基于可持續(xù)發(fā)展的三七產業(yè)農機農藝融合工程技術體系研究

楊文彩+朱有勇+張汝坤+寧旺云

摘要： 三七（Panax notoginseng）作為云南省高原特色經濟作物，開發(fā)潛力巨大。在闡述三七生長特性及云南省三七產業(yè)發(fā)展歷史的基礎上，首先分析了云南三七產業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的問題，然后結合三七栽培規(guī)范，從系統(tǒng)工程視角，利用三七育苗工程技術和三七大田栽培工程技術構建起農機、農藝融合的三七栽培工程技術體系，為云南省三七產業(yè)向工程化、規(guī)?；?、標準化方向發(fā)展提供理論支持。

關鍵詞：三七（Panax notoginseng）產業(yè)；農機農藝融合；工程技術體系

中圖分類號：S567.23+6；S23 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）01-0122-04

Studies on the Engineering and Technical System of Integrating Agricultural Machinery and Agronomic Based on Sustainable Development of Panax notoginseng Industry

YANG Wen-caia，ZHU You-yongb，ZHANG Ru-kuna，NING Wang-yuna

（a. College of Engineering Technology；b. Applied Technology National Engineering Research Center on Agricultural Biodiversity， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201，China）

Abstract： Panax notoginseng， one kind of economic crops with plateau characteristics in Yunnan province， is tremendously potential for development. The growth characteristics and the development history of Panax notoginseng in Yunnan is analyzed；From the perspective of systems engineering，the engineering and technical system including nursery engineering technology and field cultivation engineering technology of Panax notoginseng are establishod according to Panax notoginseng cultivation norms. The engineering and technical system would help develop Panax notoginseng industry in Yunnan province in the direction of engineering， large-scale， standardization.

Key words： Panax notoginseng industry；integration of agricultural machinery and agronomic；engineering and technical system

收稿日期：2013-03-29

基金項目：文山三七現(xiàn)代農業(yè)工程技術產業(yè)化示范項目[云發(fā)改農經（2011）2513]

作者簡介：楊文彩（1973-），女，云南昆明人，副教授，博士，主要從事農業(yè)系統(tǒng)工程、運籌與優(yōu)化及人因與新效率工程方面的研究，（電話）

15887294829（電子信箱）yangwencai2005@126.com。

三七（Panax notoginseng）系五加科（Aralialeae）人參屬（Panax）植物，是馳名中外的名貴中藥材，是400多種藥品的主要成分[1]。三七的生長對環(huán)境要求比較苛刻，喜冬暖夏涼，畏嚴寒酷熱；喜潮濕但怕積水，土壤含水量以25%～40%為宜；夏季氣溫不超過35 ℃，冬季氣溫不低于零下5 ℃；生長適宜溫度為20～25 ℃。土壤以疏松、排水良好的沙壤土為宜，凡過黏、過沙及低洼易積水的地段不宜種植；忌連作，土壤pH在4.5～8.0之間。三七對光敏感，喜斜射、散射、漫射光照，忌強光，一年生、二年生、三年生的三七透光率要求依次為8%～12%、12%～15%、15%～20%[2，3]。云南省文山州因特殊的氣候條件成為三七的主產地，目前，三七在文山的種植面積和產量均占全國的98%，由于三七是藥食兩用植物，市場需求量大，加上國際上對三七原料的需求以每年20%的速度快速增長，三七原料總體供應不足[4]。因而，近年來云南省三七種植面積及產量逐年遞增。但其種植模式還是以傳統(tǒng)的手工模式為主，種植效率低。三七的生長因子以憑經驗控制為主，配套工程技術體系不健全，產量不穩(wěn)定，加之流通業(yè)、加工業(yè)不夠發(fā)達，制約著云南省高原特色生物資源的深度開發(fā)。從產業(yè)鏈的視角來看，探索農機、農藝融合的高效優(yōu)質三七栽培工程技術體系，對三七產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 云南省三七產業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的問題

