馬正英, 楊小平, 黃曉鵬, 馮 柯

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

黨參是常用的補(bǔ)益中藥材,具有健脾益肺,養(yǎng)血生津的功效,與人參同為補(bǔ)氣藥,二者功效相似,但黨參藥性平和,不熱不寒,不濕不燥,較人參更適宜中老年人使用。近幾年,中藥材產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展,黨參傳統(tǒng)種植模式已無法滿足不斷增長的市場需求,且黨參種收周期短,不僅工作量大,工費(fèi)成本也較高。而黨參全程機(jī)械化技術(shù)不但可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、助力農(nóng)民爭搶農(nóng)時(shí),提高黨參品質(zhì)和商品功效,還可以降低黨參生產(chǎn)成本,提升黨參生產(chǎn)規(guī)?；?、專業(yè)化、現(xiàn)代化水平[1]。黨參全程機(jī)械化是促進(jìn)黨參產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效、提高黨參生產(chǎn)綜合效益的重要手段。

本文總體概括了黨參全程機(jī)械化農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展現(xiàn)狀,淺要分析了黨參全程機(jī)械化過程中存在的問題,并提出了相關(guān)發(fā)展建議。

1 技術(shù)模式及產(chǎn)區(qū)現(xiàn)狀

1.1 黨參生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)模式

黨參全程機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)是以黨參為作業(yè)目標(biāo),耕整地、播種(移栽)、田間管理、收獲為重點(diǎn)作業(yè)環(huán)節(jié),推廣先進(jìn)高效的農(nóng)機(jī)化技術(shù)及裝備,建立全程機(jī)械化生產(chǎn)模式的綜合集成技術(shù)。其需因地制宜,考慮各地區(qū)地形、經(jīng)濟(jì)、機(jī)械化水平,根據(jù)不同的作業(yè)方式和工藝路線,建立多元化的全程機(jī)械化技術(shù)。

黨參栽培技術(shù)中,各地種植環(huán)節(jié)農(nóng)藝差異最大,這對(duì)全程機(jī)械化進(jìn)程有較大影響,且種植環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。黨參種植技術(shù)模式主要分為種子直播和育苗移栽,種子直播技術(shù)缺苗率低、節(jié)省人力物力,但其生長周期長,需3～5年[2]。育苗移栽技術(shù)雖增加了移栽的工序且可能會(huì)產(chǎn)生缺苗現(xiàn)象,但在此種栽培模式下,黨參生長周期短,品質(zhì)更好,畝產(chǎn)量更多,帶來的經(jīng)濟(jì)效益也更高。目前黨參種植主要以種子撒播和定植移植兩種作業(yè)方式結(jié)合為主,此外我國也大力推廣黨參露頭覆膜栽培技術(shù),以統(tǒng)一其移栽農(nóng)藝,便于裝備推廣改進(jìn)。

黨參全程機(jī)械化技術(shù)工藝流程如圖1所示。

圖1 黨參全程機(jī)械化技術(shù)工藝流程圖

1.2 黨參主要產(chǎn)區(qū)現(xiàn)狀

黨參產(chǎn)區(qū)較多,各地品種也不盡相同,市場上一般常見的有:山西的潞黨,甘肅、陜西等地的西黨,東北三省的東黨,四川、湖北等地的條黨,貴州、云南等地的白黨。其中甘肅省定西市自古就有“千年藥鄉(xiāng)”的美名,渭源更被稱為“中國黨參之鄉(xiāng)”。2021年,定西市黨參產(chǎn)量為12.41萬t,比上一年增長13.4%,且在2012年至2021年期間,定西市中藥材機(jī)收率也從1.98%提高到55%。2022年,定西市政府籌資643.5萬元,推廣中藥材種收關(guān)鍵機(jī)具2 158臺(tái)。

山西省長治市平順縣是潞黨參的正宗原產(chǎn)地,潞黨參種植面積約1 500 hm2,一年可產(chǎn)3 000余t,總產(chǎn)值1.2億左右,潞黨參產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?、多元化發(fā)展成功帶領(lǐng)全縣人民增收致富。只產(chǎn)于晉城陵川縣的“五花芯”黨參,年產(chǎn)量為30萬kg。長治市中藥材產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,2021年前三季度中草藥播種面積達(dá)2.6萬hm2,增長32.0%,累計(jì)產(chǎn)量3.7萬t,增長158.9%。

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、機(jī)械化、規(guī)?；陌l(fā)展,各地都在探尋黨參種植的高產(chǎn)高效栽培技術(shù),并結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝,研究改進(jìn)適合當(dāng)?shù)氐匦渭巴寥拉h(huán)境特性的特色農(nóng)機(jī)具,因此,黨參種植量及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益都在不斷提高。

