林木种子采收技术与装备研究进展

吴 昊，董希斌

(东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

0 引言

我国是一个森林资源相对匮乏的国家，根据第六次全国森林资源清查 (1999－2003)结果，全国森林面积17 490.92万 hm2，林业用地面积28 280.34万 hm2，居世界第 5位。森林覆盖率18.21%，仅相当于世界平均水平的61.52%，居世界第130位。人均森林面积0.132hm2，不到世界平均水平的1/4，居世界第134位。森林蓄积124.6亿 m3，列俄罗斯、巴西、加拿大、美国、扎伊尔、印尼之后，居世界第7位。人均森林蓄积9.421m3，不到世界平均水平的1/6，居世界第122位。

我国林业发展大至经历了如下三个时期:

第一时期 (20世纪50年代至70年代末)，该时期最显著特征是尽可能多的生产木材，以森林采伐为主，最大程度提供国家建设所需原材料，大部分森工企业均建立于该时期。

第二时期 (20世纪80年代初至20世纪末)，注重森林的培育与综合利用，森林覆盖率快速增长，人工造林年均达450万hm2，人工林总量达到4 666万hm2，占全球的26%，是人工造林规模最大的国家。

第三时期 (21世纪初至今)，新时期林业建设的最根本目的是以生态建设为主，将林业的生态效益放在了首要位置，全面实施了六大林业工程(天然林保护工程、退耕还林还草工程、 “三北”和长江中下游地区等重点防护林体系建设工程、野生动植物保护及自然保护区建设工程、重点地区速生丰产林产业基地建设工程、京津风沙源工程)，全面禁伐天然林，并提出了以下今后林业发展的战略性目标。

(1)到2010年，使森林覆盖率达到19.4%，初步遏制生态环境恶化的趋势，大力调整林业产业结构。

(2)到2030年，使森林覆盖率达到24%，生态环境与森林质量明显改善。

(3)到2050年，森林覆盖率达到26%以上，全面建成布局合理、功能齐备、管理高效的林业生态体系和规范有序、集约经营和富有活力的林业产业体系，从根本上改善我国的生态环境［1－2］。

经过几十年的发展，截止到2006年，全国共建设专门的林木良种繁育中心23个，林木良种基地622处，面积超过200万hm2，建设树种193个，目前均已成熟。全国林木良种的生产能力可达每年2 500万kg，林木良种使用率达到了70%，基地供种率超过50%［3－4］。但是，当前我国绝大多数的林木良种基地采种作业仍旧以人工地面采集和爬树采集为主，机械设备的使用极少，不仅劳动强度大，效率低下，且十分的危险。该采种作业方式，已经满足不了林业发展对优良种子的需求，制约了林业发展，不符合林业跨越式发展的战略目标要求。

按照今后的林业发展趋势，大规模人工造林迫切需要大量的优良种苗，但是落后的林木种子生产与采收方式已经远远不能满足需求，制约了林业的发展。因此，研究适应大规模种子采收的技术与装备，为优良种苗培育提供充足的种子支持，具有十分重要的意义，是全世界的共识和发展趋势。

1 国内外采种设备

1.1 国外采种设备

国外林业发达国家很早前就开始了对采种技术和装备的研究，各种方法与装备均有所发展，技术较为成熟。虽然各国研究的方向与侧重有所不同，但是其根据本国林业实际情况研究适宜的采种技术与装备的思路值得借鉴。主要林业发达国家采种作业中常用的装备见表1［4］。

表1 主要林业发达国家常用种子采收装备Tab.1 Seed harvesting equipment commonly used in major developed forestry countries

由表1看出，国外采种设备的形式与种类较多，从小型的简易采种工具到大型机械设备均有使用，各个国家对此的侧重也不尽相同。将这些采种设备按使用方式和原理进行分类，大致可以分为人工小型采种工具和机械采种设备两类，其中的机械采种设备按照工作特点又可分为机械辅助性采种设备和机械自行式采种设备两类，如图1所示。

