方志超，雷雨田，代振維，吳明亮，2，張 嵐

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

中藥材產(chǎn)業(yè)是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是中醫(yī)藥工業(yè)和大健康產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。隨著中藥現(xiàn)代化與中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中藥材種植逐漸成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。近年來(lái)，國(guó)家大力扶持發(fā)展中藥材產(chǎn)業(yè)，相繼出臺(tái)了《中藥材保護(hù)和發(fā)展規(guī)劃（2015—2020年）》、《中醫(yī)藥健康服務(wù)發(fā)展規(guī)劃（2015—2020年）》和《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016—2030年）》等文件[1]。目前，全國(guó)中藥材種植面積超過(guò)200萬(wàn)公頃，百合等根莖類中藥材的種植面積約20萬(wàn)公頃并主要集中在長(zhǎng)江中下游南方地區(qū)。湖南省作為我國(guó)百合種植生產(chǎn)的五大省份之一，擁有全國(guó)五大百合種植基地中的兩個(gè)。這兩個(gè)基地分別為龍山百合種植基地和隆回龍牙百合種植基地，種植面積超過(guò)4600公頃且約占全國(guó)百合種植總面積的三分之一，年均產(chǎn)量5萬(wàn)多噸，總產(chǎn)值超過(guò)2億元。隆回縣是著名的中藥材之鄉(xiāng)，盛產(chǎn)龍牙百合、金銀花、玉竹、黃精和天麻等，尤其以種植生產(chǎn)龍牙百合和金銀花最為突出，上世紀(jì)50年代被周恩來(lái)總理譽(yù)為“龍牙百合之鄉(xiāng)”[2-4]。

隨著政策導(dǎo)向的作用逐漸顯現(xiàn)，再加上以龍牙百合為代表的塊莖類中藥材附加值逐漸提高，藥農(nóng)的種植熱情逐年上漲，龍牙百合的種植規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。但是目前龍牙百合的種植、田間管理、收獲等生產(chǎn)環(huán)節(jié)依然以傳統(tǒng)的人工為主，機(jī)械化程度不高，生產(chǎn)技術(shù)與裝備水平比較落后，其耕種收綜合機(jī)械化水平與我國(guó)主要農(nóng)作物平均水平相比存在較大差距[5-7]。傳統(tǒng)的人工種植、噴藥、采收等不但勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，而且過(guò)長(zhǎng)作業(yè)期會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)季節(jié)性矛盾和中藥材品質(zhì)降低。實(shí)現(xiàn)龍牙百合等塊莖類中藥材機(jī)械化生產(chǎn)，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，省工、省時(shí)、省力、節(jié)本，有效減少收獲損傷，提高塊莖類中藥材的品質(zhì)。塊莖類中藥材的生長(zhǎng)特點(diǎn)決定了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)機(jī)具結(jié)構(gòu)的特殊性、復(fù)雜性和高動(dòng)力性。目前，塊莖類中藥材生產(chǎn)機(jī)械化面臨的技術(shù)難題主要包括減阻、降耗、果土分離、廂溝一次成型以及降低漏挖率和損傷率等，這一系列難題制約了龍牙百合生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展。以上述問(wèn)題為立足點(diǎn)，加強(qiáng)耕整地機(jī)具通用化、塊莖類中藥材種植規(guī)范化、田間管理和收獲機(jī)具標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝間的融合是實(shí)現(xiàn)百合生產(chǎn)機(jī)械化的有效途徑[8-9]。

龍牙百合生產(chǎn)全程機(jī)械化不但可有效解決農(nóng)村勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性、季節(jié)性、區(qū)域性矛盾日益突出的問(wèn)題，而且對(duì)提高生產(chǎn)效率、提高百合品質(zhì)以及促進(jìn)湖南省百合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展均有重要意義。

1 湖南省龍牙百合物料特性及種植概述

龍牙百合作為百合的重要品種，形狀似白蓮花，鱗莖由二三十瓣重疊累生在一起，因“側(cè)看似彎月，正看似龍牙”而得名。龍牙百合由地上莖、根和鱗莖組成。

如圖1所示，地上莖一般立夏前后停止伸長(zhǎng)，莖粗 1～2 cm，高可達(dá) 100～150 cm，不分枝，直立堅(jiān)硬，表面光滑或有白色茸毛。葉散生，倒披針形。花乳白色有香氣，能結(jié)實(shí)產(chǎn)生種子[10]。

根分上盤根和下盤根（如圖2中箭頭1、3所示）。上盤根又稱纖維狀根，為鱗莖之上莖稈基部莖節(jié)上長(zhǎng)出的根，生長(zhǎng)深度為5～10 cm；下盤根又稱肉質(zhì)根，多分布在20～30 cm深的土層，在土壤中吸收養(yǎng)分能力較強(qiáng)，隔年不枯死。

