工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀與展望

向偉，馬蘭，劉佳杰，顏波，段益平，胡垚，呂江南

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

工業(yè)大麻是指四氫大麻酚（THC）含量低于0.3%（干物質(zhì)重量百分比）的大麻，THC含量是將工業(yè)大麻與毒品大麻進(jìn)行區(qū)別的重要標(biāo)準(zhǔn)，獲批準(zhǔn)合法種植的工業(yè)大麻，均是低含毒量的品種，因工業(yè)大麻不具備成癮性和致幻性，被認(rèn)為不具備毒品利用價值［1-2］。中國是工業(yè)大麻傳統(tǒng)種植國，在工業(yè)大麻研發(fā)、種植、加工等領(lǐng)域具有優(yōu)勢地位，尤其是在工業(yè)大麻纖維用、食用和紡織材料的開發(fā)和應(yīng)用等方面優(yōu)勢明顯［3］。據(jù)不完全統(tǒng)計，2019年，中國工業(yè)大麻種植面積約為23 000 hm2，產(chǎn)量約為13萬噸，中國成為世界工業(yè)大麻纖維的主要來源國，種植面積約占全球種植面積的50%左右［4］。

工業(yè)大麻有纖用、籽用、藥用和工業(yè)用等用途，分布在世界各地。其在中國有8500多年種植歷史，目前主要種植在云南、黑龍江、安徽、山西、吉林、內(nèi)蒙古、寧夏、廣西等省市。工業(yè)大麻全身是寶，廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、食品、醫(yī)藥、衛(wèi)生、日化、汽車、建筑和包裝等領(lǐng)域，經(jīng)濟(jì)價值極高［5-7］。從大麻花葉中提取的大麻二酚（CBD）、CBG等大麻素是癲癇、帕金森、癌癥以及多種老年病藥物的重要來源，也成為食品添加、化妝品配方的重要原料。近幾年工業(yè)大麻成為全球市場和資本追逐的熱點［8-9］。

目前，全球有47個國家以商業(yè)或研究為目的被允許種植工業(yè)大麻，55個國家宣布醫(yī)用大麻合法或部分合法，超過50個國家宣布大麻二酚合法，加拿大等3個國家宣布大麻全面合法化。2020年12月2日，聯(lián)合國麻醉藥品委員會CND在維也納召開第63屆會議，會上正式通過了世界衛(wèi)生組織所提出的大麻建議5.1，從1961年《麻醉藥品單一公約》附表四中刪除大麻和大麻脂，此項重大決議勢必對今后工業(yè)大麻在醫(yī)藥等健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前國內(nèi)已有68家上市公司提前布局工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)，帶動了中國工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，工業(yè)大麻產(chǎn)品合法市場規(guī)模在未來5～10年會達(dá)到千億美元，工業(yè)大麻的經(jīng)濟(jì)價值極高、發(fā)展前景可期［10-11］。基于國內(nèi)外工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大好形勢，中國工業(yè)大麻種植加工政策環(huán)境也在進(jìn)一步優(yōu)化。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司牽頭制定的《工業(yè)用大麻種植加工安全管理辦法》（征求意見稿）正在一定范圍內(nèi)廣泛征求意見。其他一些省區(qū)也在積極有序為工業(yè)大麻的種植和加工良性發(fā)展提供政策支持，如安徽、內(nèi)蒙古、山西、山東、廣西等省區(qū)均在積極推進(jìn)本省區(qū)工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)合法、有序和安全發(fā)展。

1 工業(yè)大麻結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)模式

1.1 工業(yè)大麻結(jié)構(gòu)組成和用途

工業(yè)大麻植株自上而下分別為種子、花穗、葉片、莖稈和根系（圖1a）。工業(yè)大麻種子含脂肪30%～35%，蛋白質(zhì)20%～29%，可制成高檔食用油、大麻籽和大麻籽食品等，還可用于化妝品，亦可提煉生物柴油；工業(yè)大麻花穗和葉片可用于提取藥物，提取CBD，亦可用于生產(chǎn)肥料和動物飼料；工業(yè)大麻莖稈主要為纖維用、麻骨用和整稈利用；工業(yè)大麻纖維是天然纖維，具有透氣、散濕、耐熱等性能，是造紙，紡織和繩索制品等的原材料；麻骨可用于生產(chǎn)塑料、復(fù)合材料和食用菌基質(zhì)等；整稈可用于造紙、制造活性炭和汽車內(nèi)飾件等；工業(yè)大麻根系可生產(chǎn)各種生物燃料和用于土壤改良［12］。

工業(yè)大麻莖稈為不規(guī)則圓形稈狀結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，莖稈切斷面從外部到內(nèi)部可以劃分為脆皮層、韌皮纖維層、木質(zhì)部和髓部。

