木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯类作物之一,是加工淀粉和酒精的重要工业原料。巴西是木薯发源地,其木薯生产机械化程度处于世界领先水平。哥伦比亚、泰国、尼日利亚等国通过引进借鉴巴西木薯生产机械,开展了相关研究与推广。目前我国木薯生产主要靠人工,机械化程度低,生产成本高、效率低,严重制约了我国木薯产业发展[1,2]。近年来,我国通过学习消化国外先进木薯机械化生产技术,研究适合我国国情的木薯收获机械等装备[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。其中,邓干然等[3]提出了一种适合机械化生产的木薯宽窄双行起垄种植模式,并根据木薯的种植农艺技术要求,研究了木薯宽窄双行起垄种植模式配套机具,已进行推广示范应用,并取得显著成效。但收获机具在应用过程中发现：由于不同品种木薯的薯块在土壤空间分布的形状尺寸、集中度、入土深度等差异大,对于薯块短、集中、入土浅的木薯品种,机械收获时断薯率低,土壤扰动量少,能耗低;而薯块长、分散、入土深的木薯品种,机械收获时断薯现象严重,因土壤扰动量大而能耗高。
1 材料与方法
1.1 材料
2015年,国投广东生物能源公司、中国热带农业科学院的热带作物品种资源研究所和农业机械研究所合作,在广东省湛江市联合建立4个木薯全程机械化生产示范基地。示范基地土壤均为沙壤土,“一犁二耙”备耕,木薯采用机械化平种模式,平均行距90 cm、平均株距70 cm,种植深度5~8 cm;种植时,均基施375 kg/hm2的洋丰牌复合肥[w(N):w(P2O5):w(K2O)=17:17:17],无追肥。3月中旬种植,12月中旬调查,生长期9个月。本研究初选3个典型木薯品种华南205（SC205）、南植199（NZ199）和新选048（XX048）作为研究对象。
1.2 方法
在4个示范基地分别抽取5个代表性样点,在各个样点中,每个品种均抽取长势相对均匀一致的木薯5株。在距离木薯植株>50.0 cm的外围,先用小铲挖开表层泥土,再用小木棍慢慢刨土,注意尽量不伤及薯块,直至祼露出完整的薯构型（图1）。各项测量指标如下：
薯数（条/株）：在单株木薯中,薯径≥1.0 cm的薯块条数。
薯尖：指薯块尾部直径1.0 cm处。为统一标准,并避免模糊的测量概念,本研究剔除薯块尾部的尖细部分以及纤维根等无用部分。
薯长（cm）：从薯柄至薯尖的长度。若薯柄明显,则从薯柄与薯肉交界处为始;若薯柄不明显,则从种茎与薯肉交界处为始。
薯径（mm）：用游标卡尺测量薯块不同部位的直径。薯尾指离薯尖5 cm处的部位,薯头为离薯柄5 cm处的部位,薯中为薯头与薯尾的中间部位。
薯半幅宽（cm）：薯尖与种茎（播种行的中线）的垂直水平宽度,分别调查左半幅和右半幅。
薯的α角（°）：薯块中心线与种茎水平面（地面）的垂直夹角。α角越大,结薯越深;α角越小,结薯越浅。
薯的β角（°）：薯块中心线与种茎中心线的水平夹角,把种茎基部作为起始,记为0°,在种茎中心线的右侧薯块夹角记为正角（+）,在种茎中心线左侧薯块夹角记为负角（–）。不论左侧或右侧,其β角越大,结薯部位离种茎基部越远;β角越小,离种茎基部越靠近。
不同层深的薯数和薯重：从地面至薯尖水平面的垂直深度,划分为0~20.0、20.1~25.0、25.1~30.0、≥30.1 cm共4个层深,统计每株木薯中位于不同层深的薯数,并对每株木薯的所有薯块,均逐层立体切分后,称其不同层深的薯重（kg）。
1.3 数据处理
采用Excel软件和SPSS软件进行数据处理及图表生成,使用CAXA CAD电子图板2016（x64）制图。
2 结果与分析
2.1 薯数、薯长、薯径
3个木薯品种的薯数、薯长、薯径见表1。3个木薯品种的单株结薯数为6.9条左右,平均薯长为29.5 cm左右,均无显著差异。新选048各部位的薯径均较大,而华南205和南植199略细,差异显著。3个木薯品种的薯块头部和中部部分长而粗,而薯尾较为短小,薯块均呈长圆锥形。
表1 3个木薯品种的薯数、薯长、薯径Tab. 1 Storage root number, length and diameter of three cassava varieties |
