林木種子采收技術與裝備研究進展

吳 昊，董希斌

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

0 引言

我國是一個森林資源相對匱乏的國家，根據第六次全國森林資源清查 (1999－2003)結果，全國森林面積17 490.92萬 hm2，林業用地面積28 280.34萬 hm2，居世界第 5位。森林覆蓋率18.21%，僅相當于世界平均水平的61.52%，居世界第130位。人均森林面積0.132hm2，不到世界平均水平的1/4，居世界第134位。森林蓄積124.6億 m3，列俄羅斯、巴西、加拿大、美國、扎伊爾、印尼之后，居世界第7位。人均森林蓄積9.421m3，不到世界平均水平的1/6，居世界第122位。

我國林業發展大至經歷了如下三個時期:

第一時期 (20世紀50年代至70年代末)，該時期最顯著特征是盡可能多的生產木材，以森林采伐為主，最大程度提供國家建設所需原材料，大部分森工企業均建立于該時期。

第二時期 (20世紀80年代初至20世紀末)，注重森林的培育與綜合利用，森林覆蓋率快速增長，人工造林年均達450萬hm2，人工林總量達到4 666萬hm2，占全球的26%，是人工造林規模最大的國家。

第三時期 (21世紀初至今)，新時期林業建設的最根本目的是以生態建設為主，將林業的生態效益放在了首要位置，全面實施了六大林業工程(天然林保護工程、退耕還林還草工程、 “三北”和長江中下游地區等重點防護林體系建設工程、野生動植物保護及自然保護區建設工程、重點地區速生豐產林產業基地建設工程、京津風沙源工程)，全面禁伐天然林，并提出了以下今后林業發展的戰略性目標。

(1)到2010年，使森林覆蓋率達到19.4%，初步遏制生態環境惡化的趨勢，大力調整林業產業結構。

(2)到2030年，使森林覆蓋率達到24%，生態環境與森林質量明顯改善。

(3)到2050年，森林覆蓋率達到26%以上，全面建成布局合理、功能齊備、管理高效的林業生態體系和規范有序、集約經營和富有活力的林業產業體系，從根本上改善我國的生態環境［1－2］。

經過幾十年的發展，截止到2006年，全國共建設專門的林木良種繁育中心23個，林木良種基地622處，面積超過200萬hm2，建設樹種193個，目前均已成熟。全國林木良種的生產能力可達每年2 500萬kg，林木良種使用率達到了70%，基地供種率超過50%［3－4］。但是，當前我國絕大多數的林木良種基地采種作業仍舊以人工地面采集和爬樹采集為主，機械設備的使用極少，不僅勞動強度大，效率低下，且十分的危險。該采種作業方式，已經滿足不了林業發展對優良種子的需求，制約了林業發展，不符合林業跨越式發展的戰略目標要求。

按照今后的林業發展趨勢，大規模人工造林迫切需要大量的優良種苗，但是落后的林木種子生產與采收方式已經遠遠不能滿足需求，制約了林業的發展。因此，研究適應大規模種子采收的技術與裝備，為優良種苗培育提供充足的種子支持，具有十分重要的意義，是全世界的共識和發展趨勢。

1 國內外采種設備

1.1 國外采種設備

國外林業發達國家很早前就開始了對采種技術和裝備的研究，各種方法與裝備均有所發展，技術較為成熟。雖然各國研究的方向與側重有所不同，但是其根據本國林業實際情況研究適宜的采種技術與裝備的思路值得借鑒。主要林業發達國家采種作業中常用的裝備見表1［4］。

表1 主要林業發達國家常用種子采收裝備Tab.1 Seed harvesting equipment commonly used in major developed forestry countries

由表1看出，國外采種設備的形式與種類較多，從小型的簡易采種工具到大型機械設備均有使用，各個國家對此的側重也不盡相同。將這些采種設備按使用方式和原理進行分類，大致可以分為人工小型采種工具和機械采種設備兩類，其中的機械采種設備按照工作特點又可分為機械輔助性采種設備和機械自行式采種設備兩類，如圖1所示。

