苗 虎 王曉歡 費本華 張 偉*
(1 中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091;2 國際竹藤中心 北京 100102)
竹類植物生長快速、種類繁多、資源豐富,是極具生態(tài)價值、經(jīng)濟(jì)價值和文化價值的自然資源。竹材強(qiáng)度高、韌性好、硬度大、可塑性佳,是加工制造結(jié)構(gòu)材、板材、家具、紙等產(chǎn)品的優(yōu)良原料,竹筍、竹枝、竹葉、竹纖維等均可開發(fā),可實現(xiàn)全竹利用。全球竹類1 642 種,面積5 000萬hm2,中國現(xiàn)有竹種837 種,集中分布于福建、江西、浙江等16 個省(區(qū)),竹林地面積超過700 萬hm2,2020 年竹產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值接近3 200 億元,竹產(chǎn)品出口貿(mào)易總額達(dá)到22 億美元,產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)率持續(xù)增長[1-2]。
隨著生產(chǎn)生活方式轉(zhuǎn)變,塑料制品特別是一次性塑料用品造成的污染已經(jīng)成為全球最主要的生態(tài)環(huán)境問題之一,需要安全可控、性能達(dá)標(biāo)、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用的替代產(chǎn)品。同時,中國木材對外依存度超過50%,木材安全形勢嚴(yán)峻。竹材物理性能與木材相似。加快發(fā)展竹產(chǎn)業(yè),增強(qiáng)竹材供給,能夠有效緩解治理環(huán)境污染和木材供應(yīng)緊張的壓力。
然而中國竹林主要種植在地形復(fù)雜、山高溝深的山區(qū)丘陵地帶,種植經(jīng)營面積分散,由于林區(qū)道路、供電等基礎(chǔ)設(shè)施落后,對于山高坡陡地段,采伐、集材、運輸和生產(chǎn)多為傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式,勞動強(qiáng)度高,導(dǎo)致大量成熟竹材無法下山。加工階段竹材利用率不高、自動化程度偏低,竹材資源沒有得到高效利用。隨著人口老齡化日趨明顯,勞動力成本不斷攀升,亟需針對中國的竹林資源和地形特點,開發(fā)先進(jìn)實用的竹業(yè)機(jī)械,降低勞動強(qiáng)度,提高竹材生產(chǎn)效率和材料利用率[3]。
竹業(yè)機(jī)械是指在竹林資源經(jīng)營、培育、竹林保護(hù)、更新、竹筍采挖、竹林采伐集材、運輸倉儲和精深加工過程中為提高生產(chǎn)效率所應(yīng)用的機(jī)械與成套設(shè)備,主要分為經(jīng)營機(jī)械、培育機(jī)械、防護(hù)機(jī)械、撫育機(jī)械、采伐機(jī)械、運輸機(jī)械、倉儲設(shè)施和加工機(jī)械等,本文重點討論用于竹業(yè)第一產(chǎn)業(yè)初加工等相關(guān)活動的機(jī)械與成套設(shè)備,是竹業(yè)機(jī)械的重要組成部分,是竹業(yè)生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)和突出短板。按照竹材原料和最終竹產(chǎn)品的使用要求,散生竹、叢生竹、竹筍的生產(chǎn)及初加工相關(guān)竹業(yè)機(jī)械存在一定差別[4-5]。
在散生竹林采伐集材運輸方面,日本SHINWA 公司注重裝備與竹林作業(yè)條件的結(jié)合,研發(fā)的竹林用采伐頭可與工程機(jī)械聯(lián)合使用,通過將采伐頭裝配在挖掘機(jī)的前端,實現(xiàn)散生竹采伐、定段、歸堆、集材、裝卸及短距離運輸?shù)募凶鳂I(yè)。日本NANSEI 公司履帶式集材絞盤機(jī)適應(yīng)山地竹林條件,通過靈活移動可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)竹材下山運輸、集材、裝卸作業(yè)(圖1)。日本筑水株式會社的履帶式運輸車具有爬坡、提升、捆扎、運輸功能,能夠完成中短距離的運輸作業(yè)。
圖1 日本竹林機(jī)械化采伐裝備Fig.1 Mechanized bamboo harvesting equipment in Japan
在叢生竹林采伐收集方面,澳大利亞EMG 公司生產(chǎn)的采伐機(jī)配備大馬力拖拉機(jī),可以完成巴西等熱帶地區(qū)叢生竹的采伐、粉碎和收集,可用于加工成生物質(zhì)燃料。采伐機(jī)工作時利用拖拉機(jī)的動力輸出傳至采伐刀軸,將叢生竹整簇進(jìn)行切斷、切碎,旋風(fēng)拋送至跟隨的收集車內(nèi)貯存(圖2)[6]。