表1所列举的世界上主要林业发达国家中，美国、加拿大、巴西和俄罗斯对采种装备的研究最为全面，各类型人工和机械采种设备均有研制使用，由于此4个国家的国土面积广大，森林资源十分丰富，因此在林业生产中相比其他国家更注重效率的提高，进而也更注重大型机械采种设备的使用。其中，美国研制的种子采集机器人不但可以采集树木的种子，还能够应用于农场果园等的球果采收，整机采用了通过性能非常好的军用越野车作为行走机构，安置在其上的折臂式多自由度机械手可以对2～16m高度的球果进行快速采摘，是当前世界上研制出的最先进采种设备。

欧洲国家在实际的林业发展中相对更重视森林的生态效益，重在保护森林资源而轻利用，因此，虽然也研究有不少先进的大型机械设备，但是在林业的实际生产中更多使用的仍然是对环境影响较小的小型作业设备［4］。其中，挪威研制的一型组合式采种梯比较独特，该梯由多段铝合金制成的单节梯组合而成，每段单节梯长5m，重量仅为10kg，最多时可组合6段单梯高度达到27m，该梯的组合与分解非常方便，分解后可由多人进行背负，使用范围非常广泛。

1.2 国内采种设备

我国的采种技术和装备研究开展较晚，但是经过多年的努力，也已取得了不少的成果，其中不乏一些先进的采种设备，国外目前正在使用的技术装备，基本上国内都开展了研究，国内研制成功的主要采种装备见表2。

(1)CJ-1型立木采种工具包。CJ-1型落叶松立木采种工具包由上树工具、采摘和收集工具，安全防护用具组成。上树工具为一具双刺脚蹬，重1.4kg，固定在脚和小腿上。采摘工具和球果收集装置。采摘工具采用的梳齿式采摘剪，由工作头和工具柄构成，工作头设计为圆形内梳齿和平行圆弧齿的形状，用铝合金制成。工具柄设计为多节可伸缩式，总长度3.6m，用玻璃布基层压管制成。在采种梳横梁前方加装了由弹性钢丝支撑的布袋，袋口直径为30cm，深25cm。被梳下的球果可直接掉人袋内。

CJ-1型立木采种工具包具有轻便安全、操作简单、采集同步、制造使用成本较低等优点，但劳动强度大，效率低。适用于种子园、母树林和用材林等的种子采集工作，效率为2.45kg/h，经济社会效益和生态效益显著［5］。

图1 林木种子采收方式及其主要设备Fig.1 Tree seed harvesting methods and the main equipment

表2 我国主要林木采收设备Tab.2 Main forestry harvesting equipment in China

(2)CJ-50高空作业采种机。CJ-50高空作业采种机由原黑龙江省木材采运研究所研制，属升降台式采种辅助设备。选用林业中使用普遍的CJ-50履带式集材拖拉机作为底盘，在其上装有一具折臂式升降机构，升降机构末端装有供工作人员站立的工作台。整机为液压驱动，在底盘的变速箱侧面布置有取力装置带动液压油泵工作。

CJ-50高空作业采种机整机重量为7 800kg，最大作业高度14 m，最大作业幅度6.4 m，工作额定载荷200 kg，每小时可采球果30～32kg，效率是人工上树采种的3～5倍。CJ－50高空作业采种机解决了人工上树采种爬树难，劳动强度大，摘取球果困难，破坏母树树冠等采种作业中的实际问题，提高了采种作业的效率［6］。但机体笨重，在林中通过困难。

(3)CZ－13林木自行升降式采种机。CZ－13林木自行升降式采种机由东北林业大学与黑龙江帯岭林科所联合研制，属升降台式采种设备。该采种机由底盘、整体式支架、折叠式起升机构、工作台和液压与控制系统组成，底盘选用的是北汽生产的轻型越野货车，具有出色的越野能力和充足的动力输出，能够保证人工种子园内的行驶要求。该采种设备专为山地、林地等立地条件差，地面坡度较大的使用环境设计，通过整体式支架的调平功能可以满足地面坡度为0°～12°的种子园采种作业要求。