表1所列舉的世界上主要林業發達國家中，美國、加拿大、巴西和俄羅斯對采種裝備的研究最為全面，各類型人工和機械采種設備均有研制使用，由于此4個國家的國土面積廣大，森林資源十分豐富，因此在林業生產中相比其他國家更注重效率的提高，進而也更注重大型機械采種設備的使用。其中，美國研制的種子采集機器人不但可以采集樹木的種子，還能夠應用于農場果園等的球果采收，整機采用了通過性能非常好的軍用越野車作為行走機構，安置在其上的折臂式多自由度機械手可以對2～16m高度的球果進行快速采摘，是當前世界上研制出的最先進采種設備。

歐洲國家在實際的林業發展中相對更重視森林的生態效益，重在保護森林資源而輕利用，因此，雖然也研究有不少先進的大型機械設備，但是在林業的實際生產中更多使用的仍然是對環境影響較小的小型作業設備［4］。其中，挪威研制的一型組合式采種梯比較獨特，該梯由多段鋁合金制成的單節梯組合而成，每段單節梯長5m，重量僅為10kg，最多時可組合6段單梯高度達到27m，該梯的組合與分解非常方便，分解后可由多人進行背負，使用范圍非常廣泛。

1.2 國內采種設備

我國的采種技術和裝備研究開展較晚，但是經過多年的努力，也已取得了不少的成果，其中不乏一些先進的采種設備，國外目前正在使用的技術裝備，基本上國內都開展了研究，國內研制成功的主要采種裝備見表2。

(1)CJ-1型立木采種工具包。CJ-1型落葉松立木采種工具包由上樹工具、采摘和收集工具，安全防護用具組成。上樹工具為一具雙刺腳蹬，重1.4kg，固定在腳和小腿上。采摘工具和球果收集裝置。采摘工具采用的梳齒式采摘剪，由工作頭和工具柄構成，工作頭設計為圓形內梳齒和平行圓弧齒的形狀，用鋁合金制成。工具柄設計為多節可伸縮式，總長度3.6m，用玻璃布基層壓管制成。在采種梳橫梁前方加裝了由彈性鋼絲支撐的布袋，袋口直徑為30cm，深25cm。被梳下的球果可直接掉人袋內。

CJ-1型立木采種工具包具有輕便安全、操作簡單、采集同步、制造使用成本較低等優點，但勞動強度大，效率低。適用于種子園、母樹林和用材林等的種子采集工作，效率為2.45kg/h，經濟社會效益和生態效益顯著［5］。

圖1 林木種子采收方式及其主要設備Fig.1 Tree seed harvesting methods and the main equipment

表2 我國主要林木采收設備Tab.2 Main forestry harvesting equipment in China

(2)CJ-50高空作業采種機。CJ-50高空作業采種機由原黑龍江省木材采運研究所研制，屬升降臺式采種輔助設備。選用林業中使用普遍的CJ-50履帶式集材拖拉機作為底盤，在其上裝有一具折臂式升降機構，升降機構末端裝有供工作人員站立的工作臺。整機為液壓驅動，在底盤的變速箱側面布置有取力裝置帶動液壓油泵工作。

CJ-50高空作業采種機整機重量為7 800kg，最大作業高度14 m，最大作業幅度6.4 m，工作額定載荷200 kg，每小時可采球果30～32kg，效率是人工上樹采種的3～5倍。CJ－50高空作業采種機解決了人工上樹采種爬樹難，勞動強度大，摘取球果困難，破壞母樹樹冠等采種作業中的實際問題，提高了采種作業的效率［6］。但機體笨重，在林中通過困難。

(3)CZ－13林木自行升降式采種機。CZ－13林木自行升降式采種機由東北林業大學與黑龍江帯嶺林科所聯合研制，屬升降臺式采種設備。該采種機由底盤、整體式支架、折疊式起升機構、工作臺和液壓與控制系統組成，底盤選用的是北汽生產的輕型越野貨車，具有出色的越野能力和充足的動力輸出，能夠保證人工種子園內的行駛要求。該采種設備專為山地、林地等立地條件差，地面坡度較大的使用環境設計，通過整體式支架的調平功能可以滿足地面坡度為0°～12°的種子園采種作業要求。