圖1 工業(yè)大麻植株和莖稈Fig.1 Plants and stalks of industrial hemp

1.2 工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)模式

工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)是指以工業(yè)大麻為作業(yè)對象，以耕作、播種、收獲、初加工等為重點環(huán)節(jié)，研發(fā)并推廣先進(jìn)適用的農(nóng)機(jī)化技術(shù)及裝備，構(gòu)建適宜的全程機(jī)械化生產(chǎn)模式的綜合集成技術(shù)［13-15］。為實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)全覆蓋和作業(yè)環(huán)境全適應(yīng)，針對建立工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)提出了下述要求：

（1）區(qū)域條件適應(yīng)性：中國工業(yè)大麻種植區(qū)域覆蓋到西南的云南、貴州，東北的黑龍江、山東、遼寧，西北的寧夏、陜西和中部的安徽、山西等多地區(qū)，涉及平原、高原、山地和丘陵等不同地形，不同區(qū)域氣候等環(huán)境因素成為限制工業(yè)大麻生產(chǎn)機(jī)械化的主要因素。工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)模式應(yīng)秉持大型牽引式作業(yè)機(jī)具和自走式輕便型設(shè)備并存發(fā)展，圍繞中國工業(yè)大麻主要生產(chǎn)區(qū)域，發(fā)展針對性較強(qiáng)的工業(yè)大麻生產(chǎn)機(jī)械，重點突破區(qū)域的環(huán)境因素限制，因地制宜，提高生產(chǎn)效率。

（2）作物適應(yīng)性：機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)工藝模式需與作物特性相適應(yīng)，工業(yè)大麻作為青飼料用、纖維用、花葉藥用和籽用等不同用途，其品種選育、栽培模式、生長周期和收獲方式均不相同。而工業(yè)大麻作為纖維用時也存在鮮莖剝皮和干莖打麻等不同方式，因此，在選用工業(yè)大麻收獲工藝、加工技術(shù)時應(yīng)針對上述特點研發(fā)選用不同的適用技術(shù)，最大程度實現(xiàn)工業(yè)大麻的利用，降低損失。

（3）產(chǎn)品需求適應(yīng)性：工業(yè)大麻產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)應(yīng)滿足鮮莖纖維、干莖纖維、花葉收獲分離、青貯、顆粒飼料、纖維制備以及CBD提取等用途。

（4）經(jīng)濟(jì)適用性：工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化技術(shù)工藝模式應(yīng)為不同生產(chǎn)規(guī)模、不同組織形式和不同投入成本條件下的工業(yè)大麻生產(chǎn)提供相適應(yīng)的技術(shù)模式和具體裝備的配套方案。

針對上述要求，結(jié)合中國工業(yè)大麻主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)實踐情況，在現(xiàn)有技術(shù)研究基礎(chǔ)上，重點突破精量播種、青貯、割曬、聯(lián)合收獲、纖維剝制、短纖維提取和花葉分離等關(guān)鍵環(huán)節(jié)機(jī)械化技術(shù)，通過原始創(chuàng)新、集成配套、優(yōu)化配置、性能試驗、跟蹤考核和示范推廣等不同技術(shù)手段，提出一種適應(yīng)中國工業(yè)生產(chǎn)的全程機(jī)械化技術(shù)模式，將工業(yè)大麻生產(chǎn)全程具體劃分為土地整理、播種、田間管理、收獲和產(chǎn)品初加工5個技術(shù)環(huán)節(jié)［16-17］，具體技術(shù)工藝流程如圖2所示。

圖2 工業(yè)大麻全程機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)工藝模式Fig.2 Full-mechanized production technology of industrial hemp

1.3 中國工業(yè)大麻生產(chǎn)機(jī)械化程度低

中國工業(yè)大麻生產(chǎn)與加工的機(jī)械化水平較低，特別是田間收獲機(jī)械化配套作業(yè)技術(shù)與裝備發(fā)展滯后，目前黑龍江省工業(yè)大麻生產(chǎn)的播種、割曬、剝麻等生產(chǎn)環(huán)節(jié)基本借用玉米和亞麻作業(yè)機(jī)械改進(jìn)后完成，而漚麻、揉麻、打捆、花葉收獲等作業(yè)機(jī)械屬于薄弱環(huán)節(jié)。目前工業(yè)大麻種植、聯(lián)合收獲、脫麻等聯(lián)合作業(yè)設(shè)備已成為制約工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大瓶頸，對于規(guī)?；N植、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、機(jī)械化加工、高效運營造成了很大的困難，嚴(yán)重影響了種植規(guī)模、產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)業(yè)效益［18］。

