向伟，李镔桦，马兰，刘佳杰，颜波，段益平，吕江南*

（1.中国农业科学院麻类研究所，湖南 长沙 410205；2.张家界市高级技工学校，湖南 张家界 427000）

中国是工业大麻传统种植国，在工业大麻种植、加工和多功能利用等领域具有优势地位，尤其是工业大麻纤用、油用和纺织材料的开发和应用等方面优势明显[1-2]。据不完全统计，2019年，中国工业大麻种植面积约23 000 hm2，纤维产量达13万吨，中国成为全球工业大麻纤维的主要来源国，种植面积约占全球种植面积的50%左右[3-4]。

中国工业大麻种植分布广泛，主要是西南的云南、贵州，东北的黑龙江、辽宁，西北的宁夏、陕西和中部的安徽、山东、山西等地区[5-6]。中国工业大麻收获机械化水平较低，特别是田间收获机械化配套作业技术发展滞后，目前工业大麻收获大部分采用人力田间收割、人工剥皮的传统作业方式[7]。收获作业劳动强度大，人力用工成本逐渐增加，导致工业大麻种植面积和总产量呈现降低趋势，而提高工业大麻收获效率，降低劳动强度和成本的关键在于实现工业大麻的全工序机械化收获[8]。国内工业大麻机械化生产技术研究较多的是工业大麻纤维剥制加工技术及装备，而对工业大麻收获技术的研究较少，许多收获技术环节仍处于空白状态，其主要原因是中国工业大麻种植分布广、面积小，加上地形复杂，地理位置特殊且工业大麻用途多样等[9-10]。工业大麻作物本身具有许多特殊性质，如韧皮纤维长而柔韧，易对切割刀具造成磨损，且容易缠绕刀具；不同品种间工业大麻茎秆直径和高度的差异性极大，这些因素给收获作业带来不利影响。工业大麻机械化收获技术与装备的落后制约着中国工业大麻产业发展，提高工业大麻生产全程机械化程度、改变种麻效益低的现状成为当前工业大麻产业发展的必然途径[11-13]。

工业大麻高效收获技术及装备的研制与推广应用，可提高生产工效，有效降低农民的生产成本，利于增加农民收入，促进工业大麻生产的发展，从而推动中国工业大麻产业区域化和规模化发展[14]。本文详细总结和梳理了国内外工业大麻收获技术及装备的研究进展，系统分析了工业大麻机械化收割技术与装备、工业大麻机械化联合收获技术与装备的作业原理及作业特点，探讨了工业大麻收获技术及装备的发展方向，以期为中国工业大麻机械化生产向全程高效、智能化发展提供参考。

1 工业大麻用途与收获方式

工业大麻的生产应用主要分为纤用、药纤兼用、花叶药用和籽用等4个方面，工业大麻不同的生产应用决定了不同的收获目标，从而收获方式存在较大差异[15-17]。为提高工业大麻物料的利用率和价值度，对不同应用模式的工业大麻采用不同的收获技术及装备[18-19]。

（1）纤用工业大麻：主要以收获纤维为目标。通过收割机整秆收割工业大麻植株茎秆，进一步采用剥麻机剥制获得工业大麻纤维。黑龙江、山东等干旱地域，一般是割晒机收割工业大麻茎秆后平铺于地面，雨露沤麻2个月左右后捡拾打捆输送至工厂，采用干茎打麻机加工获取工业大麻纤维[20-21]；云南、安徽等地域，一般是收割工业大麻植株茎秆后，采用鲜茎秆剥麻技术剥制加工获得工业大麻长纤维，经集中脱胶处理，用作纺织原料。

（2）药纤兼用工业大麻：以分别收获纤维和花叶为目标。采用分段收获技术与装备完成工业大麻茎秆的分段收获，并实现工业大麻花叶集中的梢部端的随车集中收储、工业大麻基部端植株茎秆的侧边输送铺放。