鱗莖（如圖2中箭頭2所示）是龍牙百合的食用和藥用部分，呈白色、扁圓形，鱗片呈披針形、抱合緊密，每個(gè)鱗莖由2～4個(gè)小鱗莖組成。大的鱗片長(zhǎng)8～10 cm、寬2 cm以上。單個(gè)鱗莖重0.3～0.5 kg，最大的重1 kg以上，淀粉含量高，營(yíng)養(yǎng)豐富，味淡不苦。鱗莖有宿根越冬、越夏習(xí)性[11-13]。

近年來(lái)，隆回縣依靠得天獨(dú)厚的自然條件和生態(tài)優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展龍牙百合產(chǎn)業(yè)，取得了良好的生態(tài)效應(yīng)。“十三五”期間，該縣雖然不斷加大龍牙百合產(chǎn)業(yè)投入、提高科技含量，但百合的附加值依然不高。該縣地形地貌多為丘陵，百合往往被種植在山坡、梯田等狹長(zhǎng)窄小的地塊，再加上多年的傳統(tǒng)種植習(xí)慣根深蒂固，導(dǎo)致龍牙百合生產(chǎn)的機(jī)械化程度依然不高。龍牙百合種植規(guī)模與日俱增和生產(chǎn)方式落后的矛盾日益突出，因此龍牙百合生產(chǎn)全程機(jī)械化需求日益迫切。

2 龍牙百合生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)現(xiàn)狀

龍牙百合生產(chǎn)全程機(jī)械化是指以農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)龍牙百合鱗莖制備、種床整備（耕整地）、種植、田間管理、采挖收獲以及后期剝片、烘干加工等環(huán)節(jié)的機(jī)械化。除耕整地、田間管理環(huán)節(jié)多采用通用機(jī)具外，其他環(huán)節(jié)均需要百合專用機(jī)具完成[14-21]。

2.1 耕整地環(huán)節(jié)

龍牙百合種植耕整地主要包括翻耕、滅茬、旋耕、開溝起壟等作業(yè)，相應(yīng)作業(yè)機(jī)具以系列化和通用化為主[22-24]。開溝起壟、碎土成廂是百合播種前的重要工序。通過(guò)調(diào)研可知，目前龍牙百合種植廂面平整多采用旋耕機(jī)進(jìn)行碎土，再采用小型微耕開溝機(jī)進(jìn)行開溝。采用該方式耕整地，一方面需要機(jī)具多次下地作業(yè)，效率較低，對(duì)土壤擾動(dòng)較大；另一方面如果開溝位置不同而導(dǎo)致廂面寬度不一致，將給后期田間管理、收獲等機(jī)械化作業(yè)造成困難[25]。

本課題組聯(lián)合湖南長(zhǎng)沙桑錸特農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司共同研制了開溝起壟機(jī)[26-29]，如圖3所示。該開溝起壟機(jī)由動(dòng)力傳動(dòng)裝置、旋耕滅茬裝置和開溝起壟裝置組成，能一次性完成旋耕、滅茬、開溝、起壟等工序，是油菜種植苗床整理專用機(jī)具，也可為壟作作物開溝起壟，如圖4所示。該機(jī)結(jié)合壟作技術(shù)，打破傳統(tǒng)免耕、淺耕方式，創(chuàng)新采用深耕從動(dòng)起壟成廂機(jī)理，實(shí)現(xiàn)起壟成廂平整、成溝可靠、溝型穩(wěn)定的目的，可應(yīng)用于龍牙百合的耕整地作業(yè)。

2.2 種植環(huán)節(jié)

龍牙百合的繁殖方式主要有分球繁殖、鱗片繁殖和快繁育種三種。其中鱗片繁殖又稱為常規(guī)繁殖，是百合無(wú)性繁殖中較常用、繁殖系數(shù)很高的一種方法。種植是龍牙百合生產(chǎn)全程機(jī)械化中較為薄弱的環(huán)節(jié)，目前龍牙百合種植主要依靠傳統(tǒng)人工的方式，作業(yè)效率低下[30-33]。通過(guò)田間實(shí)際調(diào)研可知，純?nèi)斯しN植的龍牙百合的株距、行距變異系數(shù)較大，在廂面上成行率和成條率較差（如圖5所示），給機(jī)械化收獲帶來(lái)了一定的困難。目前，有關(guān)龍牙百合鱗片種植的專用機(jī)械還未見報(bào)道。針對(duì)鱗片繁殖，往往采用條播、寬幅條播或小廂撒播的方式種植，與大蒜播種機(jī)（如圖6所示）[34-37]的工作原理相類似。