| 品种 Varieties | 结薯数 Number of storage root | 薯长 Length of storage root/cm | 薯径 Diameter of storage root/cm | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 薯头 Head | 薯中Middle | 薯尾 Tail | |||
| SC205 | 7.4±0.4a | 28.1±1.4a | 6.1±0.2b | 5.9±0.2ab | 4.3±0.2a |
| NZ199 | 6.2±0.4a | 31.7±1.6a | 5.9±0.2bc | 5.5±0.2b | 3.6±0.1b |
| XX048 | 7.0±0.7a | 28.8±1.2a | 7.1±0.3a | 6.4±0.2a | 4.2±0.1ab |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05). | |
注：同一列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.2 薯半幅宽
由于3个木薯品种薯块的左半幅宽和右半幅宽均差异较小,故取薯块的平均半幅宽度,3个木薯品种的薯块在不同半幅宽范围内的薯条数占比见表2。当收获半幅为0~30.0 cm时,华南205、南植199和新选048的薯条数占比分别为95.6%、91.5%、85.4%;当收获半幅为0~35.0 cm时,华南205、南植199和新选048的薯条数占比分别为100.0%、96.0%、91.1%。在不同薯块半幅宽,各品种的薯条数占比之间存在显著差异。综合考虑,确定单株木薯的收获半幅宽为0.0~35.0 cm。
表2 3个木薯品种在不同薯块半幅宽的薯条数占比Tab. 2 Rate of storage root number in different half width per plant of three cassava varieties |
| 品种 Varieties | 薯块半幅宽 Half width of storage root per plant/cm | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0~25.0 | 25.1~30.0 | 30.1~35.0 | 35.1~40.0 | 40.1~45.0 | |
| SC205 | 82.2a | 13.4a | 4.4b | 0.0b | 0.0 b |
| NZ199 | 77.6b | 13.9a | 4.5b | 2.8a | 1.2ab |
| XX048 | 76.5b | 8.9b | 5.7a | 4.4a | 4.5a |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05). | |
注：同一列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.3 挖掘层深
3个木薯品种在不同层深的薯数占比测量结果见图2。其中,新选048与华南205和南植199之间均存在显著差异;在0.0~20.0 cm层深,华南205和南植199的薯数占比达89.9%以上,新选048的薯数占比达68.6%;在0.0~25.0 cm层深,华南205和南植199的薯数占比均达100%,而新选048的薯数占比仅达86.2%,尚有13.8%薯数位于25.1~35.0 cm之间。
3个木薯品种在不同层深的薯重占比见图3。其中,新选048与华南205和南植199之间均存在显著差异;在0.0~20.0 cm层深内,华南205、南植199和新选048的薯重占比分别达99.1%、97.9%、93.2%;在0.0~25.0 cm层深内,华南205和南植199的薯重占比达100.0%,新选048的薯重占比达98.6%。
根据上述研究结果可确定,当单株木薯的收获层深为0.0~25.0 cm时,华南205和南植199的薯数占比和薯重占比均达100%。
2.4 薯块的α角和β角
3个木薯品种的薯块α角和β角平均值见表3。新选048的α角显著大于华南205和南植199,后两者差异不显著,由此可知,华南205和南植199的薯块入土较浅,而新选048的薯块入土较深;3个木薯品种的α角标准误均较小,故各品种单株的薯块基本聚拢在同一入土角度的斜面上。
