李 浩，馮傳烈，劉 云,楊廣文，易 偉

(宜賓市農(nóng)業(yè)機械研究所，四川 宜賓 644300)

我國是世界上最主要的產(chǎn)竹國，竹類植物39屬530余種、竹林面積均居世界首位，主要分布于秦嶺、長江流域、珠江流域以及淮河流域以南區(qū)域[1～4]。竹子屬于非木質(zhì)森林資源，具有生長速度快、周期短，產(chǎn)量高，產(chǎn)業(yè)融合深等優(yōu)點[5～11]。目前森林資源嚴(yán)重短缺，以竹代木是必然的趨勢，可以減少木材的消耗，使林業(yè)資源進入良性的循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展體系。竹產(chǎn)業(yè)前端是指竹子從林場通過被砍伐、剃枝、打捆、轉(zhuǎn)場運輸?shù)拳h(huán)節(jié)，形成一定規(guī)格尺寸的竹材后運送至機動車可通行道路邊的過程。現(xiàn)階段竹產(chǎn)業(yè)前端適用機械極度匱乏，適合丘陵山區(qū)現(xiàn)代化的砍伐、剃枝、打捆裝備較少，竹材采伐的效率較低，導(dǎo)致竹材原料供應(yīng)脫節(jié)[12～16]。因此，加大對前端鏈的機械化程度研究的力度，推進全過程機械化對竹產(chǎn)業(yè)迅速崛起具有重要意義。

1 竹產(chǎn)業(yè)前端鏈機械的需求

我國50%～65%的竹林分布在福建、江西、四川、浙江等丘陵地區(qū)，竹子種類繁多且林分密度較高，林區(qū)土壤多樣、地形坡度在平均23°左右[17～21](見表1)。丘陵山區(qū)的主要特征是坡地多、地塊小、地塊分散，竹材林地更是交通行走不便，極大地限制了機械的作業(yè)、運輸和轉(zhuǎn)移，無法發(fā)揮大中型機械批量作業(yè)的優(yōu)勢和效益，是農(nóng)業(yè)機械化歷來的短板[22～25]；同時現(xiàn)階段農(nóng)村勞動人口的流失，使得采伐竹子的勞動力急劇減少。目前采取人工砍伐的方式，成本高、效率低，伐竹成本占原料價格的75%；在部分交通不便，地形地貌較為復(fù)雜的林地，介于經(jīng)濟效益的原因，農(nóng)戶就不再進行采伐，造成大量的竹資源無法利用[26,27]。一方面，大量的竹林資源無法得到有效利用，另一方面，紙廠、竹片、竹炭竹纖維等加工產(chǎn)業(yè)原料的缺乏，制約了加工產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化的提升，限制了整個竹產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，在竹類資源前端鏈環(huán)節(jié)對先進的小型化、多功能集成化的技術(shù)，裝備，機械具有迫切的需求。

2 竹產(chǎn)業(yè)前端鏈機械化現(xiàn)狀

竹產(chǎn)業(yè)前端鏈機械屬于林木機械，由于國外竹林面積較小，竹資源開發(fā)利用不受重視，發(fā)達國家對竹類機械研究較少，發(fā)展中國家由于工業(yè)基礎(chǔ)、經(jīng)濟效益的原因，無法進行大規(guī)模、持續(xù)性地研究；導(dǎo)致目前竹產(chǎn)業(yè)前端鏈機械化程度較低，很多環(huán)節(jié)的設(shè)備仍處于概念或樣機階段。

表1主要產(chǎn)竹省竹林特征情況

Tab.1 Characteristics of bamboo forests in major bamboo-producing provinces

省份竹林面積:森林面積/%種類林分密度/(株·hm-2)坡度/°土壤福建6.62 1.毛竹2.綠竹3.石竹4.臺灣桂竹5.黃甜竹33 40022.5紅壤、黃壤、紫色土江西6.22 1.毛竹2.方竹3.羅漢竹30 00022.3紅壤、黃壤、山地黃棕壤四川2.33 1.硬頭黃竹2.慈竹3.楠竹4.綿竹43 57026紫色土、黃壤浙江5.92 1.毛竹2.雷竹3.高節(jié)竹38 34023紅壤、黃壤

2.1 砍伐環(huán)節(jié)