2.3 田間管理環(huán)節(jié)

龍牙百合的田間管理主要包括培土追肥、病蟲害防治等作業(yè)。加強(qiáng)田間管理是提高成品率及品質(zhì)的基本保障。受地形地貌的限制，目前龍牙百合田間管理在湖南省主要是依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效果差。少量田間管理作業(yè)使用通用機(jī)具，偏小型化，存在作業(yè)機(jī)械單一、技術(shù)落后、作業(yè)效果差、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題[38-39]。

龍牙百合中耕培土可增加埋入土下的植株節(jié)數(shù)，增加匍匐莖的數(shù)量，形成更多更大的塊莖，防止百合鱗莖裸露見光。中耕培土多采用通用小型培土機(jī)（如圖7所示），雖能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，但行距不可調(diào)，需半人工作業(yè)，效率較低。

龍牙百合病蟲害較多，尤其是葉斑病、病毒病、蚜蟲和種蠅等病蟲害多。為防止病蟲害，目前多采用人工背負(fù)式噴藥裝置進(jìn)行作業(yè)（如圖8所示），不但工作效率低下，而且存在對(duì)作業(yè)者的安全隱患。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用較為廣泛的噴藥機(jī)或無(wú)人植保機(jī)非常適合龍牙百合種植的復(fù)雜田塊和地形，但該類植保機(jī)械目前在龍牙百合的種植中還沒有被投入使用。大型植保機(jī)如圖9所示，航空植保如圖10所示[40-45]。

2.4 收獲環(huán)節(jié)

收獲是龍牙百合生產(chǎn)中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。龍牙百合收獲期短，易受天氣影響。實(shí)現(xiàn)龍牙百合等塊莖類中藥材機(jī)械化收獲，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少龍牙百合收獲損傷，提高藥材品質(zhì)[46-50]；從生態(tài)角度而言，機(jī)械化挖掘采收龍牙百合，土垡回位較好，作業(yè)后不攪亂原耕層，并可打破犁底層，疏松土壤，相當(dāng)于深松，與保護(hù)性耕作契合；另外，機(jī)械化收獲還可有效緩解農(nóng)村勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性、季節(jié)性、區(qū)域性日益突出的矛盾。因此，實(shí)現(xiàn)龍牙百合等中藥材采收機(jī)械化對(duì)促進(jìn)湖南省中藥材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義[51-54]。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的百合收獲機(jī)械。我國(guó)20世紀(jì)60年代才開始引進(jìn)國(guó)外塊根、塊莖類農(nóng)作物收獲機(jī)技術(shù)，雖然起步較晚，但隨著技術(shù)的積累，這些年也有相應(yīng)的成熟機(jī)械投入市場(chǎng)并獲得廣泛認(rèn)可，這對(duì)研制百合收獲機(jī)械具有借鑒意義[55-57]。

本課題組針對(duì)這一現(xiàn)狀試制出了4B-160型百合收獲機(jī)。該機(jī)主要由挖掘裝置、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、輸送裝置、振動(dòng)分離裝置和集料裝置組成，外形尺寸為2.4 m×1.94 m×1.2 m。一次作業(yè)即可完成龍牙百合入土采挖、后置輸送、振動(dòng)分離和物料收集四項(xiàng)工序（圖 11）。

該機(jī)采用三點(diǎn)懸掛，作業(yè)幅寬為1.6 m，挖掘深度不小于200 mm，配套動(dòng)力不小于59.9 kW。動(dòng)力經(jīng)拖拉機(jī)萬(wàn)向節(jié)傳遞至百合收獲機(jī)變速箱，再分配至各級(jí)傳動(dòng)部件。創(chuàng)新利用三點(diǎn)懸掛位置調(diào)節(jié)裝置與挖掘鏟入土角度同步調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證挖掘鏟入土角度的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)不同種植深度下百合的無(wú)損挖掘；設(shè)計(jì)的分體式挖掘鏟可有效提高挖掘階段土壤的破碎率和收凈率，同時(shí)降低了整機(jī)的作業(yè)功耗；設(shè)計(jì)了主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)光輪配合的傳動(dòng)系統(tǒng)、可調(diào)自激勵(lì)振動(dòng)頻率發(fā)生裝置，提高了果土分離率并降低損傷度。該機(jī)的研制和推廣對(duì)降低采收勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率具有重要作用。田間現(xiàn)場(chǎng)演示表明，該機(jī)對(duì)百合的采挖效果較好（如圖12所示）。正常工況下，作業(yè)效率為0.2～0.3 hm2/h，收凈率可達(dá)95%，損傷率不大于2%。但針對(duì)南方丘陵山區(qū)的地形地貌，該機(jī)存在著下地困難、田間掉頭不易、前期拔稈工序需人工作業(yè)等一系列需要解決的問(wèn)題，其適用性還有待進(jìn)一步提高。

