中药农业机械化收获技术现状及对策

　　摘 要: 我国是中药材的生产和出口大国。近年来，我国中药材的种植面积越来越大，但中药材的生产环节大多还依赖于人工，尤其是在收获环节。目前，农业劳动力急剧短缺，很大程度上限制了中药材产业的发展。为 此，从药材的收获部位区分，将其分为根茎类、花类、叶类、果实类及秸秆类药材，分别对我国各类中药材收获机的研究现状进行分析，指出现阶段中药材收获机械推广应用面临的挑战。最后，针对中药收获机械化的现存问题，提出了相应的发展建议与对策，皆在为今后研究中药农业收获技术装备提供参考。

　　关键词: 中药材; 中药农业; 机械化; 收获; 发展现状

　　王荣炎，郑志安，高 磊，姜大龙，张子梅;农机化研究;2022 年 7 月

　　0 引言

　　“中药材是中医药事业传承和发展的物质基础，是关系国计民生的战略性资源，保护和发展中药材，对于深化医药卫生体制改革、提高人民健康水平，对于发展战略性新兴产业、增加农民收入、促进生态文明建设，具有十分重要的意义。”摘自《中药材保护和发展规划( 2015—2020 年) 》[1 - 2]。如今中药材，尤其是药食两用的中药材已常见在人们日常饮食生活中，随着全民健康意识的不断加强[3]，中药农业经济进入了快速发展的阶段，产业规模正在不断扩大。然而，我国中药材的生产机械化水平依然很低[4]，加之近年来，农业劳动力急剧紧缺，中药农业的发展受到了严重制约。为此，着重分析了我国中药材收获机械的发展现状，指出了我国中药材收获机械存在的问题，并针对今后我国中药材收获机械的发展方向提出了相应的建议。

　　1 中药农业发展现状

　　我国中药农业有着几千年的发展史[5]，如今，中药材遍及在我国的各个地区，甚至成为个别省份的支柱性产业。目前，我国加快了对中药现代化建设的步伐，各省份相继出台了支持中药材种植的政策，大大鼓励了农民种植中药材的积极性。目前，中国常用药材品种的种植基地有 430 个，年产量接近 900 万 t，中药材种植面积越来越大，且在逐年增加[6]。据调查数据显示: 2017 年，除北京市、西藏自治区、台湾省、香港和澳门自治区之外的 29 个省市的中药材总种植面积已高达 455. 54 万 km2 ( 数据来源: 人民网) 。2020 年我国中药材的种植面积如图 1 所示。

　　近年来，人们的生活水平逐步提高，对健康生活的意识也大幅提升，大多数人开始注重养生和保健，促使了健康产业的发展，药食两用的药材需求量也逐年增多，在国内市场有了巨大的需求和发展空间[7]。图 2 是对 2016—2017 年淘宝药食两用药材品种同月度成交笔数进行的抽样统计( 数据来源: 淘宝采集) 。 2017 年，药食两用药材品种发展势头强劲，相关品种需求总量增长率为 9. 5%[8]( 见图 3) ( 数据来源: 中药材天地网) 。

　　我国《中医药“一带一路”发展规划( 2016—2020 年) 》等为中医药产业发展提供了良好的政策环境。中药材逐渐打开了国际市场，我国成为了药材出口大国。近年来，中国等一带一路国家的中药材出口量暴增，中药材已经出口到 183 个国家和地区[9]，图 4 为 2015—2017 年中药材出口额数据，如图 4 所示。

　　2 中药材机械分类

　　中药材生产需要大量的人工，导致生产成本高，目前农村劳动力短缺且年龄大，雇工困难，迫切需要机械代替人工、降低生产成本、提升药材收获效率与质量。中药材的种植生产环节复杂，所需要的机械多种多样[10]。从功率、应用地域和作业环节来看，药材机械可如图 5 进行分类。其中，根据收获部位不同，药材收获机一般可分为根茎收获机、花类收获机、叶类收获机、果实类收获机和秸秆类收获机。

