摘要[目的]研究木薯塊根的生物特性和种植环境，为开发轻简型、实用的木薯收获机提供基础数据，以解决丘陵地区木薯收获的技术难题。[方法]调研丘陵山地的木薯收获问题，测量木薯块根的最大入土深度、块根分布面积最大直径、块根长度、块根最大直径、单块薯质量、单株薯总质量、单株块根数量、丘陵山地道路和小田块的坡度。[结果]块根最大入土深度的平均值为200.0 mm，最大值为273.0 mm，块根分布面积最大直径的平均值为601.2 mm，最大值为812.0 mm，丘陵山地道路的坡度平均值为10.0°，小田块的坡度平均值为3.8°。根据木薯块根的生物特性提出人工动力轻简型拔起式木薯收获机的工作宽度、工作长度可设计为560.0～820.0 mm，拔起行程可设计为300.0～600.0 mm。田间试验结果表明，在丘陵山地小田块上使用的人工动力轻简型拔起式木薯收获机，重量小于25 kg的行走性能较好，重量大于25 kg的行走、移动操作比较困难。根据木薯块根的生物特性数据减小木薯收获机的工作宽度、工作长度，就能减小木薯收获机的总体尺寸，从而减轻重量，能够适应丘陵山地的行走和木薯收获。[结论]在不影响产量的前提下，把木薯种在垄中间，则大大有利于木薯收获机快速移动到木薯旁边，提高收获生产率。木薯收获机的重量和尺寸是影响丘陵山地木薯收获的重要因素。
关键词木薯；生物特性；种植方式；木薯收获机重量；丘陵山地
中图分类号S225文献标识码A文章编号0517-6611（2017）33-0213-05
Effects of Biological Characteristics and Planting Environment of Cassava Root Tubers on Mechanized Harvesting
YANG Zhixi
（Agricultural Technology Service Center， Dashi Street， Panyu District， Guangzhou， Guangdong 511430）
Abstract[Objective]To study the biological characteristics and planting environment of cassava root tubers， and provide basic data for developing lightweight simplyequipped and practical cassava harvester so as to solve the technical problems about cassava harvesting in hilly areas. [Method]Investigate into the problems about cassava harvesting in hilly areas， measure the maximum insoil depth of cassava root tubers， the maximum diameter of roottuber distribution area， root tuber length， root tuber diameter， mass of a single piece of cassava， total mass of a single plant of cassava， number of root tubers of a single plant， and the slope of hillyarea roads and small field parcels. [Result]The mean value of the maximum insoil depth of the root tuber is 200.0 mm and the maximum value is 273.0 mm；the average diameter of root tuber distribution area is 601.2 mm and the maximum value is 812 .0 mm；the average value of slope of the hillyarea roads is 10.0° and the average slope of the small field parcel is 3.8°. According to the biological characteristic data of cassava root tubers， propose that the working width and working length of the manuallypowered lightweight simplyequipped pullup type cassava harvester can be designed to be 560.0～820.0 mm， and the pullup stroke can be designed to be 300.0～600.0 mm. The results of field experiments show that the manuallypowered lightweight simplyequipped pullup type cassava harvesters weighing below 25 kg used on small field parcels in hilly area may walk better， while those weighing over 25 kg may walk and move poorly. According to the biocharacteristic data of cassava root tubers， the working width， working length and overall size of cassava harvester can be reduced， so that the weight can be reduced， and their walking and cassava harvesting performances can be adapted to the hilly areas. [Conclusion]If the cassava species are planted in the middle of the rows without affecting the yield， the cassava harvester can be quickly moved to the side of the cassava so as to improve the yield productivity. The weight and size of a cassava harvester are the important factors that affect the harvesting of cassava in hilly areas.
