竹业机械技术现状与发展对策

苗 虎 王晓欢 费本华 张 伟*

(1 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091；2 国际竹藤中心 北京 100102)

竹类植物生长快速、种类繁多、资源丰富，是极具生态价值、经济价值和文化价值的自然资源。竹材强度高、韧性好、硬度大、可塑性佳，是加工制造结构材、板材、家具、纸等产品的优良原料，竹笋、竹枝、竹叶、竹纤维等均可开发，可实现全竹利用。全球竹类1 642 种，面积5 000万hm2，中国现有竹种837 种，集中分布于福建、江西、浙江等16 个省(区)，竹林地面积超过700 万hm2，2020 年竹产业总产值接近3 200 亿元，竹产品出口贸易总额达到22 亿美元，产业贡献率持续增长[1-2]。

随着生产生活方式转变，塑料制品特别是一次性塑料用品造成的污染已经成为全球最主要的生态环境问题之一，需要安全可控、性能达标、绿色环保、经济适用的替代产品。同时，中国木材对外依存度超过50%，木材安全形势严峻。竹材物理性能与木材相似。加快发展竹产业，增强竹材供给，能够有效缓解治理环境污染和木材供应紧张的压力。

然而中国竹林主要种植在地形复杂、山高沟深的山区丘陵地带，种植经营面积分散，由于林区道路、供电等基础设施落后，对于山高坡陡地段，采伐、集材、运输和生产多为传统的人工作业方式，劳动强度高，导致大量成熟竹材无法下山。加工阶段竹材利用率不高、自动化程度偏低，竹材资源没有得到高效利用。随着人口老龄化日趋明显，劳动力成本不断攀升，亟需针对中国的竹林资源和地形特点，开发先进实用的竹业机械，降低劳动强度，提高竹材生产效率和材料利用率[3]。

1 竹业机械技术发展现状

1.1 竹业机械分类

竹业机械是指在竹林资源经营、培育、竹林保护、更新、竹笋采挖、竹林采伐集材、运输仓储和精深加工过程中为提高生产效率所应用的机械与成套设备，主要分为经营机械、培育机械、防护机械、抚育机械、采伐机械、运输机械、仓储设施和加工机械等，本文重点讨论用于竹业第一产业初加工等相关活动的机械与成套设备，是竹业机械的重要组成部分，是竹业生产的薄弱环节和突出短板。按照竹材原料和最终竹产品的使用要求，散生竹、丛生竹、竹笋的生产及初加工相关竹业机械存在一定差别[4-5]。

1.2 国外竹业机械发展现状

在散生竹林采伐集材运输方面，日本SHINWA 公司注重装备与竹林作业条件的结合，研发的竹林用采伐头可与工程机械联合使用，通过将采伐头装配在挖掘机的前端，实现散生竹采伐、定段、归堆、集材、装卸及短距离运输的集中作业。日本NANSEI 公司履带式集材绞盘机适应山地竹林条件，通过灵活移动可在一定范围内实现竹材下山运输、集材、装卸作业(图1)。日本筑水株式会社的履带式运输车具有爬坡、提升、捆扎、运输功能，能够完成中短距离的运输作业。

图1 日本竹林机械化采伐装备Fig.1 Mechanized bamboo harvesting equipment in Japan

在丛生竹林采伐收集方面，澳大利亚EMG 公司生产的采伐机配备大马力拖拉机，可以完成巴西等热带地区丛生竹的采伐、粉碎和收集，可用于加工成生物质燃料。采伐机工作时利用拖拉机的动力输出传至采伐刀轴，将丛生竹整簇进行切断、切碎，旋风抛送至跟随的收集车内贮存(图2)[6]。

图2 澳大利亚竹林机械化采收装备Fig.2 Mechanized bamboo harvesting equipment in Australia

在竹林经营和保护方面，大量应用挖掘机进行竹林整地、竹根处理、竹林养护作业，小型粉碎机通过林间作业将废弃竹条、竹枝就地粉碎还林或收集。旋耕机、施肥施药机进行松土施肥，开展病虫害防治保护竹林。对于山高坡陡地段，则人工操作油锯、电锯、割灌机等进行抚育、除灌和采伐。

