農(nóng)機農(nóng)藝融合在天然橡膠機械收獲中的應(yīng)用分析

鄧祥豐，吳思浩，黃 敞，王玲玲*

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所，?？?71101；2.國家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心機械分中心，?？?71101）

天然橡膠具有良好的彈性、絕緣性、耐磨性、耐拉性和可塑性等物理特性，這些性能是合成橡膠所不具備的，因此在諸多行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中具有非常強的不可替代性。橡膠樹產(chǎn)生的天然膠乳約占全球天然橡膠產(chǎn)量的98%以上［1］，而割膠又是獲得天然橡膠的常用方式，因此提高天然橡膠的產(chǎn)量一直是種植與栽培橡膠樹的目標(biāo)。橡膠樹進入投產(chǎn)期后，割膠時間一般維持在30年左右，人力割膠成本占到生產(chǎn)成本的60%以上［2］，由此可見，天然橡膠生產(chǎn)環(huán)節(jié)中勞動力的使用是重要組成部分。割膠作業(yè)也是一項對膠工技能要求較高的工作，割膠方式與割膠技術(shù)的好壞，不僅影響天然橡膠的產(chǎn)量，還關(guān)系到橡膠樹未來的產(chǎn)值效益［3］。

為了提高天然橡膠的產(chǎn)量，近些年不斷通過對氣刺微割、縮短樹圍割制、陰陽刀同時開割、降低割膠頻率等采膠工藝技術(shù)的深入研究與挖掘，雖然對乳膠產(chǎn)量起到一定的促進作用，但這些措施主要集中在割膠制度上的調(diào)整與優(yōu)化，且割膠工具上仍舊以傳統(tǒng)割膠刀為主，所以生產(chǎn)成本投入過大的問題依然存在，再加上目前的天然橡膠價格低迷，勞動力老齡化較為嚴(yán)重，導(dǎo)致成片橡膠林棄割，甚至遭到砍伐來改種其他更具有經(jīng)濟效益的作物。因此，實現(xiàn)機械化采膠顯得非常必要，這對膠工短缺、解決勞動強度大等問題都有幫助［4］。而要實現(xiàn)機械化采膠，甚至是自動化作業(yè)，還需要與農(nóng)藝技術(shù)緊密聯(lián)系。探索采膠機械與農(nóng)藝技術(shù)的融合發(fā)展道路對推動天然橡膠收獲方式由傳統(tǒng)割法向機械割法的轉(zhuǎn)變具有十分重要的意義。

1 天然橡膠收獲機械與農(nóng)藝融合的必要性

農(nóng)機與農(nóng)藝融合，無論是從“農(nóng)機要遵循農(nóng)藝”的角度，還是以“農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合”的角度研究，都需要通過農(nóng)機與農(nóng)藝進行有機融合、相互適應(yīng)的方式來實現(xiàn)共同協(xié)調(diào)的發(fā)展目的［5］。從人類社會發(fā)展的演變角度分析農(nóng)機與農(nóng)藝的關(guān)系，從原始農(nóng)業(yè)到古代農(nóng)業(yè)，再到近代農(nóng)業(yè)，最后到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的這一系列演變歷程中，可以觀察了解到，農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工具的進步之間有著相互依靠、相互制約又相互影響、相互促進的緊密聯(lián)系［6,7］。中國工程院院士、中國農(nóng)機學(xué)會理事長羅錫文教授指出：“農(nóng)藝與農(nóng)機的不協(xié)調(diào)是我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)中的一個突出問題”，農(nóng)機與農(nóng)藝進行深度融合對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟效益的提高顯得非常重要［8］。農(nóng)機和農(nóng)藝之間不只是技術(shù)之間的聯(lián)系，更是對促進整個農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的發(fā)展和整體經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整都有著重要影響［9］。