CZ－13林木自行升降式采種機全重為2 860kg，最大作業高度13m，最大幅度3m，每小時可采集球果50kg以上，解決了山地大坡度條件下的采種作業難題。

(4)RBT14型林木球果采集機器人。RBT14型林木球果采集機器人由東北林業大學研制。是目前國內最先進，自動化與智能化程度最高，技術最復雜的專業采種設備。該機器人大量使用了先進的自動控制和傳感器技術，通過單片機和程序來控制機器人動作和采種作業，不僅代表了國內林業機器人發展水平和專用采種設備的最先進技術，在國際上也代表了最先進的采種技術和設備［7］，但由于機體笨大，造價高，在林中通過困難。

RBT14型林木球果采集機器人由行走機構、機械手、液壓系統和單片機控制系統等構成，機器人全重8 750kg，最大采集高度為14m，最大采集半徑6.8m，每小時能采摘落葉松球果50kg，效率是人工采摘的30～35倍，工作人員可以站在地面上即可控制機器人進行球果采集作業［8－9］。

工作時，先將機器人停放在距母樹3～5m遠處，通過分控制系統操縱機械手對準某一棵母樹。之后，單片機系統控制機械手大、小臂同時柔性升起到達一定高度，采集爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大、小臂同時運動，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近1.5～2m，然后采集爪的梳齒夾攏樹技，大、小臂帶動采集爪按原路向后縮回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。單片機再控制采集爪向上或向下移動，對準另一根樹枝后重復上述動作。采集完一顆樹后，轉動機械手對準下一顆母樹，重復上述動作，便可完成一個站位的周邊樹木的采集工作［10－11］。

(5)TD－40型抖動式林木采種裝置。TD－40型抖動式林木采種裝置由黑龍江省帶嶺林科所研制，屬于震動式采種工具。其攜帶方便，操作容易，作業安全，對于立地條件復雜、大型機械使用困難及條件惡劣的種子園，具有很好的使用效果。

工作時，工作人員利用可伸縮的舉升桿，將雙臂處于張開狀態的抱樹器舉升到所采母樹樹干的一定高度處，拉動抱樹器抱合控制索，抱樹器雙臂抱合，然后將繃索的另一端鉤掛在抱樹器上，再將繃索的另一端固定在距母樹適當位置的立木或樹樁上，并借助緊索器將繃索拉緊。采種人員用擊打棒(長1.8m，直徑5～6cm)用力打擊繃索，借助繃索產生的拉力搖動樹干，將球果抖落。

該抖動式林木采種裝置全重不超過20kg，兩名工作人員即可操作，每小時可完成5～8棵樹木的種子采集工作［12］，但采種勞動強度大，效率低。

(6)便攜式振動采種機。該機由黑龍江省林科院和黑龍江省牡丹江特種車輛改裝廠聯合研制，是一種體積小，重量輕，價廉耐用的便攜式震動采種機。

該便攜式振動采種機由動力部分、傳動部分、振動頭和夾緊裝置等4部分組成。動力部分為一部小型柴油機，輸出的動力通過傳動軸傳至振動頭，帶動振動頭中的偏心軸轉動產生激振波，并經過底板夾緊裝置傳遞給樹干，最終振動波在樹干和樹枝中傳遞到達球果，使球果產生共振，抖落成熟的種子。

該采種機全重僅20kg，樹徑在25～40cm的樹木均可使用，每小時可完成10～15棵樹木的種子采集，平均震動10～20s就可將70%的成熟球果中的種子震落，效率是人工采集的10倍［13－14］，但損傷樹木。

2 林木種子采收技術

林木種子的采收是一項很繁重的工作，同時也是機械化程度最薄弱、效率最低的一個環節。采種技術和裝備的發展，既受到各地所處環境條件的影響，同時還與各國的林業發展狀況和所處發展階段息息相關。不論采用何種采種方式和技術，都必須切合實際，都必須符合當地采種作業和林業發展的需要。