欧美、日本在林业机械国际市场的供给中占有主导地位，在生产总值、出口贸易额、产品技术水平及专利数量方面居领跑地位。美国约翰迪尔公司、奥地利庞赛公司、日本小松公司研发的木材联合采伐机可将林区每项作业联合起来，由一台或多台设备完成，实现伐木、削枝、归堆、集材、造材、装卸及短距离运输成材的集中作业。德国、奥地利的陡坡山地索道集材运输设备减少了生产过程中对幼树的损伤和水土流失，有利于森林的天然更新，充分体现了多功能、大型化机械采伐运输作业的规模化和高效率。奥地利、日本的丘陵山区立地条件，日本的竹林资源状况与中国南方竹产区类似，这些国家开展的木材生产机械化作业模式，为竹林生产机械化提供了可借鉴的经验[7]。

1.3 中国竹业机械发展现状

中国竹业机械伴随着竹产业的快速发展初具规模，设备研发取得明显进展。精深加工机械基本跟上了国家制造业发展的步伐，实现了产业更新改造和优化升级，部分机械装备达到或者接近国际先进水平，产生了一批具有行业代表性企业。中国竹业机械化虽然取得了较大进展，但与林业现代化的要求还存在较大差距，服务第一产业的竹业机械还处于空白或起步阶段，部分机具只能使用农业机械、园林机械替代，很难满足竹产业的生产要求，机械化率不足15.00%，与农业机械化率达到71.25%相比，竹业机械发展严重落后(图3)[8-9]。

图3 中国竹业、林业与农业的机械化率Fig.3 Mechanization rate of bamboo industry，forestry and agriculture in China

近年来，许多科研单位、企业克服困难，坚持研究，积极探索竹业机械的发展。国家林业和草原局北京林业机械研究所提出了锥形圆竹采伐方法，开展了丘陵山地竹林多功能作业机(图4)、丛生竹择伐机、自动破竹设备的研发[10-11]。浙江农林大学承担了浙江省科技厅重大科技专项计划，研发竹林机械化经营设备——系列竹林机械化经营关键技术与装备[12]。东北林业大学设计研发了自走式轻型竹材采伐机、小型竹材间伐机[13]。南京林业大学提出伐竹用V 形双圆柱铣刀设计方案，搭建了实验系统[14]。西华大学承担宜宾市科技自主创新专项，开展了丛生竹采伐技术体系研究与装备开发[15]。福建省林业科学研究院针对毛竹林研制了单轨运输机，使工作坡道提高到60°，并制定了林业行业标准《林业机械 以内燃机为动力的山地单轨运输机》[16]。

图4 丘陵山地竹林多功能作业机Fig.4 Multi-function machinery for bamboo forestry in hilly region

竹产区省份为推进竹业机械化进行了深入探索和实践。浙江省提出“机器换人” 计划，安吉县林业局与北京林业机械研究所合作开展了国有林场机械化伐竹试验与示范工作。通过设备现场演示、机械化作业培训等多种方式进行机械化推广，提出专业工程队机械化作业模式和设立林业机械维护点等措施，全县竹林经营基本实现了机械化。福建省以营林机械推广示范点建设为抓手，以点带面推广竹业机械，割灌机、油锯、单轨运输机得到广泛应用，初步实现了营林作业职业化、营林装备专业化、装备保障常态化的发展模式。

尽管竹业机械存在市场容量小、产品利润不高等问题，但竹业机械企业仍坚持以市场为导向，进行技术集成创新。东莞市嘉航实业有限公司等单位联合研发的电动伐竹剪，通过驱动装置与剪切一体化的结构集成创新，缩短剪切行程，适宜丛生竹狭窄操作空间的采伐(图5)。益阳竟宁竹业机器人有限公司研发自走式拖拽机(图6)，将竹子从砍伐、拖拽、去枝截尾、装载等工序进行机械化作业，实现竹子下山。绿友机械集团股份有限公司研发的履带式竹材粉碎机将竹林中的剩余物就地粉碎用于生产生物质燃料、竹纤维(刨花) 板、食用菌栽培基质、园林覆盖物等[17]。

