茶園防霜風機的研制及應用現(xiàn)狀

李文萃，任廣鑫，范起業(yè)，湯一，唐小林*

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江省茶資源跨界應用技術重點實驗室，浙江杭州 310016；2.浙江大學茶學系，浙江杭州 310058）

茶園防霜風機的研制及應用現(xiàn)狀

李文萃1,2，任廣鑫1，范起業(yè)1，湯一2，唐小林1*

（1.中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江省茶資源跨界應用技術重點實驗室，浙江杭州 310016；2.浙江大學茶學系，浙江杭州 310058）

對茶園防霜風機的工作原理及國內外的研制和應用效果進行了綜述，同時分析了防霜風機的特點和存在問題。根據現(xiàn)有茶園防霜風機自動化程度高、操作簡便、可降低勞動強度和防霜效果佳等優(yōu)點，以及設備成本高，閑置時間長，易遭受外界和人為損壞等缺陷，提出了重點研究防霜風機的多重功效和動力來源，以增強系統(tǒng)的抗腐蝕性和穩(wěn)定性，改進設備性能，降低生產成本等解決措施。另外，對防霜風機的應用前景進行展望，期望對其進一步發(fā)展和推廣起到良好的促進作用。

防霜風機，研制，應用效果，前景

茶樹春季發(fā)新芽后抗寒能力下降，易受到倒春寒影響而發(fā)生凍害，氣溫在0℃以下，甚至低于-2℃時就會出現(xiàn)冰凍，即使抗凍性強的良種也會遭受危害[1]。受凍害的嫩芽經加工后，滋味苦澀、香氣低，嚴重凍害的早茶則不能采摘。據統(tǒng)計，2010年全國春茶產區(qū)70%的茶園受到凍害或干旱等極端惡劣氣候影響；2011年初，持續(xù)干旱、低溫和霜凍等氣候導致多個產茶省的春茶上市時間推遲，明前茶產量下降12%左右[2]。2012年早春遭遇低溫天氣，導致茶樹發(fā)芽晚、開采期推遲，春茶生產期縮短，各地呈現(xiàn)出不同程度的減產；2013年4月中旬，浙江、江西、福建等省出現(xiàn)輕度倒春寒現(xiàn)象[3]，這不僅給茶農造成巨大的經濟損失，也制約了名優(yōu)茶的生產。傳統(tǒng)的防霜凍措施有培土保溫、茶園鋪草、灌水及熏煙驅霜等，這些方法均依靠人工預期準備，操作繁瑣，費時費工，且污染環(huán)境，一定程度上也會影響產品品質，防霜凍效果并不理想。茶園防霜風機屬于新型防霜設備，目前在國外一些發(fā)達國家應用較為普遍，尤其是日本，防霜機械設備的普及率達90%以上[4]。實踐表明，茶園防霜風機可實現(xiàn)自動控制，能降低茶農的勞動強度，防霜效果好，具有廣闊的應用前景。因此，了解防霜風機的工作原理、性能以及應用研究現(xiàn)狀，對于我國相關設備的改進及茶園霜凍危害的預防和改善，具有一定的現(xiàn)實意義和指導作用。

1 茶園防霜風機的工作原理

1.1 原理

在低層大氣中，氣溫一般隨高度的增加而降低；但在早春倒春寒條件下，地面因輻射冷卻而降溫，離地越近，空氣冷卻降溫越快，而上層空氣受地面影響弱，降溫緩慢，出現(xiàn)溫度隨著高度的上升而增加的趨勢，這種現(xiàn)象叫“逆溫現(xiàn)象”[4]。在此條件下，萌發(fā)的茶芽抗寒能力降低，嫩芽在0℃左右會受到輕度凍害，-3℃~-2℃時會嚴重凍害[5]。茶園防霜風機正是利用逆溫層的存在，通過人工改變氣象條件達到防霜目的。其工作原理是[6]：采用風機系統(tǒng)對近地區(qū)域的空氣進行物理擾動，一方面，可以將茶園上方暖空氣輸送到茶樹冠層，使冷暖空氣充分混合以提高茶樹冠層氣溫，避免降至0℃以下；另一方面，茶園近地空氣經擾動后，形成微域氣流，吹散水汽，能夠減少露水形成，從而阻止霜凍發(fā)生；即使形成霜，也會減緩化霜速度，減輕芽葉的二次凍害。

1.2 結構與特點

常見的茶園防霜風機是利用鋼管將一種特制的風扇架在離地面6m以上高處的設備，整機主要由立柱、電機、風扇、控制器及其它輔助配件組成，其風向和角度可調，能夠適應不同地形。防霜風機多用于大田中，在設計時更多地兼顧了其防水性、安全性和耐用性。與傳統(tǒng)防霜措施相比，防霜風機具有一次投入長期受益、自動化程度高、操作簡單、便于維護以及降低勞動強度等優(yōu)點，且防霜效果好，能有效解決使用大型常規(guī)防霜設備成本高、運輸裝卸繁瑣以及人為預期霜凍時間的不可靠性等問題[7-8]。

