农机农艺融合在天然橡胶机械收获中的应用分析

邓祥丰，吴思浩，黄 敞，王玲玲*

（1.中国热带农业科学院橡胶研究所，海口571101；2.国家重要热带作物工程技术研究中心机械分中心，海口571101）

天然橡胶具有良好的弹性、绝缘性、耐磨性、耐拉性和可塑性等物理特性，这些性能是合成橡胶所不具备的，因此在诸多行业领域的应用中具有非常强的不可替代性。橡胶树产生的天然胶乳约占全球天然橡胶产量的98%以上［1］，而割胶又是获得天然橡胶的常用方式，因此提高天然橡胶的产量一直是种植与栽培橡胶树的目标。橡胶树进入投产期后，割胶时间一般维持在30年左右，人力割胶成本占到生产成本的60%以上［2］，由此可见，天然橡胶生产环节中劳动力的使用是重要组成部分。割胶作业也是一项对胶工技能要求较高的工作，割胶方式与割胶技术的好坏，不仅影响天然橡胶的产量，还关系到橡胶树未来的产值效益［3］。

为了提高天然橡胶的产量，近些年不断通过对气刺微割、缩短树围割制、阴阳刀同时开割、降低割胶频率等采胶工艺技术的深入研究与挖掘，虽然对乳胶产量起到一定的促进作用，但这些措施主要集中在割胶制度上的调整与优化，且割胶工具上仍旧以传统割胶刀为主，所以生产成本投入过大的问题依然存在，再加上目前的天然橡胶价格低迷，劳动力老龄化较为严重，导致成片橡胶林弃割，甚至遭到砍伐来改种其他更具有经济效益的作物。因此，实现机械化采胶显得非常必要，这对胶工短缺、解决劳动强度大等问题都有帮助［4］。而要实现机械化采胶，甚至是自动化作业，还需要与农艺技术紧密联系。探索采胶机械与农艺技术的融合发展道路对推动天然橡胶收获方式由传统割法向机械割法的转变具有十分重要的意义。

1 天然橡胶收获机械与农艺融合的必要性

农机与农艺融合，无论是从“农机要遵循农艺”的角度，还是以“农机与农艺相结合”的角度研究，都需要通过农机与农艺进行有机融合、相互适应的方式来实现共同协调的发展目的［5］。从人类社会发展的演变角度分析农机与农艺的关系，从原始农业到古代农业，再到近代农业，最后到现代农业的这一系列演变历程中，可以观察了解到，农业技术的发展与农业生产工具的进步之间有着相互依靠、相互制约又相互影响、相互促进的紧密联系［6,7］。中国工程院院士、中国农机学会理事长罗锡文教授指出：“农艺与农机的不协调是我国当前农业机械化生产中的一个突出问题”，农机与农艺进行深度融合对农业生产质量和经济效益的提高显得非常重要［8］。农机和农艺之间不只是技术之间的联系，更是对促进整个农业现代化进程的发展和整体经济结构的调整都有着重要影响［9］。

首先，采胶机械装备的研制若没有农艺技术作为支撑，将会对其发展起到限制作用，从而影响经济效益和产值的提高，不利于采胶作业向现代化农业延伸。其次，采胶农艺若不能以机械的方式体现，其技术就不能被大量复制、转移与吸收，将会对技术的推广造成障碍。因此，只有将农机与农艺协调化融合，才能体现出采胶机械的效益价值。目前天然橡胶收获机械的农机农艺融合中仍存在不少问题，比如机制问题、模式问题、人才问题、观念问题等［10］。加强农机农艺融合对加速采胶作业的机械化发展具有重要意义，不仅可保障天然橡胶产量的稳定供给、维护行业的持续发展，还能够为农业机械化在农村的推广起到示范作用，以及解决农村劳动力短缺的问题。

国家统计局数据显示，我国天然橡胶产量在稳步增长，这几年基本维持在80万t上下（图1）；而对外的进口量与需求量则数倍于国内的产量，存在着较高的依存度（图2）。由于国际局势瞬息万变，面对今年疫情与全球变暖带来的负面影响，原本就较为低迷的胶价受到不少冲击。这不仅大大降低胶工的割胶意愿，而且还影响着我国天然橡胶的供应安全。