（3）花叶药用工业大麻：以收获花叶为目标。采用机械或人工直接在田间收获工业大麻花叶，或采用机械收获工业大麻植株，运输至工厂，通过花叶收获机械分离获取植株上的花叶。

（4）籽用工业大麻：以收获籽粒为目标。采用机械收割工业大麻茎秆后，通过脱粒技术获取籽粒，其副产物工业大麻茎秆，可通过纤维剥制机械获取工业大麻纤维；也有矮化密植栽培以作育种用的工业大麻，工业大麻籽粒集中在植株梢部，采用收割机收获工业大麻植株茎秆梢部后通过脱粒机械获取籽粒，或采用半喂入联合收获机直接收获工业大麻籽粒。

根据生产需要，工业大麻机械化收获技术主要分为机械化收割技术和机械化联合收获技术[12，22]，机械化收割技术主要是针对纤用工业大麻的整秆收获；机械化联合收获技术主要用于药纤兼用、花叶药用和籽用等工业大麻的收获。

2 工业大麻机械化收割技术

工业大麻机械化收割技术一般指：工业大麻收割后将整秆直接进行纤维剥制，或工业大麻收割后在田间晾晒（雨露沤麻），当含水率达到一定的低值后再进行干茎秆打麻，其最终目的均是获取工业大麻纤维[7，12]。机械化收割技术是指通过机械切割工业大麻茎秆，按照收割作业方式可分为收割铺放技术、割捆技术和收割装运技术[23]。

2.1 工业大麻收割铺放技术与装备

国外高秆作物收获技术水平相对较高，部分发达国家针对工业大麻收获机械的研发较早，其中部分欧美国家在高秆作物收获机械方面的相关研发比较成熟，通过在成熟的机型上进行改进优化后用于工业大麻的收获，但国外在工业大麻收割技术方面研发较少，主要集中在联合收获技术及装备的研发[24-27]。

20世纪90年代末至2007年，波兰天然纤维＆药用植物研究所（IWNIRZ）和德国特殊用途机械制造商Kranemann GmbH联合研发了一款工业大麻割晒机；美国约翰迪尔利用玉米收获机改进后研制出工业大麻割晒机；捷克Tebeco企业研制了一款Tebeco Clipper 4.3 MMH工业大麻割晒机。上述国外典型的工业大麻割晒机如表1所示。

表1 国外典型工业大麻割晒机Table 1 Typical industrial hemp swather abroad

近年来，随着中国工业大麻生产快速发展，吸引了许多高校、科研院所和企业开展工业大麻收获技术及装备的研究，通过消化吸收国外先进技术，结合亚麻、苎麻和芦苇等高秆作物的收割技术，在工业大麻收割技术上取得一定的进展和突破[28-31]。

针对平原等工业大麻种植地域，中国虽然仍未研制出超大幅宽工业大麻割晒机，但已有成熟的中、小幅宽的高效割晒机[14]。部分学者针对工业大麻种植现状，设计研制出了适用于丘陵山区的工业大麻割晒机，这些割晒机具备转向灵活、爬坡和通过性能强等作业特点，填补了丘陵山区工业大麻收割机械的空白[32]。通过理论分析和试验研究，结合工业大麻种植现状，提出了适合中国丘陵山区工业大麻的高效切割技术，以及适用于丘陵山区小型自走式工业大麻割晒机的传动系统[33]；通过搭建试验台等方式，优化了高茎秆输送装置和侧边铺放装置[34-35]；通过仿真分析与田间试验相结合，创新研制了适用于丘陵山区的工业大麻收割机割台仿形切割装置[36-37]。国内典型工业大麻割晒铺放装备如表2所示[38-39]。