CZ－13林木自行升降式采种机全重为2 860kg，最大作业高度13m，最大幅度3m，每小时可采集球果50kg以上，解决了山地大坡度条件下的采种作业难题。

(4)RBT14型林木球果采集机器人。RBT14型林木球果采集机器人由东北林业大学研制。是目前国内最先进，自动化与智能化程度最高，技术最复杂的专业采种设备。该机器人大量使用了先进的自动控制和传感器技术，通过单片机和程序来控制机器人动作和采种作业，不仅代表了国内林业机器人发展水平和专用采种设备的最先进技术，在国际上也代表了最先进的采种技术和设备［7］，但由于机体笨大，造价高，在林中通过困难。

RBT14型林木球果采集机器人由行走机构、机械手、液压系统和单片机控制系统等构成，机器人全重8 750kg，最大采集高度为14m，最大采集半径6.8m，每小时能采摘落叶松球果50kg，效率是人工采摘的30～35倍，工作人员可以站在地面上即可控制机器人进行球果采集作业［8－9］。

工作时，先将机器人停放在距母树3～5m远处，通过分控制系统操纵机械手对准某一棵母树。之后，单片机系统控制机械手大、小臂同时柔性升起到达一定高度，采集爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大、小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向趋近1.5～2m，然后采集爪的梳齿夹拢树技，大、小臂带动采集爪按原路向后缩回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。单片机再控制采集爪向上或向下移动，对准另一根树枝后重复上述动作。采集完一颗树后，转动机械手对准下一颗母树，重复上述动作，便可完成一个站位的周边树木的采集工作［10－11］。

(5)TD－40型抖动式林木采种装置。TD－40型抖动式林木采种装置由黑龙江省带岭林科所研制，属于震动式采种工具。其携带方便，操作容易，作业安全，对于立地条件复杂、大型机械使用困难及条件恶劣的种子园，具有很好的使用效果。

工作时，工作人员利用可伸缩的举升杆，将双臂处于张开状态的抱树器举升到所采母树树干的一定高度处，拉动抱树器抱合控制索，抱树器双臂抱合，然后将绷索的另一端钩挂在抱树器上，再将绷索的另一端固定在距母树适当位置的立木或树桩上，并借助紧索器将绷索拉紧。采种人员用击打棒(长1.8m，直径5～6cm)用力打击绷索，借助绷索产生的拉力摇动树干，将球果抖落。

该抖动式林木采种装置全重不超过20kg，两名工作人员即可操作，每小时可完成5～8棵树木的种子采集工作［12］，但采种劳动强度大，效率低。

(6)便携式振动采种机。该机由黑龙江省林科院和黑龙江省牡丹江特种车辆改装厂联合研制，是一种体积小，重量轻，价廉耐用的便携式震动采种机。

该便携式振动采种机由动力部分、传动部分、振动头和夹紧装置等4部分组成。动力部分为一部小型柴油机，输出的动力通过传动轴传至振动头，带动振动头中的偏心轴转动产生激振波，并经过底板夹紧装置传递给树干，最终振动波在树干和树枝中传递到达球果，使球果产生共振，抖落成熟的种子。

该采种机全重仅20kg，树径在25～40cm的树木均可使用，每小时可完成10～15棵树木的种子采集，平均震动10～20s就可将70%的成熟球果中的种子震落，效率是人工采集的10倍［13－14］，但损伤树木。

2 林木种子采收技术

林木种子的采收是一项很繁重的工作，同时也是机械化程度最薄弱、效率最低的一个环节。采种技术和装备的发展，既受到各地所处环境条件的影响，同时还与各国的林业发展状况和所处发展阶段息息相关。不论采用何种采种方式和技术，都必须切合实际，都必须符合当地采种作业和林业发展的需要。

