關(guān)鍵詞：山藥；特性；淺生種植；套管種植；機(jī)械化收獲

0引言

山藥屬于薯蕷科薯蕷屬植物，山藥塊莖肥厚多汁，含有多種有益物質(zhì)，有利于脾胃的消化吸收，增強(qiáng)免疫力[1]。我國山藥種植主要分布于華北、華中、華南、東北和西北5個(gè)產(chǎn)區(qū)，占70%以上，其中華北地區(qū)的山藥栽培面積最大，起步最早。山東省、河北省和河南省3省種植面積均已超過1萬hm2。懷山藥和鎮(zhèn)平山藥主要產(chǎn)自河南省焦作市、南陽市和商丘市等地，其中懷山藥產(chǎn)量最高。山藥主要作為藥用和食用，產(chǎn)品銷往全國各地，并出口日本、韓國，以及歐美等國家和地區(qū)。山藥種植主要是采用傳統(tǒng)的挖溝起壟栽培方式，多為人工種植，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，種植技術(shù)較單一，缺乏創(chuàng)新思維。山藥種植和收獲的機(jī)械化程度低，農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)結(jié)合較差，專門針對山藥種植和收獲的機(jī)械設(shè)備研究較少，生產(chǎn)效率低，山藥育種、栽培和收獲等新技術(shù)利用率明顯偏低甚至嚴(yán)重滯后[2]。

1山藥生物學(xué)特性

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化播種與收獲，減少收獲過程中的損傷，對山藥根莖特征的研究必不可少，研究其自身抗彎性、抗壓性和抗剪等力學(xué)特征對機(jī)械挖掘收獲過程起到關(guān)鍵作用。曹少波等[3]對新鮮麻山藥的根莖進(jìn)行抗拉伸、抗壓縮和抗彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明，麻山藥根莖抗拉和抗壓性較差，最易受到壓縮破碎，而抗彎強(qiáng)度變形能力較強(qiáng)，但該試驗(yàn)沒有考慮到山藥含水率、直徑大小等因素的影響。劉國華[4]用單因素試驗(yàn)方法和正交試驗(yàn)方法分別研究了山藥直徑大小、含水率和加載速度3個(gè)因素對其承受的拉斷力、壓斷力和折斷力的影響，結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)山藥收獲機(jī)時(shí)應(yīng)盡量減少拉扯和擠壓以減少山藥出現(xiàn)斷裂的可能。

山藥塊莖深埋于土壤中，根系廣泛分布在塊莖周圍，導(dǎo)致塊莖與土壤之間存在復(fù)雜的黏結(jié)關(guān)系。要解決山藥采收過程中塊莖與土壤分離的問題，必須了解山藥塊莖的物理特性、土壤屬性，以及山藥收獲時(shí)在土壤中的塊莖與土壤的結(jié)合方式與關(guān)系，然后通過合理的土一根分離方法采收山藥塊莖。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高及數(shù)值模擬理論和軟件的發(fā)展，越來越多的研究利用數(shù)值模擬軟件對土一根莖相互作用機(jī)理進(jìn)行分析。

劉月廣等[5]對麻山藥種植區(qū)黏質(zhì)土壤進(jìn)行離散元參數(shù)標(biāo)定與試驗(yàn)，運(yùn)用EDEM中的Hertz-Mindlin withJKR模型建立土壤顆粒模型，通過仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)得到麻山藥種植區(qū)土壤間最優(yōu)參數(shù)。郝建軍等[6]通過軸向壓縮、剪切對麻山藥進(jìn)行力學(xué)特性研究，結(jié)合EDEM中的Hertz-Mindlin with bonding模型建立麻山藥模型，通過仿真試驗(yàn)和HY-0580微型電子拉力機(jī)試驗(yàn)得到山藥間的接觸參數(shù)。LIU Yueguang等[7]建立了山藥根莖和土壤的離散元模型并進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定，通過剪切、壓縮和彎曲試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。龍思放[8]測定了白嘴麻山藥的生物特性參數(shù)，建立了山藥一沙壤土離散元仿真模型，對仿真參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，對山藥收獲過程進(jìn)行了仿真試驗(yàn)分析，得出了山藥破損率最小、沙壤土破碎率最大的振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度。

以上研究為山藥根莖和土壤分離打下了理論基礎(chǔ)，為后續(xù)的山藥收獲機(jī)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2山藥開溝種植與收獲技術(shù)現(xiàn)狀

2.1螺旋式開溝種植與收獲技術(shù)