表2 国内典型工业大麻割晒机Table 2 Typical industrial hemp swather in China

2.2 工业大麻收割打捆技术与装备

工业大麻割捆技术是在工业大麻收割铺放技术的基础上增加打捆技术，主要针对纤维用、造纸制浆和整秆多功能利用工业大麻的整秆收获[40]。工业大麻割捆机为动力装置驱动式装备，在分禾装置和扶禾装置的辅助下切割装置切割工业大麻茎秆，输送系统将切割后的茎秆通过一侧将切割后的茎秆输送至打捆装置，完成茎秆打捆，铺放装置将成捆后的工业大麻茎秆铺放至机器一侧或后方[41-42]。

威海佳润农机基于芦苇割捆机进行改进优化，研制出小型汉麻割捆机（图1），主要由切割装置、扶禾装置、输送装置、拨禾轮、高度调节装置、打结器和线盒等构成，动力配套手扶式小型拖拉机和轮式拖拉机使用，配套动力11 kW，可一次完成汉麻的切割、输送、打捆和成捆铺放，作业幅宽1200 mm，作业效率可达0.35～0.45 hm2／h，但该机仅适用于密植矮化的汉麻收割，其收割高度仅能达到3000 mm。

图1 手扶式汉麻割捆机Fig.1 Handheld hemp binder

威海佳润农机研制出侧边收获型割捆机（图2），主要由螺旋式扶禾输送机构、切割机构、拨禾机构、打捆机构、输出机构行走限位装置和传动系统等组成。该割捆机后置于拖拉机的一侧，随着拖拉机的牵引前进，将切割后的工业大麻茎秆打捆，成捆的茎秆均匀横向地铺放至机器后侧，该机器可收割工业大麻茎秆高度不受限制，但收割幅宽仅1200 mm，割茬高度0～100 mm。

图2 侧边收获型工业大麻割捆机Fig.2 Side harvest hemp binder

2.3 工业大麻收割装运技术与装备

农业农村部南京农业机械化研究所基于履带式苎麻联合收割机进行改进优化，研制出图3所示的4LMZ-160型履带式工业大麻收割机[32，43]。该机主要由切割装置、拨禾装置、扶禾装置、输送装置、动力机构、操作系统、动力底盘和集料箱等组成。该机割幅范围内的麻秆在下扶禾装置作用下经双动刀切割装置切断，切断后的麻秆由两组横向输送装置输送到纵向输送装置，随后经纵向输送装置输送至集料箱，集料箱设有自翻转式卸料机构，可将收集满后的工业大麻茎秆翻卸至运输车内，可一次完成工业大麻切割、输送、茎秆收集和自动卸料等功能。配套动力25.7 kW，割幅1600 mm，留茬高度0～120 mm，切割率可达93.5%，平均生产率为0.94 hm2／h。

图3 4LMZ-160型履带式工业大麻收割机Fig.3 4LMZ-160 crawler industrial hemp harvester

3 工业大麻机械化联合收获技术

工业大麻机械化联合收获技术是指对工业大麻进行一次切割联合收获或多次切割联合收获，按照切割收获方式主要分为单割台联合收获技术和双割台收获技术，其中双割台收获技术分为双切割分段收获技术和双切割联合收获技术[44]。工业大麻双割台收获技术主要用于药纤兼用、花叶药用、籽用和饲用等工业大麻的收获，相对于整秆收割技术和单割台联合收获技术，双割台联合收获技术及装备的使用效率和用途得到了提高，但这种方式有损剥制后的纤维质量[45-46]。

3.1 工业大麻单割台联合收获机械

工业大麻单割台联合收获技术用于花叶、籽粒和茎秆等收获，相对于整秆收割技术，单割台联合收获装备的使用效率更高，但其用途仍然比较单一。工业大麻茎秆收获可实现茎秆的整秆切割，通过机械装置完成茎秆的切断或切碎，并实现茎秆的一机收集储运；花叶、籽粒收获，机器切割工业大麻带花叶或籽粒的中、上部端，一机实现花叶或籽粒初步清选和储运，下部端的植株茎秆仍留在田间未进行处理[13，47]。