云南省工業(yè)大麻生產(chǎn)基本上是人工完成，缺乏可用的機(jī)械設(shè)備，因此提高工業(yè)大麻收獲效率，降低勞動強(qiáng)度和成本的關(guān)鍵在于實現(xiàn)工業(yè)大麻的機(jī)械化收獲［19-20］。國內(nèi)工業(yè)大麻機(jī)械化收獲研究較多的是纖維剝制加工，工業(yè)大麻收割機(jī)械的研究很少，許多收獲技術(shù)仍然處于空白狀態(tài)。其主要原因是中國工業(yè)大麻種植分布廣、面積小，加上地形復(fù)雜和地理位置的特殊性等。工業(yè)大麻作物本身具有許多獨特特征，如韌皮纖維長而柔韌，易對切割刀具造成磨損，且容易纏繞刀具，工業(yè)大麻莖稈粗細(xì)不均，長短不一，這些因素都會給收獲作業(yè)帶來不利影響［21-23］。因工業(yè)大麻收獲與初加工困難的問題，導(dǎo)致工業(yè)大麻主產(chǎn)區(qū)的種植面積呈減少趨勢，故提高工業(yè)大麻生產(chǎn)全程機(jī)械化程度成為當(dāng)前工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然途徑。

2 國內(nèi)外工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備

2.1 工業(yè)大麻耕作種植技術(shù)概況

2.1.1 工業(yè)大麻耕整地技術(shù)與裝備

工業(yè)大麻機(jī)械化耕整地作業(yè)環(huán)節(jié)主要包括深耕松土、淺耕除草、平整土壤、起壟和開溝等環(huán)節(jié)，根據(jù)田地情況適當(dāng)將深耕松土和淺耕旋土等作業(yè)環(huán)節(jié)加以配合。在深耕松土或翻耕的基礎(chǔ)上，通常采用農(nóng)機(jī)通用的旋耕機(jī)進(jìn)行淺耕除草和平整土壤，去除雜草的同時提高土壤顆粒細(xì)碎度，耕地時的耕作深度一般為20～30 cm。黑龍江、遼寧、山東和山西等北方干旱地區(qū)，通常是在耕作后的土地直接進(jìn)行播種，而在中國云南、貴州、廣西等年降水量較高地區(qū)，需要進(jìn)行壟作，實行分墑作畦，做到邊溝、墑溝、腰溝和田間排水溝四溝配套，達(dá)到明水能排，暗水能滲［24-25］。

中國工業(yè)大麻種植主要以農(nóng)田和山地為主，與糧食或經(jīng)濟(jì)作物的土壤條件相似，所采用的耕整地機(jī)械與糧油作物通用的耕整地機(jī)械基本相同，采用鏵式犁、深松機(jī)、旋耕機(jī)、培土機(jī)和開溝起壟機(jī)等常規(guī)耕作機(jī)械，可滿足種植工業(yè)大麻土地的深松、碎土、除草、平整土壤、起壟和開溝等作業(yè)環(huán)節(jié)的要求。

2.1.2 工業(yè)大麻播種技術(shù)與裝備

根據(jù)工業(yè)大麻不同種植區(qū)域、土壤條件和加工用途來劃分，工業(yè)大麻的播種方式主要分為撒播、條播和穴播（精量播種）。目前所采用的工業(yè)大麻播種技術(shù)包括精量播種、作物間作、套作和輪作等。工業(yè)大麻機(jī)械化播種的一般工藝包括開種溝（種穴）、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等［26-27］。

工業(yè)大麻種子頂土能力較弱，播種時做到淺播30～80 mm。工業(yè)大麻種植若為纖維用，為實現(xiàn)“宜機(jī)化收獲作業(yè)”，采用矮化密植的種植模式，不同品種的播種量通常為45～90 kg／hm2，播種方式通常采用撒播或者條播，條播的行距一般為150～250 mm。工業(yè)大麻種植若為繁種用，播種方式采用條播或者穴播，播種行距一般為150～300 mm。工業(yè)大麻的藥用種植，其播種方式采用穴播，播種行距一般為600～1200 mm，株距一般為600～1000 mm，每穴播種2～5粒種子［28-29］。

工業(yè)大麻種子顆粒較大，且其外形呈現(xiàn)比較規(guī)整的橢球形，因此與其他作物（小麥、玉米、油菜等）機(jī)械化播種作業(yè)相比，工業(yè)大麻播種機(jī)械具有較高的通用性。在中國北方地域，因地域遼闊、單塊種植區(qū)域大且播種期間溫度較低，通常采用大幅寬播種機(jī)作業(yè)或覆膜播種機(jī)播種作業(yè)，圖3所示為典型的聯(lián)合播種機(jī)。在中國的中、西部和南部等丘陵山地，通常采用圖4所示的中、小型聯(lián)合播種機(jī)播種作業(yè)。

圖3 典型工業(yè)大麻聯(lián)合播種機(jī)Fig.3 Combined seed planter of industrial hemp

圖4 工業(yè)大麻中、小型播種機(jī)舉例Fig.4 Examples ofmedium and small industrial hemp seed planter

