木薯收獲過程中機械損傷及減損方法探析

李 玲，鄧干然，崔振德，覃雙眉，何馮光

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，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 多個國家和地區(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，被譽為“地下糧倉”“淀粉之王”，是許多熱帶、亞熱帶地區(qū)國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家約7 億人口提供口糧[1-6]。

木薯在我國廣泛分布于華南地區(qū)，廣西、廣東和海南是我國光、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 個階段，其中收獲環(huán)節(jié)勞動量占整個木薯生產(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)，實現(xiàn)木薯收獲機械化能有效減輕木薯生產(chǎn)勞動強度、提高木薯生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益，因此木薯生產(chǎn)機械化特別是木薯收獲機械化需求日趨急切。

國外對木薯收獲機機械化技術(shù)與裝備研發(fā)較早，以巴西和泰國為代表，工作形式主要包括挖掘式、拔式、挖拔結(jié)合式、挖掘-升運鏈抖動分離式等，既有機器挖掘、人工撿拾的分段式的木薯收獲機亦有自動化程度較高的聯(lián)合收獲機投入應(yīng)用。但由于土地條件差異，國外機具不適宜國內(nèi)作業(yè)條件，在國內(nèi)，有中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所、海南大學(xué)、廣西大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、武鳴縣農(nóng)機化技術(shù)推廣服務(wù)站、廣西水力機械所等機構(gòu)開展了木薯收獲技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)，部分機具在一定范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。然而，總體來看，木薯收獲機械化率仍然較低，其中機械損傷導(dǎo)致木薯損失率增加是阻礙木薯收獲機械進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械損傷形式及減損方法，對于降低木薯收獲過程中機械損傷、提高木薯品種、延長采后木薯塊根保鮮期具有重要意義，對于促進木薯機械化收獲技術(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]。對于工業(yè)用木薯，木薯的腐爛變質(zhì)嚴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)濟損失；對于鮮食型甜木薯，木薯快速腐爛變質(zhì)使得其貨架期極短，造成大量浪費，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 個不同階段的生理生化過程：一個是生理代謝過程，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發(fā)育的整個過程，只不過在不同生長時期，所發(fā)生的強度和功能不盡一致；另一個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，全球木薯每年采后腐爛損失量達總產(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、機械損傷等。SHOHEI 等對不同傷害程度的木薯塊根貯藏過程生理變化進行研究，發(fā)現(xiàn)受傷后木薯塊根呼吸強度在貯藏1 d 就達到呼吸高峰，且極顯著高于對照未受傷塊根的呼吸強度[14]。這表明，機械損傷不僅影響木薯外觀品相，而且還嚴重降低了木薯的內(nèi)在品質(zhì)。

2 木薯機械損傷的主要形式

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，呈長圓錐狀，塊根由種莖基部向外延伸，薯長可達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，國內(nèi)外研發(fā)的木薯收獲機械主要包括挖掘式、拔式、挖拔結(jié)合式、挖掘-升運鏈抖動分離式等幾種形式，我國對上述機型的研究都有所涉獵，其中拔式、挖拔結(jié)合式木薯收獲機仍然停留在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和田間試驗階段，暫未見到相關(guān)應(yīng)用報道，目前已在推廣應(yīng)用的木薯機械收獲以挖掘式、挖掘-升運鏈抖動分離式2 種機型為主（如圖3、圖4）。

圖3 挖掘式木薯收獲機

圖4 挖掘-升運鏈抖動分離式木薯收獲機

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

2.1 剪切損傷

木薯機械化收獲過程中的剪切損傷是由收獲機挖掘鏟或側(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作業(yè)幅寬以內(nèi)一部分在作業(yè)幅寬以外時，挖掘機挖掘鏟或側(cè)板會切斷木薯，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，造成機械收獲損失率增加，如圖5 所示。