2 黨參生產(chǎn)機(jī)械化裝備現(xiàn)狀

2.1 耕整地機(jī)械

黨參作為根莖類中藥材,對(duì)土壤孔隙度有較高要求。播種前要對(duì)所選土地進(jìn)行翻耕或深松處理,并在此過程中施撒基肥,以提升土壤肥力和通透性,然后淺旋耕以平整土地,為后期播種育苗做好準(zhǔn)備[3]。

現(xiàn)有的黨參栽培技術(shù)以種苗移栽較多,其耕整地機(jī)械與普通作物通用。國外出于對(duì)綜合效率及作業(yè)成本的考慮,其耕整地機(jī)械多為大型、復(fù)式、耐磨、技術(shù)先進(jìn)的產(chǎn)品,不僅可以有效混合前茬,保證碎土平整,還能和墑保墑。國外液壓翻轉(zhuǎn)犁通常在5～18鏵之間,典型的有法國庫恩153系列和德國(LEMKEN)VariTitan型翻轉(zhuǎn)犁;法國和德國的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)耙工作寬度一般為400～600 cm,是我國的2倍,代表產(chǎn)品有法國HR1040R系列、德國奇康Zirkon 10KA動(dòng)力驅(qū)動(dòng)耙;各入土部件如犁鏵,耙片等具有韌性好、重量輕、強(qiáng)度大、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn);聯(lián)合整地裝備已具有快速掛接、快速換刀、過載保護(hù)、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)水平和耕深等功能[4]。我國多為中小型機(jī)械,雖也采用復(fù)式作業(yè)機(jī)械,但主要以單式作業(yè)為主,分段進(jìn)行破茬、碎土、整地等作業(yè)[5];液壓翻轉(zhuǎn)犁基本為3～4鏵,至多為8鏵,整機(jī)較為笨重,效率也較低,相較國外產(chǎn)品存在一定差距,各入土部件的壽命也只有國外進(jìn)口部件的1/3～1/2。

采用黨參直播栽培技術(shù)時(shí),由于黨參根莖較長,一般耕作無法打破土壤30～40 cm的堅(jiān)硬犁底層,甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所科研人員在粉壟技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)了立式深旋耕作技術(shù),并與定西三石農(nóng)業(yè)科技有限公司聯(lián)合研制了立式深旋機(jī)。此機(jī)具不改變土壤垂直層次,耕作深度達(dá)40 cm以上,松耙結(jié)合,不僅可顯著提高土壤孔隙度,打破犁底層,還能兼顧碎土、平整地表。立式深旋耕作技術(shù)能為黨參生長提供較好的土壤環(huán)境,增強(qiáng)土壤蓄水力,促進(jìn)黨參根莖發(fā)育,緩和季節(jié)性的干旱脅迫,還可提高產(chǎn)量,使黨參增收至少50%,商品率提高至少20%[6]。

黨參耐旱喜涼,生長條件與其他作物不同,需因地制宜,優(yōu)化設(shè)計(jì)黨參耕整地機(jī)具的關(guān)鍵部件,使其更適于地形,以提升裝備的可靠性及作業(yè)效果。國內(nèi)外典型的耕整地機(jī)械如圖2、圖3所示。

圖2 國外典型耕整地機(jī)械

圖3 國內(nèi)典型黨參耕整地機(jī)械

2.2 種植機(jī)械

2.2.1 播種機(jī)械

黨參屬于小籽粒作物,國內(nèi)外的黨參直播機(jī)械較少,且大都借鑒蔬菜、玉米、小麥等較為成熟的播種機(jī)型進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。直播機(jī)械的核心部件是排種器,它決定著整體機(jī)具的作業(yè)效果,播種機(jī)械按排種原理可分為:氣力式直播機(jī)、機(jī)械式直播機(jī)和其他形式[7]。

歐美國家對(duì)于播種機(jī)械的研究起步較早,技術(shù)成熟,重點(diǎn)針對(duì)排種器及智能控制進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā),在此方面已具有領(lǐng)先水平。國外多選用氣力式排種器,搭配高速播種裝置,雖對(duì)清種、投種有較高要求,但其可完成12 km/h以上的高速精密播種作業(yè),且單粒率可達(dá)99%以上。美國Great Plains公司開發(fā)的PS1572型牧草播種機(jī)能夠精準(zhǔn)地控制播種量及播深;美國滿勝6行免耕播種機(jī)采用氣吸式排種器,通過調(diào)節(jié)風(fēng)量吸力及刮種器的位置以適應(yīng)不同規(guī)格的種子,且在播種機(jī)上搭配了電子監(jiān)視器,作業(yè)過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)視排種效果[8-9]。

