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[关键词]技术创新 珍惜树种 林业品相
中图分类号:S7 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)05-0314-01
前言
林业的发展方向是一项产业链式的发展方向,涵盖有物种保护、林下经济、生态发展等多方面的同时致力。我国的地域广阔、气候多变、水土丰富,这就保证了我国的珍稀树种品种丰富,种类繁多。但是因为技术的限制以及认识度的缺乏,导致很多珍稀树种资源未能得到很好的利用,尤其是在其生态价值、药用价值等方面。所以加快林业种植技术的创新,推进发展珍稀树种,大幅提高林业品相对我国的林业发展有着重要的意义。
1、在林业发展方面存在的问题
1.1 种植技术的多方限制
在我国的林业发展方向上,尽管多数是以国家林业局等国有制、集体式的形式进行林业产业发展的,但是也有家庭林场、个体林场等产业存在。这种小块林地的私有化经营模式已经在我国大为盛行,并占据很大的市场,但是随之而产生的就是种植技术方面的问题。个体缺乏对林业种植技术的掌握,使得:选择普通树种进行栽培种植技术容易,却也经济效益低;珍稀树种进行培育经济效益高,但是种植技术困难。
1.2 珍稀树种资源的利用不完善
珍稀树种的稀有性、珍贵性是人尽皆知的事情,并且对珍稀树种不断的发展也会给人们带来无尽的财富。[1]但是就现阶段的社会发展而言,珍稀树种具体有什么经济价值、生态价值、药用价值甚至是观赏价值,都是大多数林业种植者所不知道的。其实,不仅仅是林业种植者,即使是从业研究员他们对珍稀树种的实际价值也是探索阶段,受到认识、技术、伦理等多方因素的限制而未能全然窥探。同时因为研究水平的限制、群众认识程度的限制,导致了珍稀树种资源的利用不够完善。例如:种植面积小,利用率低等。
1.3 林业品相问题
林业是指培育和保护森林以取得木材和其他林产品,并在过程中注重对生态环境的保护和生态平衡的保持,是利用林木的自然属性以发挥防护作用的生产部门,是国民经济的重要组成部分。但是当下我国的林业品相十分狼狈,既没有保证到其原本发展过程中的生态性原则,也没有在国民经济组成中占据其应有的地位,特别是对珍稀树种的林业种植。林业品相不够尽善尽美,是对林业资源的巨大浪费。
2、提高林业品相的应对措施
2.1 珍稀树种种植技术的普及
林木种植的观念正在不断的适应新时代的发展,这也就需要转变林木种植的发展思路,对珍稀树种更是应该研发、普及其种植技术。珍稀树种的种植技术普遍要注意的就是:生长环境中的土壤和温度,繁殖技术中的扦插、播种方式的适用性选择,幼苗的移植以及病虫害的防治等。举例说明红豆杉的种植技术:红豆杉主要采用种子繁殖和扦插繁殖,收集种子在 9 月左右采收洗净,混湿沙贮藏,要注意种子的休眠特性,且自然条件下发芽周期长;之后要注意幼苗的越东打理;幼苗移栽的炼苗播种苗或扦插苗经培育时,也要注意株间距、施肥、遮荫和灌溉等。
2.2 普及珍稀树种的资源优势
珍稀树种不仅在其原始基础的木材上具有极高的实用价值,在其生态、药用、观赏等方面也有很多创造经济效益的地方。农民只要能够在适宜的气候下,结合种植技术的支持,选择合理的珍稀树种,种植珍稀树种就能够得到丰富的财富,所以进行珍稀树种的资源优势的普及是十分创收的举动。举例说明:楠木、樟课常绿乔木等,树木通直、数质优良、有香气、强度中等在家具、造船、雕刻、精密木模等方面有重要应用;红豆杉,常绿大乔木,珍贵的药用树种,其中的紫杉醇具有抗癌等要用功效。
2.3 整体提高林业品相
发展绿色产业经济,注意林业生态化、可持续性的发展,提高林业品相。因地制宜、合理规划,坚持林业发展生态化原则,加快经济财富的创收,与此同时更加注意我国整体林业品相的保持和提高。加强科学技术的实际应用,用现代技术的进步来维持林业品相,生态林业建设是一项宏伟的系统工程,其中包括许多科技含量高的问题,因此就需要相关部门必须加大科技投资力度来进行整体林业品相的发展。