Key wordsCassava；Biological characteristics；Planting pattern；Weight of cassava harvester；Hilly area
木薯是世界三大薯类作物（木薯、马铃薯、甘薯）之一，我国的木薯种植面积2015年已达到70万hm2，潜在种植面积为150万hm2，年产值将达500亿元[1-7]。
至今，国内的木薯收获主要采用传统的人畜作业方式，劳动强度大、收获成本高，在木薯生产过程中用工量最大，且在收获季节由于收获效率低、所耗时间长，导致木薯减产，严重阻碍了木薯种植业的发展，成为木薯种植业发展的“瓶颈”。木薯收获是我国木薯产业链中最薄弱的环节，在相当大程度上制约了木薯产业的发展，影响了农民的收入[1，8，9-13]。目前，国内市场上尚未有成熟的、适应性强的、能够大规模推广应用的木薯收获技术和机械，特别是对于生长在丘陵坡地、小地块、道路环境恶劣等复杂环境中的木薯收获技术和机械的研究，基本上还是空白。现有的木薯收获机械对于土壤黏性大、套种其他农作物的农田以及雨季潮湿泥泞的农田，适应性不强，甚至不能适应[1，8]。
研究丘陵地区木薯收获技术，对在我国推广木薯种植、增加农民收入、实现木薯产业化发展、解决三农问题具有重要意义。
中国热带农业科学院农业机械研究所的崔振德、黄晖、叶剑秋等指出：至今世界市场上也没有技术成熟并能适应土壤黏性较大及地块较小、地处丘陵山区等作业条件的木薯挖掘机[12]。
国外对木薯收获机械和收获技术的研究始于1932年[4，13-14]，至今，国外的木薯收获并未完全实现机械化作业，也不能完全适合我国的木薯收获，而国内的木薯收获技术和机械研究起步较迟，虽然近年来取得了很多研究成果，但其适应性、实用性还有待提高。国内外研制的木薯收获机械和开发的木薯收获技术，基本上是大型或较大型的机械，适用于大型或较大的平地，不适用于丘陵山地，有关丘陵地区木薯收获技术的研究成果极少。
随着我国经济的快速发展，能源需求不断增长，木薯种植面积不断扩大，但木薯种植和收获器械的研究相对落后，尚处在起步阶段，市场上没有成熟的机型，难以满足产业发展的需要[11，15]。 因此，开发适合我国木薯种植实际情况的丘陵山地木薯收获技术和机械是亟需解决的重要课题。
笔者通过研究木薯块根的生物特性和种植环境，为开发轻简型、实用的木薯收获机械提供基础数据，为解决丘陵地区木薯收获的技术难题打下基础。通过调研和测定木薯种植方式、丘陵山地道路状况、木薯品种、块根长度、块根的最大直径、单块薯质量、单株薯总质量、块根最大入土深度、块根分布面积最大直径，分析其对木薯收获的影响，根据木薯块根的生物特性数据提出设计人工动力轻简型拔起式木薯收获机的工作宽度、工作长度、拔起行程的尺寸范围，并分析丘陵山地和道路状况对使用轻简型木薯收获机进行木薯收获的影响。
1材料与方法
1.1材料
供试原料为木薯品种华南5号；土壤为试验基地的红壤。
试验设备和工具：小型木薯收获机试验机，欧文五金机械有限公司制造；SF-400电子秤，分度值1 g，额定称量5 kg，永康市鑫瑞拓家用衡器厂生产；150×0.02 mm II型游标卡尺，游标精度0.02 mm，哈尔滨量具刃具集团有限责任公司生产；JZC-B2型多功能坡度测量仪，测量精度±1°，南方建筑仪器厂生产；TGT-500机械磅秤，称量500 kg，精度0.2 kg，广州市准星衡器厂生产；钢尺、卷尺。
1.2取样时间及测定的相应指标
试验于2014年2月10日～19日在中国热带农业科学院广州实验站开平高新品种试验基地（广东省开平市百合镇）、国家木薯产业技术体系广州综合试验站进行。
木薯收获后，测量单块薯质量、单株薯总质量、单株块根数量，测定5株木薯，每个数据测量1次。
木薯收获后，测量木薯的块根长度、块根最大直径、块根最大入土深度、 块根分布面积最大直径，测定5株木薯，每个数据测量3次，取其最大值作为测量数据。
测量丘陵山地道路、小田块的坡度，各测定5个地点，每个数据测量1次。
1.3各指标的测定及试验方法
1.3.1木薯種植环境的调研。
使用钢尺、卷尺，对位于丘陵山区试验基地小田块的种植华南5号木薯的种植环境进行了调研，使用JZC-B2型多功能坡度测量仪，测量试验地的丘陵山地道路、山地小田块的坡度。
1.3.2土壤类型的调研。
试验基地土壤是红壤，土壤质地较为疏松，是适宜木薯生长发育的土壤。
1.3.3木薯块根的测量。
试验木薯品种华南5号是由ZM8625与华南8013的杂交后代选育而成，是目前我国推广面积最大的新品种之一[16]。