國外對木材砍伐機設(shè)備較為成熟，通過油鋸伐木，同時完成打捆、剃枝、轉(zhuǎn)運等功能，現(xiàn)階段國際知名的林業(yè)機械品牌有美國迪爾(John Deere)、日本小松(KOMATSU)、芬蘭龐塞(Ponsse)[28](見圖1)。

圖1 國外林木機械Fig.1 Forestry machinery abroad

聯(lián)合采伐機以多輪浮動懸掛底盤、機械臂、伐木刀具頭、駕駛室為主要結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)多種復(fù)雜地形。

國內(nèi)大型林業(yè)聯(lián)合機械有2007年北京林業(yè)大學(xué)、哈爾濱林業(yè)機械研究所和東北林業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的CFJ30輪式聯(lián)合采伐機[29,30]；2015年哈爾濱林業(yè)機械研究所研制的采伐清林兩用機[31](見圖2)。

圖2 國內(nèi)林木機械Fig.2 Domestic forest machinery

丘陵地區(qū)竹林生長密度大，地理條件復(fù)雜，并且砍伐時需根據(jù)原料要求進行間伐，大型伐木機械體積較大，不利于在竹林狹窄的空間中行駛；伐木頭的刀具和體積較大，無法伸入林中抓取目標(biāo)，導(dǎo)致大型聯(lián)合采伐機械在我國竹材生產(chǎn)中并未得到廣泛應(yīng)用。

目前國內(nèi)竹子采伐基本采用柴刀、油鋸等方式，勞動消耗大、采伐效率低。南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院的王金鵬提出了V形雙圓柱銑刀切割方式；商慶清開發(fā)的叢生竹采伐鋸，以凸輪式往復(fù)驅(qū)動機構(gòu)帶動鋸片在卡臂間做往復(fù)運動來鋸斷竹桿；宜賓紙業(yè)股份有限公司和東莞市嘉航實業(yè)有限公司共同開發(fā)的電動伐竹剪[32,33](見圖3)。

圖3 國內(nèi)伐竹機械Fig.3 Domestic bamboo cutting machinery

小型伐竹裝備多數(shù)為樣機，并未進行量產(chǎn)，其中電動伐竹剪充電時間為3.5 h，續(xù)航時間4.3 h，剪切能力80 mm，單根竹桿剪斷時間3s，是普通刀具砍伐效率的2～3倍，，但是電動裝備受到了電池續(xù)航能力的限制。

2.2 剃枝環(huán)節(jié)

目前市場上暫無剃枝專用設(shè)備，李軍計發(fā)明的一種簡易無塵竹子加工去枝機，是利用加工臺面和切削刃的轉(zhuǎn)筒式去枝[34](見圖4)。

圖4 一種簡易無塵竹子加工去枝機Fig.4 A simple dustless bamboo branch removal machine

該設(shè)備需要人力牽引，動力來源并未明確，且設(shè)備體積龐大不易運輸，不能用于無道路無電力的林場。

2.3 打捆環(huán)節(jié)

打捆機械現(xiàn)在有國際竹藤中心的費本華發(fā)明的圓竹打捆存放裝置，該裝置能夠規(guī)范打捆方式，使打捆后的竹材形狀和尺寸統(tǒng)一，利于存放和運輸；另有手提式電動打包機，可替代人工捆扎的方式[35,36](見圖5)。

圖5 竹類打捆機械Fig.5 Bamboo baling machinery

打捆機的助力方式和場地適用能力還需進一步優(yōu)化；手提式打包機的捆扎能力，打捆重量需要進一步加強。

2.4 轉(zhuǎn)場運輸環(huán)節(jié)

轉(zhuǎn)場運輸主要是將竹材打捆后從采伐現(xiàn)場轉(zhuǎn)運至機動車可通行道路邊的過程，現(xiàn)階段主要是靠人力挑抬進行運輸，有部分學(xué)者提出使用索道、滑道等方式的裝備，但由于地形適應(yīng)性、避障能力、運輸效率和距離以及線路固定等因素，真正能夠?qū)嵤┻€存在著一段距離。

2.5 竹蔸破除環(huán)節(jié)