结语
我国的林业发展的当下局势并不够完美,但是珍稀树种的价值已经在慢慢被发现,种植技术也在不断的进步和发展,林业品相也在紧步提高。家具、地板等需求越来越注重品质,医药、观赏等作用渐渐被发现。努力发展珍稀树种的经济性栽培具有很大市场。
关键词:培育;珍稀树木;兴林富农
中图分类号:S725 文献标识码:A DOI 编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2015.04.034
Make Great Efforts to Cultivate the Rare Trees,Promote the Tianjin Forest and Enriching the People
ZHANG Jie1, LIU Shan1, ZHANG Yue-hong2, HAO Lian-jun3, LI Xu-ying1, CHEN Xue1, WANG Ji-hua4, ZHANG Ting-xiao5, XIN Hui-bin6, LYU Wei-wei6
(1. Tianjin Forestry Bureau, Tianjin 300074, China; 2.Tianjin Forestry Bureau of Jixian County, Jixian, Tianjin 301900, China; 3. Dagang Planting Center of Tianjin, Tianjin 300270, China; 4. Institute of Forestry investigation and Planning Design of Tianjin, Tianjin 300074, China; 5.Agricultural and Water Service Center of Qingguang Town Beichen District Tianjin City, Tianjin 300400, China; 6.Forest Seedling Demonstration base of Tianjin, Tianjin 300074, China)
Abstract: The Amur cork, Tilia amurensis, Acer truncatum, Chinese Fringetree, acanthopanax, Fraxinus mandshurica, Juglans mandshurica and other rare special tree species were preserved in Jixian County Tianjin city. The author gave some suggestions to promote the forestry industry and sustainable development. The suggestions were cultivate rare trees, optimize the structure of tree species, improve forest quality and benefits, improve the ecological environment and living environment, Increase the wealth reserves of forest, resolve the imbalance between supply and demand of rare trees.
Key words: cultivation; rare trees; promote the forest and enriching the people
