李 玲，鄧干然，崔振德，覃雙眉，何馮光

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091）

0 引言

木薯（Manihot esculenta crantz），又稱南洋薯、木番薯、樹薯，屬大戟科木薯屬植物，高1.5～3 m，塊根圓柱狀，約有5000 多年的種植歷史，遍布非洲、拉丁美洲和東南亞等地的90 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。木薯是世界第6 大糧食作物和3 大薯類（馬鈴薯、甘薯、木薯）作物之一，被譽(yù)為“地下糧倉(cāng)”“淀粉之王”，是許多熱帶、亞熱帶地區(qū)國(guó)家重要的糧食作物和能源作物，可食用、飼用、提取淀粉等，木薯為非洲和南美洲許多國(guó)家約7 億人口提供口糧[1-6]。

木薯在我國(guó)廣泛分布于華南地區(qū)，廣西、廣東和海南是我國(guó)光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一，具有發(fā)展木薯種植的優(yōu)越條件，是我國(guó)主要的木薯產(chǎn)區(qū)，此外，在福建、云南、江西、四川和貴州等省的南部地區(qū)亦有木薯種植，我國(guó)當(dāng)前木薯種植面積約30 萬hm2左右，木薯產(chǎn)量約占世界木薯產(chǎn)量的2.5%左右。

在我國(guó)熱區(qū)，傳統(tǒng)木薯生產(chǎn)作業(yè)主要包括整地、種植、田間管理和收獲4 個(gè)階段，其中收獲環(huán)節(jié)勞動(dòng)量占整個(gè)木薯生產(chǎn)作業(yè)的60%以上[7]。木薯收獲是制約木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[8-9]，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，人工成本急劇增加，傳統(tǒng)人工拔木薯的方式已不適應(yīng)當(dāng)前木薯生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)木薯收獲機(jī)械化能有效減輕木薯生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高木薯生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益，因此木薯生產(chǎn)機(jī)械化特別是木薯收獲機(jī)械化需求日趨急切。

國(guó)外對(duì)木薯收獲機(jī)機(jī)械化技術(shù)與裝備研發(fā)較早，以巴西和泰國(guó)為代表，工作形式主要包括挖掘式、拔式、挖拔結(jié)合式、挖掘-升運(yùn)鏈抖動(dòng)分離式等，既有機(jī)器挖掘、人工撿拾的分段式的木薯收獲機(jī)亦有自動(dòng)化程度較高的聯(lián)合收獲機(jī)投入應(yīng)用。但由于土地條件差異，國(guó)外機(jī)具不適宜國(guó)內(nèi)作業(yè)條件，在國(guó)內(nèi)，有中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所、海南大學(xué)、廣西大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、武鳴縣農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站、廣西水力機(jī)械所等機(jī)構(gòu)開展了木薯收獲技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)，部分機(jī)具在一定范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。然而，總體來看，木薯收獲機(jī)械化率仍然較低，其中機(jī)械損傷導(dǎo)致木薯?yè)p失率增加是阻礙木薯收獲機(jī)械進(jìn)一步推廣的原因之一。因此，了解木薯自身特性，分析木薯收獲過程中機(jī)械損傷形式及減損方法，對(duì)于降低木薯收獲過程中機(jī)械損傷、提高木薯品種、延長(zhǎng)采后木薯塊根保鮮期具有重要意義，對(duì)于促進(jìn)木薯機(jī)械化收獲技術(shù)與裝備的推廣、應(yīng)用具有重要作用。

1 木薯采后儲(chǔ)藏特征

木薯與甘薯、山藥等其他地下根莖類作物不同，木薯塊根的保質(zhì)期非常短，在受傷后很難在傷口形成有效的保護(hù)層，更容易發(fā)生腐爛變質(zhì)[10]。一般情況下，木薯塊根采后2～3 d 即在傷害誘導(dǎo)下生理代謝開始出現(xiàn)變化，迅速在塊根的維管束中出現(xiàn)褐條斑[11]（如圖1 所示）。木薯從植物體脫落后的變質(zhì)速度非?？欤癄€變質(zhì)使淀粉透明度下降，影響淀粉的品質(zhì)[11]。對(duì)于工業(yè)用木薯，木薯的腐爛變質(zhì)嚴(yán)重影響淀粉及燃料乙醇加工，使企業(yè)和農(nóng)民遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失；對(duì)于鮮食型甜木薯，木薯快速腐爛變質(zhì)使得其貨架期極短，造成大量浪費(fèi)，使得甜木薯產(chǎn)品的推廣應(yīng)用受限。