　　对于中药农业的耕整地、播种、田间管理等环节皆可借鉴大田作物已经推广应用的机械，但由于中药材品种繁多，生长特性和收获部位差异大，收获期和收获要求比较严格，无法直接将大田作物的收获机械应用到药材收获，实现药材的机械化收获难度很大。由于国外中药材的种植较少，相应的机械研究较少，且国外药材品种和种植方式与我国差异很大，所以只对我国药材收获机械的技术进行分析，了解我国药材收获机的发展现状[11]。

　　3 中药材收获机械分类

　　3. 1 根茎收获机械

　　根茎收获机械一般由传动部件、收获部件、偏心振动部件和液压部件等组成[12 - 13]。根茎类药材有长根茎与短根茎、韧性根茎与脆性根茎以及根茎类与块根类之分，所以根茎类药材收获机的作用对象不同，可分为深根型、颗粒型和浅根型根茎收获机械。

　　1) 深根型收获机械。深根型收获机械可用于收获党参、香附子、柴胡、防风、桔梗、黄芪、板蓝根、黄芩、白芷、龙胆草和苍术等药材。以河北圣和深根型根茎收获机为例( 见图 6) ，收获机械参数如表 1 所示。深根型收获机械所需动力大，收获部件的采挖深度较大，进行收获作业时，需要克服的土壤阻力大[14]，对收获挖掘部件的强度以及收获机的动力系统有很高的要求[15]; 同时，要求作业后的土垡要保证回位良好，药材的原耕层也要保存良好，最重要的是要避免对药材造成损伤。

　　2) 颗粒型根茎收获机械。颗粒型根茎收获机械多用于收获半夏、天南星、贝母、螺丝菜、元胡及油莎豆等颗粒型药材，待收获药材直径一般在 6 mm 以上。颗粒型根茎收获机械不同于深根型收获机械，所需要的动力较小，作业时的土壤阻力大大减小，收获机可将药材进行清理分级。颗粒型根茎收获机械可以参照土豆等根茎类收获机械进行设计研究，以 4U - 1600 型颗粒型根茎收获机械( 见图 7) 为例，其工作参数如表 2 所示。

　　3) 浅根型根茎收获机械。浅根型根茎收获机械 ( 见图 8) 用于收获根茎深度不大于 150 mm 的药材，如油莎豆、太子参等，相较于重型深根型收获机械，浅根型根茎收获机所需动力较小，能一次性完成挖掘、分离等工序，其工作参数如表 3 所示。

　　根茎类中药材品种繁多，有些药材含水率高，非常脆、易折断，对机械收获作业的要求较高。每个药材品种的直径、生长深度等物理特性差异很大。所以，根茎类收获机械的通用性较差，需要根据不同品种药材的生长特性，采用不同的机具和收获方式，才能保证药材的收获质量。

　　3. 2 花类收获机械

　　花类药材形态各异，生长特性复杂，成熟期的花朵不在同一高度，相较于根茎类药材，花类药材具有更高的采摘难度和收获要求。所以，花类中药材收获作业基本依靠人工完成，现有的花类药材收获机械大多处于专利技术及样机试验阶段，还未大规模推广应用。

　　1) 金银花收获机。韦翠庆等人发明了一种金银花采摘机[16]，采用柔性拨叶杆和软滚轮摘取金银花，金银花的花、叶子等杂质经由输送装置送至花叶分离机，在滤网作用下，花朵可以被有效清选分离。花朵从滤网间隙掉落，轴向风机和鼓风机将其输送至出料口，叶子在出叶口被吹出，少量叶子随着金银花掉落; 位于下方的鼓风机将随花朵掉落的叶子吹起，再通过轴向风机将叶子吹出出叶口; 反复循环，直至叶子从出叶口排出，残留在滤网上的花朵由刷子刷落，自动进入储花筒中。该收获机能对花叶进行自动分离，工作效率为 680 ～ 800 kg /( 人·天) ，是人工采摘的 10 倍，大大提高了采摘效率。金银花采 花 机 如 图 9 所示。