图5 丛生竹伐竹剪Fig.5 Cutting bamboo scissors for sympodial bamboo

图6 自走式竹材拖拽机Fig.6 Self propelled bamboo hauling machine

随着竹产业的持续创新，竹制品从早期的竹地板、竹胶合板的几个品种到竹装饰材、竹家具、竹日用品、竹工艺品、竹结构等新材料、新产品的不断开发应用，形成了100 多个系列、近万种竹制品，使得精深加工领域不断细分，加工机械需求多样化。需要加快解决制约圆竹原态利用、整竹展平加工、竹集成材自动组胚、重组竹更新换代、弧形原态竹材连续制备、竹吸管、竹刀叉规模化加工等装备的连续化、自动化和智能化等关键技术，提升了竹制品加工生产线的感知识别、运动执行、人机交互能力，推进了智能制造关键技术装备、核心支撑软件、工业互联网等系统集成应用，形成了开放兼容、稳定成熟的技术体系。

2 存在的主要问题

2.1 竹林经营面积分散，间伐采运模式不利于机械化作业

中国竹林资源主要分布在地形复杂、山高坡陡的山区丘陵地带，经营管理难度较大，同龄竹林采伐一般采用间伐方式，采伐作业面积过于分散，生产作业环境复杂，这样的生产条件对于竹业机械的技术性能要求较高、需求差异大。而竹业机械目前还具有很强的公益性，面向竹农生产生活，市场关注度不高，市场容量和份额都没有被挖掘，市场开拓十分艰难。另一方面，竹业机械利润率低，低端竹业机械同质化严重，且企业投入的研发费用较少，更没有能力进行新设备新技术的研发。

2.2 协同创新机制缺失，没有形成合力办大事的机制

与通用制造业相比，竹业机械属于服务竹产业的专用设备，面临着作业条件复杂各异、产业需求广泛多样的问题。行业管理分散，立项渠道不通，例如在装备制造行业中林业立不上科研项目，在林业行业科研项目中装备制造业也立不上。竹产区各省各部门考虑本地区较多，出现重复立项研究，缺少整合有效资源、集中力量办大事的机制，不能有效组织竹产业协作攻关共性关键装备。

2.3 缺少上下游一张图规范，设备供给与市场需求脱节

竹林生产经营主体多为分散的林户、林场和企业，规模小、经济基础弱，作业空间复杂，对机械的需求总量千差万别，这样的现状无法形成产业发展的驱动力。由于缺乏竹产业全过程的技术规范、技术规程等标准，导致竹产业上中下游需求未能实现有效对接，而且竹业机械研发跟不上实际生产需求。没有形成上下游优势互补、协调发展的产业格局，调动装备企业研发生产积极性困难。

2.4 竹业机械没有补贴机制，竹产区基础设施建设滞后

中国竹业机械整体水平落后，许多竹业机械既要考虑便于在复杂地形、气候、立地等野外条件下使用，又要兼顾生产作业一线林农等主体的购买力和操作能力，势必增加新产品研发的难度和成本。竹业机械很难进入农机购置补贴目录，得不到政府的资金支持，这在一定程度上提高了竹业机械的购置门槛，增加了林农购机压力，使得林农买不起、用不起竹业机械，阻碍了竹产业机械化的发展和普及。

3 发展对策

3.1 加强机艺结合技术创新，提高竹业机械技术水平

国家在装备制造业和农机装备振兴方面已取得了先进技术成果，包括信息化、网络化、智能化，以及新技术、新工艺、新材料的发展，可为竹业机械技术发展提供借鉴。从竹林生产实际需求出发，利用装备制造业和农机装备成熟的基础研究和关键零部件，结合竹林经营培育的工艺，推动机械与竹业工艺技术相融合，从竹林经营、抚育、病虫害防治、施肥、采伐、运输、仓储到深加工各环节要加大科技创新与设备研发力度，共同推进产业链科技创新[18-19]。