天津市蓟县国营林场位于蓟县北部山区穿芳峪镇境内,东通唐山90 km,西距北京90 km,南抵天津100 km,北达承德170 km。地理坐标为东经117°32′~117°34′,北纬40°04′~40°14′之间。所辖的6个林区总面积为1 400 hm2,其中,西水厂林区是场部所在地,坐落在穿芳峪镇果香峪村北,面积为440 hm2;梨木台和黄乜子林区坐落在下营镇东船舱峪村北,面积为573 hm2;黄花山林区坐落在孙各庄满族乡丈烟台村北,面积为160 hm2;秋子峪林区坐落在五百户镇看花楼村南,面积为133 hm2;庄果峪林区坐落在白涧镇庄果峪村西南,面积为93 hm2。蓟县林场森林覆盖率达95%以上,活立木总蓄积量10万m3。蓟县国营林场气候温暖湿润,雨量充沛,水热条件优越,物种资源丰富,是天津市珍稀树木的主要保存基地。
1 天津市珍稀树木基本情况和存在问题
1.1 基本情况
蓟县国营林场植主要被为华北地区暖温带落叶、阔叶林、针阔混交林和针叶林,有高等维管束植物89科237属362种,主要乔木有:油松、侧柏、栎类、黄檗、栾树、核桃楸、椴树、山杨、刺楸、刺槐、丁香、流苏、坚桦、白蜡、臭檀、枫树、桑、朴、鹅耳枥、槲树、大果榆、花曲柳等。主要灌木有:荆条、孩儿拳头、卫予、小檗、蚂蚱腿子、雀舌头、锦鸡儿、山杏、酸枣、托盘、杜鹃、锦带花、太平花、东陵八仙花、秀线菊等。藤本植物有软枣猕猴桃、南蛇藤、北五味子、山葡萄、乌头叶蛇葡萄、蝙蝠葛、五叶地锦、爬山虎、铁线莲、葛藤、杠柳、兔丝子等。另外,还有很多的草本植物和中草药材等。
据统计,黄檗、紫椴、元宝枫、流苏、刺五加、水曲柳、核桃楸等珍稀及特殊树种在蓟县林场区内都有单株和小区域分布,100 hm2天然和人工侧柏林分布在西水场和秋子峪林区,梨木台和黄乜子林区以辽东栎、蒙古栎、栓皮栎、槲栎等栎类树种为主,林地面积567 hm2,其他林区以人工油松林和硬阔、软阔类混交林以及经济林为主。
1.2 存在问题
近年来,由于部分群众的法律意识淡薄和蓟县林场管护资金的不足,疏于对这些珍稀及特殊树种的管护,致使部分树种遭到不同程度的破坏和毁灭性采挖,有些树种濒临灭绝。如黄檗、刺五加、紫椴、流苏等一些珍稀树种只在一些深山区和远山区零星存在,核桃楸、水曲柳等树种也未采取严格的管护措施,再加上部分树种的单一性,造成病虫害发生严重,部分林地的郁闭度较大,林分质量相对较差,部分小班内杂草、灌木和藤本丛生,林区内的珍稀树种生长受到严重影响。
2 大力培育珍稀树木的预期效益
2.1 直接经济效益
通过大力培育珍稀树木,每年可向社会提供珍稀林木苗木,预计可出苗600株・hm-2,按每株30元计算,林每年可收入18 000元。
2.2 生态效益
珍稀及特殊树种资源是全国重要的战略资源,通过大力培育珍稀树木,可使林场内珍稀及特殊树种林地面积大幅度增加,林分质量得到进一步改善和提升。同时,增加了天津市的珍稀及特殊树种的后备资源,丰富了蓟县当地栽培树种的多样性,促进了该地区陆地生物能量的转换和物质生产循环,可以为野生动植物提供生存环境以及繁衍场所;提高森林调节气候,涵养水源的能力,可增加降水量,减少蒸发量,提高相对湿度,降低干燥度。此外,还实施过程中,还可为今后珍稀及特殊树种培育提供科学依据,对缓解目前珍稀木材市场的存在的供需矛盾,调整天津市林业产业结构、树种结构,增强天津林业发展后劲都有十分重要的意义。
2.3 社会效益
大力培育珍稀树木,可为蓟县林场和当地村民直接提供劳动就业机会。此外还可增加当地地方税源,繁荣林产品市场,满足社会对林产品的多元化需求。同时,还可带动蓟县林场及周边地区加快珍稀及特殊树种栽培,为社会主义新农村建设起到积极地推动以及示范作用。