圖2 澳大利亞竹林機(jī)械化采收裝備Fig.2 Mechanized bamboo harvesting equipment in Australia
在竹林經(jīng)營和保護(hù)方面,大量應(yīng)用挖掘機(jī)進(jìn)行竹林整地、竹根處理、竹林養(yǎng)護(hù)作業(yè),小型粉碎機(jī)通過林間作業(yè)將廢棄竹條、竹枝就地粉碎還林或收集。旋耕機(jī)、施肥施藥機(jī)進(jìn)行松土施肥,開展病蟲害防治保護(hù)竹林。對于山高坡陡地段,則人工操作油鋸、電鋸、割灌機(jī)等進(jìn)行撫育、除灌和采伐。
歐美、日本在林業(yè)機(jī)械國際市場的供給中占有主導(dǎo)地位,在生產(chǎn)總值、出口貿(mào)易額、產(chǎn)品技術(shù)水平及專利數(shù)量方面居領(lǐng)跑地位。美國約翰迪爾公司、奧地利龐賽公司、日本小松公司研發(fā)的木材聯(lián)合采伐機(jī)可將林區(qū)每項作業(yè)聯(lián)合起來,由一臺或多臺設(shè)備完成,實現(xiàn)伐木、削枝、歸堆、集材、造材、裝卸及短距離運輸成材的集中作業(yè)。德國、奧地利的陡坡山地索道集材運輸設(shè)備減少了生產(chǎn)過程中對幼樹的損傷和水土流失,有利于森林的天然更新,充分體現(xiàn)了多功能、大型化機(jī)械采伐運輸作業(yè)的規(guī)模化和高效率。奧地利、日本的丘陵山區(qū)立地條件,日本的竹林資源狀況與中國南方竹產(chǎn)區(qū)類似,這些國家開展的木材生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)模式,為竹林生產(chǎn)機(jī)械化提供了可借鑒的經(jīng)驗[7]。
中國竹業(yè)機(jī)械伴隨著竹產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展初具規(guī)模,設(shè)備研發(fā)取得明顯進(jìn)展。精深加工機(jī)械基本跟上了國家制造業(yè)發(fā)展的步伐,實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)更新改造和優(yōu)化升級,部分機(jī)械裝備達(dá)到或者接近國際先進(jìn)水平,產(chǎn)生了一批具有行業(yè)代表性企業(yè)。中國竹業(yè)機(jī)械化雖然取得了較大進(jìn)展,但與林業(yè)現(xiàn)代化的要求還存在較大差距,服務(wù)第一產(chǎn)業(yè)的竹業(yè)機(jī)械還處于空白或起步階段,部分機(jī)具只能使用農(nóng)業(yè)機(jī)械、園林機(jī)械替代,很難滿足竹產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)要求,機(jī)械化率不足15.00%,與農(nóng)業(yè)機(jī)械化率達(dá)到71.25%相比,竹業(yè)機(jī)械發(fā)展嚴(yán)重落后(圖3)[8-9]。
圖3 中國竹業(yè)、林業(yè)與農(nóng)業(yè)的機(jī)械化率Fig.3 Mechanization rate of bamboo industry,forestry and agriculture in China
近年來,許多科研單位、企業(yè)克服困難,堅持研究,積極探索竹業(yè)機(jī)械的發(fā)展。國家林業(yè)和草原局北京林業(yè)機(jī)械研究所提出了錐形圓竹采伐方法,開展了丘陵山地竹林多功能作業(yè)機(jī)(圖4)、叢生竹擇伐機(jī)、自動破竹設(shè)備的研發(fā)[10-11]。浙江農(nóng)林大學(xué)承擔(dān)了浙江省科技廳重大科技專項計劃,研發(fā)竹林機(jī)械化經(jīng)營設(shè)備——系列竹林機(jī)械化經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)與裝備[12]。東北林業(yè)大學(xué)設(shè)計研發(fā)了自走式輕型竹材采伐機(jī)、小型竹材間伐機(jī)[13]。南京林業(yè)大學(xué)提出伐竹用V 形雙圓柱銑刀設(shè)計方案,搭建了實驗系統(tǒng)[14]。西華大學(xué)承擔(dān)宜賓市科技自主創(chuàng)新專項,開展了叢生竹采伐技術(shù)體系研究與裝備開發(fā)[15]。福建省林業(yè)科學(xué)研究院針對毛竹林研制了單軌運輸機(jī),使工作坡道提高到60°,并制定了林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《林業(yè)機(jī)械 以內(nèi)燃機(jī)為動力的山地單軌運輸機(jī)》[16]。
