发布时间：2020-02-24所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要:为了探明不同品种淀粉薯茎秆的机械特性，以提高马铃薯机械化粉碎还田作业质量，对马铃薯收获阶段不同时期的茎秆进行物理特性分析。以北方地区淀粉薯兴佳2号、延薯4号为试验对象，采用电子万能试验机、电子天平及电热恒温鼓风干燥箱等仪器设备，研究收获
摘要:为了探明不同品种淀粉薯茎秆的机械特性，以提高马铃薯机械化粉碎还田作业质量，对马铃薯收获阶段不同时期的茎秆进行物理特性分析。以北方地区淀粉薯兴佳2号、延薯4号为试验对象，采用电子万能试验机、电子天平及电热恒温鼓风干燥箱等仪器设备，研究收获期内两种淀粉薯茎秆的离地高度和剪切力的变化，得出最佳打秧离地高度为9cm及破坏马铃薯茎秆的基础数据。同时，对收获3个时期、两个品种的薯秧含水率进行测量，得出越临近收获期茎秆含水率越低的规律，确定淀粉薯杀秧最佳时期;在离地高度为9cm时，分别对3个时期、两个不同品种的淀粉薯茎秆进行直径与剪切力的测量，分别拟合出淀粉薯兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力与作物直径间的函数关系式，对比相同作物的函数关系式变化趋势，得出最佳的时间为10月7号。本研究为马铃薯茎秆粉碎机转速、切刀速度及切刀拉力等参数的设计提供了依据，并为适宜的马铃薯茎秆粉碎期选择提供了参考。
关键词:淀粉薯;茎秆;机械特性;剪切力
0引言
马铃薯属茄科草本植物，种植遍布世界各地，是人类第四大食物来源[1]。马铃薯淀粉薯是国内重要的新型能源原料、粮食、淀粉原料及抗癌保健品等，是我国粮食生产中重要的原料之一。在我国北方种植的淀粉薯中，以兴佳2号、延薯4号为主要代表。近年来，中国马铃薯机械化呈上升的趋势[2]，图1为2008-2016年全国马铃薯机收面积变化图。由图1可知:2016年，全国马铃薯机收面积为1389.83khm2，较2008年增长了197.97%，增长速度很快。马铃薯在机械带秧挖掘收获作业时，秧茎容易缠绕设备零部件而引起损坏，且极易造成拥堵，增大功耗，影响挖掘效率和效果。因此，马铃薯收获前应进行杀秧处理，使马铃薯与茎秆分离，减少收获行进过程中的阻力，降低能耗，提升收获作业速度，减低分离器的故障率，提升收获质量，提高收获效率[3-5];同时，促使薯秧的营养物质回流到薯块上，便于贮藏，提升马铃薯的经济效益。另外，秧茎切碎回到田里，还能起到增加土壤肥沃程度的作用。
马铃薯杀秧方式主要有3种，包括自然杀秧、化学杀秧和机械杀秧。自然杀秧方式包含霜冻杀秧，即利用晚间及清晨霜降冻死马铃薯，达到杀秧效果。该方式受自然因素影响较大，易误农时，但成本低。化学杀秧主要是利用硫酸铜等农药使薯秧快速枯萎，作业效率快，但对环境造成污染。机械杀秧主要包含切秧、粉碎秧及压秧等作业方式，受自然因素影响较小，但成本较高。综上所述，在所有的杀秧方式中，以机械杀秧应用最为普遍。杀秧的时间因地而异:南方作物积温较高，一般选择在收获前1～3周杀秧，此时的薯体已基本生长充分，而且土地表面干净，马铃薯表皮老化，损伤率较低;北方作物积温低，马铃薯生长缓慢，为保证产量不能过早进行马铃薯杀秧作业，一般在选择在收获前短时间内进行杀秧，且与马铃薯联合
马铃薯茎秆机械特性是影响马铃薯杀秧机的伤薯率、漏打率和叶打碎长度合格率等作业指标的重要因素，因此本试验对不同收获期及离地高度不同的马铃薯秧，进行了含水率、剪切力的测试，并将茎秆品种、茎秆直径等影响因素考虑在内的分析，得出最佳的马铃薯杀秧时间、离地高度，旨在为马铃薯杀秧机相关结构设计及作业参数提供理论依据[9-10]。
1材料与方法
1.1试验材料
1.1试验材料选取马铃薯淀粉薯中具有代表性的兴佳2号、延薯4号为试验对象，样本取自黑龙江省九三管局鹤山农场第一管理区。该地区的马铃薯种植土壤偏黏，土壤含水率为27.3%，5月初栽，9月末开始杀秧，10月初进行收获作业，一年一季种植，种植模式为单垄单行，垄距为90cm。国内外普遍认为收获前1～3周杀秧，为马铃薯最佳的杀秧时间。为了研究具体时间，本次试验材料取样时间为2018年9月27号、2018年10月7号、2018年10月17号;每个时间段间隔10天，取3次样，每次取10个样本，共采样30个。采集期间马铃薯秧还在处于生长状态，如图2所示。采集的兴佳2号薯秧长度为80～120cm;薯秧茎秆直径为0.41～2.1cm，采集的延薯4号薯秧长度为70～110cm;薯秧茎秆直径为0.43～2.1cm。