欧洲是全球最早开展工业大麻收获机械研究的地域，根据工业大麻不同的收获用途，欧洲各个国家和地区通过创新设计或改进农作物收割机来实施工业大麻的联合收获。20世纪末荷兰HempFlax公司最先研制出HempFlax 3000型工业大麻收割机（图4（a）），随后德国Wittrock公司根据工作幅宽进一步研发成HempCut 3000／4500机型，德国Kemper公司为HempCut机器研发了改进机头和单刀切割滚筒，该机工作效率高达2.5～4.2 hm2／h，随着美国John Deere公司收购了生产HempCut收获机的Kemper公司，HempCut3000／4500型工业大麻收割机在全球范围销售。21世纪初，欧盟研制出Blücherho02收割机（图4（b）），该机主要由2套对辊式扶禾输送机构、切割机构和自走式纽荷兰1905机型组成。上述2款机型均可实现将工业大麻植株切断成600～700 mm，均匀铺放田间。

图4 典型单割台工业大麻联合收获机Fig.4 Typical single header industrial hemp combine

现有市场中成熟的单割台工业大麻联合收获装备主要包括：美国John Deere公司研制的RD305F型工业大麻花叶联合收获机（图5（a）），实现工业大麻的整秆收割后，完成花叶的分离、筛选和一机储运；美国John Deere公司研制的大麻去梢联合收获机（图5（b）），该机仅收割工业大麻的梢部端，并一机完成工业大麻花叶的分离、筛选和一机储运；德国HANF FARM公司研制出MultiCombine HC 3400型工业大麻联合收获机（图5（c）），可实现药用工业大麻和饲用工业大麻的收获；河北雷肯农业机械有限公司研制出雷肯自走式工业大麻收获机（图5（d）），该机采用弹齿式收割方式，可一次性高效快速地从工业大麻茎秆上采摘收获麻叶。

图5 国内外典型单割台工业大麻联合收获装备Fig.5 Typical single header industrial hemp combine at home and abroad

3.2 工业大麻双切割分段收获技术

工业大麻双切割分段收获技术主要用于药纤兼用工业大麻的联合收获，该类型装置由上下两套切割系统组成：上切割系统仅用于收获工业大麻植株上端的花叶或种子；下切割系统切割工业大麻茎秆后通过侧边输送铺放装置将茎秆均匀铺放至田间，用于剥制加工获取纤维[14，48-50]。

荷兰农业机械公司开发出一款工业大麻籽粒和纤维联合收割机（图6（a）），该机主要由上下双割台、输送装置、切碎装置、脱粒清选装置、储运装置和动力系统等组成：上割台切割工业大麻茎秆带籽粒的上部端，输送装置将上端茎秆输送至切碎装置，切割后的短茎秆经输送装置输送至脱粒清选装置，经脱粒清选后籽粒进入储运装置，而清选出的短茎秆、叶片等杂物输出铺放至机器后方；下割台切割下部端茎秆，并通过侧边输送机构将茎秆成条均匀铺放至机器一侧。

图6 工业大麻双切割分段收获装备Fig.6 Double cutting system subsection harvester of industrial hemp

黑龙江省科学院大庆分院机械研究所研制出籽粒茎秆兼收的双切割工业大麻联合收获机（图6（b））。该机基于约翰迪尔1048型谷物联合收割机进行改进，将1048谷物联合收割机的割台上移用于种子收获，然后通过机器自带的脱粒装置完成种子的脱粒过程；收获机下部增加割台用于茎秆收割，茎秆收割后放置田间进行雨露脱胶。该联合收获机割幅达2800 mm，作业工效较高，但籽粒收获清选的损失率偏高。

3.3 工业大麻双切割联合收获技术

工业大麻双切割联合收获技术主要用于花叶药用、籽用和饲用工业大麻的联合收获，该类型装置由上下两套切割系统组成：上切割系统用于收获工业大麻植株上端的花叶或种子，并实现花叶或种子的清选、收集和储运的联合作业；下切割系统切割工业大麻茎秆，通过切碎装置实现茎秆初步切碎，经过输送装置成条地铺放至田间或一机集储装运[13-14]。相对于整秆收获和双切割分段收获，双切割联合收获机器使用效率进一步提高，但这种方式有损剥制后的纤维质量，事实上这种方式得到的纤维很难用于纺织行业[51]。