2.2 工業(yè)大麻收獲技術(shù)概況

2.2.1 工業(yè)大麻收割技術(shù)與裝備

國外農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平相對較高，部分發(fā)達(dá)國家開展工業(yè)大麻收獲機(jī)械研發(fā)較早，且國外部分發(fā)達(dá)國家在高稈作物的收獲機(jī)械方面研發(fā)比較成熟，在成熟的機(jī)型上進(jìn)行快速改進(jìn)后用于工業(yè)大麻收割作業(yè)。國外在工業(yè)大麻割曬機(jī)方面研發(fā)較少，主要集中在聯(lián)合收獲技術(shù)及裝備的研發(fā)［30-31］。

近年來，隨著中國工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，通過消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合亞麻、苧麻和蘆葦?shù)雀叨捵魑锏氖崭罴夹g(shù)，在工業(yè)大麻收割技術(shù)上取得了一定的突破和進(jìn)展［32］。針對平原地區(qū)等大地塊工業(yè)大麻種植區(qū)，中國雖然仍未研制出大幅寬的工業(yè)大麻割曬機(jī)，但已有成熟的較高幅寬、高效率的割曬機(jī)［33］。部分學(xué)者針對中國工業(yè)大麻種植現(xiàn)狀，設(shè)計研制出了適用于丘陵山區(qū)的工業(yè)大麻割曬機(jī)，這些割曬機(jī)的作業(yè)特點是轉(zhuǎn)向靈活，爬坡和通過性能強(qiáng)，填補(bǔ)了中國丘陵山區(qū)工業(yè)大麻收割機(jī)械的空白［34］。

工業(yè)大麻機(jī)械化收割技術(shù)一般指：工業(yè)大麻收割后將整稈直接進(jìn)行纖維剝制，或工業(yè)大麻收割后在田間晾曬（雨露漚麻），當(dāng)含水率達(dá)到一定的低值后再進(jìn)行干莖稈打麻，最終目的均是獲取工業(yè)大麻纖維［35-36］。機(jī)械化收割技術(shù)是指通過機(jī)械切割工業(yè)大麻莖稈，按照收割作業(yè)方式可分為收割鋪放技術(shù)、割捆技術(shù)和收割裝運技術(shù)。國內(nèi)外典型的工業(yè)大麻收割裝備如表1所示［37-40］。

表1 工業(yè)大麻收割裝備Table 1 Industrial hemp harvesting machine

2.2.2 工業(yè)大麻聯(lián)合收獲技術(shù)與裝備

工業(yè)大麻聯(lián)合收獲技術(shù)是指對工業(yè)大麻進(jìn)行一次切割聯(lián)合收獲或多次切割聯(lián)合收獲，按照切割收獲方式主要分為單割臺聯(lián)合收獲技術(shù)和雙割臺收獲技術(shù)，其中雙割臺收獲技術(shù)分為雙切割分段收獲技術(shù)和雙切割聯(lián)合收獲技術(shù)［41-43］。工業(yè)大麻雙割臺收獲技術(shù)用于藥纖兼用、花葉藥用和籽用等工業(yè)大麻的收獲，相對于整稈收割技術(shù)和單割臺聯(lián)合收獲技術(shù)，雙割臺聯(lián)合收獲技術(shù)及裝備的使用效率和用途得到了提高，但這種方式有損剝制后的纖維質(zhì)量［44-45］。

（1）工業(yè)大麻單割臺聯(lián)合收獲技術(shù)：用于花葉、籽粒和莖稈等單獨收獲，相對于整稈收割技術(shù)，單割臺聯(lián)合收獲機(jī)械使用效率更高，但用途仍比較單一。莖稈收獲可實現(xiàn)莖稈的整稈切割后，一機(jī)完成莖稈的切斷或切碎，并實現(xiàn)莖稈的聯(lián)合收集或儲運；花葉或籽粒收獲，機(jī)器切割工業(yè)大麻莖稈帶花葉或籽粒的上部端，同步實現(xiàn)花葉或籽粒初步清選和儲運，下部端植株莖稈留置田間未同步處理。

（2）工業(yè)大麻雙切割分段收獲技術(shù)：主要用于藥纖兼用工業(yè)大麻的聯(lián)合收獲，該類型裝置由上下兩套切割系統(tǒng)組成：上切割系統(tǒng)僅用于收獲工業(yè)大麻植株上端的花葉或種子；下切割系統(tǒng)切割工業(yè)大麻莖稈后通過側(cè)邊輸送鋪放系統(tǒng)將莖稈均勻鋪放至田間，用于加工獲取工業(yè)大麻纖維。

（3）工業(yè)大麻雙切割聯(lián)合收獲技術(shù)：主要用于花葉藥用、籽用和飼用工業(yè)大麻的聯(lián)合收獲，該類型裝置由上下兩套切割系統(tǒng)組成：上切割系統(tǒng)用于收獲工業(yè)大麻植株上端花葉或種子，并實現(xiàn)花葉或種子的清選、收集和儲運聯(lián)合作業(yè)；下切割系統(tǒng)收獲工業(yè)大麻莖稈，切碎裝置實現(xiàn)莖稈初步切碎，經(jīng)過輸送裝置成條鋪放至田間。雙切割聯(lián)合收獲機(jī)器的使用效率進(jìn)一步提高，但這種方式有損纖維質(zhì)量。事實上，這種方式得到的纖維很難用于紡織行業(yè)。國內(nèi)外典型工業(yè)大麻聯(lián)合收獲裝備如表 2所示［46-49］。