表3 3个木薯品种的薯块α角和β角平均值Tab. 3 Average angle of α and β of three cassava varieties |
| 品种Varieties | α/° | β/° |
|---|---|---|
| SC205 | 24.1±1.1b | -5.8±12.8a |
| NZ199 | 27.6±1.2b | 2.1±9.5a |
| XX048 | 34.3±1.8a | 5.6±11.2a |
注：同一列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (P<0.05). |
3个木薯品种的β角均较小,南植199的β角小于华南205和新选048,故南植199的薯块比华南205和新选048更聚集于种茎基部;3个木薯品种的β角标准误均较大,故各品种单株的薯块在同一斜面上呈现窄幅扇形分布,其中,南植199的薯块集中度比华南205和新选048高。
3 讨论
通过抽样比较3个典型木薯品种的薯构型,由于华南205和南植199的单株薯块半幅宽较窄、入土较浅,明确华南205和南植199较为适宜木薯的机械化收获,其单株木薯的最优收获半幅宽为0.0~35.0 cm、收获层深为0.0~25.0 cm,由此可确定木薯收获机应设计为单株木薯的半幅收获宽度为35.0 cm、收获深度为25.0 cm。该研究结果为木薯收获机械的研究设计提供了参考依据,相对于几年前的木薯收获机械明薯率约70%~80%,经2016—2018年的农艺农机结合,重新研究调整木薯机械化栽培模式以及设计改进收获机型,于2018年底,分别在广东省湛江市、广西区合浦县、海南省白沙县的木薯全程机械化生产示范基地,验收其收获明薯率已达到95.0%以上,验证了本文的薯构型结果是可行的。
通过近几年的农艺农机结合研究,分析其未来发展趋势,建议木薯全程机械化生产的理想栽培模式：①传统的疏植木薯植株高大,收获指数低,遇强风暴雨容易倒伏招致减产,株行距较宽也难以控制草害,而且疏植的薯块容易长得长而粗、薯半幅较宽、入土较深、薯块的集中度和均匀度均会下降,加上茎增高、分枝多、叶增多等因素,不利于机械化作业和收获,因此建议密植矮化,一是有利于种植、管理、收获的全程机械化作业,且可避免台风危害和防控草害;二是在密植条件下,地下薯块会长得比较均匀集中,且薯块短、薯半幅也窄,有利于提高明薯率;三是即使种植时遇旱成活率低,也能保证较高的有效株数,根据单位面积鲜薯产量=单株鲜薯重×单位面积有效株数,与疏植比较,虽然密植精管会小幅降低单株鲜薯重量,但能大幅增加单位面积的有效株数,从而更能有效增产[14],最终达到稳产增产增收的目的。②根据木薯根系（薯块）生长的向地性和向肥性,以及大多数薯块集中生长在种茎基部的特性[15,16,17,18,19,20],在宽窄行起垄种植时,由于肥料主要是施在垄心,建议把木薯种茎基部朝向垄中央,且种茎基部略为下斜,当木薯的薯块及根系聚长在垄中央,一是垄中央的土壤相对湿润、肥沃和疏松,有利于薯块的膨大增产,也有利于机械收获时的土薯分离及随后的集中捡拾,提高明薯率;二是方便机械耕作时的轮胎行走、起垄、开沟、培土、中耕等全程作业,并能避免轮胎对薯块和根系的挤压伤害;三是靠近垄侧土层很少长薯,从而可进一步压缩收获机的挖掘铲宽度,降低收获机的铲土量及其动力损耗等,最终提高机械化收获效率。
根据本研究结果及上述农艺农机结合的理想栽培模式要求,建议机械化木薯良种的特征特性：在中等土壤肥力和管理水平条件下,不分枝或高位分枝,矮化紧凑,株高≤2.5 m;结薯集中,≥80.0%的结薯数靠近种茎基部,薯柄短小适中,薯块的大小长短均匀,粗短浅生,≥98.0%薯重分布在≤35.0 cm薯半幅宽和≤25.0 cm层深的范围内。其优点：一是收获时起土量少,且容易土薯分离,在收获机行走时,会减少机械力作用于土壤变形以及间接压断薯块的力量,从而降低断薯率以提高明薯率,二是收获机犁得浅,则机械阻力小,能耗也少,提高作业效率。
虽然本研究初步勾勒出木薯的薯构型并提出下一步的研究建议和发展方向,但局限于广东省湛江市抽样调查等行距平种木薯的3个品种薯构型。现已扩展研究不同的地域、品种、土壤类型、种植模式的薯构型,深入的研究结果,将能因地制宜为各地提供最优的机械化农艺参数和机械化操作标准。