生长特点：种茎耐贮存，发芽力强，出苗快，生长整齐；块根及茎叶产量高，块根可制淀粉或饲用，茎、叶可青贮饲用。植后7～8个月可收获，属早中熟品种。
适应性强，耐瘠耐肥，肥地更能充分发挥高产薯大的良种特性，耐旱，旱地出苗齐，且苗期生长快，能提早覆盖地表保湿；另外，它密节矮秆，主茎秆粗壮硬直，较抗风，适于沿海干旱和多台风地区栽培[17-18]。
木薯收获后，用钢尺、卷尺测量木薯的块根长度、块根最大入土深度、块根分布面积最大直径，用游标卡尺测量木薯块根的最大直径，用SF-400电子秤称量单块薯质量、单株薯总质量。
2结果与分析
2.1种植方式对收获的影响
试验基地的木薯种植方式是垄作，种植时垄宽120 cm，垄高20 cm，垄间的沟宽60 cm左右，木薯种植在垄的两边近沟处（图1），经过9个月生长期后，垄高为8～15 cm；木薯种植株距70 cm，行距100 cm；扦插方式为斜插。
当小型木薯收获机移动到种植木薯处，因处于沟边，容易造成小型木薯收获机的不平衡、侧翻，影响收获。木薯收获时，收获机的一边轮子在垄边，另一边轮子在沟内，木薯收获机会呈倾斜状态，影响收获机的平衡和稳定。由此看出农机和农艺结合的重要性，在保证获得高产的前提下，木薯种植方式要结合木薯收获机的使用，使收获操作方便，最好种在垄中间，尽量不要种在沟边，这样木薯收获机的轮子能平稳着地，不倾斜，易于收获，且能大大节省木薯收获机移动接近木薯莖秆的时间，有效提高生产率和降低成本。
能否迅速容易地接近木薯植株，是衡量木薯收获机是否高效率、实用的重要指标之一，因此木薯收获机必须做得总体尺寸小、重量轻，且使农机和农艺结合才能达成。如果在不影响产量的前提下，把木薯种在垄中间，则大大有利于木薯收获机快速移动到木薯旁边，提高收获生产率，方便收获机械的操作。
2.2木薯块根对收获的影响
华南5号木薯块根的测量数据如表1所示。
从表1可以看出，单株块根数量平均值6.2个，最小值3.0个、最大值8.0个；单株薯总质量平均值0.944 kg、最小值0.611 kg、最大值1.216 kg。
图2是试验用的人工动力轻简型拔起式小型木薯收获机。如图2所示，人工动力轻简型拔起式木薯收获机的工作宽度即两支腿之间的距离A，工作长度即支腿的长度B，拔木薯时，拔起臂从拔起开始到拔起结束所经过的距离称为拔起行程D，此即将1株木薯拔起至离开土壤所经过的距离，此距离应大于木薯的最大入土深度，即木薯被拔起至离开土壤。
对于拔起式木薯收获机，工作宽度、工作长度有如下要求：
①工作要求。应能适应向上拔起整株木薯而不会被收获
机卡住木薯块根。
②设计方法。木薯收获机的工作宽度≥块根分布面积最大直径平均值，木薯收获机的工作长度≥块根分布面积最大直径平均值。
从表1可以看出，块根分布面积最大直径平均值为611.2 mm，最小值501.0 mm，最大值812.0 mm。
根据实测数据，可设计木薯收获机的工作宽度、工作长度为560～820 mm。
木薯收获机的工作宽度、工作长度与总体尺寸、重量有关，减小工作宽度、工作长度，就能减小总体尺寸、减轻重量。
木薯收获机的拔起行程可选择为：
拔起行程≥最大入土深度的平均值，
或拔起行程≥最大入土深度的最大值。
由表1可以看出，最大入土深度平均值200.0 mm、最小值117.0 mm、最大值273.0 mm。
木薯收获机的拔起行程可设计为300.0～600.0 mm，数值取大些是为了使木薯收获机的拔起行程有足够的宽裕，能适应大株的、块根最大入土深度很深的木薯，并能适应茎秆倾斜甚至近地面的木薯收获，这类木薯在收获时要把茎秆拉向竖直，因而需要一定的拔起行程。
木薯收获机的拔起行程与总体尺寸、重量有关，减小木薯收获机的拔起行程，就能减小总体尺寸、减轻重量，能够适应丘陵山地的行走，适应丘陵山地的木薯收获。
2.3丘陵山地和道路状况对收获的影响
丘陵山地道路和小田块的坡度测量数据如表2所示。从表2可以看出，山地小田块的坡度范围为3.0°～5.0°，平均值为3.8°。
丘陵山地道路的坡度范围为9.0°～12.0°，平均值10.0°。
丘陵山地和道路有坡度，农田、路面凹凸不平，有沟，杂草、灌木、石块等较多，特别是对于有石块、砖头和泥泞的农田、道路，或无机耕道路的，木薯收获机行走困难，木薯收获机一定要重量轻和轮子转向灵活，才能适应在这种地面行走。我国木薯种植地块主要集中在南方，多在贫穷落后的山区种植，劳动力因外出打工多而紧缺，青壮年劳动力少，妇女和中老年劳动者多，木薯收获机的重量要很轻才能受农民欢迎。