大力培育珍稀树木,可以进一步调整完善蓟县林场的林种结构,优化资源配置,同时通过技术培训及新技术、新品种的广泛应用,增强林农科技生产技能,提高天津市林业生产的科技含量,促进生产力的发展。维护林区内生物多样性,进一步改善林场的森林景观,提高蓟县旅游资源的品位,促进当地森林旅游业的发展,增加蓟县周边地区林农济收入,更好地实施林地建设和生态环境保护。
3 大力培育珍稀树木的措施和目标
一是坚持因地制宜、实事求是、保护以及发展并重;二是尊重自然科学规律,加强科技创新和科技推广,充分运用和发掘天津市珍稀及特殊树种实用培育技术以及成功经验;三是充分利用现有的资源,结合珍稀及特殊树种的生物学、生态学特性,同时考虑树种立地条件,做到适地适树;四是提升森林抚育质量、林地生产力,稳定丰富林区内森林群落结构;五是坚持预防为主、科学防控、依法治理,生物防治、物理防治和化学防治等相结合的林业病虫害防治措施;六是维护林区内森林生态资源,提高自身防火控制能力,保护人民群众生命与财产安全。
通过充分发挥地理位置和自然条件的优势,对蓟县林场内现有珍稀及特殊树种资源进行合理经营,逐步加大珍稀及特殊树种人工培育和人工改造力度,不断扩大森林培育面积,逐步地提高现有森林资源中珍稀及特殊树种的比例。同时,辐射周边地区种植珍稀及特殊树种,达到改善其生长条件和生长状况和提高林地生产力的主要目标。
4 开展大力培育珍稀树木工作的保障措施
4.1 组织保障
大力培育珍稀树木是一项林业重要生态工程,任务重,质量要求高,应加大对工作开展的组织领导,确保工程质量及任务顺利完成。建议成立领导小组,统筹安排,分层落实,层层签订目标责任状,具体工作开展由技术负责人全面负责。同时,要制订森林防火、病虫害防治等预案,广泛开展宣传工作,树立长效观念和质量意识,营造良好的社会环境,为工作开展提供有力的组织保障。
4.2 资金保障
项目建设成功与否,与资金投入力度、资金落实和资金管理紧密相关。应积极申请国家和地方各级财政投入,并抓好资金的落实工作,做好部门间协调,积极筹措资金,确保资金足额到位。要严格执行资金管理程序,控制资金使用范围,严禁变相使用资金或挪作他用,做到专人管理、专户储存、专账核算,确保资金专款专用。要遵循先动工、后验收、再拨款的报账制原则,做到账账相符,账表相符。同时接受上级主管部门和同级财政审计部门的监督检查,保证资金足额到位以及财政投资的安全有效运行。
4.3 技术保障
要坚持科技兴林,提高工程质量和营林水平。在大力培育珍稀树木工作开展过程中要坚持以科技为先导,积极引进新技术,推广应用新成果、新方法,加强技术监测,提高科技含量水平,促进培育技术水平位居全国先进和优势地位。市、县两级林业部门要加大科技推广和培训力度,深入具体实施地点,进一步努力发掘珍稀及特殊树种的生物学特性以及适应其生长的环境条件,把先进林业生产技术送到林区一线及林区周边地区,切实帮助解决林农在培育珍稀树种实施过程中的实际问题,提高培育成效和管理水平。
4.4 管理保障
在工作开展过程中,要加强对施工人员的管理和对技术人员的培训,组织专门人员及时巡逻,做好安全防范措施,注意林区防火工作。要及时进行森林病虫害监测,发现病虫害要及时汇报、及时防治。要加强工程质量管理,及时组织人员对已施工地块进行检查,发现不符合设计要求、达不到设计标准的要立即返工,限期完工,情节严重的将给予通报批评,确保工作顺利实施并取得预期效果。
参考文献:
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围绕“再造一个大竹海”总体要求,在抓好新造竹的基础上,抓好低产竹林改造;围绕国家木材战略储备基地县建设,抓好珍稀树木发展;围绕“十个万亩特色农业观光体验区建设”,抓好花椒、花卉苗木观光体验区建设;围绕“百里新村、养生长廊”,抓好示范基地建设(竹林丰产示范、林下立体开发、珍稀树苗木、花椒特色经济林)。
二、工作目标
(一)完成新造林2万亩。
(二)实施低产竹林改造5万亩。