3 存在的問(wèn)題及對(duì)策建議

近年來(lái)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展，塊莖類作物生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展也較為迅速。例如，馬鈴薯機(jī)械化收獲已朝著大型自走式、聯(lián)合作業(yè)、較高穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)互換性的方向發(fā)展。但是，塊莖類中藥材機(jī)械化生產(chǎn)的整體水平還有較大提升空間。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一部分，中藥材生產(chǎn)的機(jī)械化發(fā)展具有良好前景。要實(shí)現(xiàn)我國(guó)塊莖類中藥材全程機(jī)械化健康、穩(wěn)定發(fā)展，未來(lái)需要從以下幾個(gè)方面努力。

3.1 以農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化為目標(biāo)，促進(jìn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的相互融合

農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝息息相關(guān)，均是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分?，F(xiàn)實(shí)中，我國(guó)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝在許多方面相互割裂，未能有效地融合，阻礙了我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推進(jìn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高。由于龍牙百合種植多為以散戶為主的人工種植，造成種植廂面與拖拉機(jī)輪距不一致，導(dǎo)致收獲過(guò)程中龍牙百合被碾壓損傷。分析原因，主要是種植的行距設(shè)置與農(nóng)機(jī)具的相關(guān)參數(shù)不匹配。因此，促進(jìn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有效融合是發(fā)展龍牙百合生產(chǎn)機(jī)械化的重要手段。要解決農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相互融合的問(wèn)題，需要加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域研究人員之間的交流和溝通，相關(guān)部門共同制定合適的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的規(guī)范化種植和農(nóng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

3.2 以高效為原則，發(fā)展功能多樣化的聯(lián)合復(fù)式作業(yè)機(jī)具

為促進(jìn)龍牙百合產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)龍牙百合生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化，需圍繞百合生產(chǎn)各環(huán)節(jié)（包括耕整地、種植、管理、收獲以及加工等），確保各環(huán)節(jié)機(jī)具作業(yè)參數(shù)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)節(jié)間的融合。研制單一環(huán)節(jié)的機(jī)具時(shí)，應(yīng)以適應(yīng)各環(huán)節(jié)的特點(diǎn)和需求為原則，使機(jī)具能夠單次完成多項(xiàng)工序，減少機(jī)具的下地次數(shù)并提高作業(yè)效率。根據(jù)龍牙百合的機(jī)械收獲特點(diǎn)，采挖前需先對(duì)地上莖稈進(jìn)行拔除?？裳兄瓢味?、采挖、集料于一體的龍牙百合聯(lián)合收獲機(jī)，既減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高了作業(yè)效率，還豐富了機(jī)具的功能。

3.3 以質(zhì)量為核心，提高機(jī)具的設(shè)計(jì)制造水平和加工工藝

在技術(shù)方面，應(yīng)對(duì)龍牙百合各生產(chǎn)環(huán)節(jié)涉及到的機(jī)具進(jìn)行全面、深入的理論和試驗(yàn)研究。采用新材料、新方法和新工藝，提升產(chǎn)品的技術(shù)水平和技術(shù)含量，并在充分生產(chǎn)試驗(yàn)考核中熟化技術(shù)，使產(chǎn)品定型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化批量生產(chǎn)。組織有關(guān)科研單位、院校、企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化，解決技術(shù)難題，提供操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)、功能全、互換性好以及技術(shù)含量較高的機(jī)具，滿足龍牙百合生產(chǎn)全程機(jī)械化需求。提高農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的加工工藝水平，選用符合要求的材料和高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)件與外協(xié)件，保證機(jī)具制造質(zhì)量。

3.4 以政策為導(dǎo)向，完善百合生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用體系

相關(guān)部門應(yīng)大力扶持、發(fā)展龍牙百合機(jī)械化生產(chǎn)服務(wù)組織、農(nóng)機(jī)合作社及農(nóng)機(jī)大戶，積極引導(dǎo)其購(gòu)置龍牙百合生產(chǎn)專用機(jī)具，健全技術(shù)培訓(xùn)體系以提高機(jī)手的操作水平和熟練程度。構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)，建立運(yùn)行機(jī)制，提高機(jī)具的利用率。機(jī)具制造企業(yè)應(yīng)增強(qiáng)責(zé)任感，合理設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝、保障質(zhì)量，完善售后服務(wù)體系，必要時(shí)可以對(duì)用戶進(jìn)行針對(duì)性的培訓(xùn)。