由于有垄和沟，地面凹凸不平，木薯收获机械较难行走，并难以接近木薯植株，即使能接近木薯植株，木薯收获机也多呈倾斜状态，增加了收获的难度并影响了生产率。杂草丛生的种植环境，会影响木薯收获机的移动以及移动速度，从而影响木薯收获机接近木薯，给木薯收获带来了困难。
试验结果表明，在丘陵山地的小田块上使用的木薯收获机，最好重量小于25 kg，越轻量越好，重量大于25 kg的，行走、移动操作就比较困难。
3结论与讨论
3.1结论
该试验通过对丘陵山地木薯的生物特性和生长环境进行了调研和测定，包括种植方式、生长状态、道路状况的调研，块根的测量和分析。
块根最大入土深度的平均值为200.0 mm，最大值为273.0 mm；块根分布面积最大直径的平均值为611.2 mm，最大值为812.0 mm。
对于拔起式木薯收获机的工作宽度、工作长度、拔起行程，有如下要求：
①木薯收获机的工作宽度和工作长度。
工作要求为应能适应向上拔起整株木薯而不会被木薯收获机卡住木薯块根。
设计方法为木薯收获机的工作宽度≥块根分布面积最大直径平均值， 木薯收获机的工作长度≥块根分布面积最大直径平均值。
根据实测数据，可设计木薯收获机的工作宽度、总工作长度为560～820 mm。
拔起式木薯收获机的拔起行程。
工作要求应能拔起整株木薯至块根离开土壤。
设计方法：拔起行程≥最大入土深度的平均值，
或拔起行程≥最大入土深度的最大值。
实测块根最大入土深度平均值200.0 mm，最大值273.0 mm。
木薯收获机的拔起行程可设计为300.0～600.0 mm，数值取大些是为了使木薯收获机的拔起行程有足够的宽裕，能适应大株的、块根最大入土深度很深的木薯，并能适应茎秆倾斜甚至近地面的木薯收获，这类木薯在收获时要把茎秆拉向竖直，因而需要一定的拔起行程。
木薯收获机的工作宽度、工作长度、拔起行程与总体尺寸、重量有关，减小木薯收获机的工作宽度、工作长度、拔起行程，就能减小木薯收获机的尺寸、减轻重量，只有减轻重量才能够适应丘陵山地的行走和木薯收获。
在丘陵山地的小田块上使用的人工动力轻简型木薯收获机，重量小于25 kg，移动性能和操作性能良好；重量大于25 kg的，移动和操作比较困难。
通过木薯收获试验，发现能否迅速容易地移动接近木薯植株，是衡量木薯收获机是否实用的重要指标之一，减小木薯收获机的总体尺寸、重量，使农机和农艺结合，在不影响产量的前提下，把木薯種在垄中间，会大大有利于木薯收获机械的操作和提高收获的生产率。木薯收获机的重量和尺寸是影响丘陵山地木薯收获操作的重要因素。
测定结果为开发更小型、更轻、适应性更强、更实用和有市场推广价值的木薯收获机械，解决丘陵地区木薯收获的难题提供了重要的基础数据。
3.2讨论
要开发适合丘陵山地的木薯收获机械，了解木薯生物学特性以及木薯生长环境对收获的影响很重要[19-20]。木薯块根肉质松脆，收获时很容易破损和折断，对于黏性土壤和干硬地块，要求的拔起力大，更容易破损和折断[1]。木薯块根入土深，块根向不同方向延伸，同时大小、长度不一[1，9，19]，无规律等，都会影响其收获。测量块根的生长数据，研究块根的空间分布，对木薯收获机械的收获方式、机械结构、强度、零部件尺寸设计尤为重要[21]。种植农艺复杂多样造成木薯收获机具难适配，木薯有垄作、平作、平放种植、斜插种植、竖立种植，尤其在丘陵地区，由于各种植区的垄形、垄距差距较大，造成牵引机及收获机的轮距难以匹配，致使木薯机械化收获难度加大[22]。
丘陵山地的地形复杂、坡地、道路不平、无机耕道、沟垄起伏不平、土地零散面积小、梯田，木薯收获机难以在地头转向；木薯收获机还要适应土壤干旱板结、黏性土壤、土壤潮湿泥泞、杂草丛生的环境；要适应复杂多样的种植农艺、农艺不规范、株行距不一、垄形垄距不一、间种套种、管理较混乱的木薯种植。
减小木薯收获机的重量，可根据木薯的生物特性，在不影响收获的前提下，尽量减小木薯收获机的尺寸，还可以通过选用强度高、工艺性能好的材料，设计新型的木薯收获机，把重量减轻到25 kg以下，能有效提高生产效率和降低成本，适应丘陵山地的行走和木薯收获。只有结构简单、重量很轻的木薯收获机，才能快速地在山地移动，灵活地适应恶劣的地形环境、种植环境、复杂多变的农艺和生长状态，将其应用于丘陵山地的木薯收获，才能提高木薯收获生产率和大幅度降低成本。
木薯收获田间试验表明：木薯收获机的重量和尺寸对山地移动速度、木薯收获生产率、成本和经济效益有非常显著的影响。
参考文献
[1] 黄晖，崔振德，张园，等.木薯收获机械研究进展与分析[J].中国热带农业，2012（6）：20-22.