(三)建设珍稀树种种苗基地1万亩。
(四)完成公路绿化100公里。
(五)完成义务植树150万株。
三、工作措施
(一)落实造林任务。今年造林绿化工作的重点是解决高塝望天田、撂荒田地、公路沿线、乡村庭院的绿化建设,同时抓好低产竹林改造,提高竹林产量。各乡镇要采取有效措施,组织发动干部群众,将任务落实到村到社到户,规划落实到山头、田块,本着因地制宜的原则,选择以竹类、珍稀树木为主的苗木;选择相对集中连片的低产竹林进行改造示范,加大科技推广力度,确保造林绿化任务圆满完成。
(二)推进“两大”工程。抢抓春季造林有利时机,巩固天保和退耕还林“两大”重点工程成果,着力抓好2013年到期退耕还林的管护及补植补造。充分利用巩固退耕还林成果后续产业建设等项目政策,大力推进林竹品种改良,发展以优良竹类和桢楠、香樟、红椿为主的珍稀树种,提高全县林业资源生物多样性。
(三)抓好基地示范。县林业部门要加大对林农在新技术、新品种方面的推广培训,根据全县造林绿化工作重点和产业布局,抓好林竹产业示范基地(新造林或低改示范)建设,在新农村建设示范片及国家、省、县级公路两旁集中展示。
(四)加强种苗选育。县林业部门要加强与林业科研院校的合作,组织培育适应我县气候环境的竹木优质优良品种,建立试验示范品种选育基地,搞好优质优良竹木种苗(包括绿化苗木)基地建设。围绕发展珍稀树种种苗基地1万亩目标,重点做好本地树种(如绵竹、硬头黄竹种、桢楠、香樟等)的选育,打造全省以珍稀树木为主的绿化苗木繁育基地。同时,切实抓好外地竹木种苗引进防疫检疫工作。
(五)实施全民植树。县林业、城管、交通等部门要认真做好全民义务植树方案,结合城乡环境综合治理工作,确定县城、乡镇街道、乡村学校、卫生院、村级阵地、公路两旁、乡村庭院绿化重点。根据《省绿化条例》规定,凡年满18岁至60岁的男性公民、年满18岁至55岁的女性公民,除丧失劳动能力者外,每人每年应义务植树3至5棵。各乡镇、各有关部门要精心组织,开展好义务植树活动,落实具体人员做好义务植树登记统计报送工作。
四、时间安排
(一)2013年2月30日前完成造林规划上报、种苗组织等。
(二)2013年4月30日前全面完成造林任务,10月30日前完成低产竹林改造,并按时总结上报。
(三)2013年11月—12月进行检查验收。
关键词 国家储备林;林地建设;推进举措
中图分类号 F326.2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2017)04-0157-02
国家储备林是指通过人工林栽培或现有林改造、抚育及补植补造等措施,营造的优质高效多功能森林,包括工业原料林、珍稀树种和大径级用材林等。人多地少、缺林少绿是我国目前的国情和林情,数据显示,我国森林覆盖率仅为21.63%,森林面积和森林蓄积仅占世界的5%、3%,人口却约占全球的23%,人均森林蓄积量仅为世界平均水平的1/7。“总量不足、效率不高、结构失衡、进口受限”,对生态产品和林产品的刚性需求短缺的矛盾日益凸显,森林资源安全形势十分严峻[1]。加快推进国家储备林建设,对于维护国家木材安全、保障森林生态安全的意义重大。
1 建设国家储备林的必要性
我国林业发展面临着木材供给总量与供给结构问题并存、结构性问题更加突出的矛盾。在供给量方面,随着2020年“三个1亿人”和城镇化率达到60%,木材供应缺口将达2亿m3;在结构性方面,资源短缺问题突出,我国原木、锯材进口量已超过全球贸易总量的1/3,国际压力巨大。珍稀树种和大径级原木进口断供风险加大,全球先后有86个国家和地区限制或禁止珍稀、大径级原木出口,严格限制交易的树种已增加到246个。2015年政府工作报告明确要求“停止天然林商业性采伐”,我国木材供需缺口急剧增大。供给量不足和结构性短缺问题亟待解决。这就需按照中央要求,突出抓好供给侧结构性改革,政策引导,科学经营,精准提升质量,大幅提高我国现有林地林木生产率,木材供给全面转向以人工林生产为主,这就是国家储备林建设的必要性所在。