云南省三七的栽培歷史可以追溯到上世紀60年代，目前已發(fā)展到紅河、玉溪、普洱等地。2012年三七產量呈現(xiàn)歷史新高，但以三七為原料的新產品研發(fā)速度與三七原料供給速度不匹配，導致價格出現(xiàn)下滑，不過三七的藥用和食用價值在國內外的認可度逐年提高，因而這只是短暫的調整。“十一五”初期，云南省政府就三七產業(yè)發(fā)展進程中出現(xiàn)的諸如三七產業(yè)鏈不緊密、核心競爭力不強、企業(yè)規(guī)模不大和產業(yè)投入不足等問題，從產業(yè)規(guī)劃、種植基地建設、加工和流通等方面制定了相應政策，并進行了總體規(guī)劃部署。

從產業(yè)鏈的視角來看，只有種植業(yè)、加工業(yè)、流通業(yè)、服務業(yè)等全方位良性發(fā)展，三七產業(yè)才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。三七栽培處于產業(yè)鏈的前端，栽培技術的好壞勢必影響產業(yè)的后續(xù)發(fā)展。云南農業(yè)大學與文山苗鄉(xiāng)三七科技有限公司正在聯(lián)合攻關三七種植資源選育、育苗連作障礙及病蟲害控制等技術問題，目前已取得了初步成效，但從工程視角來看，三七種植業(yè)還面臨以下問題：第一，育苗階段，廣泛采用傳統(tǒng)的人工播種方式，播種效率低下，基質壓實程度、播種深度不均勻，出苗率及種苗質量不均勻；第二，大田移栽及三七采挖手段落后，還沒有實現(xiàn)機械化作業(yè)，勞動強度大、用工成本高、工作效率低，不符合高效現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展要求；第三，苗期及大田管理階段對三七生長所需溫、光、水、氣、肥等的管理普遍憑經驗確定，實時監(jiān)測手段落后，相配套的設施、設備體系尚未形成等。

根據(jù)三七栽培SOP規(guī)范，三七的栽培工藝流程已形成，如圖1所示。但如何提升栽培質量及栽培效率的相關工程技術體系尚未形成。

筆者認為，該體系的建立應從農機、農藝融合的視角系統(tǒng)考慮，即農藝的設計、規(guī)劃要考慮機械化配套設施設備的操作及實現(xiàn)的可能性，同時機械化配套設施設備應考慮農藝的需求，強調相互適應。因此，從系統(tǒng)工程視角構建農機、農藝融合的三七栽培工程技術體系，采用先進的技術手段和配套的設施設備提高三七的栽培效率和質量，對促進云南省三七產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 三七栽培工程技術體系

從工程視角來看，以先進的育苗設施和設備裝備種苗生產車間，采用工廠化育苗代替?zhèn)鹘y(tǒng)育苗，機械化精密播種代替人工播種，將現(xiàn)代施肥灌溉技術與設備、現(xiàn)代環(huán)境調控技術與設備、先進移栽、修剪技術及配套設備等貫穿于三七的栽培過程，以現(xiàn)代化、企業(yè)化的模式組織生產，成為現(xiàn)代化三七栽培的發(fā)展趨勢。下面根據(jù)三七栽培的工藝流程，將三七栽培工程技術體系劃分為三七育苗工程技術體系和三七大田栽培工程技術體系兩大部分，分別討論農機、農藝融合的工程技術體系架構。