首先，采膠機械裝備的研制若沒有農(nóng)藝技術(shù)作為支撐，將會對其發(fā)展起到限制作用，從而影響經(jīng)濟效益和產(chǎn)值的提高，不利于采膠作業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)延伸。其次，采膠農(nóng)藝若不能以機械的方式體現(xiàn)，其技術(shù)就不能被大量復(fù)制、轉(zhuǎn)移與吸收，將會對技術(shù)的推廣造成障礙。因此，只有將農(nóng)機與農(nóng)藝協(xié)調(diào)化融合，才能體現(xiàn)出采膠機械的效益價值。目前天然橡膠收獲機械的農(nóng)機農(nóng)藝融合中仍存在不少問題，比如機制問題、模式問題、人才問題、觀念問題等［10］。加強農(nóng)機農(nóng)藝融合對加速采膠作業(yè)的機械化發(fā)展具有重要意義，不僅可保障天然橡膠產(chǎn)量的穩(wěn)定供給、維護行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，還能夠為農(nóng)業(yè)機械化在農(nóng)村的推廣起到示范作用，以及解決農(nóng)村勞動力短缺的問題。

國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國天然橡膠產(chǎn)量在穩(wěn)步增長，這幾年基本維持在80萬t上下（圖1）；而對外的進口量與需求量則數(shù)倍于國內(nèi)的產(chǎn)量，存在著較高的依存度（圖2）。由于國際局勢瞬息萬變，面對今年疫情與全球變暖帶來的負(fù)面影響，原本就較為低迷的膠價受到不少沖擊。這不僅大大降低膠工的割膠意愿，而且還影響著我國天然橡膠的供應(yīng)安全。

圖1 我國2007-2018年的天然橡膠產(chǎn)量走勢圖

圖2 我國2007-2018年的天然橡膠對外依存度分析

2 天然橡膠收獲環(huán)節(jié)對農(nóng)機農(nóng)藝的需求

2.1 橡膠樹的結(jié)構(gòu)特征與生長形態(tài)

橡膠樹的樹皮表面較為粗糙不平，樹干也是粗細(xì)不一，不同品種、割齡以及種植地區(qū)的橡膠樹樹皮結(jié)構(gòu)厚度也大不相同，這些不確定性因素也為采膠機械的設(shè)計與研制帶來一定困擾。橡膠樹樹皮從內(nèi)到外一共5層，分別是形成層、水囊皮、黃皮、砂皮和粗皮，其中黃皮層有成熟的乳膠管，承擔(dān)著主要產(chǎn)膠的功能。其生長形態(tài)將會影響采膠機械的農(nóng)藝技術(shù)，包括樹皮消耗量、割膠深度范圍、下刀收刀的技術(shù)要求和割面與割線的形成特點等。基于橡膠樹樹皮組織結(jié)構(gòu)的農(nóng)藝特點，可通過割膠機械運動軌跡來設(shè)計割線位置，以滿足農(nóng)機農(nóng)藝需求，從而影響乳膠的產(chǎn)量。

2.2 橡膠樹的采膠技術(shù)分析

采膠技術(shù)的復(fù)雜性多、要求度高、涉及面廣，當(dāng)前采膠的關(guān)鍵技術(shù)在于要考慮橡膠樹水囊皮的影響、采膠周期與耗皮厚度的關(guān)系、前后割膠線的保護等。天然橡膠的獲取需要割破包裹著黃皮的粗皮層與砂皮層，割膠時的下刀深度就要做準(zhǔn)確的把控，這得靠膠工長年累月的工作經(jīng)驗來沉淀。下刀過深就會容易傷樹，可能出現(xiàn)減產(chǎn)或者不產(chǎn)膠的問題；下刀過淺則會獲取不到充足橡膠產(chǎn)量。同時，在切割過程中軸向耗皮量應(yīng)該控制在合理范圍內(nèi)，以保證有足夠的產(chǎn)膠量又不影響橡膠樹的割膠年限。

因此，要加深對農(nóng)藝知識的理論研究來指導(dǎo)開展相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用工作，同時要意識到采膠機械的普適性問題，要遵照種植環(huán)境、橡膠樹的生長特征來主導(dǎo)研制的采膠機械的性能與特點，規(guī)劃膠園種植布局，在制定農(nóng)藝要求時要考慮機械的適用性，研究有利于發(fā)揮機械作業(yè)優(yōu)勢的農(nóng)藝技術(shù)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供便利條件。同時，要注重應(yīng)用技術(shù)的研究和開發(fā)，聯(lián)合農(nóng)業(yè)科研推廣單位、生產(chǎn)企業(yè)，在遵循農(nóng)藝要求的原則下，研發(fā)多功能一體的采膠機械，盡可能滿足不同地區(qū)所需的采膠要求。由于采膠技術(shù)考慮因素諸多，這也給采膠機械的研制帶來許多難題。