表2 工業(yè)大麻聯(lián)合收獲裝備Table 2 Industrial hemp combine harvest machine

2.3 工業(yè)大麻初加工技術(shù)概況

自21世紀(jì)初期開始，國內(nèi)外對以工業(yè)大麻等纖維為原料的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的需求越來越多，促進(jìn)了工業(yè)大麻收獲后莖稈初加工技術(shù)的發(fā)展。隨著國際上對工業(yè)大麻政策的放寬和工業(yè)大麻多功能利用的拓展，進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)大麻初加工技術(shù)及裝備的快速發(fā)展［50-52］。

工業(yè)大麻初加工技術(shù)主要是指對工業(yè)大麻進(jìn)行纖維剝制、花葉分離、莖稈切碎打捆、籽粒清選和短纖維提取等不改變工業(yè)大麻內(nèi)在成分的加工技術(shù)。根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用需要，現(xiàn)有的工業(yè)大麻初加工技術(shù)主要分為：纖維剝制技術(shù)、花葉分離技術(shù)、秸稈炭化技術(shù)和聯(lián)合收獲加工技術(shù)等［53-54］。

2.3.1 工業(yè)大麻纖維剝制加工技術(shù)與裝備

工業(yè)大麻纖維剝制技術(shù)是指通過剝麻裝置獲取工業(yè)大麻韌皮纖維層的纖維，纖維剝制的過程中初步去除纖維上的膠質(zhì)層，獲取的纖維以供生產(chǎn)應(yīng)用。該技術(shù)主要包括鮮莖剝皮技術(shù)、干莖打麻技術(shù)和短纖維提取加工技術(shù)［55-59］。

（1）鮮莖剝皮技術(shù)：指從田間收獲后的工業(yè)大麻整株莖稈未經(jīng)烘干、漚曬等處理直接用來剝制纖維的技術(shù)，該技術(shù)獲取的纖維含雜率較低、單纖維強(qiáng)度高且出麻率高，但纖維含膠率較高。

（2）干莖打麻技術(shù)：工業(yè)大麻收獲期通過收割裝備將莖稈切割后整齊鋪放至田間，通過2～4個月的晾曬和漚麻，達(dá)到工業(yè)大麻莖稈的初步脫膠后再通過打麻技術(shù)獲取纖維，該技術(shù)獲取的纖維含膠率較低，但纖維含雜率較高。

（3）短纖維提取加工技術(shù)：從麻屑混合物中分別提取短纖維和麻屑、并實現(xiàn)短纖維及麻屑的加工和清潔。纖維和麻屑的混合物占工業(yè)大麻物料質(zhì)量的50%～60%，剝制的纖維最多僅占30%。目前，收獲后大約50%大麻纖維碎屑的處理需要高效的碎屑處理和清潔技術(shù)。清潔優(yōu)質(zhì)的麻屑不僅可以用作動物飼料，還可以用作刨花板或復(fù)合材料生產(chǎn)原料。表3所示為國內(nèi)外典型的工業(yè)大麻纖維剝制加工裝備［60-65］。

表3 工業(yè)大麻纖維剝制加工裝備Table 3 Industrial hemp decorticating machine

隨著工業(yè)大麻纖維在紡織、無紡布、造紙和復(fù)合材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，纖維用工業(yè)大麻在全球的種植面積逐年擴(kuò)大的同時也呈現(xiàn)農(nóng)場化和規(guī)模化發(fā)展，因而對工業(yè)大麻纖維剝制加工裝備的需求日益迫切。

2.3.2 工業(yè)大麻機(jī)械化花葉分離和秸稈炭化技術(shù)與裝備

（1）工業(yè)大麻花葉分離裝備

美國MUNCH Machine公司研制出圖5a所示的花頭分離機(jī)（Mother Bucker），主要由花頭脫離機(jī)箱、驅(qū)動電機(jī)、控制器、集料箱、機(jī)架和輪胎構(gòu)成，其中花頭脫離機(jī)箱主要由脫葉面板和對輥式夾持滾筒構(gòu)成，脫葉面板上設(shè)計多個不同直徑模具孔以匹配不同直徑的莖稈，模具孔周邊設(shè)計環(huán)形切刀用于剝離莖稈上的花葉，該機(jī)操作簡單而有效，單人作業(yè)工效可達(dá)68 kg／h。隨著生產(chǎn)和市場的需求，MUNCH Machine公司進(jìn)一步研制出作業(yè)工效更高的圖5b所示的雙花頭分離機(jī)和圖5c所示的輸送帶式花頭分離機(jī)［66］。