2.1 三七育苗工程技術體系

2.1.1 三七大棚搭建及遮陽網選型 三七從播種到移栽需要一年時間，一年中不同生長期對光照量和光照強度要求不同。因此，需要搭建陰棚調節(jié)透光率[3]。傳統(tǒng)陰棚的建棚材料多為杉樹葉。在文山馬關地區(qū)，1 hm2三七陰棚的材料及建棚工時費約3萬元，耕地整地作業(yè)費約2.4萬元，被大多數(shù)農戶所接受[5]。但是隨著三七種植面積的不斷增加，本地的林業(yè)資源已滿足不了傳統(tǒng)三七建棚的需要。據(jù)有關報道，構建1 hm2的三七陰棚需要竹竿5.25萬～6.15萬根，木杈3 000～4 500根，還需要大量的山草或杉樹葉遮陰，相當于3.5 hm2森林3～5年的生長量[6]。長此下去，建棚木材將會供不應求，還會嚴重破壞云南的森林資源。因此，如何科學地利用現(xiàn)代化材料來建造陰棚，對發(fā)展三七產業(yè)和緩解云南森林資源有著重要意義。

從工程視角來看，選用不同材料的棚架材料搭建大棚，再搭配不同厚度的塑料薄膜及不同透光率的塑料遮陽網，是三七工廠化育苗大棚建造的一種發(fā)展趨勢。但是，市面上針對工廠化育苗所需的塑料薄膜及遮陽網的規(guī)格很多，在大棚建造時，應選擇哪一種規(guī)格的塑料薄膜，以及選用哪幾種透光率的遮陽網，按照何種方式布局于大棚頂部，按何種調節(jié)方式對透光率進行調節(jié)，需要經過反復的科學試驗，才能滿足三七育苗期的最佳光照要求。

2.1.2 三七育苗苗床的選擇與設計 傳統(tǒng)三七育苗直接在土壤里進行，土壤就是苗床，但連作障礙使三七育苗對土地的無限需求與土地的有限供給矛盾日益凸顯，在連作障礙沒有得到完全解決前，傳統(tǒng)的育苗方式已不能適應三七產業(yè)化的發(fā)展模式，因此，采用穴盤和育苗槽作為三七的苗床進行育苗成為必然。

1）三七育苗的穴盤選型及設計。穴盤育苗是以少量土壤、草炭、蛭石、作物秸稈等輕質材料為育苗基質（不同作物的基質配方不同），采用機械化精量播種、一次成苗的現(xiàn)代化育苗方法。穴盤育苗具有省工、省力、節(jié)約能源、便于規(guī)?；芾淼葍?yōu)點[7]。

按材質不同，目前主要有泡沫和塑料2種穴盤。泡沫穴盤適合蔬菜、烤煙等育苗期較短的作物，三七的育苗期為一年，時間較長，并且基質也相對較重，因此，塑料穴盤比較合適。但穴盤的規(guī)格有32、50、72、128、200、288孔等多種型號，由于穴盤的外形尺寸為標準件，孔越多，穴孔的體積越小，因此，育苗時，穴盤規(guī)格的選擇應從穴孔能否供給作物足夠營養(yǎng)，施肥、澆水是否能均勻滲透以及三七苗的株距等方面來綜合考慮。經云南農業(yè)大學三七課題組研究，規(guī)格為28 cm×54 cm的50孔穴盤比較適合三七育苗。但試驗發(fā)現(xiàn)，塑料穴盤在育苗期對水分的吸收不均勻，導致三七種苗質量不均勻。因此，若要采用穴盤進行三七育苗，需要按照三七育苗所需的基質重量重新設計新型的帶小孔穴盤，使育苗設施與三七育苗的農藝性狀相適應。