圖1 不同貯藏期木薯塊根變化

張振文等[12]指出木薯塊根采后腐爛涉及2 個(gè)不同階段的生理生化過程：一個(gè)是生理代謝過程，包括水分代謝、呼吸代謝和能量代謝等，這些生理生化變化貫穿塊根生長(zhǎng)發(fā)育的整個(gè)過程，只不過在不同生長(zhǎng)時(shí)期，所發(fā)生的強(qiáng)度和功能不盡一致；另一個(gè)階段是微生物感染導(dǎo)致的腐爛變質(zhì)過程。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球木薯每年采后腐爛損失量達(dá)總產(chǎn)量的 10%～30%[13]。木薯采后腐爛是多種因素共同作用的結(jié)果，包括品種、貯藏環(huán)境、機(jī)械損傷等。SHOHEI 等對(duì)不同傷害程度的木薯塊根貯藏過程生理變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)受傷后木薯塊根呼吸強(qiáng)度在貯藏1 d 就達(dá)到呼吸高峰，且極顯著高于對(duì)照未受傷塊根的呼吸強(qiáng)度[14]。這表明，機(jī)械損傷不僅影響木薯外觀品相，而且還嚴(yán)重降低了木薯的內(nèi)在品質(zhì)。

2 木薯機(jī)械損傷的主要形式

木薯為地下根莖類作物，每柱塊根數(shù)量平均約6～7 條，塊根頭部和中部較粗，尖端較小，呈長(zhǎng)圓錐狀，塊根由種莖基部向外延伸，薯長(zhǎng)可達(dá)30 cm以上，植根深度絕大部分集中于0～25 cm 層深，如圖2 所示。

圖2 木薯地下根莖

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研發(fā)的木薯收獲機(jī)械主要包括挖掘式、拔式、挖拔結(jié)合式、挖掘-升運(yùn)鏈抖動(dòng)分離式等幾種形式，我國(guó)對(duì)上述機(jī)型的研究都有所涉獵，其中拔式、挖拔結(jié)合式木薯收獲機(jī)仍然停留在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和田間試驗(yàn)階段，暫未見到相關(guān)應(yīng)用報(bào)道，目前已在推廣應(yīng)用的木薯機(jī)械收獲以挖掘式、挖掘-升運(yùn)鏈抖動(dòng)分離式2 種機(jī)型為主（如圖3、圖4）。

圖3 挖掘式木薯收獲機(jī)

圖4 挖掘-升運(yùn)鏈抖動(dòng)分離式木薯收獲機(jī)

以當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的挖掘-升運(yùn)鏈抖動(dòng)分離式木薯收獲機(jī)為例，在木薯機(jī)械化收獲過程中，木薯機(jī)械損傷主要有剪切損傷、機(jī)具碾壓損傷、跌落碰撞損傷、振動(dòng)損傷等幾種形式。木薯收獲過程中的機(jī)械損傷是木薯采后腐爛的重要誘因之一。

2.1 剪切損傷

木薯機(jī)械化收獲過程中的剪切損傷是由收獲機(jī)挖掘鏟或側(cè)板與木薯塊根直接接觸造成的損傷。木薯塊根呈長(zhǎng)圓錐狀，當(dāng)木薯塊根深度超出挖掘鏟挖掘深度或者木薯塊根一部分在收獲機(jī)作業(yè)幅寬以內(nèi)一部分在作業(yè)幅寬以外時(shí)，挖掘機(jī)挖掘鏟或側(cè)板會(huì)切斷木薯，從而造成木薯的剪切損傷，剪切損傷主要發(fā)生于木薯塊根末端，直接切斷部分木薯，傷口較規(guī)則。由于部分切斷木薯往往埋于土下，造成機(jī)械收獲損失率增加，如圖5 所示。