2.3 采膠作業(yè)方式的改變

由于國際膠價持續(xù)低迷，加上國內(nèi)勞動力成本較高，造成大量的膠工棄膠，許多橡膠林遭到砍伐改種更具有經(jīng)濟效益的農(nóng)作物；同時，農(nóng)村勞動力流向城市，技術(shù)熟練的老膠工驟減，培養(yǎng)新的年輕膠工也要投入較大成本；這對天然橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成制約，特別是給我國天然橡膠的供給帶來安全隱患。隨著時間的推移，這些問題也逐漸被放大與凸顯，也讓采膠作業(yè)的機械化發(fā)展迫在眉睫。

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所先后研制出4GXJ-1型、4GXJ-2型兩款便攜式電動割膠刀，如圖3所示，相對于傳統(tǒng)的割膠工具而言，具有操作便捷、結(jié)構(gòu)簡單、容易上手等特點，通過對膠工的短期培訓(xùn)即可進行“傻瓜”式的割膠作業(yè)，所謂的“傻瓜”式割膠作業(yè)是指，沒有割膠經(jīng)驗的人在通過簡短培訓(xùn)后，在使用該款電動割膠刀時也能夠達到或接近專業(yè)割膠技術(shù)人員的操作水平，這在一定程度上讓培訓(xùn)成本的開銷、技術(shù)膠工的短缺等方面問題得到緩解。但由于橡膠林間的環(huán)境復(fù)雜、樹干表面的形狀不一與樹皮皮層的結(jié)構(gòu)不均，這也對便攜式電動割膠刀的進一步設(shè)計與優(yōu)化，以及后續(xù)的自動化采膠機械研制帶來一定困擾。由此延伸出農(nóng)機與農(nóng)藝融合的協(xié)調(diào)發(fā)展問題，即電動割膠刀在作業(yè)時，機體的結(jié)構(gòu)設(shè)計要符合于橡膠樹的生理形態(tài)，而導(dǎo)向器則是影響電動割膠刀工作性能的關(guān)鍵部件，這控制著樹皮的切割厚度以及膠線的開割深度，因此電動割膠刀的設(shè)計要以“節(jié)約耗皮量、避免割傷樹皮”為指引導(dǎo)向。

圖3 4GXJ型便攜式電動割膠刀

3 應(yīng)用對策與建議

3.1 制訂天然橡膠收獲機械標(biāo)準(zhǔn)

橡膠樹的采膠技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展，已經(jīng)形成一套有效的技術(shù)操作體系。在割膠作業(yè)當(dāng)中，膠工要嚴(yán)格遵守割膠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達到科學(xué)割膠的效果，這樣才能促進天然橡膠產(chǎn)量有序增長和減少對橡膠樹的傷害，形成可持續(xù)性發(fā)展的模式。采膠機械是天然橡膠實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，隨著我國對天然橡膠的需求擴大和產(chǎn)品附加值的逐漸升高，市場潛力巨大必然帶來激烈的競爭。因此，面對當(dāng)前市場上出現(xiàn)的不同技術(shù)層次的采膠機械，要形成科學(xué)系統(tǒng)的市場規(guī)范化管理機制，以利于促進行業(yè)的持續(xù)性健康發(fā)展。

3.2 開展專業(yè)的技術(shù)性教育培訓(xùn)

對膠工進行相應(yīng)的技術(shù)培訓(xùn)是采膠機械推廣的首要任務(wù)。在開展采膠機械的技術(shù)性教育培訓(xùn)的過程中要做到：對傳統(tǒng)的培訓(xùn)體系進行創(chuàng)新，由于采膠機械這方面可借鑒的培訓(xùn)案例較少，因此可以學(xué)習(xí)其他行業(yè)領(lǐng)域的培訓(xùn)模式，結(jié)合實際的生產(chǎn)經(jīng)驗，來開拓出新的培訓(xùn)發(fā)展路徑；努力探索并建立多種方式并舉的培訓(xùn)機制，比如開展技能培訓(xùn)、加強實踐鍛煉和提高教育水平等，依托高等院校、科研單位、推廣機構(gòu)和平臺系統(tǒng)等資源來豐富膠工的培訓(xùn)項目，逐步形成“結(jié)構(gòu)合理、層次分明、布局科學(xué)、開放有序”的膠工技術(shù)培訓(xùn)體系［11］。