我國針對(duì)小籽粒作物的播種技術(shù)研究起步較晚,現(xiàn)階段應(yīng)用推廣主要以機(jī)械式排種器為主。勃農(nóng)興達(dá)機(jī)械有限公司根據(jù)外槽輪型小麥排種器進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了2BHS-2型黃芪壟上撒播機(jī)[10];田波平等[11]學(xué)者采用正負(fù)壓組合的方式研制了2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī),該機(jī)型采用正負(fù)壓處理進(jìn)行充種、清種,這樣設(shè)計(jì)不僅能降低種子的漏播率和破碎率,而且可顯著改善孔型堵塞,克服了小顆粒種子因質(zhì)量小導(dǎo)致的落種困難問題;黃莉莉等[12]針對(duì)覆膜條件下黨參育苗過程無機(jī)可用的問題,設(shè)計(jì)了一種可更換式取籽,可針對(duì)不同作業(yè)要求轉(zhuǎn)變株距及作業(yè)深度,可一次性精量取籽,完成直插穴播作業(yè)的多功能穴播直插式黨參種子播種機(jī)。

雖然氣力式排種技術(shù)具有可精量播種,能適應(yīng)不規(guī)則形狀的種子,傷種率小等特點(diǎn),但其用于黨參播種的吸嘴生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜,且不太穩(wěn)定,不僅無法保證機(jī)具作業(yè)效果還會(huì)增加成本。故黨參播種多采用機(jī)械式排種器,且通常與中小功率的拖拉機(jī)進(jìn)行配套作業(yè),完成開溝、播種、施肥、覆土鎮(zhèn)壓等農(nóng)藝要求。國內(nèi)外典型小籽粒作物播種機(jī)械如表1所示。

表1 國內(nèi)外典型小籽粒作物播種機(jī)械

2.2.2 移栽機(jī)械

為提高黨參產(chǎn)量及質(zhì)量,方便中耕管理和機(jī)械收獲,黨參栽培時(shí)多采用移栽作業(yè)。黨參移栽有傳統(tǒng)栽培模式、地膜高壟平栽模式、露頭覆膜栽培模式等,其中露頭覆膜栽培模式正在被大面積推廣[13-15]。

表2 典型黨參移栽機(jī)械

黨參生產(chǎn)中的整地、施肥、植保、覆膜等環(huán)節(jié)中藥材機(jī)械大都可以通用,部分進(jìn)行小量改動(dòng)就可應(yīng)用,但移栽環(huán)節(jié)各種中藥材的栽培方式不盡相同,大黃多斜栽,當(dāng)歸多立栽,黨參多露頭覆膜栽,黃芪多平栽,不同栽培方式對(duì)機(jī)具的機(jī)構(gòu)有特殊要求,因此移栽機(jī)械的通用性較低。黨參露頭覆膜栽培技術(shù)的大面積推廣,是黨參生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化的一大標(biāo)志。

2.3 田間管理機(jī)械

黨參田間管理環(huán)節(jié)主要包括除草、間苗、培土、噴灌、追肥、病蟲害處理、莖蔓處理等,主要采用中耕機(jī)、施肥機(jī)、噴桿噴霧機(jī)、植保無人機(jī)、微滴灌設(shè)備等田間管理機(jī)械進(jìn)行作業(yè),可有效提高黨參產(chǎn)量[19]。

黨參每個(gè)生育期需除草3～4次,但只有幼苗期可用中耕機(jī)完成除草、松土、培土作業(yè),到生長中后期黨參莖蔓匍匐,容易損傷莖葉,一般采用人工除草或噴灑化學(xué)試劑。此外,黨參生長過程中還需要及時(shí)進(jìn)行追肥,在春季返青后進(jìn)行首次追肥,施用尿素或糞水,7月后可進(jìn)行葉面追肥,每間隔3周噴施1次,連續(xù)作業(yè)3次即可[20]。水分亦會(huì)對(duì)黨參的生長產(chǎn)生影響,但一般情況下自然降雨即可滿足黨參生長對(duì)于水分的需求,如遇旱季,則要及時(shí)進(jìn)行澆灌,一般采用微灌技術(shù),由低壓管道輸送水至黨參根部附近按需澆灌,通過微噴頭將水與液體肥料噴灑到作物四周的土壤上,以保持土壤濕潤,為幼苗生長提供良好的條件,如遇雨季,則可通過排洪渠及時(shí)排水,避免影響根系生長[21]。