圖5 剪切損傷

2.2 機(jī)具碾壓損傷

木薯機(jī)械化收獲過程中的機(jī)具碾壓損傷是由拖拉機(jī)輪胎或收獲機(jī)地輪在木薯塊根上碾壓造成的損傷。當(dāng)木薯種植行向直線度較低，拖拉機(jī)難以對(duì)行，木薯種植行間距與拖拉機(jī)輪胎不匹配或者田間地頭預(yù)留轉(zhuǎn)彎空間較低時(shí)，拖拉機(jī)輪胎或地輪會(huì)碾壓木薯地造成木薯塊根損傷。機(jī)具碾壓使得木薯承受較大的徑向壓力，易造成表皮破損、薯肉碎裂，如圖6所示。

圖6 機(jī)具碾壓損傷

2.3 跌落碰撞損傷

木薯機(jī)械化收獲過程中的跌落碰撞損傷是木薯在挖掘、分離、輸送過程中，木薯與木薯、木薯與機(jī)具、木薯與地表相互碰撞造成的損傷，木薯跌落碰撞損傷多以表皮破損、內(nèi)部裂紋、塊根斷裂為表現(xiàn)形式。升運(yùn)鏈交接位置和升運(yùn)鏈末端木薯拋落位置最易發(fā)生跌落碰撞損傷。在聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中，多段升運(yùn)鏈輸送、升運(yùn)鏈末端木薯拋落于配套運(yùn)輸車中，跌落損傷為聯(lián)合收獲過程中木薯的最主要損傷形式，如圖7 所示。

圖7 跌落碰撞損傷

2.4 振動(dòng)損傷

木薯機(jī)械化收獲過程中的振動(dòng)損傷是木薯塊根在薯土分離、運(yùn)輸過程中升運(yùn)鏈抖動(dòng)而形成的，振動(dòng)造成的損傷一般以表皮破損、薯肉內(nèi)部出現(xiàn)裂紋等為表現(xiàn)形式，如圖8 所示。

圖8 木薯內(nèi)部裂紋

不同于前述剪切損傷、碾壓損傷和跌落碰撞損傷，振動(dòng)損傷具有累積性和延時(shí)性的特點(diǎn)。振動(dòng)載荷與產(chǎn)品的損傷密切相關(guān)，振動(dòng)強(qiáng)度越大、振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)、振動(dòng)次數(shù)越多，則越容易造成振動(dòng)和疲勞損傷，多次反復(fù)振動(dòng)后造成的損傷往往不會(huì)立即顯示出來，但是卻嚴(yán)重影響內(nèi)部品質(zhì)和貯藏特性。

3 木薯收獲減損方法探討

對(duì)木薯收獲過程機(jī)械損傷的研究極少，參照其他薯類作物，主要可將木薯收獲減損研究分為木薯生物力學(xué)特性以及木薯收獲過程中與機(jī)具、土壤相互作用2 個(gè)方面進(jìn)行。

3.1 木薯生物力學(xué)特性

2011 年，楊望等[16]測(cè)定了華南205 木薯塊根平均軸向拉伸強(qiáng)度、軸向壓縮強(qiáng)度、徑向壓縮強(qiáng)度、軸向剪切強(qiáng)度、徑向剪切強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、軸向彈性模量、徑向彈性模量等，并指出木薯塊根可視為各向同性材料。

對(duì)木薯生物力學(xué)特性的研究，可為建立木薯?yè)p傷過程仿真模型提供參數(shù)，為探索木薯機(jī)械損傷機(jī)理提供相關(guān)的理論依據(jù)。

3.2 木薯機(jī)械化收獲過程

木薯機(jī)械化損傷過程即木薯與機(jī)具、木薯與木薯、木薯與土壤相互作用的過程，因此，在木薯收獲過程中，應(yīng)減少木薯與機(jī)具的直接接觸，降低木薯與木薯、木薯與機(jī)具、木薯與土壤的接觸強(qiáng)度和碰撞頻率。結(jié)合木薯生產(chǎn)農(nóng)藝與木薯機(jī)械化收獲過程，木薯減損可從以下幾個(gè)方面著手。