1.2试验仪器
试验所用的主要仪器设备包括长春新特试验机有限公司生产的WDW-100型微机控制电子万能试验机、河北布谷机械制造厂生产的打秧机、上海森信实验仪器有限公司生产的DGG-9030B型电热恒温鼓风干燥箱、电子天平、卷尺及电子游标卡尺等。
河北布谷机械制造厂生产的打秧机，在实际应用中因价格便宜、性能可靠而大多还用作马铃薯杀秧。其与约翰迪尔1204型拖拉机牵引配套，动力由拖拉机提供。该机为卧式逆向型粉碎机，刀辊上甩刀采用交错平衡排列方式，机具平衡性较强;刀辊空转额定转速为1600r/min，配有32把锤爪式甩刀，适宜作业垄宽为90cm左右，适用于双垄作业。作业时，拖拉机牵引打秧机(高度可调)沿垄沟方向前进，由拖拉机后传动轴为打秧机刀辊提供动力;锤爪式刀片挂在刀辊上，刀辊高速旋转将茎秆冲击切断，并进入罩壳进行二次粉碎;粉碎后的茎秆从罩壳末端抛撒于地面，完成打秧作业。
1.3试验方法
1.3.1淀粉薯茎秆的含水率的测定
马铃薯在收获前杀秧时处于正常生长状态下直接被粉碎还田，所以马铃薯茎秆的机械特性测定是在鲜秧秆状态进行的。
每次在田间随机取样兴佳2号、延薯4号的茎秆各10根，从距离地面2cm处的根部剪断，共采集3次。在实验室将茎秆叉及叶片去除掉，根据上海森信实验仪器有限公司生产的DGG-9030B型电热恒温鼓风干燥箱水分测定的要求，将待测马铃薯茎秆进行碾碎处理;然后，放入干燥箱内，用105℃恒温干燥10h，测定含水率，每个品种测试重复10次，最后取平均值。
1.3.2淀粉薯茎秆剪切强度的测定
淀粉薯茎秆是地下块茎连接叶片进行传输营养的主要通道，在离地高度越低的地方茎秆越粗，韧性越强，因此茎秆剪断时最低的地方剪切力最大。马铃薯打秧作业时，甩刀端的线性速度约为28～56m/s，靠冲击将茎秆切断，并进入罩壳进行二次粉碎;粉碎后的茎秆从罩壳末端抛撒于地面，茎秆主要受到剪切力，而拉力和滑切力较小，因此本次试验测量茎秆的剪切力[11-12]。
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在测量茎秆含水率的同时，在WDW-100型微机控制电子万能试验机上进行茎秆剪切力试验，如图3所示。试验机精度级别为1级，力值精确度为1%，位移精确度为0.1%。本次试验选定加载速度为20mm/min，上限载荷为500N，下降最大载荷为10N;测量时，每组试验在相同条件下重复10次，最后取平均值。
1.3.3马铃薯打秧机田间作业
为了进一步验证不同离地高度、不同品种马铃薯茎秆对杀秧作业的影响，采用布谷机械制造厂生产的打秧机分别对兴佳2号、延薯4号进行田间作业测试，如图4所示。根据NY/T2706-2015马铃薯打秧机质量评价技术规范，对作业后茎叶打碎长度合格率、留茬长度及伤薯率等指标进行测试[13]。
2结果与分析
2.1茎秆含水率变化规律
通过试验结果得知:兴佳2号、延薯4号在9月27日采集时含水率为90.72%、88.24%;10月7日时含水率分别为87.24%、84.79%，10天马铃薯茎秆含水率分别下降了3.48%和3.45%;到10月17日时含水率为82.61%、79.32%，10天含水率分别下降了4.63%、5.47%。数据呈现出越临近收获期茎秆含水率越低的规律，
马铃薯在生长过程中需要大量水分，中期茎秆水分含量较大，收获期前植株叶片枯萎，加上植物蒸腾作用变大，茎秆含水率相对较低，故越临近收获期茎秆含水率越低。
2.2茎秆机械特性的变化规律
植物茎秆离地近部分最粗且韧性越强，纤维含量越高;随着茎秆离地高度的上升，相对根部的茎秆相比细而柔软，打秧作业时茎秆主要受到剪切力，而受到的拉力、滑切力较小，影响不大，本次试验不考虑。为得到机械化最佳打秧高度，促进马铃薯机械化打秧效果，通过试验在3个不同时期分别对兴佳2号、延薯4号随机采集10个样本，分别测其直径及离地高度为3、6、9、12cm时的剪切力值，得出9月27日、10月7日和10月17日时两个品种茎秆的剪切力值都在离地高度为9～12cm时力值变化趋势减缓或不变，打秧高度为12cm时茎秆留茬长度会出现高于标准15cm的情况。为此，马铃薯打秧机最佳离地高度应为9cm左右，如图6～图11所示。