2016年，欧盟科技框架计划的“MultiHemp”项目研发一款工业大麻籽粒收获装备（图7（a）），利用传输机将切割后的工业大麻上端短茎秆运输到多层振荡筛上摇出麻籽，以提高麻籽的质量和产量。项目组和美国John Deere公司联合研制出工业大麻籽粒和茎秆联合收获机（图7（b）），该机基于荷兰农业机械公司研制的工业大麻籽粒和纤维联合收获机进一步改进优化。该机上割台切割工业大麻茎秆带籽粒的上部端，经过上输送装置、上切碎装置、后输送装置和后拖挂脱粒清选装置，实现工业大麻籽粒的收割、切断、脱粒和清选，并完成籽粒的一机收储；下割台切割工业大麻茎秆下部端，并通过下输送装置、下切碎装置和输出装置，实现工业大麻茎秆的收割、输送、切碎和成条铺放至田间。

图7 欧盟工业大麻籽粒和茎秆联合收获机Fig.7 Industrial Hemp grain and stalk combine harvester in EU

随着国际上对工业大麻种植、生产和应用的部分政策放开，以及工业大麻在纺织、食品、药物、化妆品、造纸、板材和饲料等方面多功能利用的发展，欧美等国家对工业大麻双切割联合收获装备的需求日益迫切，尤其是欧洲的发达国家投入较大的政策支持和研究经费，市场上出现几款成熟的机型，表3所示为国外典型工业大麻双切割联合收获装备。

表3 国外典型双切割工业大麻联合收获装备Table 3 Typical double cutting system industrial hemp combine at home and abroad

续表3

4 中国工业大麻机械化收获存在的问题及发展趋势

4.1 中国工业大麻机械化收获技术难点与问题

21世纪初期至今，中国工业大麻收获技术经历了技术孕育阶段和快速发展阶段，工业大麻收割技术日趋成熟，联合收获技术也取得一定突破，已经初步形成了适合国情的工业大麻机械化收获技术体系，主要集中在黑龙江和山东等地区。然而，对比国外的发展现状和生产需求，中国工业大麻收获技术及装备还存在薄弱环节和空白领域，在今后的研究中需要重点关注和解决以下问题和技术难点。

（1）工业大麻产业化程度低，制约着工业大麻收获技术的发展速度

黑龙江、山东、云南、广西等4省（区）的工业大麻种植面积占全国的90%以上，因中国工业大麻种植生产政策不明朗，全国种植工业大麻的地区仍较少。工业大麻种植生产中研发集成不够、推广力度小等问题尤为突出；虽然在黑龙江和云南等地区已初步形成一定规模的种植基地，但生产主体多是以家庭为单位的个体经营户，生产经营规模小，多样的种植、管理和生产规模和多变的种植地形、气候等，制约着工业大麻机械化收获技术的发展速度。

（2）基础性研究落后，工业大麻生产工艺与机械化收获技术联动性差

工业大麻收获机械已发展多年，但工业大麻收获机械的基础研究、植物-机械相互作用机理和共性技术研究欠缺；科研院所和企业的技术创新机制尚未形成，对国外现有技术的依赖比较严重，具有自主产权的创新技术缺乏，从而造成中国工业大麻收获装备技术水平低。虽然现有收获环节均有机型覆盖，但各作业环节装备形式和原理比较单一，可供用户选择性极小，而不同种植地域和生产规模对机械装备的要求不同，生产工艺与机械化收获技术联动性差。因此，生产中经常出现机型选择困难、已选机械装备适用性低，甚至是“无机”可用，降低了工业大麻生产效率。