　　2) 菊花收获机械。菊花收获机械一般利用梳齿和刀具相结合或者梳齿与气吸相结合的采摘方式进行菊花的采摘作业，行走方式有手推式和自走式。中国农业大学郑志安团队[17]研制的梳齿往复式菊花采摘机( 见图 10) ，采摘部件由直流减速电机、曲柄、连杆、滑块、滑轨、采摘梳齿和链传动机构组成。工 作时，曲柄做匀速旋转，滑块做变速往复直线运动，连杆带动采摘梳齿做平面复合运动，利用梳齿进行菊花采摘作业; 采摘梳齿运动到最低点插入菊花植株，并向斜上方运动采下菊花; 当运动到行程的最高点时，利用曲柄连杆机构的急回特性，给采摘梳齿一个回程力，完成菊花采摘; 采摘下来的菊花掉落至机器后方的收集盒，辊刷将梳齿上残留的菊花扫入收集盒。试验验证结果表明: 当采摘梳齿的往复频率为 40 r / min、梳齿间距为 6. 5 mm、梳齿工作深度为 200 mm 时，菊花的 采 摘 率、含 杂 率、破碎率和落地损失率分别为 92. 47% 、11. 07% 、1. 48% 和 1. 41% 。

　　3) 红花丝采收机械。红花丝采收机械基本是采用气力式或气力与切割相结合的方式，目前的采摘机红花丝掉落损失及花丝损伤率都较大。2012 年，李景彬等人发明了一种便携式单人红花采收机[18]，利用切割采收机构将红花花丝从根部切割下来，切割下来的花丝通过负压输送机构，运送至收集箱，如图 11 所示。

　　由于花类药材的含水率较高，花朵娇嫩易损伤，要求花类收获机首先保证花朵的采收品质，还要具有较好的通过性，降低对花类药材植株的碾压伤害。

　　3. 3 叶类收获机械

　　叶类收获机械的收割装置一般分为往复割刀式、圆盘割刀式和回转带锯式，行走方式主要有手扶式和自走式两种，输送装置主要有带式输送、夹持输送和风力输送 3 种形式[19]。图 12( 图片来源: 农业产业信息网) 为上海仓田公司与上海市农业机械研究所联合研制的手扶式叶菜收割机。该收获机为手扶电力驱动，采用往复割刀式和带式输送，田间试验发现该收获机操作简便、机动性较好。

　　3. 4 果类收获机械

　　1) 红枣收获机械。严积业等人发明了一种新型红枣收获机( 图片来源: 农机 1688 网) ，基于机械振动实现红枣采收，如图 13 所示。收获机的采摘部件为带有拨杆的立轴采摘滚筒，工作时，采摘滚筒位于枣树两侧，在收获机匀速前进的同时，在驱动马达作用下做旋转振动，与收获机前进速度相配合; 采摘滚筒转动过程中，拨杆伸入树冠以高频小振幅振动，完成红枣的收获。该收获机的收获效率为 0. 89 hm2 / h。该机对果园行距和果树树型有严格要求，且要求红枣成熟期集中，果实含水率不能高于 60% ，否则容易对果实表皮造成损伤。

　　2) 枸杞收获机械。南京农业机械化研究所首次提出适宜机械化采收的枸杞种植模式，即枸杞枝条呈两侧垂挂栽培，并研制了一种往复式高频低幅振动枸杞采摘机( 图片来源: 江苏科技报) ，如图 14 所示。工作时，采摘机振动杆拍打枸杞挂果枝条，使其受迫振动，当惯性力大于枸杞与果柄的结合力时，枸杞掉落，采摘掉下的枸杞通过输送带运输至收集箱，完成枸杞的收获过程。试验结果表明: 枸杞采摘率达到 90% 以上，损伤率小于 5% ，作业效率为 144 棵/ h，收获效率是人工收获的 30 倍。