美國DK FAB公司研制出大型工業(yè)大麻花葉分離集成生產(chǎn)線（圖5d），該生產(chǎn)線可一次完成工業(yè)大麻莖稈夾持輸送、花葉剝離、花葉清選和花葉收儲等工序，該生產(chǎn)線可加工處理長度超過3 m的工業(yè)大麻莖稈，且花葉剝離率超過95%。生產(chǎn)線的主要作業(yè)過程是：莖稈夾持輸送、花葉剝離、主莖稈輸出及收儲、清選主莖稈分離、去除短莖稈、短莖稈上花葉二次剝離和花葉收儲［67］。

圖5 工業(yè)大麻花葉分離裝備Fig.5 Industrial hemp flower and leaf separation machine

（2）工業(yè)大麻秸稈炭化裝備

工業(yè)大麻等作物秸稈因質(zhì)量輕、可燃性好，是制作煙花爆竹碳粉的良好材料，市場價格較好，開發(fā)潛力大。肇東市圣通秸稈炭化有限公司自主研制出圖6所示的“不等經(jīng)連續(xù)回轉(zhuǎn)式碳化爐”為主體的秸稈自動化成套炭化設(shè)備［20］。麻稈自動化炭化成套設(shè)備充分利用秸稈氣化爐的原理、連續(xù)式炭化原理、流化床原理、干餾式炭化原理自動裝置及多種新技術(shù)，可保證麻類等秸稈從喂料到炭粉連續(xù)化生產(chǎn)。該設(shè)備炭粉生產(chǎn)率6 t／d，消耗麻類等秸稈24 t／d，年處理秸稈20萬噸以上。

圖6 工業(yè)大麻秸稈炭化裝備Fig.6 Industrial hemp straw carbonization machine

2.3.3 工業(yè)大麻機(jī)械化聯(lián)合收獲加工技術(shù)與裝備

（1）工業(yè)大麻纖維收剝一體化裝備

纖維用工業(yè)大麻的收獲加工模式一般為：割曬、雨露脫膠、翻麻、撿拾、運輸、切斷、打麻和清選，撿拾后的大麻莖稈從種植地運送到固定地點，進(jìn)行集中剝制打麻，增加了運輸和場地成本。為此，國內(nèi)外的科研院所和工業(yè)大麻生產(chǎn)企業(yè)探索研究工業(yè)大麻纖維收獲剝制一體作業(yè)技術(shù)［19］。

中國人民解放軍原總后勤部軍需裝備研究所軍用漢麻材料研究中心研制出自走式工業(yè)大麻纖維收剝一體機(jī)（圖7a），該機(jī)主要由廂式割臺、割刀、縱向輸送裝置、剝麻裝置、排渣裝置、動力底盤和駕駛室等組成，該機(jī)一次作業(yè)可完成工業(yè)大麻的莖稈收割、輸送、纖維剝制和麻骨麻葉成條鋪放等作業(yè)工序。

澳大利亞紡織復(fù)合工業(yè)有限公司研制出HD-3型工業(yè)大麻收剝作業(yè)一體機(jī)，主要由收割平臺、輸送裝置、剝麻裝置、集料裝置和動力系統(tǒng)等組成。該機(jī)收割平臺完成工業(yè)大麻莖稈的切割和撿拾，輸送裝置將莖稈輸送至剝麻裝置完成纖維的剝制，2套集料裝置分別收集纖維和麻骨。剝麻裝置安裝在收割平臺上，收割平臺被拖拉機(jī)以偏置方式拖拽，整機(jī)的動力需120馬力以上，作業(yè)工效可達(dá) 1.0 hm2／h。

（2）工業(yè)大麻莖稈撿拾纖維分離技術(shù)

21世紀(jì)初期，加拿大曼尼托巴大學(xué)研制出一款牽引式工業(yè)大麻纖維分離機(jī)（圖7b），該機(jī)主要由撿拾裝置、切割剝制裝置、喂入裝置、分離裝置、纖維集料箱、麻屑集料箱和動力機(jī)構(gòu)等組成，該機(jī)的切割剝制裝置中設(shè)計有圓柱形分離刀盤，3套原始刀和9套打麻刀傾斜均布安裝在刀盤上可完成工業(yè)大麻的切斷、打擊、梳理等功能，以實現(xiàn)工業(yè)大麻的纖維剝制［68］。該機(jī)掛接在拖拉機(jī)上，該機(jī)隨著拖拉機(jī)的牽引前進(jìn)撿拾大麻莖稈，并對莖稈進(jìn)行剝制分離、清潔，該機(jī)降低了莖稈運送和場地存放的成本。

（3）工業(yè)大麻莖稈撿拾斬捆技術(shù)