圖5 剪切損傷

2.2 機具碾壓損傷

木薯機械化收獲過程中的機具碾壓損傷是由拖拉機輪胎或收獲機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，拖拉機難以對行，木薯種植行間距與拖拉機輪胎不匹配或者田間地頭預(yù)留轉(zhuǎn)彎空間較低時，拖拉機輪胎或地輪會碾壓木薯地造成木薯塊根損傷。機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 機具碾壓損傷

2.3 跌落碰撞損傷

木薯機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。升運鏈交接位置和升運鏈末端木薯拋落位置最易發(fā)生跌落碰撞損傷。在聯(lián)合收獲機作業(yè)過程中，多段升運鏈輸送、升運鏈末端木薯拋落于配套運輸車中，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 振動損傷

木薯機械化收獲過程中的振動損傷是木薯塊根在薯土分離、運輸過程中升運鏈抖動而形成的，振動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，振動損傷具有累積性和延時性的特點。振動載荷與產(chǎn)品的損傷密切相關(guān)，振動強度越大、振動時間越長、振動次數(shù)越多，則越容易造成振動和疲勞損傷，多次反復(fù)振動后造成的損傷往往不會立即顯示出來，但是卻嚴重影響內(nèi)部品質(zhì)和貯藏特性。

3 木薯收獲減損方法探討

對木薯收獲過程機械損傷的研究極少，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具、土壤相互作用2 個方面進行。

3.1 木薯生物力學(xué)特性

2011 年，楊望等[16]測定了華南205 木薯塊根平均軸向拉伸強度、軸向壓縮強度、徑向壓縮強度、軸向剪切強度、徑向剪切強度、抗彎強度、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。

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

3.2 木薯機械化收獲過程

木薯機械化損傷過程即木薯與機具、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)減少木薯與機具的直接接觸，降低木薯與木薯、木薯與機具、木薯與土壤的接觸強度和碰撞頻率。結(jié)合木薯生產(chǎn)農(nóng)藝與木薯機械化收獲過程，木薯減損可從以下幾個方面著手。

1）篩選適宜機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行機械化收獲，能有效減小收獲過程中機具對木薯塊根的剪切、碾壓損傷。

在宜機化木薯品種篩選方面，蘇必孟等[15]對當(dāng)前我國熱區(qū)普遍種植的華南205、南植199 和新選048 3 個木薯品種薯構(gòu)型進行了測定，測得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更適宜進行機械化收獲，也為木薯收獲機挖掘深度、作業(yè)幅寬設(shè)計提供了依據(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，避免機具碾壓作物。當(dāng)前木薯生產(chǎn)機具多配套66～88 kW 拖拉機，根據(jù)該動力段拖拉機轉(zhuǎn)彎半徑，田間地頭應(yīng)預(yù)留4～6 m 拖拉機轉(zhuǎn)彎空間。

3）采用適宜機械化作業(yè)的農(nóng)藝模式。采用標(biāo)準化和規(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，同時壟距與拖拉機輪距相匹配并根據(jù)拖拉機輪胎寬度設(shè)置合理的壟溝寬度，確保作業(yè)過程中拖拉機輪胎行走于壟溝，從而避免碾壓木薯塊根。

在宜機化農(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)定一個特定的土壤空間，限制木薯塊根的生長范圍在大壟以內(nèi)，提高塊根的聚集度，同時收獲過程中拖拉機掛載木薯收獲機具沿壟溝行走，易對行，可顯著減少機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）木薯收獲機機械優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合木薯生物力學(xué)特性、地下構(gòu)型、種植農(nóng)藝對木薯收獲機具進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)木薯種植農(nóng)藝和塊根地下構(gòu)型設(shè)計收獲機作業(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薯土分離部件、木薯與木薯之間的碰撞強度和碰撞頻率，從而降低木薯跌落碰撞損傷和振動損傷。

4 結(jié)論與討論

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

當(dāng)前在木薯機收減損方面的研究仍處于起步階段，木薯生物力學(xué)特性的研究有待進一步深入，農(nóng)機農(nóng)藝融合模式有待進一步探索，為低損收獲技術(shù)的研發(fā)提供參考。