　　3. 5 秸秆类收获机械

　　秸秆类收获机械有手扶式、自走式、前置悬挂式等，型 号 众 多。以 4GL - 100 自走式微型割晒机为例[20]，其主要的功能部件包括输送链、拨禾轮和切割器总成，如图 15 所示。该收获机可用来收获艾叶、茴香等秸秆类药材，也可用来收割株高在 0. 5 ～ 2 m 高的农作物，割幅可设置成 0. 8、1. 0、1. 2 m; 传动装置采用链条、链轮，配套动力可选用风冷柴油机或汽油机，工作效率为 0. 201 ～ 0. 402 hm2 / h。该收割机转弯半径小，适应于山区、丘陵和不规则地块，可以有效替代人工作业。

　　4 中药材收获机械面临的挑战和发展对策

　　4. 1 面临的挑战

　　我国虽然是药材大国，但与大田农作物相比，中药材的收获机械化发展相对滞后，自动化和智能化程度非常低。追本溯源，我国药材农业收获机械化程度低的原因: 首先，大多数中药材的成熟期较短，收获期大约只有 3 ～ 4 周，种植面积相较于其他农作物较少，所以农机企业对中药材收获机的研制兴趣较少，机械化程度较低。我国中药材品种多、品种间的物理特性差异大、不同药材品种的用药部位各不相同，采收时间不同，所以收获机械通用性差，决定了中药材机械无法实现大批量生产，目前中药农业收获机械依然是 “一品一机”式。其次，我国中药材种植散户的数量仍较大，这些散户的种植经验和技术等与药材基地比较，存在着明显差距，大多数药材品种未从农机农艺融合的角度进行栽培种植，没有形成统一的生产种植模式; 药材多为分散种植，区域地形复杂，技术管理和市场信息落后，同样阻碍了中药农业的发展[21]。同与日益增长的中药农业产品需求相比，种植户、相关职能部门等在中药农业收获机械方面的投入资金相对较少，由于药材收获本身就是一种劳动密集型产业，而研发一台药材收获机的成本较大，所以种植散户对药材收获机械的需求迫切程度较低，严重影响了药材收获机械的推广应用[22]。

　　4. 2 发展对策

　　研制适合我国国情的中药材收获机械及相关配套机具，是降低中药农业生产成本、促进广大农民增收和早日脱贫致富的重要途径，必须实施中药农业收获的机械化[11]。针对目前面临的问题，首先要做到农机农艺融合[23 - 24]，根据采收机械的规格参数，定制中药材的标准化种植模式，中药农业需要充分吸收、借鉴现代农业领域在农机农艺融合方面的新技术、新方法[25]，只有促进技术推广与生产种植方式融合，才能更好地推广药材收获机械。其次，鼓励种植散户、农机部门技术人员共同入驻农机农艺农信融合示范应用平台，加强科技研发，建立企业和药材种植基地、专业农户的合作机制，促进中药农业机械的科技研发和成果转化，确保形成一种可推广应用、持续发展的全程机械化药材生产模式[26]。最关键的一点是，国家层面应加大政策、资金投入，鼓励和支持中药农业，定向支持中药农业机械的发展，加大对药材收获机械的扶持。同时，需要加强对各类药材的物料特性及采摘机理研究，在今后药材收获机械的设计中增加调节装置，提高机具对药材无规律生长特性的适用性，收获机的机型应向功能集约化的方向发展。最后，充分利用“互联网 + ”等现代技术，把各种药材的物理特性参数做成数据库[27]，利用大数据实现药材收获机械的智能控制，加强对药材收获机械的智能化研究，提高收获作业的自动化。