從現(xiàn)有的市場份額和研究來看,黨參大部分都通過化學(xué)試劑來實(shí)現(xiàn)除草和病蟲害防治。黨參栽培的中耕除草機(jī)械、灌溉機(jī)械及植保噴藥機(jī)械大多直接采用經(jīng)濟(jì)作物或糧食作物的作業(yè)裝備,例如通常使用高地隙植保機(jī)械、無人機(jī)或手動(dòng)噴霧器進(jìn)行作業(yè),常用機(jī)具如圖4、圖5所示。

圖4 MENOBLE—1302型中耕機(jī) 圖5 T20無人植保機(jī)

2.4 收獲機(jī)械

黨參多于秋季白露節(jié)氣,地面上的莖蔓開始枯萎后進(jìn)行采收,這個(gè)時(shí)令雨水充沛,土壤含水量高,采收時(shí)的工作阻力也較小,但同時(shí)土壤黏性大,清選分離困難,要求機(jī)具低速作業(yè)[22]。

國外根莖類收獲機(jī)械發(fā)展快速,技術(shù)先進(jìn),但國外幾乎不種植中藥材,針對(duì)中藥材的機(jī)械化研究近乎空白,其根莖類收獲機(jī)與黨參的機(jī)械化收獲匹配度也較低,且國外大都為大型聯(lián)合式收獲機(jī),不適于我國國情。我國學(xué)者在目前使用的馬鈴薯深松、深翻、收獲等農(nóng)機(jī)具基礎(chǔ)上對(duì)深根莖類的藥材收獲機(jī)進(jìn)行研究設(shè)計(jì),裝備最初靠框式、鏵犁式等強(qiáng)制入土機(jī)構(gòu)完成土藥的深層松動(dòng),以便人工撿拾,后結(jié)合振動(dòng)鏟、叉齒等挖掘、抖動(dòng)及傳送機(jī)構(gòu),初步實(shí)現(xiàn)了土藥分離,提高了人工拾取效率,現(xiàn)在正在研制改進(jìn)鏟鏈結(jié)合式中藥材收獲機(jī),其在上述基礎(chǔ)上增置了收集機(jī)構(gòu),可將藥材挖出、分離土壤后集箱收集或集條鋪放,目前一些機(jī)型已投入使用,機(jī)具工作性能與作業(yè)效果也日臻完善[23]。目前國內(nèi)適合深根莖類作物收獲的機(jī)型有:山西省長治市農(nóng)機(jī)試驗(yàn)站研制的4SD-280型振動(dòng)式根莖收獲機(jī)、甘肅省定西希武4WG系列根莖類藥材挖掘機(jī)、甘肅省渭源縣農(nóng)機(jī)推廣站研制的4YW-160型根莖類中藥材挖掘機(jī)、山東臨沂盛洋機(jī)械制造廠設(shè)計(jì)制造的700型減震晃篩型根莖作物收獲機(jī)等[24]。

深根莖類作物收獲存在挖掘阻力大、雜物分離不凈、作業(yè)效率低等問題,國內(nèi)許多科研團(tuán)隊(duì)也在積極解決。郭志軍等[25]應(yīng)用現(xiàn)代仿生學(xué),研究開發(fā)了一種高效節(jié)能的仿生深松部件;佳木斯大學(xué)初旭宏等[26]提出采用自激或強(qiáng)迫振動(dòng)作業(yè)方式可有效降低牽引阻力。目前收獲機(jī)械正在減少中藥材損傷,在確保其完整性的基礎(chǔ)上,向著藥土高質(zhì)量分離的方向發(fā)展。典型深根莖類中藥材收獲機(jī)械如表3所示。

表3 典型深根莖類中藥材收獲機(jī)械

3 問題與建議

3.1 存在的問題

(1)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度低,機(jī)具適應(yīng)性差。受地理位置及生產(chǎn)條件等多種因素影響,全國各地的種植農(nóng)藝產(chǎn)生了較大差異,機(jī)械化發(fā)展大都處于適宜農(nóng)藝狀態(tài)。如黨參移栽環(huán)節(jié)中,種苗的不同移栽技術(shù)對(duì)應(yīng)著不同的作業(yè)機(jī)構(gòu),且黨參需與其他作物倒茬輪作,機(jī)具不通用,加大了農(nóng)戶負(fù)擔(dān)。此外種收環(huán)節(jié)各地農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)不同,導(dǎo)致收獲時(shí)機(jī)械對(duì)行難,且黨參根脆,尤易斷裂,不規(guī)范種植會(huì)加大機(jī)械損傷[27]。

