便。这决定了中药材采收机械应以小型化为主。平原区能够解决的机械化问题，山丘区并不能简单复制。

2.2 动力限制

根茎类中药材收获机械，相对需要的动力较大，动力因素影响显著。一般收获根深≥20cm,工作幅宽80cm,就需要50马力以上拖拉机(四驱)。从目前机械化收获现状看，动力机械是否能够进入地块和能够进入地块的动力机械功率大小，直接影响机械化应用程度的高低。

2.3 农艺限制

中药材从野生到人工抚育种植转变的历程较短，在满足道地性、生产环境的条件下，多以能种、有产量为主要目标，机械运用经验缺乏；迫切需要品种繁育、种植规范的协同发展和配合。根茎类中药材一般都是多年生，药材收获时根深大多在20～50cm，有些药材品种根深在半米以上，并且地表坚实，挖掘收获比较困难。

2.4 投入限制

中药材属于小众产业，品种多、规模小、品种间差异大、用药部位各不相同，这就决定中药材机械无法实现大批量生产，以一品一机及小批量为主要特征，社会投入动力不足；与大农业相比，获得来自国家的政策支持和大幅度经费支持比较困难[1]。

3 机械化收获技术发展对策

3.1 地形宜机化改造

山丘区坡地作业对机械设备的要求严格，且坡度越大，机械动力有效利用率越低，因此可视坡度大小对种植地块进行宜机化改造。低于25度的坡地，建议进行梯田改造，改造后纵向坡度要低于10度，横向坡度要低于5度，大中小型机具都可以用。种植时预留机耕道。机械作业需要有足够的空间通过。

3.2 加强关键技术研究

3.2.1 高效能动力配置

解决机型小、动力足、地形高适应性三者之间的矛盾问题。研究中药材根茎收获机的动力消耗特点，分析牵引力和筛分动力的不同特点，通过结构改进及优化配置，提高动力能效。

3.2.2 挖掘铲结构优化和筛分机构性能提升[2]

根茎类中药材的收获需要利用挖掘铲对一定深度的土壤进行切割、松动，并将土壤与药材根茎进行有效分离。需进行挖掘机构力学与运动学仿真分析，优化挖掘机构运动形式，改进挖掘铲结构、形状和材料，减少动力消耗，增加采挖深度；研究药材、土壤筛分机理，提高土壤、药材筛分效率和筛分质量。

3.3 农机农艺融合发展

根茎类（尤其是深根型）中药材种植在条件允许的情况下，宜采用起垄种植的模式。栽培规范和种子繁育，应充分考虑机械化收获的问题，例如，根茎分叉特点、生长方向、根茎深度一致性、行距及种植密度等都直接影响实现机械化的难易程度。要以提高经济效益为目标，寻找产量高低、品质优劣、机械化难易的平衡点。在充分考虑种植效益的基础上，规范种植农艺，推广宜机化种植模式。

3.4 分类施策

结合山丘区地形特点和根茎类中药材收获农艺要求，区分不同根深中药材，应用相适应的收获装备。针对浅根类药材柴胡、苍术等，中根类药材丹参、黄芩、桔梗等，深根类药材黄芪、防风等,分别研制、推广相适应的轻简收获装备，以此来降低成本、提高效率。

3.5 联合发展

中药材产业比较特殊，应加强从种植、加工到制药的全产业链协同，大力发展订单模式和产业联盟。动员各方力量，探索建立多元化的投入机制，为中药材产业的可持续发展和机械化高质量提升，搭建平台。着重发展定制机械装备服务，充分应用现代农机技术储备和先进的信息技术及制造技术，提高机械装备质量。

4 关键机械装备研究

4.1 手扶式采挖机

针对浅根类中药材（根深≤20cm），应加强手扶式收获机研究。如图1所示:主要手扶动力和后置式挖掘、筛分机构组成。机具轻便，使用灵活，可以在梯田或山坡地作业。机具可以拆分搬运，能够到达没有田间道路的地块作业。根据收获对象的深度或土质、地块情况，可以选用履带式驱动轮或者坡地专用高低轮，增强地面附着力和操作稳定性。

图1 手扶式根茎药材收获机

4.2 履带拖拉机

针对中根类中药材(根深20-40cm)，研制轻便型履带底盘拖拉机，配套后悬挂式中药材联合收获机使用。此种配置，能够适应山丘区相对较大地块的根茎类药材收获作业。根据根茎药材收获机耗能特点，其工作时对牵引力的需求比较大，牵引力和轮胎对地面的附着力有直接关系。因此，选用履带拖拉机，相对轮式拖拉机，达到同样作业宽度和深度的作业效果，所需功率较小，机具相对轻便、紧凑，能够提高在山丘区作业的适应性。

图2 履带拖拉机

4.3 山地履带自走式根茎药材收获机

山地履带自走式根茎药材收获机既能解决轮式拖拉机在山地作业适应性差的问题，又集自走、挖掘、碎土、分离、装箱等多功能于一体。抓地能力强、地形适应性好，结构紧凑、转弯灵活，作业深度可满足浅根、中根类中药材的收获需求。关键技术是：①紧凑布置履带动力底盘、内燃机、采挖机构和筛分机构，减小整机尺寸。②利用高效能动力配置技术，实现“小机型，高效能”,增加采挖深度，提高作业效率。

如图3所示。部件1为履带底盘，部件2为挖掘机构，部件3为一级输送筛分机构，部件4位二级垂直提升筛分机构，部件5位三级输送筛分机构，部件6位集料箱，部件7位驾驶系统，部件8位动力系统。采用循环筛分系统，在较短距离上实现多级筛分，保证土药分离，结构紧凑。采用履带机构，增加了牵引力，可以有效减低配备的动力功率。

图3 山地履带自走式根茎药材收获机结构示意图

4.4 人工辅助收获机械

针对仿野生种植或在较大坡度地块生长的深根类药材，研制人工辅助收获机械，实现半机械化作业。如图4所示的手持式动力挖掘铲，部件1为动力源，部件2位手柄及控制器，部件3位动力排钻组。利用动力钻头，减轻人工挖掘的工作强度。

图4 手持动力挖掘铲

5 结语

根茎类中药材收获应根据生长深度和地形特点，选用适宜的装备。其中山地履带自走式根茎药材收获机适用范围相对较广，人工劳动强度低，可以继续向遥控、无人驾驶方向发展，还能提高山丘区机械使用的安全性，应该着重发展。同时，应兼顾新型挖掘技术研究，探索可控震动及微型爆破等技术在深根类中药材挖掘中的应用。