圖4 丘陵山地竹林多功能作業(yè)機(jī)Fig.4 Multi-function machinery for bamboo forestry in hilly region
竹產(chǎn)區(qū)省份為推進(jìn)竹業(yè)機(jī)械化進(jìn)行了深入探索和實踐。浙江省提出“機(jī)器換人” 計劃,安吉縣林業(yè)局與北京林業(yè)機(jī)械研究所合作開展了國有林場機(jī)械化伐竹試驗與示范工作。通過設(shè)備現(xiàn)場演示、機(jī)械化作業(yè)培訓(xùn)等多種方式進(jìn)行機(jī)械化推廣,提出專業(yè)工程隊機(jī)械化作業(yè)模式和設(shè)立林業(yè)機(jī)械維護(hù)點等措施,全縣竹林經(jīng)營基本實現(xiàn)了機(jī)械化。福建省以營林機(jī)械推廣示范點建設(shè)為抓手,以點帶面推廣竹業(yè)機(jī)械,割灌機(jī)、油鋸、單軌運輸機(jī)得到廣泛應(yīng)用,初步實現(xiàn)了營林作業(yè)職業(yè)化、營林裝備專業(yè)化、裝備保障常態(tài)化的發(fā)展模式。
盡管竹業(yè)機(jī)械存在市場容量小、產(chǎn)品利潤不高等問題,但竹業(yè)機(jī)械企業(yè)仍堅持以市場為導(dǎo)向,進(jìn)行技術(shù)集成創(chuàng)新。東莞市嘉航實業(yè)有限公司等單位聯(lián)合研發(fā)的電動伐竹剪,通過驅(qū)動裝置與剪切一體化的結(jié)構(gòu)集成創(chuàng)新,縮短剪切行程,適宜叢生竹狹窄操作空間的采伐(圖5)。益陽竟寧竹業(yè)機(jī)器人有限公司研發(fā)自走式拖拽機(jī)(圖6),將竹子從砍伐、拖拽、去枝截尾、裝載等工序進(jìn)行機(jī)械化作業(yè),實現(xiàn)竹子下山。綠友機(jī)械集團(tuán)股份有限公司研發(fā)的履帶式竹材粉碎機(jī)將竹林中的剩余物就地粉碎用于生產(chǎn)生物質(zhì)燃料、竹纖維(刨花) 板、食用菌栽培基質(zhì)、園林覆蓋物等[17]。
圖5 叢生竹伐竹剪Fig.5 Cutting bamboo scissors for sympodial bamboo
圖6 自走式竹材拖拽機(jī)Fig.6 Self propelled bamboo hauling machine
隨著竹產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新,竹制品從早期的竹地板、竹膠合板的幾個品種到竹裝飾材、竹家具、竹日用品、竹工藝品、竹結(jié)構(gòu)等新材料、新產(chǎn)品的不斷開發(fā)應(yīng)用,形成了100 多個系列、近萬種竹制品,使得精深加工領(lǐng)域不斷細(xì)分,加工機(jī)械需求多樣化。需要加快解決制約圓竹原態(tài)利用、整竹展平加工、竹集成材自動組胚、重組竹更新?lián)Q代、弧形原態(tài)竹材連續(xù)制備、竹吸管、竹刀叉規(guī)模化加工等裝備的連續(xù)化、自動化和智能化等關(guān)鍵技術(shù),提升了竹制品加工生產(chǎn)線的感知識別、運動執(zhí)行、人機(jī)交互能力,推進(jìn)了智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備、核心支撐軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)集成應(yīng)用,形成了開放兼容、穩(wěn)定成熟的技術(shù)體系。
中國竹林資源主要分布在地形復(fù)雜、山高坡陡的山區(qū)丘陵地帶,經(jīng)營管理難度較大,同齡竹林采伐一般采用間伐方式,采伐作業(yè)面積過于分散,生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,這樣的生產(chǎn)條件對于竹業(yè)機(jī)械的技術(shù)性能要求較高、需求差異大。而竹業(yè)機(jī)械目前還具有很強(qiáng)的公益性,面向竹農(nóng)生產(chǎn)生活,市場關(guān)注度不高,市場容量和份額都沒有被挖掘,市場開拓十分艱難。另一方面,竹業(yè)機(jī)械利潤率低,低端竹業(yè)機(jī)械同質(zhì)化嚴(yán)重,且企業(yè)投入的研發(fā)費用較少,更沒有能力進(jìn)行新設(shè)備新技術(shù)的研發(fā)。
與通用制造業(yè)相比,竹業(yè)機(jī)械屬于服務(wù)竹產(chǎn)業(yè)的專用設(shè)備,面臨著作業(yè)條件復(fù)雜各異、產(chǎn)業(yè)需求廣泛多樣的問題。行業(yè)管理分散,立項渠道不通,例如在裝備制造行業(yè)中林業(yè)立不上科研項目,在林業(yè)行業(yè)科研項目中裝備制造業(yè)也立不上。竹產(chǎn)區(qū)各省各部門考慮本地區(qū)較多,出現(xiàn)重復(fù)立項研究,缺少整合有效資源、集中力量辦大事的機(jī)制,不能有效組織竹產(chǎn)業(yè)協(xié)作攻關(guān)共性關(guān)鍵裝備。