2）三七育苗槽的優(yōu)化設計。與穴盤育苗不同，育苗槽育苗是先將基質鋪在槽里，然后在基質里點播三七種子。按照三七栽培的傳統(tǒng)規(guī)范，播種前需先作畦，寬1.2～1.5 m，高30～40 cm，畦間約50 cm，畦面呈瓦背形，便于排水。從產業(yè)化的發(fā)展角度來看，應考慮引進高效率作業(yè)的設施設備來提高育苗效率及質量，以便實現(xiàn)規(guī)?；?。因此，育苗槽的設計既要符合三七種植規(guī)范，又要考慮設施設備作業(yè)的可能性。從形式上看，育苗槽可以設計成低于地表的形式（即槽式），也可以設計成高于地表的形式（即臺式）；2種形式的土地利用率不同，機械化播種的便捷性也不一樣；從槽寬來看，較窄的槽寬便于手推式的小型播種機通過，方便人工除草、施肥等，但土地利用率低；若寬度增加，表面上看可以增加土地利用率，但由于不便于手推式小型播種機械通過，若要實現(xiàn)機械化播種，必須要設計成有動力帶動的播種機，而這種形式的播種機要求在槽的端頭預留出2.0～2.5 m的距離供拖拉機轉彎使用，土地利用率也不一定高，而且人工除草、施肥時容易疲勞。因此，提出育苗槽的設計應引入系統(tǒng)的思想進行優(yōu)化，即設計時需統(tǒng)籌考慮：①槽的尺寸及形式要與播種機的作業(yè)可行性相匹配，便于機械化播種；②槽的尺寸設計應符合人機工程學原理，便于苗期人工管理；③槽的設計應能充分提高土地利用率，增加種苗產出率。本課題組初步提出2種方案：臺式育苗槽和槽式育苗槽，其主視圖如圖2所示。

無論是臺式育苗還是槽式育苗，都需要在每條槽的兩旁留出人行通道，便于機械化作業(yè)和人工管理。這2種育苗槽究竟哪一種設計形式更好，需要結合人機工程學原理，引入系統(tǒng)思想進行優(yōu)化計算和對比試驗，這項工作正在進行中。

2.1.3 三七播種機的選型與設計 目前，三七播種普遍采用傳統(tǒng)的手工模式，播種深度不均勻，播種效率低，不利于優(yōu)質三七種苗的生產，不能滿足大規(guī)模產業(yè)化發(fā)展的生產要求。無論是采用穴盤育苗還是育苗槽育苗，機械化播種代替人工點播無疑是提供優(yōu)質三七種苗的必然途徑。采用精密播種機具有節(jié)約良種、土地利用率高、省工省時、經濟性好等優(yōu)點，從農機、農藝融合的角度出發(fā)，針對三七種子的物理機械特性，對三七播種機進行選型與設計顯得尤為重要。

1）穴盤播種機的選型與設計。穴盤播種機是針對穴盤育苗進行流水線播種的精密播種機械，其功能包括穴盤輸送、基質填充、壓穴、精密播種、覆土和灑水等。其中，精密播種是關鍵環(huán)節(jié)，目前廣泛應用于溫室的主要是氣吸式穴盤精密播種機，包括氣吸針式、氣吸盤式及氣吸滾筒式播種機。氣吸針式播種機針式吸嘴的最大規(guī)格為0.5 mm，吸嘴適合播種100～500粒/g的小粒種子；自清洗式吸嘴規(guī)格有0.30、0.60、1.15 mm 3種[8]。氣吸針式播種機真空度容易控制，單粒度很高，但其吸嘴容易堵塞，播種效率一般在250盤/h左右。氣吸盤式播種機播種方式為間歇步進式整盤播種，播種速度快，但對種子規(guī)格要求嚴格、空穴率相對高、播種部件易磨損。氣吸滾筒式播種機廣泛應用于蔬菜、花卉、煙草等植物工廠，播種精度可達99%，播種速度高達800～1 200 盤/h[9]，但其結構復雜，針對不同類型的種子其負壓腔的真空度要求不同，且氣流場不易控制，對種子的外形、質量要求嚴格，價格較高。目前市場上還沒有能完全滿足三七播種要求的穴盤播種機，可以考慮在現(xiàn)有穴盤播種機的基礎上進行改進，改進設計包括兩方面的工作。第一，分析現(xiàn)有穴盤播種機對三七種子的適應性，確定排種器的結構形式；第二，對三七的播種參數(shù)（如針對滾筒式排種器的吸孔形式、氣壓、播種速度等）進行試驗。