2 国家储备林建设的广阔前景
我国从2017年起全面停止天然林商业性采伐后,必须大力推进国家储备林建设,才能缓解木材产量急剧减少所造成的供需缺口持续增大的矛盾。通过一般树种和珍稀乡土树种相结合、长短周期相结合、新造林和现有林改培相结合的方式,集约高效培育工业原料林,并定向培育珍稀树种林、大径级用材林,建立林木后备资源体系[1]。建成国家储备林基地后,可实现从一般树种速丰林,向工业原料林、珍稀树种林及大径级用材林培育的定向转变,增加活立木储备、生态产品和中高端品种供给[2],预计每年可新增木材供应约1亿 m3,基本实现木材供需平衡,逐步缓解国内木材的供需矛盾。
3 推进国家储备林建设的主要举措
近年来,我国大力推进国家储备林建设,主要从基地建设、融资创新、制度创立、科学管理等方面着手。
3.1 基地建设为储备林建设“夯实根基”
自2012年起,我国国家储备林建设以国有林场为主体,在7个省(区)试点示范。在试点示范基础上,2014年国家储备林划定100万hm2,试点范围扩大到15个省(区、市)。截至2015年底,中央政补贴资金18.36亿元,储备林建设面积达199.3万hm2。目前,我国围绕长江经济带、“一带一路”、京津冀协同发展等发展战略,编制《国家储备林建设规划》,拟于2016―2020年,在全国25个省设18片基地,涵盖东南沿海、西南、长江中下游、黄淮海、京津冀及东北地区,建设国家储备林1 400万hm2。
3.2 金融创新为储备林建设“增肥施料”
资金一直以来都是保障工作有力推进的重要因素[3]。我国国家储备林建设采取补助政策:一是现有林地改培。改培一般树种大径材林,补贴金额为4 500元/hm2,改培珍稀树种林7 500元/hm2;二是新造人工林。新造一般树种大径材林补贴金额为4 500元/hm2,珍稀树种7 500元/hm2;三是中幼林抚育及造林补贴。森林抚育1 500元/hm2,造林补贴3 000元/hm2。
自2012年项目启动以来,计划安排广西省建设国家储备林15.07万hm2,中央安排补贴资金3.37亿元,但这些补助仅是杯水车薪,资金缺口巨大。针对这一情况,2015年12月和2016年6月,国家林业局创新国家储备林投融资机制,分别与国家开发银行、中国农业发展银行签定战略合作协议,重点支持国家储备林等林业建设。首个试点省(区)广西一期建设国家储备林50万hm2,获得新型林业金融产品的 100亿元贷款,享超长期贷款期限(27年,含宽限期8年)和低利率。此外,中央财政贴息3%,贴息年限3~5年,同时要求地方上配套贴息;还要完善抵押政策,以林(木)权抵押为主,兼顾其他资产抵押;另外,要建立健全政策性森林保险机制,并开展商业性保险。
截至2016年6月,贷款规模达519亿元,其中国家开发银行185亿元、农业发展银行334亿元,签约国家储备林贷款项目20多个,完成国家储备林建设22.5万hm2。特别是广西、天津、河北、吉林森工等地创新利用开发性、政策性金融贷款推进国家储备林项目建设,探索形成了各具特色、可复制可推广的建设模式:广西“统贷统还、融资担保、契约管理、按期还款”,天津“分贷分还、借用管还、政府回购、委托代建”,张家口“市级统筹、市县分担、平台运作、合同管理”,吉林森工“域外转型、产业升级、促进改革、保障民生”。另外,还要积极探索运用PPP模式,吸引社会资金投入国家储备林建设。
3.3 制度创立为储备林建设“保驾护航”
当前,我国进入全面建成小康社会阶段,国家储备林建设已纳入《林业发展十三五规划》《国家林业局推进生态文明建设规划纲要》。在《国家储备林树种目录》《国家储备林划定办法(试行)》《国家储备林核查办法(试行)》的基础上,制定了《国家储备林基地建设管理办法》《国家储备林基地建设年度施工作业设计管理办法》等,编制了《国家储备林现有林改培技术规程》《国家储备林基地建设模式及典型案例》,并建立起系统的《国家储备林制度》。制度先行,使得储备林建设有章可循,为研究推广其可持续经营模式,加快基地建设起到了“保驾护航”作用。