3.3 建立試驗應(yīng)用示范基地

通過建立試驗應(yīng)用示范基地為主導(dǎo)。加快經(jīng)營管理模式、農(nóng)藝和農(nóng)機有機融合，通過示范基地輻射帶動作用，協(xié)同探索適宜機械化采膠作業(yè)的經(jīng)營管理和農(nóng)藝模式，來完善電動割膠刀的推廣體系，也讓更多的膠工能夠了解并使用電動割膠刀，引導(dǎo)膠工轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的割膠觀念與傳統(tǒng)的割膠生產(chǎn)方式，促進采膠機械化技術(shù)的推廣應(yīng)用和均衡發(fā)展，以減少割膠作業(yè)的強度和節(jié)約勞動力成本，將采膠作業(yè)的機械化和現(xiàn)代化提升至一定的新高度［12］。

3.4 對膠工采膠技術(shù)的指導(dǎo)與反饋處理

按期對使用采膠機械的膠工進行回訪。膠工長時間在田間作業(yè)，擁有豐富的勞動生產(chǎn)經(jīng)驗，可以很好地捕捉到采膠機械存在的不足，而這些不足將是采膠機械后期優(yōu)化改進的依據(jù)。因此，要針對膠工用戶在操作過程中遇到的問題與使用情況，及時地進行收集、梳理與研究，形成以“研發(fā)—制造—銷售—反饋—優(yōu)化—再次投入市場”為完整體系的采膠機械推廣應(yīng)用的市場化模式。在電動割膠刀的結(jié)構(gòu)性改進、參數(shù)化分析以及性能測試等環(huán)節(jié)中，要以用戶的需求為主導(dǎo)，通過測試、試驗與分析來強化基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的采集手段，為完善采膠機械的設(shè)計與優(yōu)化提供條件，同時為新型自動采膠機械的研制奠定基礎(chǔ)，也為產(chǎn)品的市場地位找準(zhǔn)方向。這對于產(chǎn)品的進一步推廣顯得十分重要。

4 結(jié)論與展望

農(nóng)機與農(nóng)藝融合是解決采膠困境問題的重要途徑，但也面臨著采膠機械設(shè)計的復(fù)雜性和轉(zhuǎn)型的困難。相關(guān)企業(yè)公司、科研單位和高等院校應(yīng)該加強溝通交流，相互合作，促進成果的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)換；在理論上和技術(shù)上協(xié)調(diào)一致，推動采膠作業(yè)向集約化、機械化方向發(fā)展。目前已有的采膠機械因其結(jié)構(gòu)仍有一定的不合理性導(dǎo)致割膠效果達不到預(yù)期值，難以實現(xiàn)傳統(tǒng)采膠標(biāo)準(zhǔn)所要求的技術(shù)規(guī)范，需要以膠工的實際使用需求為導(dǎo)向，從修訂采膠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和加強農(nóng)機農(nóng)藝融合等方面入手，促進采膠機械的研制、推廣與應(yīng)用［13］。同時，膠價的下跌也影響到天然橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟效益，給采膠機械的研制過程帶來嚴(yán)峻考驗，因此，要權(quán)衡好研制過程中產(chǎn)生的成本問題，可采用適當(dāng)?shù)氖侄芜M行調(diào)節(jié)，比如：完善相關(guān)的補貼政策、降低零件的設(shè)計與制造工藝復(fù)雜性、采用標(biāo)準(zhǔn)件進行更換與維修等方式，才能為采膠機械創(chuàng)造良好的市場環(huán)境氛圍，有利于產(chǎn)品的推廣與應(yīng)用。

從目前的研究趨勢和發(fā)展情況來看，隨著微電子、自動化、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展與成熟，采膠機械的技術(shù)層面正在向移動式全自動釆膠裝備的方向進行探索，這一過程融合并參照了傳統(tǒng)割膠裝備、便攜式割膠裝備、固定式全自動割膠裝備等技術(shù)，以及借鑒了與農(nóng)藝相結(jié)合的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，如割膠深度和耗皮厚度均要控制在毫米級并能切斷老膠線，單株采膠效率精準(zhǔn)到秒級，并能實現(xiàn)高低割線和陰刀陽刀割膠的結(jié)合，保障割線均勻平滑與割面膠水清潔等［14］。