2 茶園防霜風機的研制現(xiàn)狀

2.1 國外研制情況

國外在防霜方面很早實現(xiàn)了機械化、自動化，防霜風機的使用在一定程度降低了農作物霜凍危害的發(fā)生。日本是最早開始利用風扇進行茶園防霜的國家，上世紀50年代采用機械對茶園、果園防霜的技術已較為成熟。到80年代末期，日本有霜害威脅的茶園90%以上開始使用機械防霜[5]。90年代末，靜岡縣茶業(yè)試驗場研制出一種升降式防霜扇，該機的特點是：體積不大、占地面積小，將風扇上升的高度設定在2m左右，充分考慮了茶樹高度和人員操作方便；在非霜季節(jié)可以隨時降下[9]。升降式防霜機不僅解決了傳統(tǒng)大型送風設備投資成本高、運輸繁雜及影響田間其他農事操作等問題；同時能夠緩解茶農的防霜勞動強度，具有實際使用價值。目前，在日本較為普及的是小型防霜風扇，如DFC1030-3K型。該型風扇扇葉直徑為1m，電機功率為2.48kW，電源為三相380V。此設備的電纜架空配置，防霜機控制系統(tǒng)集中在同一控制箱內。風機系統(tǒng)通過總控制箱自動控制，利用安裝于茶樹蓬面的感應溫度探頭探測溫度，使防霜機在茶蓬附近接近臨界溫度時能及時開啟，運轉開啟溫度一般設定在3~4℃[10]。近年來，又出現(xiàn)了可折疊的防霜扇，能夠避免對其它茶園機械的操作造成障礙，但使用不多。防霜風機的深入研制，表明了日本對茶園霜凍問題的重視及機械化技術的先進性，值得借鑒。

美國與許多歐洲國家主要將此防霜技術應用于葡萄園、果園防霜，一般使用的防霜裝置是塔式風機，該設備功率較大，通常以大功率柴油機作為動力來源，采用簡單的溫控器設定上下限來啟閉裝置[11-12]。由于該設備的控制方法需依據經驗設定參數，只適用于地形簡單均一、氣象條件不復雜的情況；同時，機器運行過程中產生的廢氣對果園環(huán)境有一定污染，因此應用范圍不廣泛。

2.2 國內研制情況

我國對機械化防霜技術的研究起步較晚，防霜風機的研制和在茶園中的應用尚處在初步階段。由江蘇大學農業(yè)工程研究院開發(fā)的防霜系統(tǒng)主要結構包括：軸流風扇、轉動云臺、安裝立柱、電氣控制箱、溫度傳感器、調整部件等；主驅動電動機功率3kW，回轉直徑0.9m，轉速998rad/min，安裝俯角15~0°可調，擺動范圍60°、90°、120°可調；由于安裝后會全年暴露在外，風扇及配件均采用防銹、防腐裝置[13]。另外，江南大學國家大學科技園與無錫市農機推廣站自主研發(fā)的新型茶園防霜機通過了省級鑒定，專家認為該產品技術成果處于國內領先水平，具有實際推廣價值[14]。中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院與相關單位合作，就茶園防霜風機進行了深入研究，開發(fā)了6CFJ-1000型茶園防霜風機。該機風量大，在地面垂直方向1.5m，離風機軸線中心水平方向25m范圍內，風速為1.1~3.2m/s。

3 茶園防霜風機的應用效果研究現(xiàn)狀

通過對早春逆溫條件下茶園防霜風機的防霜效果進行研究，結果表明防霜風機的使用可以降低茶園的受霜凍率，有利于提高早春茶產量和經濟效益。李傳德等[15]研究發(fā)現(xiàn)，使用風機的受霜凍率比對照（未使用風機）低71.52%；凍害過后12天防霜機區(qū)域內的茶芽平均長度比對照增加108%，百芽重增加121%。

茶園防霜風機對茶樹冠層有明顯的增溫效果，升溫幅度一般在2~4℃，不同設備效果略有差異。樓黎靜等[7]通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，逆溫天氣下啟動防霜風扇可使安吉白茶茶樹冠層氣溫平均提高2℃之多，茶園沒有霜凍現(xiàn)象；而沒有安裝防霜風扇的茶園則出現(xiàn)不同程度的霜凍。另有研究發(fā)現(xiàn)開啟防霜風扇后，茶園各層氣溫相差不大，變化趨勢較一致，且防霜風扇對茶園的平均增溫值最大達2.8℃[16]。胡永光等[17]研究發(fā)現(xiàn)，WT3000型高架風機防霜系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，比國外同類控制技術節(jié)能約20%；其有效防霜面積約1000m2，在輻射晚霜條件下，可提高茶樹冠層溫度約2.86℃；在重霜凍條件下，可提高茶葉產量約47.7%。戴青玲等[18]研究發(fā)現(xiàn)，距離防霜風機25m范圍內茶園溫度均有不同幅度提高，20m范圍效果明顯，10m處效果最好，最高升幅達3.6℃。另外，防霜面積還與風機的安裝角度有關，因而在安裝風扇時，要考慮好角度的設置，以便最大限度的發(fā)揮風機防凍作用。此外，不同近地點防霜風機的作用強度不同，水平方向距離風扇越遠，風速越小。研究發(fā)現(xiàn)，0~ 15m范圍內風速急劇變小，15~32m范圍內，風速基本穩(wěn)定在1~2m/s；1~5m/s的風速分布范圍，約占總體分布的90%以上；如以風扇擺動范圍90°計算，其有效作用面積將大于1000m2[13]。