3.4 科学管理为储备林建设“增翅添翼”
为加强国家储备林建设的科学管理,充分借鉴世行贷款项目的经验和模式,强化契约管理、系统化工程管理和模型设计,总结了高效培育模式和珍稀树种混交林改培模式等,共包括43种模式57个案例,推进国家储备林培育经营标准体系的建立。
3.4.1 良种为本奠基础。林以种为本,种以质为先,选用“来源清晰、种源纯正、质量过硬”的优良品种造林是国家储备林可持续发展的基础。
3.4.2 良法抚育促高产。储备林基地造林离不开精准有效的抚育管护。采用测土配方施肥法,做到精确施肥。建立小班跟踪管理系统[4],做到定期定点测土,保证养用兼顾,实现可持续发展。
3.4.3 多模式经营结硕果。无论是种植混交林,还是改培现有林,都要遵循“按需择伐,摒弃皆伐”的培育模式,逐步实现林地培育“近自然化”[5]。每次间伐都把影响“目标树”生长的“半熟树”去掉,调整林分密度结构[6],并从新生苗中选择优良单株培养新的“目标树”,大小树共存,循环往复生生不息。创新造林模式,把强阳性的、生长速度截然不同的树种混交套种,解决短期收入和长期受益问题,以短养长,长短互济,一举多得。
4 建设成效评估体系
国家储备林建设是我国全面保护天然林的关键,也是推进我国生B文明建设、维护国家木材安全战略的重要举措。当前,大规模推进国家储备林基地建设时机已经成熟。我们要在坚持“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的基础上,尽快探索出一条生产能力高效、经营规模适度、储备调节有序、生态环境良好的安全发展道路,确保国家储备林建设的顺利开展和加快推进。
5 参考文献
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[关键词] 虚拟手术;仿真手术刀;力反馈
[中图分类号] R608 [文献标识码] C [文章编号] 1673-7210(2013)05(a)-0146-02
当前,虚拟仿真手术是虚拟现实技术在医学中的一项新的应用,也是世界各国研究热点问题之一[1-2],其是根据生物医学工程学的知识,使得医生能够真实地置身于计算机重建生成的“灵境”中,然后从仿真手术器械的使用着手,学习如何进行各种仿真手术和处理各种突况。如何正确使用手术刀进行手术是外科实习医生必备的训练课程。医生在执行手术时,离不开手术刀的操作。自2011年以来,经过长江大学附属第一医院研究人员的辛勤工作,建成了一个利用虚拟手术刀实现虚拟外科手术的系统平台,保证了进修医师和医学生可以重复进行各种常规操作训练,并得到专家手术指导,降低了手术的风险,节约了培训医生的费用,大大提升了教学的质量和效果。
1 仿真手术刀的研制
仿真手术刀的研制主要考虑了其在使用方式上与实际手术刀必须保持一致,训练的目的才能真正地实现。首先,常用的抓持手术刀方式,①琴弓式:琴弓式是最常用的一种执刀方式,动作范围广而灵活,用力涉及整个上肢,主要在腕部。用于较长的皮肤切口和腹直肌前鞘的切开等。②执笔式:用力轻柔,操作灵活准确,便于控制刀的动度,其动作和力量主要在手指。用于短小切口及精细手术,如解剖血管、神经及切开腹膜等。③握持式:全手握持刀柄,拇指与食指紧捏刀柄刻痕处,此法控刀比较稳定,操作的主要活动力点是肩关节。用于切割范围广、组织坚厚、用力较大的切开,如截肢、肌腱切开、较长的皮肤切口等。④反挑式:是执反挑式、笔式的一种转换形式,刀刃向上挑开,以免损伤深部组织,操作时先刺入,动点在手指。用于切开脓肿、血管、气管、胆总管或输尿管等空腔脏器,切断钳夹的组织或扩大皮肤切口等。⑤指压式:用力重,食指压住刀柄前端,后半端藏于手中,此法控刀稍不灵活。主要适用于难于切开的皮肤。本研究通过实际调查工作发现,医生大多采用琴弓式或握持式的抓持刀柄姿势,见图1。