竹林生產(chǎn)經(jīng)營主體多為分散的林戶、林場和企業(yè),規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)弱,作業(yè)空間復(fù)雜,對機(jī)械的需求總量千差萬別,這樣的現(xiàn)狀無法形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力。由于缺乏竹產(chǎn)業(yè)全過程的技術(shù)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程等標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致竹產(chǎn)業(yè)上中下游需求未能實現(xiàn)有效對接,而且竹業(yè)機(jī)械研發(fā)跟不上實際生產(chǎn)需求。沒有形成上下游優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局,調(diào)動裝備企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)積極性困難。
中國竹業(yè)機(jī)械整體水平落后,許多竹業(yè)機(jī)械既要考慮便于在復(fù)雜地形、氣候、立地等野外條件下使用,又要兼顧生產(chǎn)作業(yè)一線林農(nóng)等主體的購買力和操作能力,勢必增加新產(chǎn)品研發(fā)的難度和成本。竹業(yè)機(jī)械很難進(jìn)入農(nóng)機(jī)購置補貼目錄,得不到政府的資金支持,這在一定程度上提高了竹業(yè)機(jī)械的購置門檻,增加了林農(nóng)購機(jī)壓力,使得林農(nóng)買不起、用不起竹業(yè)機(jī)械,阻礙了竹產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展和普及。
國家在裝備制造業(yè)和農(nóng)機(jī)裝備振興方面已取得了先進(jìn)技術(shù)成果,包括信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化,以及新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展,可為竹業(yè)機(jī)械技術(shù)發(fā)展提供借鑒。從竹林生產(chǎn)實際需求出發(fā),利用裝備制造業(yè)和農(nóng)機(jī)裝備成熟的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵零部件,結(jié)合竹林經(jīng)營培育的工藝,推動機(jī)械與竹業(yè)工藝技術(shù)相融合,從竹林經(jīng)營、撫育、病蟲害防治、施肥、采伐、運輸、倉儲到深加工各環(huán)節(jié)要加大科技創(chuàng)新與設(shè)備研發(fā)力度,共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈科技創(chuàng)新[18-19]。
提升自主創(chuàng)新能力,把掌握共性關(guān)鍵核心技術(shù)作為主攻方向,加速關(guān)鍵裝備技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,搶占全球竹產(chǎn)業(yè)科技制高點。重點開展竹林采伐、集材、運輸、倉儲等薄弱環(huán)節(jié)的機(jī)械化技術(shù)創(chuàng)新和裝備研發(fā)、集成示范與推廣應(yīng)用,攻克制約竹子下山“卡脖子” 的關(guān)鍵共性技術(shù)問題。圍繞國家竹產(chǎn)業(yè)園區(qū)重大工程和生產(chǎn)一線需求,實現(xiàn)竹裝備產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)合攻關(guān),政產(chǎn)學(xué)研用多主體協(xié)同推進(jìn)、研發(fā)生產(chǎn)與推廣應(yīng)用相互促進(jìn)機(jī)制。
探索具有區(qū)域特點的竹林生產(chǎn)全過程機(jī)械化解決方案,加強(qiáng)機(jī)械化作業(yè)環(huán)境條件、林藝竹藝、竹林機(jī)械一體化標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和實施細(xì)則的匹配,改善竹林機(jī)械通行和作業(yè)條件,提高竹林機(jī)械化適應(yīng)性。加大研發(fā)制造、工廠驗證、區(qū)域試驗和示范工程的支持力度,建立竹業(yè)機(jī)械化區(qū)域試驗和示范工程,重點推進(jìn)竹林生產(chǎn)全過程機(jī)械化和智能化,率先在重點林區(qū)、國有林場、竹產(chǎn)業(yè)園區(qū)重大工程創(chuàng)建竹業(yè)機(jī)械化示范區(qū)(縣),引導(dǎo)有條件的省份、市(縣) 和林區(qū)林場率先基本實現(xiàn)竹林生產(chǎn)全過程機(jī)械化。