[2] 廖宇兰，孙佑攀，林大春，等.木薯收获机械研究进展[J].热带农业工程，2009，33（1）：54-56，60.
[3] 陈炎杰，廖宇兰，刘世豪，等.木薯形态及其收获起拔力分析[J].农机化研究，2017，39（8）：195-198.
[4] 杨望.基于粘土的木薯块根仿生拔起机构基础理论研究[D].南宁：广西大学，2012.
[5] HOWELER R.Cassava in asia：Trends in cassava production，processing and marketing[C]//Workshop on partnership in modern science to develop a strong cassava commercial sector in Africa and appropriate varieties by 2020.Bellagio，Italy：[s.n.]，2006.
[6] ADENIYI O D，KOVO A S，ABDULKAREEM A S，et a1.Ethanol fuel production from cassava as a substitute for gasoline[J].Journal of dispersion science and technology，2007，28（4）：501-504.
[7] DAI D，HU Z Y，PU G Q，et a1.Energy efficiency and potentials of cassava fuel ethanol in Guangxi region of China[J].Energy conversion and management，2006，47（13/14）：1686-1699.
[8] 蒋志国.木薯收获机挖掘部件的研究设计[D].湛江：广东海洋大学，2010.
[9] 蒋志国，黄晖，李明，等.我国研发木薯收获机械的必要性[J].中国热带农业，2008（6）：34-35.
[10] 薛忠，黄晖，李明，等.4UMS-390Ⅱ型木薯收获机的研制[J].农机化研究，2010，32（8）：79-81，83.
[11] 陈阳，张燕.木薯收获机械的研究现状及展望[J].安徽农业科学，2012，40（14）：8391-8393，8398 .
[12] 崔振德，黄晖，叶剑秋，等.轻便型木薯采挖机：201220533382.0[P].2013-04-10.
[13] 杨望，杨坚，郑晓婷，等.木薯块根收获机械与技术研究现状与发展趋势[J].农机化研究，2012，34（12）：230-235.
[14] KOLAWOLE P O，AGBETOYE L，OGUNLOWO S A.Sustaining world food Security with improved cassava processing technology：The Nigeria experience[J].Sustainability，2010，2：3681-3694.
[15] 梁海波，魏云霞，黄洁，等.世界木薯生产对中国的启示[J].中国农学通报，2016，32（9）：94-99.
[16] 黄洁，李开绵，叶剑秋，等.木薯新品种介绍[J].广西热带农业，2005（5）：22-23.
[17] 韦本辉.中国木薯栽培技术与产业发展[M].北京：中国农业出版社，2008：35-39.
[18] 陈冠喜，李开绵，叶剑秋，等.6个木薯品种生长发育及产量性状的初步研究[J].热带农业科学，2009，29（6）：26-29.
[23] 陈丹萍，廖宇兰，王涛，等.影响木薯机械化收获的生物环境特性[J].农机化研究，2012，34（6）：55-58.
[24] 陈丹萍.挖拔式木薯收获机挖掘部件研究[D].海口：海南大学，2012.
[25] 李整民.木薯收获技术的进展[J].热带作物机械化，1993（3）：48-51.
[26] 宋付平，黎明，覃新导.广东省发展机械化收获木薯的难度及策略[J].南方农业，2014，8（33）：164-166.