針對種莖一體收割機(jī)作業(yè)后鋪放的工業(yè)大麻莖稈，德國CLASS公司研制了一款斬捆漢麻收割機(jī)（圖7c），該機(jī)主要由集成在動力機(jī)構(gòu)上的撿拾裝置、切碎裝置、輸送裝置和通過拖掛裝置與動力機(jī)構(gòu)連接的壓捆機(jī)等組成，可將工業(yè)大麻莖稈切成50 mm的碎片，并直接輸送到壓捆機(jī)的沖壓單元，沖壓成方形捆后鋪放在田間，成型的工業(yè)大麻莖稈方捆物料可以經(jīng)乳酸菌發(fā)酵，用于奶牛、羊等畜牧業(yè)飼料［19］。

圖7 工業(yè)大麻聯(lián)合收獲加工裝備Fig.7 Industrial hemp combined harvesting and processing machine

（4）工業(yè)大麻纖維集成生產(chǎn)線技術(shù)

21世紀(jì)初，德國萊布尼斯農(nóng)業(yè)工程研究所研制出一套工業(yè)大麻纖維生產(chǎn)線［69］，可依次完成工業(yè)大麻莖稈捆的預(yù)處理、纖維剝制、纖維的清潔、纖維和麻骨碎屑分別收集等工序，該生產(chǎn)線可生產(chǎn)加工直徑達(dá)1.8 m的圓捆和各種尺寸的方捆。生產(chǎn)線主要工藝流程是：莖稈捆和莖稈預(yù)處理、去雜、測定計量莖稈體積量、剝制纖維、清潔莖稈、梳理和疏松纖維、分離短纖維和麻屑、去除短纖維、清理廢氣和粉塵等。2008年該單位研制出新一代生產(chǎn)線（圖8），新一代生產(chǎn)線增加莖稈預(yù)處理工序的同時減少了纖維剝制工序，整個加工線僅需7道作業(yè)工序，極大程度縮短了加工線并提高了加工效率［70］。

圖8 工業(yè)大麻纖維提取工藝生產(chǎn)線Fig.8 Industrial processing lines for fibers from industrial hemp

新一代工業(yè)大麻纖維生產(chǎn)線中采用的核心技術(shù)主要為莖稈包切斷裝置和錘式剝麻裝置，莖稈包切斷裝置設(shè)計有方捆莖稈包打開裝置（圖9a）和圓捆莖稈包切斷裝置（圖9b）2款。錘式剝麻裝置是基于上一代生產(chǎn)線中的擺錘式粉碎機(jī)的原理研制，其結(jié)構(gòu)原理如圖9c所示，該裝置主要由頂部擋板、剪切板、指板、攪拌器和分離篩等組成，該裝置能實現(xiàn)工業(yè)大麻莖稈纖維的剝制，長、短纖維和麻屑的初步分離，其良好的纖維剝制和篩分效果可有效保障下道工序中纖維清潔更簡單高效，通常情況下，該裝置作業(yè)后僅需一個清潔階段即可實現(xiàn)纖維中含雜率低于2%，錘式剝麻裝置的實物如圖9d所示。

圖9 工業(yè)大麻加工生產(chǎn)線關(guān)鍵部件Fig.9 Critical component of processing lines for fibers from industrial hemp

3 中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)存在的問題及需求分析

3.1 中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)存在的問題

目前中國工業(yè)大麻生產(chǎn)技術(shù)體系正處于振興發(fā)展階段，與發(fā)達(dá)國家相比，中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)存在較大的差距，調(diào)查發(fā)現(xiàn)中國工業(yè)大麻生產(chǎn)裝備存在的具體問題為：

（1）工業(yè)大麻全程機(jī)械化生產(chǎn)模式不完善，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合不夠，機(jī)械化種植模式與收獲作業(yè)匹配度不高。此外，工業(yè)大麻初加工技術(shù)存在著研發(fā)集成不夠、推廣力度小等問題，也嚴(yán)重制約著工業(yè)大麻機(jī)械化初加工技術(shù)的發(fā)展速度。

（2）中國工業(yè)大麻種植生產(chǎn)政策不明朗，制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展；工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)化程度低，為數(shù)不多的從事工業(yè)大麻生產(chǎn)的企業(yè)基本上是中、小型企業(yè)，生產(chǎn)主體多以個體經(jīng)營者為主，種植環(huán)境較為復(fù)雜，經(jīng)營規(guī)模較小，多樣的生產(chǎn)規(guī)模和種植管理模式，嚴(yán)重制約著工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展速度。

（3）基礎(chǔ)性研究落后，植物-機(jī)械相互作用系統(tǒng)理論和共性技術(shù)研究還比較缺乏，尚未形成企業(yè)創(chuàng)新機(jī)制，對國外技術(shù)和裝備的依賴性重。工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)裝備適用性與可靠性低，工業(yè)大麻生產(chǎn)工藝與機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)動性差。