山藥開溝種植方式俗稱為開溝，實(shí)為松土，沿山藥生長方向?qū)⑼寥佬煞N植，有利于山藥向下生長[9]。這種開溝起壟的栽培模式可以使山藥在生長時(shí)有良好的通風(fēng)保墑效果，提高山藥產(chǎn)量。山藥機(jī)械化種植有機(jī)械開溝、挖掘刃挖掘和機(jī)械打洞等模式。機(jī)械開溝方式有螺旋式、鏈?zhǔn)?。螺旋式鉆頭開溝機(jī)的工作原理是螺旋松土桿深入土壤將深層土壤松動(dòng)，旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)不會改變原先的土層，并向上輸送一部分土壤用于培壟播種，如圖1所示。山藥一般采用開溝種植及高壟栽培技術(shù)，可采用單壟單行或單壟雙行栽培[10]。勃農(nóng)興達(dá)機(jī)械有限公司在原有精密播種機(jī)的基礎(chǔ)上單獨(dú)設(shè)計(jì)了適用于黃芪、山藥等中草藥的專用排種器和播種開溝及覆土部件，成功研制出了2BHS-2型黃芪壟上撒播機(jī)，也適用于山藥播種。該機(jī)械主要由排種器、撒種器、施肥開溝器、播種開溝器和覆土器組成。工作時(shí)播種開溝器在開溝的同時(shí)將化肥覆土，撒種器組合后面的拉板型覆土器給種子覆土，然后鎮(zhèn)壓器對種子進(jìn)行鎮(zhèn)壓作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)黃芪、山藥等中草藥的壟上撒播作業(yè)[11]。賴慶輝等[12]研制了一種開溝一排種單體式人參精密播種機(jī)，主要結(jié)構(gòu)有雙圓盤開溝器、鏈勺式精密排種器，整機(jī)可一次性完成開槽溝、人參播種、土地鎮(zhèn)壓等作業(yè)。東方紅LX2204型拖拉機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛進(jìn)行山藥種植前的開溝、起壟作業(yè)，作業(yè)時(shí)只要預(yù)先設(shè)定好路線，即可自動(dòng)完成開溝作業(yè)，既省心又省力[13]?？娒鱗14]研制出了錦華牌2C-2型山藥種植機(jī)，該種植機(jī)在平整過的田里用鉆頭機(jī)械打洞，洞可以連續(xù)使用3～4年，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。但是這種打洞模式不適宜在沙丘地進(jìn)行，因?yàn)榇蚨春笕菀滋膊贿m宜在過于堅(jiān)硬的土壤或過濕的排水不良的田間進(jìn)行，不利于山藥生長[15]。

立式螺旋開溝機(jī)可以使開溝過程中的切削、提升、拋撒一次完成，其開溝深度也能滿足山藥收獲的深度。同時(shí)大功率拖拉機(jī)的發(fā)展也逐漸提升，能夠與開溝機(jī)相匹配，山藥的機(jī)械化種植與收獲也大幅發(fā)展[16-17]。有研究者設(shè)計(jì)了1KL-100型立式螺旋開溝機(jī)，通過在旱田和水田中進(jìn)行挖溝試驗(yàn)，其性能指標(biāo)滿足開溝技術(shù)要求[18]。孫繼東[19]設(shè)計(jì)了一種可連續(xù)挖掘的懸掛式旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)型小、作業(yè)阻力小，提高了開溝質(zhì)量和效率，但開溝深度不足以滿足山藥根莖長度。王茂成[20]設(shè)計(jì)的螺旋式山藥收獲種植兩用機(jī)，收獲山藥時(shí)，開溝裝置先挖松山藥行兩側(cè)土壤，再用振動(dòng)裝置將山藥下方及周圍土壤振松，并將山藥頂出，確保山藥在挖掘過程中完好，提高了工作效率；該機(jī)構(gòu)與開溝機(jī)相比增加了振動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)山藥與土壤的輕微分離，但土壤阻力較大，入土困難。

2.2鏈?zhǔn)介_溝種植與收獲技術(shù)

鏈?zhǔn)介_溝機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高，所以就目前應(yīng)用數(shù)量而言，使用最多的是鏈?zhǔn)介_溝機(jī)。鏈?zhǔn)诫p溝開溝機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械挖溝種植，主要由主支架、傳動(dòng)鏈條、主鏈輪和轉(zhuǎn)向器等組成，以農(nóng)用拖拉機(jī)為動(dòng)力源，一次作業(yè)可開雙溝，溝深可達(dá)到85～120cm，土地深翻后，形成栽培溝[21]。