林木种子的采收方式按被采树木所处的状态可以分为伐倒木采种和立木采种两大类［15－17］。

从伐倒木上采集种子，虽然方便且效率较高，但是对母树的影响是毁灭性的，不适用于种子园，通常情况下是伴随道路修筑和林地清理等实施。该方法在美国和加拿大采用较多，所使用的设备有吸气式种子收集机、滚齿式种子收集机和手提式分离机等。工作时一般先用手提式分离机将伐倒木上的种子敲下或剪下，然后再用滚齿式或吸气式种子收集机将落在地上的种子收集起来。

立木采种法为我国和世界上大多数国家所采用，但是该方法要受到树木和立地条件等自然因素的严重制约，立木采种通常有以下4种方式。

(1)工作人员直接站在地面上利用小型工具采集种子。该采种方式所使用的工具主要是一些小型的人工采摘器具，如采种钩、采种耙、采种梳和剪式采摘器等。

采种钩、采种耙以及采种梳是通过施加拉力于果柄将其拉断，结构简单，轻便小巧，携带方便，制造容易。剪式采摘器具有可以转动剪切的刀片，通过刀片的剪切将球果果柄切断，通常用于球果与树枝结合力较大、球果果柄较长的树种采摘。此类小型采摘器具多数带有长杆，工作人员站在地面上便可对一定高度内的球果进行采摘，也可以配合爬树和升降设备使用。

(2)工作人员利用升降或爬树设备提升至种子所处的树冠处，再利用各种种子采集器具进行采种。工作人员直接站在地面上利用小型的人工采摘器具进行球果采集作业，要受到树木高度的限制。因此，实际作业中常常需要用到爬树工具或者利用升降设备将采工作人员提升到树冠高度配合便携式采集工具进行作业。此类采种辅助装备有升降台、采种梯、树木车和爬树器等。

爬树器或刺铁是一种与采种工作人员的靴子联接在一起的爬树工具，使用范围极广，爬树器的种类型型号繁多，但基本结构类似，最大的缺点是会对树皮造成一定的损伤，尤其对于薄皮树种的损伤较为严重。

树木车通常用于攀登树干高大笔直、树冠以下无枝权的树木，适合于在直径为30～80cm的树干上使用，其重量较轻，便于携带，对树木的损伤较小，缺点是使用成本高，适用范围小，且使用时需对树冠以下的活枝进行清理，此外，还需对使用者进行专门的训练。

采种梯是一种使用极其普遍的上树工具，世界各国都有使用，有多级登高梯、自由站立式阶梯和三脚梯等多种类型。

升降台是各国在实际采种作业中通常使用的一类大型采种辅助设备，用来提升采种人员到达树冠处。升降台一般由行走底盘、多节式升降臂等构成，升降臂可以作360°回转，最大起升高度从10～40m不等。升降台由于结构庞大，行走不便，通常用于地势平坦，道路条件较好，大面积的优良种子园区。

(3)人为对树干施加震动，将种子振落后使用拾集工具将其回收，或直接在树下布置网状接收装置。树木振动机最初是设计用于大面积果园的采果作业，经过改进后引入到林业的采种作业中。振动式采种机的工作原理，就是将振动器产生的振动波传递给树木，树木在受到外来的振动后以一定的频率和振幅 (一般与振动器的频率和振幅不同)振动，这样就使得树枝上的球果也产生振动和变速运动，变速运动的球果要受到惯性力的作用，当惯性力大于球果与树枝之间的结合力或球果翅片对种子的夹持力时，球果或种子就会掉落。在北美南部，振动式采种机被广泛的用来采集南方松的种子。

振动式采种机具有效率高、速度快、工作能力强的优点，比较适合于地势平坦，道路条件较好的大面积优良种子产区。不足是设备的购置费用和使用维护费用较高，要求操作者具有熟练的操作技术，此外，对树木的影响较大。

(4)工作人员在地面上远距遥控带有传感器和采摘装置的采种机器人进行球果采集。日本、美国和我国均研制了专业的采种机器人，工作人员站在地面上及可操控远处的机器人实施采种作业，技术先进，安全高效，不足是设备费用与作业成本过高，难以大规模推广［18－21］。