林木種子的采收方式按被采樹木所處的狀態可以分為伐倒木采種和立木采種兩大類［15－17］。

從伐倒木上采集種子，雖然方便且效率較高，但是對母樹的影響是毀滅性的，不適用于種子園，通常情況下是伴隨道路修筑和林地清理等實施。該方法在美國和加拿大采用較多，所使用的設備有吸氣式種子收集機、滾齒式種子收集機和手提式分離機等。工作時一般先用手提式分離機將伐倒木上的種子敲下或剪下，然后再用滾齒式或吸氣式種子收集機將落在地上的種子收集起來。

立木采種法為我國和世界上大多數國家所采用，但是該方法要受到樹木和立地條件等自然因素的嚴重制約，立木采種通常有以下4種方式。

(1)工作人員直接站在地面上利用小型工具采集種子。該采種方式所使用的工具主要是一些小型的人工采摘器具，如采種鉤、采種耙、采種梳和剪式采摘器等。

采種鉤、采種耙以及采種梳是通過施加拉力于果柄將其拉斷，結構簡單，輕便小巧，攜帶方便，制造容易。剪式采摘器具有可以轉動剪切的刀片，通過刀片的剪切將球果果柄切斷，通常用于球果與樹枝結合力較大、球果果柄較長的樹種采摘。此類小型采摘器具多數帶有長桿，工作人員站在地面上便可對一定高度內的球果進行采摘，也可以配合爬樹和升降設備使用。

(2)工作人員利用升降或爬樹設備提升至種子所處的樹冠處，再利用各種種子采集器具進行采種。工作人員直接站在地面上利用小型的人工采摘器具進行球果采集作業，要受到樹木高度的限制。因此，實際作業中常常需要用到爬樹工具或者利用升降設備將采工作人員提升到樹冠高度配合便攜式采集工具進行作業。此類采種輔助裝備有升降臺、采種梯、樹木車和爬樹器等。

爬樹器或刺鐵是一種與采種工作人員的靴子聯接在一起的爬樹工具，使用范圍極廣，爬樹器的種類型型號繁多，但基本結構類似，最大的缺點是會對樹皮造成一定的損傷，尤其對于薄皮樹種的損傷較為嚴重。

樹木車通常用于攀登樹干高大筆直、樹冠以下無枝權的樹木，適合于在直徑為30～80cm的樹干上使用，其重量較輕，便于攜帶，對樹木的損傷較小，缺點是使用成本高，適用范圍小，且使用時需對樹冠以下的活枝進行清理，此外，還需對使用者進行專門的訓練。

采種梯是一種使用極其普遍的上樹工具，世界各國都有使用，有多級登高梯、自由站立式階梯和三腳梯等多種類型。

升降臺是各國在實際采種作業中通常使用的一類大型采種輔助設備，用來提升采種人員到達樹冠處。升降臺一般由行走底盤、多節式升降臂等構成，升降臂可以作360°回轉，最大起升高度從10～40m不等。升降臺由于結構龐大，行走不便，通常用于地勢平坦，道路條件較好，大面積的優良種子園區。

(3)人為對樹干施加震動，將種子振落后使用拾集工具將其回收，或直接在樹下布置網狀接收裝置。樹木振動機最初是設計用于大面積果園的采果作業，經過改進后引入到林業的采種作業中。振動式采種機的工作原理，就是將振動器產生的振動波傳遞給樹木，樹木在受到外來的振動后以一定的頻率和振幅 (一般與振動器的頻率和振幅不同)振動，這樣就使得樹枝上的球果也產生振動和變速運動，變速運動的球果要受到慣性力的作用，當慣性力大于球果與樹枝之間的結合力或球果翅片對種子的夾持力時，球果或種子就會掉落。在北美南部，振動式采種機被廣泛的用來采集南方松的種子。

振動式采種機具有效率高、速度快、工作能力強的優點，比較適合于地勢平坦，道路條件較好的大面積優良種子產區。不足是設備的購置費用和使用維護費用較高，要求操作者具有熟練的操作技術，此外，對樹木的影響較大。