竹材砍伐后留下了大量竹蔸，這些竹蔸堅硬且不易腐爛，一般需10年以上的時間才能自行腐爛，占用林地空間，在采伐后仍然依賴其尾錐部附著在竹根，從竹鞭和土壤里消耗養(yǎng)分，降低竹鞭發(fā)筍、長竹的數(shù)量和質(zhì)量，從而降低竹林經(jīng)濟效益。現(xiàn)階段有部分挖掘竹蔸的機械裝置，如圖6所示。

圖6 破碎式竹蔸挖掘機Fig.6 Crushing bamboo castanopsis excavator

破碎式竹蔸挖掘機通過粉碎竹蔸，破壞其內(nèi)部組織，增加與空氣、水分的接觸面，加速竹蔸腐爛。在樣機操作過程中，竹屑容易堵塞，不便于竹屑向上排出，流暢性還有待提高。

3 竹產(chǎn)業(yè)機械化建議

竹產(chǎn)業(yè)是我國的朝陽產(chǎn)業(yè)，在政府和市場二元主導(dǎo)下，產(chǎn)業(yè)崛起勢在必行，現(xiàn)階段前端鏈機械化發(fā)展極不匹配產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切地需要根據(jù)丘陵山區(qū)竹材的生長環(huán)境和采伐要求，研制新型的砍伐、剃枝、打捆、轉(zhuǎn)場運輸?shù)冗^程的成套設(shè)備。

3.1 加強竹產(chǎn)業(yè)前端機械設(shè)備研發(fā)

(1)大型機械研發(fā)

通過對國外成熟林業(yè)機械技術(shù)的引進和參考，尤其是針對大型聯(lián)合機械，改良機械的伐木頭，使其能夠適應(yīng)竹材的砍伐，優(yōu)化機械的行走方式，使其能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的地形。

(2)小型機械研發(fā)

結(jié)合丘陵山區(qū)的地理條件，對于小型化、多功能集成化的裝備需求更加突出，機械設(shè)備應(yīng)滿足以下原則：a.設(shè)備輕便，能進行單人攜帶或雙人在快速拆分后攜帶并能夠迅速裝配；b.由于能源限制，應(yīng)考慮較強續(xù)航能力的充電式機械，或小型的油機，并提高機械的效率；c.操作簡單，具有省時、省力的優(yōu)勢。

3.2 建立標(biāo)準(zhǔn)化林場

通過建立標(biāo)準(zhǔn)化林場改善我國竹林粗放經(jīng)營的現(xiàn)狀，加強林場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在適當(dāng)條件下對林場采取分類改造的方法，按照機械化要求，對林地丘陵區(qū)進行宜機化改造，修建林場通行道路，縮短轉(zhuǎn)場運輸?shù)木嚯x，修建林間作業(yè)道路，以滿足中小型機械進場作業(yè)的需求。

3.3 探尋土地流轉(zhuǎn)模式和竹材專業(yè)農(nóng)機作業(yè)服務(wù)合作社模式

(1)土地流轉(zhuǎn)模式

在國家全面推行農(nóng)村土地承包經(jīng)營確權(quán)登記后，實現(xiàn)了農(nóng)村土地所有權(quán)、承包權(quán)、經(jīng)營權(quán)的分置，在確保農(nóng)戶權(quán)益的基礎(chǔ)上實行土地流轉(zhuǎn)。流轉(zhuǎn)后的林場可以統(tǒng)一管理、統(tǒng)一改造、集中采伐，有利于前端機械化的發(fā)展。林場流轉(zhuǎn)合理性和便利性是規(guī)模化經(jīng)營的標(biāo)志，也是實現(xiàn)前端成本最小化的有效途徑。

(2)竹材專業(yè)農(nóng)機作業(yè)服務(wù)合作社模式

在主要產(chǎn)竹區(qū)域成立農(nóng)機作業(yè)服務(wù)合作社，對機手和作業(yè)人員進行操作和技能培訓(xùn)，并配備先進的機械，走竹產(chǎn)業(yè)前端機械作業(yè)社會化服務(wù)的道路。在竹材集中采伐期間，通過對大中型林場和勞動力缺乏的農(nóng)戶自有林場進行有償?shù)姆ブ穹?wù)，提高竹林資源的利用率，增加農(nóng)戶和作業(yè)人員的收入。