竹產(chǎn)業(yè)是竹產(chǎn)區(qū)鄉(xiāng)村發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè),裝備在鄉(xiāng)村振興和竹產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用?,F(xiàn)代機(jī)械可快速提高竹產(chǎn)業(yè)工作效率,增加經(jīng)濟(jì)效益,節(jié)省出來的勞動力又可轉(zhuǎn)移到其他經(jīng)濟(jì)鏈中,產(chǎn)生更多效益,增加農(nóng)民收入。重點推進(jìn)用于鄉(xiāng)村振興的竹業(yè)機(jī)械首批進(jìn)入專項補貼目錄,鞏固全面脫貧攻堅成果。用好銜接推進(jìn)鄉(xiāng)村振興補助資金,重點支持適合國情、先進(jìn)實用的竹業(yè)機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)與應(yīng)用,鼓勵和扶持使用國產(chǎn)首臺(套) 重大技術(shù)裝備的企業(yè)。
中國竹產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成世界規(guī)模最大的生產(chǎn)供應(yīng)體系,竹業(yè)機(jī)械技術(shù)已經(jīng)取得一定成績,初步建立起較為完整的制造體系,日益成為中國參與國際國內(nèi)市場競爭的中堅力量。但服務(wù)鄉(xiāng)村振興的竹業(yè)機(jī)械發(fā)展緩慢,區(qū)域發(fā)展極不平衡,與農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平差距甚遠(yuǎn),遠(yuǎn)不適應(yīng)竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的要求。
2021 年11 月國家林業(yè)和草原局聯(lián)合國家發(fā)展改革委、科技部等10 部門印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見》,提出到2035 年竹產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值超萬億的發(fā)展目標(biāo),將加快機(jī)械裝備提檔升級,加強(qiáng)新型高效節(jié)能竹材采伐機(jī)具、高性能竹機(jī)運輸裝備等高端機(jī)械裝備的研發(fā)推廣作為竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)。在浙江、江西、四川、湖北等省份出臺加快推進(jìn)竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見中,均聚焦重點加強(qiáng)竹材采伐、竹筍采挖、竹林生產(chǎn)資料運輸、筍材加工成套智能化設(shè)備的研發(fā),竹業(yè)機(jī)械將迎來難得的發(fā)展機(jī)遇。
面對竹產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量創(chuàng)新發(fā)展的迫切要求,在堅定發(fā)展信心的同時,也要正視自身存在的短板和不足,直面竹業(yè)機(jī)械無法上山入林作業(yè)、采運儲生產(chǎn)脫節(jié)、精深加工自動化程度不高等關(guān)鍵核心技術(shù)缺失的問題,集中力量,發(fā)揮優(yōu)勢,提升自主創(chuàng)新能力,加快補齊短板,高效協(xié)同創(chuàng)新合作。發(fā)揮竹產(chǎn)業(yè)行業(yè)協(xié)會的橋梁作用,鼓勵相關(guān)裝備企業(yè)建立以技術(shù)資本為紐帶的融合發(fā)展主體,加大新技術(shù)、新設(shè)備的研發(fā)力度,引導(dǎo)大型企業(yè)由單機(jī)制造為主向成套裝備集成為主轉(zhuǎn)變、中小企業(yè)向“專精特新” 方向發(fā)展。鼓勵竹產(chǎn)業(yè)大膽、優(yōu)先使用高質(zhì)量國產(chǎn)裝備,實現(xiàn)裝備迭代升級,助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和裝備制造強(qiáng)國發(fā)展。