后來有一天，兒子翻開40年前父親的日記，里面寫道：今天兒子三歲了，他指著公園里的烏鴉問我：“這是什么？”我告訴他：“是烏鴉?！彼謫?，我又回答，他問了11次，我答了11次。

(2)黨參裝備關(guān)鍵技術(shù)亟待攻關(guān)。黨參移栽大都采用人工投苗,作業(yè)效率較低,且因輔助投苗手投苗速度不一致,使得出苗不均情況嚴(yán)重。另外隨著綠色農(nóng)業(yè)的推行,化學(xué)試劑除草逐漸淡出農(nóng)業(yè)生產(chǎn),黨參除草機(jī)械已成為其全程機(jī)械化的又一難關(guān)。

(3)黨參生產(chǎn)機(jī)械化程度低,農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)體系不成熟。相比主要農(nóng)作物,其作業(yè)機(jī)械才剛剛起步,收獲裝備推廣約20年,移栽及播種裝備推廣僅5年左右。甘肅省2020年中藥材耕種收綜合機(jī)械化水平僅43%左右,其中收獲環(huán)節(jié)剛越過30%,種植環(huán)節(jié)不及20%。農(nóng)業(yè)機(jī)械綜合保障能力不完善,從業(yè)人員教育水平低,關(guān)于黨參機(jī)械的培訓(xùn)也較少,農(nóng)忙時(shí)節(jié)無法提供有效維修。

3.2 發(fā)展建議

(1)推動(dòng)農(nóng)藝農(nóng)機(jī)農(nóng)田融合發(fā)展,考慮“一機(jī)多用”。優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植體系,使其更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?以更適于機(jī)械化作業(yè)。設(shè)計(jì)研發(fā)一種可通過更換零部件實(shí)現(xiàn)黨參及其他中藥材種植的機(jī)具,減小農(nóng)戶購買農(nóng)機(jī)裝備的壓力。根據(jù)不同地區(qū)地形特點(diǎn)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行宜機(jī)化調(diào)整,提高機(jī)械下地作業(yè)率,如減少田埂、配套機(jī)耕路、平整土地等。

(2)著力突破農(nóng)機(jī)裝備關(guān)鍵核心技術(shù),提高機(jī)械化程度。結(jié)合產(chǎn)學(xué)研推用,加大機(jī)械研發(fā)力度,攻克部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)中無機(jī)可用的難題,完善改進(jìn)槽輪式和鴨嘴式移栽機(jī),推進(jìn)移栽環(huán)節(jié)機(jī)械化進(jìn)程。

(3)強(qiáng)化技術(shù)指導(dǎo)服務(wù)。按照“建立一個(gè)示范點(diǎn),探索一種模式,完善一項(xiàng)技術(shù),形成一個(gè)技術(shù)規(guī)范,培訓(xùn)一批職業(yè)農(nóng)民”的思路逐步推進(jìn),通過不同模式、不同環(huán)節(jié)作業(yè)機(jī)具的選型實(shí)驗(yàn)明確主推機(jī)具,為農(nóng)戶提供更多機(jī)械化種植的優(yōu)質(zhì)服務(wù),進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)械化作業(yè)覆蓋面積,全面提高黨參全程機(jī)械化生產(chǎn)水平。

(4)加快農(nóng)機(jī)智能化升級(jí)。播種環(huán)節(jié)配置智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理重播、漏播現(xiàn)象;移栽環(huán)節(jié)設(shè)置智能識(shí)別裝置,識(shí)別過大、過小、產(chǎn)生污損的種苗,以提高種苗出土率及黨參產(chǎn)量;田間管理環(huán)節(jié)配置傳感器,對(duì)土壤含水率、有機(jī)質(zhì)含量、作物長勢(shì)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)按需噴灌、精量施肥;收獲環(huán)節(jié)設(shè)置基于機(jī)器視覺的黨參破損目標(biāo)檢測(cè),以提高收獲質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文梳理了黨參耕、種、管、收等環(huán)節(jié)的機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀,列舉了各環(huán)節(jié)的典型機(jī)械并總結(jié)了其技術(shù)特點(diǎn),針對(duì)黨參全程機(jī)械化及裝備發(fā)展中存在的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度低、機(jī)具適應(yīng)性差、關(guān)鍵技術(shù)亟待攻關(guān)、機(jī)械化程度低、農(nóng)機(jī)作業(yè)服務(wù)體系不成熟等問題,提出下一步發(fā)展思路和對(duì)策建議。