順義縣農(nóng)機(jī)具研究所[22]設(shè)計(jì)了雙排鏈?zhǔn)缴剿幏N植收獲一體機(jī)，主要由機(jī)架、挖掘裝置和傳動(dòng)裝置等組成，挖掘裝置為雙排鏈傳動(dòng)裝置，兩鏈輪軸上分別設(shè)有主、從動(dòng)鏈輪。在山藥種植時(shí)，可使用該裝置將土壤按要求的深度挖掘翻松；在山藥收獲時(shí)，使用該裝置將山藥行側(cè)面的土壤刨開，再由人工挖掘撿拾山藥，很大程度上減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。但是山藥根部的土壤依然較硬，收獲時(shí)易挖斷。梁學(xué)強(qiáng)等[23]研究了1K-17型鏈?zhǔn)缴剿庨_溝收獲機(jī)，該機(jī)有獨(dú)立的液壓懸掛系統(tǒng)，通過改變傳動(dòng)比來滿足作業(yè)與行走對不同速度的需求，開溝寬度可達(dá)到12～35cm，開溝深度可達(dá)到40～120cm，如圖2所示。劉國華等[24]對山藥收獲機(jī)的鏈?zhǔn)介_溝機(jī)構(gòu)的支撐架進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析，不僅實(shí)現(xiàn)了開溝機(jī)構(gòu)與地面之間角度可調(diào)，而且主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和支撐架轉(zhuǎn)動(dòng)互不干涉。刁懷慶[25]對4USY-1型山藥收獲機(jī)進(jìn)行的田間試驗(yàn)表明，機(jī)械挖掘深度到位，作業(yè)效率高，山藥破損率低，效果好；該機(jī)為單行作業(yè)，可一次性完成開溝、掘進(jìn)、舉升和起土等作業(yè)，但該機(jī)具對標(biāo)準(zhǔn)化種植要求較高，不適合寬窄行種植模式的收獲，操作不便。于萬勝[26]設(shè)計(jì)了一種能實(shí)現(xiàn)山藥自動(dòng)出土，并能與土壤分離的山藥收獲機(jī)，使用去除山藥塊莖兩邊的土壤取其中間的方法，其中動(dòng)力機(jī)構(gòu)通過提升油缸調(diào)整挖深掘進(jìn)機(jī)構(gòu)與地面的夾角，從而改變挖掘深度；通過輸送油缸調(diào)整輸送機(jī)構(gòu)與地面的夾角，這兩部分的改良對不同深度的山藥收獲有顯著效果，提升了該機(jī)的適用性。自走式麻山藥收獲機(jī)集推土機(jī)構(gòu)、開溝裝置、土壤翻振和回填機(jī)構(gòu)于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性好；田間試驗(yàn)表明，山藥破損率在5%以下，符合農(nóng)藝要求[27]。楊發(fā)展等[28]基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了全液壓懸掛式單行山藥收獲機(jī)，采用左右兩側(cè)鏈?zhǔn)介_溝的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開溝效率高，并且振動(dòng)裝置的整體碎土效果較好，可以使包裹山藥的土體高效分離，機(jī)械收獲完好率高，基本滿足農(nóng)戶的高收獲率和低損失率要求。

3山藥淺生種植與收獲技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)山藥種植技術(shù)需要深溝種植和深挖收獲，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，并且山藥塊莖極易發(fā)生斷裂，造成經(jīng)濟(jì)損失。定向槽淺生種植技術(shù)是一種適合在各種土壤中種植的山藥栽培方法，也適用于各種薯蕷科山藥栽培種植[29]。通過人為改變山藥根莖垂直向下生長，利用定向槽引導(dǎo)山藥塊莖在淺土層生長，解決收獲不便、收獲時(shí)山藥塊莖易發(fā)生損壞的問題。對于定向槽淺生種植技術(shù)，楊建楚[30]發(fā)明了一種淮山淺生槽開槽機(jī)，該機(jī)構(gòu)在支架一端設(shè)置電機(jī)、減速機(jī)，旋耕螺桿通過軸承固定在支架上。此開槽機(jī)功率大、效率高，省時(shí)省力。

定向槽的種類多種多樣，廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所[31]公開了一種淮山藥定向結(jié)薯栽培的方法，在種植時(shí)起壟，然后在壟斜面用塑料薄膜墊底鋪設(shè)，讓淮山藥結(jié)薯時(shí)塊莖可以沿著材料定向生長。林桂發(fā)[32]公開了一種用于山藥定向淺生栽培的定向槽，定向槽的槽壁有橫向加強(qiáng)筋與縱向加強(qiáng)筋交替分布，增強(qiáng)槽壁強(qiáng)度；槽壁是有彈性的，會隨著山藥塊莖的增大而增大，如圖3所示，適用于各種山藥作為淺生栽培的定向槽。鄒建運(yùn)等[33]根據(jù)淮山藥生物學(xué)特性，利用淺土層的優(yōu)勢，用PVC板設(shè)計(jì)適合淮山藥栽培的U型塑料槽，其特點(diǎn)是適宜種區(qū)范圍廣、產(chǎn)薯快、易采收。江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所[34]發(fā)明了山藥淺生帶定向結(jié)薯栽培技術(shù)，把使用過的編織袋剪為淺生帶，用淺生帶來代替淺生槽。山藥淺生槽種植技術(shù)在丘陵坡地容易實(shí)現(xiàn)，但在平原地區(qū)需要人工造斜坡開溝，發(fā)明了一種淺生槽栽培定向器，收獲時(shí)只需淺挖露出山藥嘴子，輕拉淺生帶，就可整條取出山藥[35-36]。