图1 我国2007-2018年的天然橡胶产量走势图

图2 我国2007-2018年的天然橡胶对外依存度分析

2 天然橡胶收获环节对农机农艺的需求

2.1 橡胶树的结构特征与生长形态

橡胶树的树皮表面较为粗糙不平，树干也是粗细不一，不同品种、割龄以及种植地区的橡胶树树皮结构厚度也大不相同，这些不确定性因素也为采胶机械的设计与研制带来一定困扰。橡胶树树皮从内到外一共5层，分别是形成层、水囊皮、黄皮、砂皮和粗皮，其中黄皮层有成熟的乳胶管，承担着主要产胶的功能。其生长形态将会影响采胶机械的农艺技术，包括树皮消耗量、割胶深度范围、下刀收刀的技术要求和割面与割线的形成特点等。基于橡胶树树皮组织结构的农艺特点，可通过割胶机械运动轨迹来设计割线位置，以满足农机农艺需求，从而影响乳胶的产量。

2.2 橡胶树的采胶技术分析

采胶技术的复杂性多、要求度高、涉及面广，当前采胶的关键技术在于要考虑橡胶树水囊皮的影响、采胶周期与耗皮厚度的关系、前后割胶线的保护等。天然橡胶的获取需要割破包裹着黄皮的粗皮层与砂皮层，割胶时的下刀深度就要做准确的把控，这得靠胶工长年累月的工作经验来沉淀。下刀过深就会容易伤树，可能出现减产或者不产胶的问题；下刀过浅则会获取不到充足橡胶产量。同时，在切割过程中轴向耗皮量应该控制在合理范围内，以保证有足够的产胶量又不影响橡胶树的割胶年限。

因此，要加深对农艺知识的理论研究来指导开展相关的技术应用工作，同时要意识到采胶机械的普适性问题，要遵照种植环境、橡胶树的生长特征来主导研制的采胶机械的性能与特点，规划胶园种植布局，在制定农艺要求时要考虑机械的适用性，研究有利于发挥机械作业优势的农艺技术，为现代农业生产提供便利条件。同时，要注重应用技术的研究和开发，联合农业科研推广单位、生产企业，在遵循农艺要求的原则下，研发多功能一体的采胶机械，尽可能满足不同地区所需的采胶要求。由于采胶技术考虑因素诸多，这也给采胶机械的研制带来许多难题。

2.3 采胶作业方式的改变

由于国际胶价持续低迷，加上国内劳动力成本较高，造成大量的胶工弃胶，许多橡胶林遭到砍伐改种更具有经济效益的农作物；同时，农村劳动力流向城市，技术熟练的老胶工骤减，培养新的年轻胶工也要投入较大成本；这对天然橡胶产业的发展形成制约，特别是给我国天然橡胶的供给带来安全隐患。随着时间的推移，这些问题也逐渐被放大与凸显，也让采胶作业的机械化发展迫在眉睫。

中国热带农业科学院橡胶研究所先后研制出4GXJ-1型、4GXJ-2型两款便携式电动割胶刀，如图3所示，相对于传统的割胶工具而言，具有操作便捷、结构简单、容易上手等特点，通过对胶工的短期培训即可进行“傻瓜”式的割胶作业，所谓的“傻瓜”式割胶作业是指，没有割胶经验的人在通过简短培训后，在使用该款电动割胶刀时也能够达到或接近专业割胶技术人员的操作水平，这在一定程度上让培训成本的开销、技术胶工的短缺等方面问题得到缓解。但由于橡胶林间的环境复杂、树干表面的形状不一与树皮皮层的结构不均，这也对便携式电动割胶刀的进一步设计与优化，以及后续的自动化采胶机械研制带来一定困扰。由此延伸出农机与农艺融合的协调发展问题，即电动割胶刀在作业时，机体的结构设计要符合于橡胶树的生理形态，而导向器则是影响电动割胶刀工作性能的关键部件，这控制着树皮的切割厚度以及胶线的开割深度，因此电动割胶刀的设计要以“节约耗皮量、避免割伤树皮”为指引导向。