3.2 坚持装备技术攻坚克难，推进产业上下游协同攻关

提升自主创新能力，把掌握共性关键核心技术作为主攻方向，加速关键装备技术的研发和应用，抢占全球竹产业科技制高点。重点开展竹林采伐、集材、运输、仓储等薄弱环节的机械化技术创新和装备研发、集成示范与推广应用，攻克制约竹子下山“卡脖子” 的关键共性技术问题。围绕国家竹产业园区重大工程和生产一线需求，实现竹装备产业链上下游联合攻关，政产学研用多主体协同推进、研发生产与推广应用相互促进机制。

3.3 加强采运储一体化研究，建立机械化示范区域

探索具有区域特点的竹林生产全过程机械化解决方案，加强机械化作业环境条件、林艺竹艺、竹林机械一体化标准、规范和实施细则的匹配，改善竹林机械通行和作业条件，提高竹林机械化适应性。加大研发制造、工厂验证、区域试验和示范工程的支持力度，建立竹业机械化区域试验和示范工程，重点推进竹林生产全过程机械化和智能化，率先在重点林区、国有林场、竹产业园区重大工程创建竹业机械化示范区(县)，引导有条件的省份、市(县) 和林区林场率先基本实现竹林生产全过程机械化。

3.4 加快补齐竹业机械短板，为乡村振兴提供科技支撑

竹产业是竹产区乡村发展的重要经济产业，装备在乡村振兴和竹产业经济发展中发挥着重要作用。现代机械可快速提高竹产业工作效率，增加经济效益，节省出来的劳动力又可转移到其他经济链中，产生更多效益，增加农民收入。重点推进用于乡村振兴的竹业机械首批进入专项补贴目录，巩固全面脱贫攻坚成果。用好衔接推进乡村振兴补助资金，重点支持适合国情、先进实用的竹业机械产品研发生产与应用，鼓励和扶持使用国产首台(套) 重大技术装备的企业。

4 结束语

中国竹产业已经形成世界规模最大的生产供应体系，竹业机械技术已经取得一定成绩，初步建立起较为完整的制造体系，日益成为中国参与国际国内市场竞争的中坚力量。但服务乡村振兴的竹业机械发展缓慢，区域发展极不平衡，与农业机械化水平差距甚远，远不适应竹产业创新发展的要求。

2021 年11 月国家林业和草原局联合国家发展改革委、科技部等10 部门印发的《关于加快推进竹产业创新发展的意见》，提出到2035 年竹产业总产值超万亿的发展目标，将加快机械装备提档升级，加强新型高效节能竹材采伐机具、高性能竹机运输装备等高端机械装备的研发推广作为竹产业发展的主要任务。在浙江、江西、四川、湖北等省份出台加快推进竹产业创新发展的意见中，均聚焦重点加强竹材采伐、竹笋采挖、竹林生产资料运输、笋材加工成套智能化设备的研发，竹业机械将迎来难得的发展机遇。

面对竹产业高质量创新发展的迫切要求，在坚定发展信心的同时，也要正视自身存在的短板和不足，直面竹业机械无法上山入林作业、采运储生产脱节、精深加工自动化程度不高等关键核心技术缺失的问题，集中力量，发挥优势，提升自主创新能力，加快补齐短板，高效协同创新合作。发挥竹产业行业协会的桥梁作用，鼓励相关装备企业建立以技术资本为纽带的融合发展主体，加大新技术、新设备的研发力度，引导大型企业由单机制造为主向成套装备集成为主转变、中小企业向“专精特新” 方向发展。鼓励竹产业大胆、优先使用高质量国产装备，实现装备迭代升级，助力乡村振兴战略和装备制造强国发展。