中国现代竹林场全程机械化经营模式探析

2* 傅万四 张 彬2 蒋鹏飞 常飞虎

(1.国家林业和草原局北京林业机械研究所，北京 100029；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091)

中国竹材资源丰富，竹子种类约占世界的三分之一，竹林面积和竹林蓄积量居世界首位。随着部分木材出口国和中国木材禁伐令的发布，中国木材供不应求的趋势变得更加明显。竹材有着生产周期短、材质高、绿色环保等优点，广泛应用于建筑、食品、造纸、家具、园艺等领域，具有较高的经济和社会价值，是木材很好的替代品。但受限于中国劳动力减少、原材料成本上升、传统经营模式落后、竹材资源利用率低等因素，传统竹林场的经营发展和竹产业的转型升级受到严重制约，研发竹林场全程机械化经营关键技术装备，加速实现竹林场全程机械化经营是社会与林农的迫切需要，对促进乡村竹产业振兴，实现精准扶贫，推动农村一二三产业融合发展具有深远的现实意义[1]。

1 竹林场全程机械化经营定义及意义

1.1 竹林场全程机械化定义

竹林场全程机械化经营即依托现代化机械设备，实现竹材采伐机械化、竹笋采收智能化、竹材运输自动化、竹材备料加工连续化的现代新型经营模式。

1.2 推广竹林场全程机械化的意义

竹产业作为事关民生与生态建设的重要林业产业之一，推动全程机械化进程对现代竹林场经营有着极大的现实意义。

1.2.1 降低生产成本，推动竹材产业链可持续发展

随着中国城市化进程加快，大量劳动力向城市汇集，从事竹林经营活动的劳动力越来越少，导致大量竹林荒废，严重影响竹资源的开发和利用。此外劳动力成本的增加也大幅提高了竹材原料成本，降低了竹材加工企业的效益，影响竹材下游产业链的可持续发展。推动全程机械化将大幅降低生产成本，提高竹材资源开发率，推动竹产业链可持续发展，实现精准扶贫和乡村竹产业振兴[2]。

1.2.2 大幅提高机械化程度，降低劳动强度

中国竹林场多在地形不规则、地势落差大的丘陵地区或山区，林间道路建设滞后，难以开展规模化作业。传统的竹林场经营模式落后，劳动强度大，加工效率低，劳动安全得不到保障，严重影响竹林生长质量和资源的合理利用[3-4]。推动竹林场全程机械化经营将真正实现“机器换人”，利用现代化设备采收竹材和竹笋，再集材运输至山脚就地初加工，实现从手工经营向机械化经营的飞跃，降低劳动强度，提高安全系数，完成竹材和竹笋的采收、运输、就地初加工全程机械化，提高竹产业附加值[5]。

1.2.3 创新新型竹林场经营模式

随着科技进步和竹林集约化经营时代的到来，全程机械化经营成为中国现代竹林场经营的必然发展方向，创新实现传统原材料(原竹、竹笋)产出到现代初产品(规格竹片、竹笋制品)产出的转变。竹林场全程机械化经营是促进竹材资源集约经营利用，发展竹材大产业，提高竹农经济收入的重要途径，也是实现竹林场标准化集约化生产、提高机械化作业水平、降低生产成本、提高竹资源开发率的重要保障[6-9]。

2 国内外竹类资源开发研究现状

2.1 国外研究现状

欧美国家在木材的采伐、集材、初加工等领域处于国际领先地位，但受限于竹材资源分布等原因，在竹材采伐、集材、初加工方面研究很落后。由于竹材本身特殊的生长结构及地形条件制约，竹材的采运作业还停留在传统作业阶段，人工完成伐竹和运输作业。国外发达国家曾尝试采用先进的往复式油锯伐竹，但竹材表面存在蜡质层，导致伐竹效果不理想。竹产区国家的集材作业主要是人力或者畜力搬运，工作效率低、劳动强度大。由于缺乏对竹子特性的研究，加之配套基础设施与技术落后，国外绝大部分竹林尚未开发，竹材应用有限。同时竹林场缺乏经营管理，大部分竹林处于退化状态，无法正常利用。在非洲，大部分竹林位于自然保护区内，属国家或州所有，受政府的严格控制，一定程度上制约了竹林机械化经营[10-11]。国外竹工机械行业较为落后，竹材加工长期处于半机械化作业水平，竹工机械制造研发能力尚处于起步阶段，科技能力远滞后于其他机械加工行业，竹林场的机械化经营也无从谈起[12-14]。