淺生槽定向栽培技術(shù)改變了山藥塊莖的垂直生長方式，降低了山藥在土壤中的生長阻力，產(chǎn)出的山藥外表皮比傳統(tǒng)的更光滑，并顯著提高了產(chǎn)量和外觀質(zhì)量[37]。淺生槽定向栽培克服了傳統(tǒng)種植和收獲山藥需要深溝的缺點(diǎn)，收獲方便，機(jī)械損傷小，不僅可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，還大幅提高山藥塊莖的商業(yè)化水平，對山藥種植的規(guī)?；l(fā)展和推進(jìn)鄉(xiāng)村振興具有重要意義[38]。

4山藥套管種植與收獲技術(shù)現(xiàn)狀

山藥播種和收獲相對于短根莖類作物，其種植模式多樣和播種工藝復(fù)雜，山藥根莖長而脆，收獲時(shí)易傷易斷，這些因素決定了山藥機(jī)械化播種和收獲的難度，因此要從農(nóng)藝上開始為機(jī)械化收獲鋪墊。

用套管技術(shù)進(jìn)行種植已有較多研究，套管種植可以讓山藥塊莖按照套管的方向進(jìn)行生長，收獲方便且商品性好[39-43]。王耀琴等[44]公開了一種農(nóng)藝農(nóng)機(jī)相結(jié)合的簡約化栽培方法，通過機(jī)械打孔的方法，在孔內(nèi)添加稻殼、粉粹麥秸、木屑等填充物，防止土壤坍塌，拓展了山藥塊莖的膨大空間，減少了塊莖和土壤的接觸面積，以便機(jī)械收獲時(shí)塊莖與土壤快速分離不致斷裂。但該栽培方法仍未實(shí)現(xiàn)完全機(jī)械化，其機(jī)械化種植和收獲技術(shù)方面，仍需要進(jìn)一步研究[45]。

5山藥機(jī)械化種植與收獲研究對策

（1）創(chuàng)新型山藥種植模式。研究適合山藥生長特點(diǎn)，開發(fā)淺生、套管及其他種植方式，提高山藥品質(zhì)，降低山藥機(jī)械化種植和收獲的難度，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化規(guī)?；N植和收獲創(chuàng)造有利條件。

（2）種植農(nóng)藝與收獲相融合。將農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝有機(jī)融合，開發(fā)有利于山藥機(jī)械化播種和收獲的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；N植，積極推進(jìn)農(nóng)田改造，建立與高標(biāo)準(zhǔn)相配套的設(shè)施，為機(jī)械化高效收獲創(chuàng)造條件，更好地推動(dòng)山藥種收機(jī)械一體化技術(shù)的發(fā)展。

（3）提高山藥收獲機(jī)械適用性。對不同品種的山藥進(jìn)行力學(xué)特性研究，開發(fā)一種適合不同品種山藥收獲的機(jī)械，從而降低收獲成本，提高采摘效率，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，促進(jìn)山藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（4）智能化收獲系統(tǒng)。隨著智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，針對山藥收獲機(jī)可以增加導(dǎo)航定位技術(shù)和山藥識別裝置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)收獲，減小收獲動(dòng)能消耗。

（5）加大扶持力度，推進(jìn)山藥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略。通過落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，出臺各種扶持政策，構(gòu)建統(tǒng)一高效的科技協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，積極推動(dòng)山藥栽培、管理、收獲創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化創(chuàng)新，加快轉(zhuǎn)變山藥種植、管理、收獲和加工全程機(jī)械一體化模式。

6結(jié)束語

山藥根莖的力學(xué)特征對機(jī)械化收獲起關(guān)鍵作用，了解山藥根莖的物理特性、土壤屬性及采收時(shí)的結(jié)合方式與關(guān)系是解決分離問題的關(guān)鍵，數(shù)值模擬軟件可用于分析土一根莖相互作用機(jī)理并提供設(shè)計(jì)依據(jù)。對山藥種植與收獲技術(shù)進(jìn)行研究，有開溝、挖掘刃挖掘、機(jī)械打洞、淺生種植和套管種植等模式，研究了不同種植與收獲模式的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)針對上述問題進(jìn)行改進(jìn)完善，探索山藥收獲機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)，加大研發(fā)力度從而更好地促進(jìn)山藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展戰(zhàn)略．打造“全鏈條、高質(zhì)量、高效益”的山藥全產(chǎn)業(yè)鏈。