（3）工业大麻机械化收获环节发展不均衡，机械化收获技术存在短板

工业大麻生产机械已经发展多年，基本覆盖到耕作、种植、收获和初加工等各生产领域，但工业大麻机械化收获的各个环节发展不均衡。工业大麻收割环节相关的技术及装备发展相对成熟，但工业大麻的花叶收获、籽粒收获和茎叶兼收等联合收获技术方面仍属于薄弱环节，尤其是工业大麻花叶联合收获技术自主研发属于空白领域，工业大麻机械化收获过程存在明显短板，低损高效工业大麻收获装备极其缺乏。

（4）工业大麻机械化收获装备适用性与可靠性低

工业大麻种植生产环境复杂多样，黑龙江等地地域辽阔，工业大麻收获需要大幅宽联合作业装备；云南等丘陵地域，工业大麻收获需要中小型装备。从生产需求的角度，各生产应用环节需求存在多样性；从技术角度和企业经营来说，小型装备研发难度大，生产成本高且收益低。此外，中国工业大麻收获机械生产企业规模不大，技术和经济力量薄弱，无法开展大型和高尖端工业大麻收获设备自主研发，从而造成企业生产的工业大麻收获装备无法适应各地区的生产要求。虽然中国工业大麻收获装备的研发应用取得一定成果，但各收获环节的作业装备因关键技术和关键部件材料等问题使其适应性和可靠性较低，存在很大的局限性，尚未完全满足市场的需求，无法开展大面积推广。

4.2 工业大麻机械化生产发展趋势

结合中国工业大麻的生产需求，提出中国工业大麻机械化收获技术及装备的发展趋势和建议。

（1）开展农机农艺融合技术研究，打破制约产业发展的瓶颈

开展农机农艺深度融合，采用垄作、条播，厢面种植，适合收获机械下田作业；培育新品种，实现纤用工业大麻的矮化密植和花叶药用工业大麻的对行标准化种植，利于机械化收获；制定适合机械化收获的种植模式。加强基础农田建设，扩大单块区域种植面积，利于机械化生产；建立工业大麻机械化生产的示范点，用典型引带生产，促进产业发展。

（2）争取政策扶持，加强国际合作

多与政府和龙头企业沟通，完善并加强生产监管制度，扩大种植和生产规模，争取加大支持政策和扶持力度，支持工业大麻收获技术与装备的研发，加快实现工业大麻生产全程机械化进程。加强与欧美等工业大麻收获技术发达国家的技术交流，进一步就工业大麻收割收获技术、纤维剥制成套设备等方面开展合作研究与技术交流，加强国际合作。

（3）建立完整的工业大麻机械化收获技术体系

中国工业大麻种植地域，包括平原、丘陵和山地等，地形复杂，不同工业大麻种植地域其种植区域田块面积差异性极大，应依据不同种植区域的生产环境，结合不同区域生产条件和现状，实现大型工业大麻收获机械和丘陵山地高效轻便型收获机械并存发展，发展完善的工业大麻机械化收获技术体系，解决工业大麻机械化收获环节的短板；提高工业大麻机械化生产管理水平，加快工业大麻机械化生产产业化进程。

（4）填补工业大麻收获机械研发空白，加强弱势技术及装备的研发

根据生产和市场的需求，填补中国工业大麻收获机械研发空白领域，开展工业大麻花叶联合收获技术研究，同时开发花叶纤维兼收双切割收获技术，以满足东北地区工业大麻规模化发展对收获装备的需求；重点攻克工业大麻茎秆籽粒联合收获技术、种子收获技术。突破纤用工业大麻分段收获技术，与现有的翻晒技术和捡拾打捆技术集成研发，实现纤用工业大麻收获全程机械化生产。

（5）实现工业大麻收获机械集成化、智能化发展

通过多学科交叉融合研发，提高作业机械的适应性和生产效率，减少作业损失，降低劳动强度和作业成本，突破工业大麻机械化收获集成作业和智能化操作控制系统，实现工业大麻收获作业装备的集成化、智能化发展。