1.1 手术刀受力分析
琴弓式持手术刀,操作者的手指关节将感觉到来自手术刀反馈的切割力,接着手指将这一信息传递给操作者的大脑;同时人的眼睛感知到的手术刀位置和姿态情况也传入大脑。大脑将这两方面信息处理和融合,进一步控制医生的手臂和手腕协调动作。整个过程相关的因素主要包括:手臂的力角度、手的姿势、切割对象的生理特征、组织产生的阻力等[2]。见图2。
1.2 手术刀构造
仿真手术刀研制成功与否关键在于尽可能地使其符合实际操作习惯,一手持刀柄,另一手用持针钳(持针器)夹住刀片,嵌入刀柄前端的凹处,再用持针钳(持针器)把刀片夹好即可使用。仿真手术刀没有一个固定的支点,因此它只能提供给手指一个反馈力。手臂上力的感知是通过视觉来收集反馈信息的,这样就可以弥补不足。实验表明,仿真手术刀确实能够提供给操作者一个身临其境的力反馈的真实触觉。
2 力反馈设备
2.1 力反馈设备选择
将手术刀的受力点与牵引钢丝相连,由步进电机-丝杠传动的驱动方式来拖动牵引钢丝。因为步进电机在额定载荷范围内启动和制动均平稳,控制十分简单方便,丝杠传动还可以进一步降低了机械的振动,保证了运动的直线精度值。当操作者手向上抬起产生拉力时,拉力就能及时地传递到食指,这样就给操作者带来了明显的力反馈感受[3-5]。
2.2 力反馈控制模型
力反馈装置采用两种力反馈控制策略。
2.2.1 基于位置的开环控制策略 基于位置的开环控制策略依据的是刀尖抬起的高度与示指感受到的切割力成正比这一特点。它的优点是模型直观、控制简单,但控制精度难于保证。
2.2.2基于反馈力的闭环控制策略 由于模型相对复杂,而且需要添加拉力传感器,直接利用反馈力作为控制量,控制精度较高。因为手术操作是十分精细的,医生的力觉反馈尤为重要,稍有不慎就会酿成大祸。因此,既要使虚拟外科手术系统更加真实地模拟,又要求仿真手术刀连接的力反馈装置精度高。经过比较,本研究选择了基于反馈力的闭环控制策略对力反馈进行控制[5]。见图3。实验结果显示,通过4个步骤很真实地实现了切割反馈力变化情况。见图4。
3 虚拟手术系统环境的仿真
本研究构建了一个虚拟手术室,在虚拟手术台上设置了手术对象和手术场景中所有因素。系统将所有的图像信息投影到一个平放的屏幕上。受训者可以按照事先设定好的模型进行手术操作,通过仿真手术刀的操作,轻松实现在模型上的切割和练习。利用这些信息可直接调Open GL函数产生三角形面片,进而生成虚拟人体组织[3-4,6]。当“手术刀”在操作屏幕上滑动时,就留下了相应操作轨迹,并出现了划开的切口,同时又有相应的人体生理特征的显示配合生成,保证医生的手术逼真感,系统具备医学手术课程要求的内容,对于操作者会逐条进行操作提示和考核[7]。系统全部由VC编写,稳定快捷,对于各种操作系统平台均有很好地支持[8]。
4 结论
仿真手术刀的应用,大大降低了医生培训中存在的风险,节约了大量的医疗成本,提高了医生业务技术和操作水平,可以有效地缓解当前人体尸体教学标本日趋减少的问题,为医院今后开展各种新技术、新业务的预演讨论、可行性认证提供了新的途径[7-8]。相信通过研究者不懈努力,将逐步实现虚拟现实技术在医院临床医疗中开展相关测试和手术教学试验,将其应用于手术培训、手术预演、临床诊断、远程干预、医学辅助教学等各个环节,不远的将来,仿真手术刀会越来越完善,并且更多的手术器械会被模拟出来,为医生的培训教学工作和手术器械的研制提供大力支持和帮助。
志谢
本研究得到了华中科技大学生命科学院生物医学工程系丁明跃教授的指导和帮助。
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