（4）工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)展不均衡，機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)及裝備存在短板。中國工業(yè)大麻初加工機(jī)械已經(jīng)發(fā)展多年，已基本覆蓋到土地耕作、機(jī)械收獲和機(jī)械化初加工等工藝流程的各個環(huán)節(jié)，但工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)的各個環(huán)節(jié)發(fā)展并不均衡。工業(yè)大麻收獲技術(shù)與裝備的自主創(chuàng)新研究完全處于空白；工業(yè)大麻的聯(lián)合收獲技術(shù)與裝備、花葉分段收獲技術(shù)與裝備的研究尚未啟動；工業(yè)大麻種質(zhì)資源用的脫粒技術(shù)與裝備的研究處于起步階段；工業(yè)大麻種子脫殼機(jī)未開展相關(guān)研究，市面上尚未出現(xiàn)成熟的工業(yè)大麻種子脫粒機(jī)和脫殼機(jī)；工業(yè)大麻初加工機(jī)械相關(guān)的研究已取得一定的成果，但存在很大的局限性，尚未完全滿足市場的需求，無法大面積推廣。

3.2 中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)需求分析

針對工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中存在的問題，以“十四五”期間國內(nèi)外工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，根據(jù)全國工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)布局及市場需求開展聯(lián)合攻關(guān)，解決制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全程機(jī)械化瓶頸問題。結(jié)合中國工業(yè)大麻生產(chǎn)的實際情況，提出中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢和建議。

（1）開展農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合研究，建立工業(yè)大麻全程機(jī)械化生產(chǎn)模式。按照不同地域生產(chǎn)需求，制定適合機(jī)械化收獲的栽培模式；依據(jù)不同種植區(qū)域的生產(chǎn)環(huán)境，結(jié)合不同區(qū)域生產(chǎn)條件和現(xiàn)狀，實現(xiàn)山地高效輕便型和大型工業(yè)大麻生產(chǎn)裝備并存發(fā)展；加大研發(fā)資金力量的投入，填補(bǔ)工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)空白領(lǐng)域，加強(qiáng)弱勢技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，建立適宜的工業(yè)大麻全程機(jī)械化生產(chǎn)體系。

（2）纖用或藥纖兼用工業(yè)大麻收獲與加工機(jī)械的研發(fā)。針對東北纖用工業(yè)大麻和藥纖兼用工業(yè)大麻的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，重點突破目前纖用工業(yè)大麻規(guī)?；l(fā)展過程中分段收獲技術(shù)或莖稈切斷技術(shù)，與現(xiàn)有的亞麻翻曬機(jī)和纖維打麻機(jī)配套，實現(xiàn)工業(yè)大麻生產(chǎn)與纖維加工全程機(jī)械化作業(yè)。

（3）花葉收獲與加工機(jī)械研究。針對云南藥用大麻發(fā)展需求，盡快研發(fā)藥用工業(yè)大麻小型花葉收獲與加工機(jī)械。同時開發(fā)大型藥纖兼收雙切割收獲裝備，以滿足東北地區(qū)工業(yè)大麻規(guī)模化發(fā)展對收獲加工裝備的需求。

（4）籽用工業(yè)大麻收獲加工裝備的研發(fā)。針對西北地區(qū)籽用工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，重點攻克工業(yè)大麻莖稈種子兼收聯(lián)合作業(yè)裝備、種子收獲裝備、種子脫粒加工裝備、種子脫殼裝備等核心裝備，以滿足產(chǎn)業(yè)日益發(fā)展壯大對機(jī)械作業(yè)設(shè)備的需求。

4 結(jié)論

中國是全球工業(yè)大麻種植面積和產(chǎn)量最大的國家之一，隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)及裝備已從最初的國外引進(jìn)和被動仿制進(jìn)入到創(chuàng)新研發(fā)和共性基礎(chǔ)理論研究并舉發(fā)展，在工業(yè)大麻耕作種植技術(shù)、莖稈收獲技術(shù)、纖維剝制加工技術(shù)等領(lǐng)域已形成較成熟的技術(shù)體系，適應(yīng)不同作業(yè)模式的中、小型工業(yè)大麻收獲機(jī)械和初加工機(jī)械正逐步形成規(guī)模。本文系統(tǒng)分析了工業(yè)大麻全程機(jī)械化生產(chǎn)模式中的土地耕作、種植、田間管理、收獲和初加工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)及裝備，重點闡述了工業(yè)大麻耕作種植、收獲和初加工等3個核心技術(shù)環(huán)節(jié)的機(jī)械裝備的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)。在此基礎(chǔ)上，明確了中國工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)及裝備面臨的問題和解決方法。因此，中國需要開展工業(yè)大麻機(jī)械化生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合，健全工業(yè)大麻全程機(jī)械化生產(chǎn)模式，重點突破纖用或藥纖兼用工業(yè)大麻收獲與加工裝備的研發(fā)、花葉收獲與加工裝備的研發(fā)和籽用工業(yè)大麻收獲加工裝備的研發(fā)，實現(xiàn)工業(yè)大麻生產(chǎn)的全程機(jī)械化，并向自動化和智能化邁進(jìn)，促進(jìn)工業(yè)大麻產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，為提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益提供助力。