图3 4GXJ型便携式电动割胶刀

3 应用对策与建议

3.1 制订天然橡胶收获机械标准

橡胶树的采胶技术经过不断发展，已经形成一套有效的技术操作体系。在割胶作业当中，胶工要严格遵守割胶技术标准，达到科学割胶的效果，这样才能促进天然橡胶产量有序增长和减少对橡胶树的伤害，形成可持续性发展的模式。采胶机械是天然橡胶实现产业化过程中不可或缺的重要环节，随着我国对天然橡胶的需求扩大和产品附加值的逐渐升高，市场潜力巨大必然带来激烈的竞争。因此，面对当前市场上出现的不同技术层次的采胶机械，要形成科学系统的市场规范化管理机制，以利于促进行业的持续性健康发展。

3.2 开展专业的技术性教育培训

对胶工进行相应的技术培训是采胶机械推广的首要任务。在开展采胶机械的技术性教育培训的过程中要做到：对传统的培训体系进行创新，由于采胶机械这方面可借鉴的培训案例较少，因此可以学习其他行业领域的培训模式，结合实际的生产经验，来开拓出新的培训发展路径；努力探索并建立多种方式并举的培训机制，比如开展技能培训、加强实践锻炼和提高教育水平等，依托高等院校、科研单位、推广机构和平台系统等资源来丰富胶工的培训项目，逐步形成“结构合理、层次分明、布局科学、开放有序”的胶工技术培训体系［11］。

3.3 建立试验应用示范基地

通过建立试验应用示范基地为主导。加快经营管理模式、农艺和农机有机融合，通过示范基地辐射带动作用，协同探索适宜机械化采胶作业的经营管理和农艺模式，来完善电动割胶刀的推广体系，也让更多的胶工能够了解并使用电动割胶刀，引导胶工转变传统的割胶观念与传统的割胶生产方式，促进采胶机械化技术的推广应用和均衡发展，以减少割胶作业的强度和节约劳动力成本，将采胶作业的机械化和现代化提升至一定的新高度［12］。

3.4 对胶工采胶技术的指导与反馈处理

按期对使用采胶机械的胶工进行回访。胶工长时间在田间作业，拥有丰富的劳动生产经验，可以很好地捕捉到采胶机械存在的不足，而这些不足将是采胶机械后期优化改进的依据。因此，要针对胶工用户在操作过程中遇到的问题与使用情况，及时地进行收集、梳理与研究，形成以“研发—制造—销售—反馈—优化—再次投入市场”为完整体系的采胶机械推广应用的市场化模式。在电动割胶刀的结构性改进、参数化分析以及性能测试等环节中，要以用户的需求为主导，通过测试、试验与分析来强化基础性数据的采集手段，为完善采胶机械的设计与优化提供条件，同时为新型自动采胶机械的研制奠定基础，也为产品的市场地位找准方向。这对于产品的进一步推广显得十分重要。

4 结论与展望

农机与农艺融合是解决采胶困境问题的重要途径，但也面临着采胶机械设计的复杂性和转型的困难。相关企业公司、科研单位和高等院校应该加强沟通交流，相互合作，促进成果的产学研转换；在理论上和技术上协调一致，推动采胶作业向集约化、机械化方向发展。目前已有的采胶机械因其结构仍有一定的不合理性导致割胶效果达不到预期值，难以实现传统采胶标准所要求的技术规范，需要以胶工的实际使用需求为导向，从修订采胶技术标准和加强农机农艺融合等方面入手，促进采胶机械的研制、推广与应用［13］。同时，胶价的下跌也影响到天然橡胶产业发展的经济效益，给采胶机械的研制过程带来严峻考验，因此，要权衡好研制过程中产生的成本问题，可采用适当的手段进行调节，比如：完善相关的补贴政策、降低零件的设计与制造工艺复杂性、采用标准件进行更换与维修等方式，才能为采胶机械创造良好的市场环境氛围，有利于产品的推广与应用。

从目前的研究趋势和发展情况来看，随着微电子、自动化、人工智能等信息技术的发展与成熟，采胶机械的技术层面正在向移动式全自动釆胶装备的方向进行探索，这一过程融合并参照了传统割胶装备、便携式割胶装备、固定式全自动割胶装备等技术，以及借鉴了与农艺相结合的实际生产经验，如割胶深度和耗皮厚度均要控制在毫米级并能切断老胶线，单株采胶效率精准到秒级，并能实现高低割线和阴刀阳刀割胶的结合，保障割线均匀平滑与割面胶水清洁等［14］。