(4)工作人員在地面上遠距遙控帶有傳感器和采摘裝置的采種機器人進行球果采集。日本、美國和我國均研制了專業的采種機器人，工作人員站在地面上及可操控遠處的機器人實施采種作業，技術先進，安全高效，不足是設備費用與作業成本過高，難以大規模推廣［18－21］。

3 研制采種設備的建議

復雜的自然環境是大型機械設備進入山場林區作業的最大障礙，然而，當前及今后的林業發展迫切需要大量的優良種苗，要提高采種作業效率，就必須借助于機械設備的幫助。雖然經過多年來的努力，研制出了許多采種設備，但是山地、林地特殊自然環境極大的限制了現有大型機械設備的使用，復雜地形條件下的高枝采種難題仍然存在。考慮到我國林業發展的實際情況以及特殊的自然環境，今后采種設備的研發應考慮以下4個方面。

(1)適應性

環境適應性。我國的森林資源多分布于山區，多數地區只擁有簡陋的集材道，林地內地形情況復雜，地表松軟，崎嶇不平，加之石塊、樹木根莖、掉落的枯枝腐葉、空洞和沼澤等，車量和大型機械設備出入十分困難。因此，對于需要深入到林區第一線作業的采種設備，必須擁有較強的通過性與越野能力，要能夠在林區道路和林地內無道路條件下行駛，此外，還要擁有完備的自救能力［15］。

作業適應性。天然林內樹木之間沒有固定的間距，障礙物較多，空間狹小，不利于機械化作業，只能夠使用便攜式的小型采摘工具。人工林內空間較天然林寬裕，林分單一，樹木間距較天然林大且排列整齊，障礙物多經過清理，有大型設備使用的空間，但是空間依就不足，對設備的結構尺寸和形式必須加以限制。此外，山地、林地地面坡度較大，給工作時質心位置會發生變動的大型設備使用造成了極大困難，如起重機、升降機和林業機器人等，若整機處于傾斜狀態，隨著工作機構的展開，質心大幅度飄離中心位置，傾覆力矩超過臨界時就會發生傾覆事故。同時，設備處于傾斜狀態對機構的受力、工作能力和使用壽命等都有不利影響。因此，大型采種設備在設計時需充分考慮到復雜條件下的采種作業特殊性，從結構和工作方式等多方面加以解決。

(2)小型化與多用途。大型機械設備雖然具有工作能力強和效率高等優點，但是由于實際的采種作業中分散性與不確定性較大，大型設備并不能很好的發揮出自身優勢，反而更多的受制于環境影響。因此，在滿足采種作業需求的前提下，采種設備應向輕便靈活，機動性好的方向發展。同時，還可以考慮設備的多用途性，如升降臺式采種機在非采種季節還可以作為高空作業設備運用于道路設施、市政設施維護等許多領域。

(3)低成本與高可靠性。低成本包含較低的設備購置成本和后期使用維護成本兩方面，林業處于整個產業鏈的最上游，對成本因素較為敏感，研制的采種設備要獲得推廣，具有實際意義，很重要的前提條件是性能良好，價格低廉，可靠耐用。

(4)環境友好。根據林業今后的發展趨勢和規劃，更加注重森林的生態效益，保護森林生態環境是一切涉林活動必須要考慮的問題，因此，在研制林業機械時必須將環保性能放到產品的基本性能要求中加以全面考慮，降低設備對使用環境造成的不利影響。

4 結束語

采種技術與裝備始終伴隨著林業的發展在不斷推陳出新，是進行大規模人工造林的前提保證，具體發展何種類型的采種技術與裝備需根據各國實際情況而定，為此各國林業工作者均進行了大量的研究，并取得了許多成果。

我國的情況較為特殊:一方面，經過多年來的努力，發展了較為完善的采種技術體系，是世界上采種技術研究最全面的國家之一，各種類型的采種裝備均有研制，其中不乏采種機器人類似的先進裝備;另一方面，當前各地在實際采種作業中大量采用的仍然是一些及其簡易的小型采摘器具，遇到樹高較大的情況時只能采用人工爬樹采摘的方式，專業采種設備使用極少。今后應根據林業的實際情況和發展前景，研制小型化、多功能、低成本和環境友好的采種設備。

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