2）育苗槽播種機的選型及設計。育苗槽播種機不同于穴盤播種機，按照播種的農藝要求，播種機需要在槽的兩側邊行走邊播種，而且要能夠在槽的端頭轉向。目前，此類播種機主要有人力驅動的手推式和有動力裝置驅動的自走式，手推式播種機結構簡單、價格低廉，但是工作效率低、勞動強度大[10]，而且設計時體積應以小巧為主，否則自重加大，不利于人力驅動。自走式播種機因為有動力裝置，結構相對復雜，體積龐大而且笨重。當前市面上已有的2種形式播種機的結構尺寸及播種精度都不能滿足三七的播種要求，因此需要進行重新設計，設計時應充分考慮育苗槽的形式、尺寸與三七槽播種機結構形式的匹配性，做到農機、農藝的最佳匹配。

2.1.4 苗期管理工程技術體系 三七在不同生長時期對環(huán)境變量的要求不同，當前育苗過程中環(huán)境變量的控制主要憑種植者的經驗，可操作性不強，不符合工程化、標準化、產業(yè)化的發(fā)展要求。引進現(xiàn)代化的溫室控制系統(tǒng)，按照三七育苗過程中的規(guī)范，對三七不同生長時期的溫、光、水、氣、肥等進行實時控制，為大規(guī)模優(yōu)質種苗的生產提供可能?，F(xiàn)代化溫室環(huán)境的控制系統(tǒng)一般采用智能溫室控制系統(tǒng)，主要由主控PC機、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行設備等組成[11]。但就三七育苗而言，盡管SOP規(guī)范明確規(guī)定了三七苗在不同生長時期的環(huán)境因子參數(shù)范圍，但如何選配與三七育苗農藝性狀相匹配的實時數(shù)據(jù)采集與控制設施設備尚需進行大量的科學試驗，包括如何對溫室自動噴灌系統(tǒng)中噴頭數(shù)量、噴頭形式與規(guī)格、噴頭懸掛高度等進行科學選擇與合理布局；種類與型號繁多的溫濕度、光敏傳感器如何選型、如何布點等[12]。

2.2 三七大田栽培工程技術體系

2.2.1 大田耕整地作業(yè)工程技術 根據(jù)三七的種植標準，為了生產優(yōu)質三七，移栽前需要對大田進行三犁三耙，徹底清除雜草、樹根、石塊，保證土壤松碎、地面平整，并經陽光曝曬對土壤進行充分消毒。由于耕靶作業(yè)通常在移栽前2～3個月就開始，因此，目前耕整地作業(yè)基本都能采用耕整地作業(yè)機械來完成。但由于連作障礙，使得三七種植地域不斷擴大，不同地域的光照強度及土壤質地有所不同，原有的大田移栽前的三犁三靶作業(yè)是否是現(xiàn)代三七種植模式下的最佳耕靶規(guī)程需要進行重新測定及試驗。

2.2.2 三七移栽機械化技術 三七種苗移栽要求在12月至翌年1月現(xiàn)挖現(xiàn)移栽，移栽前需對種苗進行切根，然后進行消毒處理。傳統(tǒng)移栽過程中，先用10.0 cm×12.5 cm或10.0 cm×15.0 cm的模板打穴，然后將種苗芽頭向下傾斜約20°栽下，栽后蓋土3 cm左右，再蓋上稻草，栽完后覆蓋火土或細土拌農家肥，至看不見播種材料為止，之后再撒一層粉碎過的山草或松毛[13]。目前，移栽過程中，切根、打穴、移栽、覆土階段基本采用人工操作，勞動強度大，效率低。從產業(yè)化的發(fā)展方向來看，應從工程視角設計打穴、移栽和覆土機械來代替人工操作，減輕移栽的勞動強度，通過標準化技術手段提高移栽效率，以實現(xiàn)規(guī)模化生產。目前移栽機在煙草、水稻上應用比較成熟，但適于三七移栽的機械尚未見到，可以嘗試走“引進-消化吸收-改進設計”的方法設計適宜三七的移栽機械，也可以嘗試將打穴、移栽、覆土等工序集成，設計全自動移栽機，但三七移栽時要求將種苗芽頭向下傾斜約20°栽下，這給機械化移栽提出了難題，因此，與移栽工序相適應的機械設備需考慮配備自動識別系統(tǒng)。