3 研制采种设备的建议

复杂的自然环境是大型机械设备进入山场林区作业的最大障碍，然而，当前及今后的林业发展迫切需要大量的优良种苗，要提高采种作业效率，就必须借助于机械设备的帮助。虽然经过多年来的努力，研制出了许多采种设备，但是山地、林地特殊自然环境极大的限制了现有大型机械设备的使用，复杂地形条件下的高枝采种难题仍然存在。考虑到我国林业发展的实际情况以及特殊的自然环境，今后采种设备的研发应考虑以下4个方面。

(1)适应性

环境适应性。我国的森林资源多分布于山区，多数地区只拥有简陋的集材道，林地内地形情况复杂，地表松软，崎岖不平，加之石块、树木根茎、掉落的枯枝腐叶、空洞和沼泽等，车量和大型机械设备出入十分困难。因此，对于需要深入到林区第一线作业的采种设备，必须拥有较强的通过性与越野能力，要能够在林区道路和林地内无道路条件下行驶，此外，还要拥有完备的自救能力［15］。

作业适应性。天然林内树木之间没有固定的间距，障碍物较多，空间狭小，不利于机械化作业，只能够使用便携式的小型采摘工具。人工林内空间较天然林宽裕，林分单一，树木间距较天然林大且排列整齐，障碍物多经过清理，有大型设备使用的空间，但是空间依就不足，对设备的结构尺寸和形式必须加以限制。此外，山地、林地地面坡度较大，给工作时质心位置会发生变动的大型设备使用造成了极大困难，如起重机、升降机和林业机器人等，若整机处于倾斜状态，随着工作机构的展开，质心大幅度飘离中心位置，倾覆力矩超过临界时就会发生倾覆事故。同时，设备处于倾斜状态对机构的受力、工作能力和使用寿命等都有不利影响。因此，大型采种设备在设计时需充分考虑到复杂条件下的采种作业特殊性，从结构和工作方式等多方面加以解决。

(2)小型化与多用途。大型机械设备虽然具有工作能力强和效率高等优点，但是由于实际的采种作业中分散性与不确定性较大，大型设备并不能很好的发挥出自身优势，反而更多的受制于环境影响。因此，在满足采种作业需求的前提下，采种设备应向轻便灵活，机动性好的方向发展。同时，还可以考虑设备的多用途性，如升降台式采种机在非采种季节还可以作为高空作业设备运用于道路设施、市政设施维护等许多领域。

(3)低成本与高可靠性。低成本包含较低的设备购置成本和后期使用维护成本两方面，林业处于整个产业链的最上游，对成本因素较为敏感，研制的采种设备要获得推广，具有实际意义，很重要的前提条件是性能良好，价格低廉，可靠耐用。

(4)环境友好。根据林业今后的发展趋势和规划，更加注重森林的生态效益，保护森林生态环境是一切涉林活动必须要考虑的问题，因此，在研制林业机械时必须将环保性能放到产品的基本性能要求中加以全面考虑，降低设备对使用环境造成的不利影响。

4 结束语

采种技术与装备始终伴随着林业的发展在不断推陈出新，是进行大规模人工造林的前提保证，具体发展何种类型的采种技术与装备需根据各国实际情况而定，为此各国林业工作者均进行了大量的研究，并取得了许多成果。

我国的情况较为特殊:一方面，经过多年来的努力，发展了较为完善的采种技术体系，是世界上采种技术研究最全面的国家之一，各种类型的采种装备均有研制，其中不乏采种机器人类似的先进装备;另一方面，当前各地在实际采种作业中大量采用的仍然是一些及其简易的小型采摘器具，遇到树高较大的情况时只能采用人工爬树采摘的方式，专业采种设备使用极少。今后应根据林业的实际情况和发展前景，研制小型化、多功能、低成本和环境友好的采种设备。

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