2.2 国内研究现状

我国竹工机械研究较早，竹林场经营模式领先于国外。但国内竹工机械的科技含量、机械化和智能化程度均落后于国外木工机械，竹材方面研究也存在较大不足。

2.2.1 竹材的采伐现状

我国传统竹材采伐多由人工竹刀劈砍完成，采伐过程劳动强度较大，且竹材断面不规则，采伐竹材断口处5 cm以上的材料无法利用，严重影响竹材的利用率，同时也增加了后期加工难度。

随着竹材加工业迅速发展，不少研究人员提出将伐木用的油锯用于竹材采伐，但由于竹材表面存在蜡质层，油锯工作时易跑刀进而造成危险。也有不少研究人员提出将伐木用的集多种功能于一体的联合采伐机用于采伐竹材，但受限竹材本身较脆、抓取力过大易劈裂、机械抓取装置难以夹紧等问题，采伐效果不理想，且竹林生长杂乱无序，大型机械装备难以进入，不适合利用联合采伐机伐竹。姚文斌等人[15]提出一款液压竹子采伐机，采用液压动力源，利用对剪式剪刀口采伐，断面较为平整。但该设备只适用于小直径竹类，大径级竹材无法彻底剪断，且竹断面剩余量较多，造成大量原材料的浪费。张振宇[16]提出了一款自走式竹材采伐机，采用组合圆锯的采伐方式，适于采伐多种径级的竹材，可在林地条件下连续行走，但该竹材采伐机还处于理论研究阶段。中国目前竹材采伐劳动强度大、加工成本高、效率低，没有适合竹材采伐的高效机械装备。

2.2.2 竹笋的采收现状

竹笋为禾本科竹亚科植物，苦竹、淡竹、毛竹等的嫩苗，是具有很高营养价值的“天然保健食品”，市场需求大[17]。竹笋生长在地下，肉眼难以发现，目前竹笋的采收全由人工经验定位、人工挖取，运气成分高，有经验的竹农一天能采收竹笋几十斤，但没有经验的新手采收竹笋不仅采收效率低，而且胡乱采挖会对竹林生态造成巨大破坏。随着农村劳动力的大量流失，青壮年从事竹笋采收行业的越来越少，现竹笋采收人员平均年龄普遍超过50岁，劳动强度大，采收效率低，急需开发现代化的竹笋精确定位装备和采收装备。

2.2.3 林间集材现状

早期林间集材作业受限于场地因素，主要依靠人力或者畜力搬运，作业方式费时费力、效率低。我国于20世纪50年代中期引进国外索道集材系统，并在此基础上相继研制出BTY-1.5型索道和ST-2型索道集材系统、J3绞盘机等[18]。现行竹材的林间运输设备多借助于木材索式输送机、轨道式输送机、带式输送机等机械装备，但运行效果不稳定，生产安全得不到保障。

传统的林业集材索道支架大多选用伐区中的大树，主索捆绑固定在大树上，并通过适当的绷索加固，但支架受很大的力矩作用，需较大树木方可承受，而竹林场中常缺乏可作为支架的植被，且支架安装拆卸转移不方便，严重影响集材索道在竹林场中的推广使用[19]。带式和轨道式输送机输送能力强，输送距离远，但该型输送机占地面积较大、结构复杂，尤其是轨道式输送机在使用前需要铺设相应轨道，成本相对较高，不适于成本投入较低的竹林场，限制了此类输送机在竹林场中的应用。目前国内急需研究一款成本低、可靠性高、运行稳定、安全系数高且具有较强运输能力适用于专业竹材林间运输集材的技术装备[20]。

2.2.4 竹材备料加工现状

目前竹材经采伐集材运输至山下后，最普遍的利用方式是将竹材运往竹材加工园区进行定段、破竹、粗铣等一系列初加工，主要采用简单的锯竹、撞击式破竹、手动进料粗铣的方式完成竹材备料加工。竹材定段工序中工人手持竹材放在锯竹机的锯片刀口处完成锯切定段，安全系数低，生产安全得不到保障；竹材破竹工序需人工目测竹筒直径更换刀盘，易造成原材料浪费，同时破竹时需多名工人配合工作，加工成本高；竹材粗铣工序需人工手动将破竹完成的竹片按竹青朝下、竹黄朝上的形态送入粗铣机中加工成规格竹片，重复动作多，劳动强度大。整体加工过程需多台单机设备、多道工序和大量人工配合工作，机械化程度低、劳动强度大、加工效率低[21]。