1）篩選適宜機(jī)械化收獲的木薯種植品種。不同品種木薯的塊根在土壤中的空間分布特性不同，其形狀尺寸、塊根集中度、植根深度、伸展幅寬等直接影響機(jī)械收獲的效果。篩選塊根集中度高、植根深度較淺、伸展幅寬較小的木薯品種進(jìn)行機(jī)械化收獲，能有效減小收獲過程中機(jī)具對(duì)木薯塊根的剪切、碾壓損傷。

在宜機(jī)化木薯品種篩選方面，蘇必孟等[15]對(duì)當(dāng)前我國(guó)熱區(qū)普遍種植的華南205、南植199 和新選048 3 個(gè)木薯品種薯構(gòu)型進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)得3 種木薯塊根在半幅寬35 cm 以內(nèi)的比率為100%、96%、91%，在層深25 cm 以內(nèi)的比率為100%、100%、99%。此研究結(jié)論表明，華南205、南植199 相較于新選048更適宜進(jìn)行機(jī)械化收獲，也為木薯收獲機(jī)挖掘深度、作業(yè)幅寬設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2）提供良好的田間配套條件。田間地頭應(yīng)留有足夠的轉(zhuǎn)彎空間，避免機(jī)具碾壓作物。當(dāng)前木薯生產(chǎn)機(jī)具多配套66～88 kW 拖拉機(jī)，根據(jù)該動(dòng)力段拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑，田間地頭應(yīng)預(yù)留4～6 m 拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎空間。

3）采用適宜機(jī)械化作業(yè)的農(nóng)藝模式。采用標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化種植，保證較小的行距偏差和較高的行向直線度；宜采用起壟種植模式，同時(shí)壟距與拖拉機(jī)輪距相匹配并根據(jù)拖拉機(jī)輪胎寬度設(shè)置合理的壟溝寬度，確保作業(yè)過程中拖拉機(jī)輪胎行走于壟溝，從而避免碾壓木薯塊根。

在宜機(jī)化農(nóng)藝方面，鄧干然等[17]提出了一種寬窄雙行起壟種植的栽培模式，如圖9 所示，木薯采用起壟種植，壟距1.8 m，壟高25 cm 以上、壟面寬90 cm 以上，每個(gè)壟上種植2 行木薯,壟上2 行木薯行距約60 cm，鄰壟2 行木薯行距約120 cm，構(gòu)成寬窄雙行種植模式。在該種植模式下，通過壟形設(shè)定一個(gè)特定的土壤空間，限制木薯塊根的生長(zhǎng)范圍在大壟以內(nèi)，提高塊根的聚集度，同時(shí)收獲過程中拖拉機(jī)掛載木薯收獲機(jī)具沿壟溝行走，易對(duì)行，可顯著減少機(jī)械挖掘的斷薯率和損失率。

圖9 木薯寬窄雙行起壟種植模式示意

4）木薯收獲機(jī)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合木薯生物力學(xué)特性、地下構(gòu)型、種植農(nóng)藝對(duì)木薯收獲機(jī)具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)木薯種植農(nóng)藝和塊根地下構(gòu)型設(shè)計(jì)收獲機(jī)作業(yè)幅寬和挖掘鏟入土深度、入土角度；以木薯生物力學(xué)特性為基礎(chǔ)，采用多重緩沖減速技術(shù)和低位鋪放技術(shù)，降低輸送過程中木薯與收獲機(jī)薯土分離部件、木薯與木薯之間的碰撞強(qiáng)度和碰撞頻率，從而降低木薯跌落碰撞損傷和振動(dòng)損傷。

4 結(jié)論與討論

在木薯機(jī)械化收獲過程中，木薯機(jī)械損傷主要有剪切損傷、機(jī)具碾壓損傷、跌落碰撞損傷、振動(dòng)損傷等幾種形式。

當(dāng)前在木薯機(jī)收減損方面的研究仍處于起步階段，木薯生物力學(xué)特性的研究有待進(jìn)一步深入，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合模式有待進(jìn)一步探索，為低損收獲技術(shù)的研發(fā)提供參考。