2.2.3 大田管理工程技術體系 三七苗移栽至大田后，仍然需要搭建陰棚來調節(jié)透光率，只是三七在大田生長期的透光率與苗期透光率不完全相同，陰棚搭建工程技術與透光率調節(jié)技術與三七育苗階段一樣需要進行試驗與選型。另外，大田管理也需要對三七生長不同時期的溫、光、水、氣、肥等進行控制，控制設施設備類似于育苗階段，但參數(shù)范圍不完全相同。

2.2.4 采挖階段 采挖三七基本是用鋤頭挖起，要求不能挖斷主根，然后去掉莖葉，洗凈泥土，剪除須根，將其分別曬干。將已剪去須根的三七，按大小分級，在陽光下曝曬2～3 d，約六成干時，再將支根和根狀莖分別剪下，剪時應在離塊根表面1 mm處剪下，待干燥收縮后，剪口剛好與塊根表面相平，成品表面平滑美觀[14]。目前，主要是采用人工采挖，不但費工費時，還會因為疲勞導致用力不均，容易使三七受到損傷，降低三七的品質。因此，從工程視角設計適宜三七采挖的配套機械，不僅可以減輕勞動強度，降低用工成本，還可以提高采挖效率，保證三七品質。但市場上適于三七采挖的機械尚未出現(xiàn)，可以考慮與設計生產自動挖藕機的廠家聯(lián)合攻關，實現(xiàn)三七采挖機械化作業(yè)，滿足三七的產業(yè)化發(fā)展需求。

3 結語

大力發(fā)展高原特色農業(yè)對探索現(xiàn)代農業(yè)新路、促進農民持續(xù)增收、推動云南省跨越發(fā)展具有重大意義。三七作為云南省高原特色經濟作物，開發(fā)潛力巨大。本研究結合國家“十二五”規(guī)劃中發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)要走“規(guī)模化、工程化、標準化、集約化”等的思路，從系統(tǒng)工程視角構建起農機、農藝相融合的三七栽培工程技術體系，為促進云南省三七產業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

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[14] 三七栽培[EB/OL].文山農業(yè)網， http：//dnny.wsxcagri.gov.cn/info.asp？id=786.2006-11-20.

3 結語

大力發(fā)展高原特色農業(yè)對探索現(xiàn)代農業(yè)新路、促進農民持續(xù)增收、推動云南省跨越發(fā)展具有重大意義。三七作為云南省高原特色經濟作物，開發(fā)潛力巨大。本研究結合國家“十二五”規(guī)劃中發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)要走“規(guī)?；?、工程化、標準化、集約化”等的思路，從系統(tǒng)工程視角構建起農機、農藝相融合的三七栽培工程技術體系，為促進云南省三七產業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

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3 結語

大力發(fā)展高原特色農業(yè)對探索現(xiàn)代農業(yè)新路、促進農民持續(xù)增收、推動云南省跨越發(fā)展具有重大意義。三七作為云南省高原特色經濟作物，開發(fā)潛力巨大。本研究結合國家“十二五”規(guī)劃中發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)要走“規(guī)模化、工程化、標準化、集約化”等的思路，從系統(tǒng)工程視角構建起農機、農藝相融合的三七栽培工程技術體系，為促進云南省三七產業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。

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