2.3茎秆直径与机械特性的关系
为了探明淀粉薯杀秧最佳时期，在离地高度为9cm时分别对3个时期、两个不同品种的淀粉薯茎秆进行直径与剪切力的测量(见图12、图13)，分别拟合出淀粉薯兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力与作物直径间的函数关系式
其中，Y11为9月27日兴佳2号的茎秆剪切力值;X11为兴佳2号茎秆直径;Y21为10月7日兴佳2号的茎秆剪切力值;X22为兴佳2号茎秆直径;Y31为10月17日兴佳2号的茎秆剪切力值;X32为兴佳2号茎秆直径。
淀粉薯茎秆在打秧期时茎秆直径均大于10mm。由图8可以看出:Y31的剪切力值当直径大于6.4mm时远高于Y21、Y11;Y21的剪切力值当直径大于6.2mm时远高于Y11;Y31到Y21变化趋势远远小于Y21到Y11。由图9中可以看出:Y32的剪切力值当直径大于5.5mm时远高于Y22、Y12;Y22的剪切力值当直径大于6.2mm时远大于Y12;Y32到Y22变化趋势远远小于Y22到Y12。考虑到马铃薯成熟后干物质积累情况，马铃薯最佳杀秧时间为10月7日前后。
3田间试验
3.1试验条件
2018年9月26-30日，在黑龙江省九三管局荣军农场进行了打秧机田间作业试验。试验地为垄播水浇地种植的兴佳2号和延薯4号两个品种的淀粉薯，每个试验区为双垄长度为100m，离地高度分别为6、9、12cm。拖拉机由约翰迪尔1204拖拉机提供，打秧机为河北布谷机械制造厂生产的甩刀锤爪式杀秧机。
3.2试验方法
按照国家行业标准《NY/T2706-2015马铃薯打秧机质量评价技术规范》规定的试验方法[14]，分别在垄播水浇地种植的兴佳2号和延薯4号两个品种的淀粉薯种植田地进行杀秧试验，测定马铃薯茎叶打碎长度合格率、留茬长度、伤薯率及漏打率作为打秧机的评价指标(见表1)，考查杀秧机传动系统、刀片磨损及刀辊稳定等各部分的性能。
3)留茬长度T3。检查测区随机取10根打秧作业后茎秧留茬长度T3，结果取其平均值。
9月末收获中末期时，马铃薯打秧机在不同试验条件下的作业指标如表2所示。由表2可以看出:选择离地高度为3cm时杀秧，两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率低符合标准，但伤薯率高不符合标准;选择离地高度为6cm时杀秧，两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率低符合标准，但伤薯率高于标准;选择离地高度为9cm时杀秧，两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率、伤薯率均符合标准;选择离地高度为12cm时杀秧，两种淀粉薯茎秆的留茬长度、漏打率过高均不符合标准，伤薯率低符合标准。所以，马铃薯杀秧机在这一时期应选择离地高度9cm，此为最佳杀秧高度。
4讨论与结论
4.1讨论
打秧作业后发现的问题:一是漏打率现象多发生在薯秧垄沟中;二是当马铃薯田左右两根垄高低不一时杀秧效果不好;三是打秧机无法将倒伏在垄沟里的薯秧有效清除干净。
4.2结论
1)两种典型淀粉薯品种兴佳2号、延薯4号茎秆在10月7日的含水率分别达到87.61%、86.36%;从9月27日到10月17日，20天内淀粉薯茎秆含水率分别下降了8.08%、8.92%。这表明，淀粉薯随着收获期的临近，其茎秆的含水率逐步下降。
2)兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力从9月27日至10月17日呈增加的趋势。这表明，淀粉薯在收获期，随着时间的延长，茎秆剪切力也随之增加。
3)由所测剪切力与直径间的关系可知，兴佳2号、延薯4号的最佳杀秧高度为9cm。
4)在所测区间收获时间内(9月27日、10月7日、10月17日)，通过兴佳2号、延薯4号茎秆剪切力在3个时期拟合方程的对比，得出10月7日前后为淀粉薯茎秆最佳杀秧时间。5)以河北布谷机械制造厂生产的打秧机进行试验，结果表明:2018年10月7日，离地高度为9cm时，两种淀粉薯茎秆打秧后的留茬长度、漏打率及伤薯率均符合标准。
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