由于国内没有实现竹林场的全程机械化经营，竹子采伐集材后无法实现就地初加工，原竹运往竹材加工园区大幅增加了运输成本和经营成本，同时原竹运输难度大、易造成安全事故，此外竹材加工园区需大量场地堆放原竹，增加占地面积和使用成本，难以实现竹资源的高效节约利用和竹材高附加值加工利用。

3 关键技术研发

加速推进现代竹林场实现全程机械化经营需要优先发展相对应的关键技术，对中国竹产业的转型升级具有重要的指导作用和现实意义[22]，更好地发展现代竹林场全程机械化经营还需突破以下关键技术。

3.1 机械化采伐技术

竹林场多在地势环境较复杂的山区，开发难度大，研究开发适用于复杂地形的低成本便携伐竹抱紧技术、快速采伐及设备自背负技术；研究开发复杂林区环境下连续运动控制和自动避障技术；研究开发对竹材随机位置的准确感知和信息处理，机械手的准确定位，机械手精准采伐和姿态控制技术；研究开发适合竹材特殊生理结构特点以及能克服具有蜡质层易跑刀问题的机械化竹材采伐技术[23]。

3.2 智能化采收技术

竹笋探测一直是行业发展的瓶颈，竹笋采收的相关研究较少，如何精准快速探测竹笋成为重点研究方向，研究开发竹林场竹笋精准探测技术；研究开发竹笋自动化采收技术。

3.3 自动化集材技术

竹材自动化集材包括林间牵引集材和林区定点运输，基于竹林场林地环境和竹材生长分布不均匀的现状，研究开发林间竹材牵引集材自动行驶、高通过性、强越障性装备技术；研究开发林区竹材定点运输设备动力、车架行走、承载索及主索互锁制动、起重及能量转化装备技术。

3.4 连续化备料加工技术

竹材备料加工包含竹材定段、破竹、粗铣三大工序：研究开发竹材自动定段技术，通过锯片将竹子沿径向锯成一定长度竹段，竹段小径末端与最近间竹节距离大于5 mm用于破竹定心；研究开发竹材自动破竹技术，根据竹段直径大小采用破竹刀盘将定段之后的竹段沿纤维方向破成统一规格的竹片；研究开发竹材自动粗铣技术，采用铣刀将竹段破竹后的竹条进行四面铣削加工成一定规格的竹片。

连续化竹材备料加工即实现竹材定段、破竹、粗铣加工连续化，通过自动上料系统将原竹送入自动定段设备，将原竹锯切成一定长度的竹筒，随后通过传输机构将竹筒送入自动破竹设备进入破竹工位。根据竹筒小端直径选择不同破竹刀盘进行破竹，随后桁架机械手抓取完成破竹工序的竹片按厚度分拣归类，然后进入翻转机构将竹片调整为竹青朝下竹黄朝上的形态，最后送入自动粗铣设备加工成不同厚度规格的竹片完成竹材备料加工。实现连续化竹材备料加工将大幅提高自动化、机械化加工水平，降低生产成本，提高生产效率。

3.5 现代竹林场全程机械化经营模式

基于传统竹林场经营现状的分析与研究，创新经营装备结构形式和工作原理，确定适合现代竹林场经营装备主体结构类型，创新适配的竹林种植模式和宜机化改造模式。在实现竹材采伐机械化、竹笋采收智能化、林间运输自动化、竹材备料加工连续化的基础上，从工艺流程、技术要点、作业规范、装备研发选配等方面对传统竹林经营模式进行大力技术改造，总结形成适于推广的中国现代竹林场全程机械化经营模式。

4 小结

本文通过对当前国内竹林场经营的现状和存在的问题进行分析，剖析了竹林场全程机械化经营的发展潜力，并结合当前林业机械发展形势提出了竹林场全程机械化经营模式，详述了需要突破的关键技术。竹林场经营模式向机械化和自动化转型成为中国未来竹林场经营的一个重要发展趋势，将对竹林场现代化发展和竹产区的乡村振兴起到积极的推动作用。