茶園防霜風機不僅能夠有效提高茶樹冠層溫度，還能保證早春茶葉的產量和品質，具有良好的經濟、社會和生態(tài)效益。通過對中高檔雨花茶春茶產值進行預估核算發(fā)現(xiàn)，使用防霜風機可使茶園每年減少損失約1989元/667m2，實現(xiàn)凈增收1251元/667m2[10]。研究表明，防霜風機其每年分攤成本與遭受凍害的損失相當，但可使茶葉提早5天左右上市，為“人無我有”的早茶上市提供了間接效應[15]。

4 茶園防霜風機存在的問題和應用前景

盡管茶園防霜風機的防霜效果顯著，效益明顯，但是目前在推廣方面還存在一定難度。一方面，國內使用的茶園防霜機械多數是從日本引進，設備成本高，一次性投入大，普通茶農和一般企業(yè)無法大規(guī)模應用[10]；另一方面，由于我國茶區(qū)眾多，地形地貌復雜，引進的防霜設備需要對其可行性進行檢驗，具體的參數設置也需根據實際情況進行田間試驗來作調整，該系統(tǒng)在茶園上的應用還未形成一套成熟的操作規(guī)范，因此一定程度上制約了防霜機械的大面積推廣。若能得到各級政府支持，不僅能降低茶農投入成本，對風機防霜的普及也有一定積極推動作用。此外，防霜風機一年多數時間處于閑置狀態(tài)，易遭受外界環(huán)境影響或人為破壞，從而縮短其使用年限。今后的研究可進一步探明防霜風機的多重功效和動力來源，以及增強風機系統(tǒng)的抗腐蝕性和穩(wěn)定性，以提高其利用率?？傊?，研制新型防霜風機不僅可以推廣現(xiàn)有較成熟的茶園防霜機械設備，起到科技示范作用，還可以改進和提高設備性能，降低生產成本，為今后的大范圍推廣應用創(chuàng)造條件。

針對早春茶面臨的霜凍問題，采用機械化防霜已成為一種趨勢。茶園防霜風機設備簡單、經濟效益顯著、沒有大氣污染、能夠自動控制，節(jié)約大量人力，而且有利于茶葉品質的改善，是防霜凍技術中一項有效的科研成果。防霜風機不僅可用于茶園防霜，對于其他農作物、經濟作物和果園等同樣適用。在我國，小麥、玉米、葡萄和果樹等農作物受到霜凍危害的幾率仍然很大，造成其產量下降、品質降低[19-22]。但多數仍采用傳統(tǒng)的熏煙、灌水、施肥等方法，機械化防霜凍措施極少推行。若能將防霜風機在茶園上的防霜經驗通過改良后運用在其它農作物上，將會極大程度地降低勞動強度，實現(xiàn)農業(yè)的機械化和自動化生產，具有重要社會效益和廣闊的市場前景。

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表3 不同處理對茶樹一芽二葉品質成分的影響Table 3 Impacts of different treatments on quality components of two leaves and a bud of tea

3 結論

茶園施用該葉面肥后，茶樹新稍長度、百芽重、芽頭密度、光合速率、細胞間隙CO2濃度顯著增加，這表明使用該種葉面肥可以使茶葉增產。施用葉面肥的茶樹一芽二葉水浸出物和氨基酸含量顯著提高，茶多酚含量和酚氨比降低，這可使茶葉鮮味增加、苦澀味降低，從而可以提高茶葉品質。但是，本次試驗只是按照此種葉面肥產品說明設計了一種噴施濃度，未能設置梯度試驗，還有待進一步研究論證施肥濃度，但就1/300濃度試驗效果來看，增產提質效應明顯。

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Research Status of the Development and Application of Tea Anti-frost Fan

LI Wen-cui1,2,REN Guang-xin1,FAN Qi-ye1,TANG Yi2,TANG Xiao-lin1*
(1.Hangzhou Tea Research Institute,CHINA COOP,Zhejiang Key Laboratory of Transboundary Applied Technology for Tea Resources, Hangzhou 310016,China;2.Department of Tea Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

This paper reviewed its operating principle and the research status of development and application effects at home and abroad.Meanwhile,it analyzes its features and problems.Based on the advantages of being highly automatic,easy to operate,reducing labor intensity and its anti-frost effect,and the defects of being high cost,long idle time,vulnerable to the outside world and man-made damage,it proposes that we should focused on the multiple effects and power sources of anti-forst fan to enhance corrosion resistance and stability of the system and improve the equipment performance toreduce the production costs.In addition,we expect the application of this fan will further develop and promote its technology.

Anti-frost fan,Development,Application effect,Prospect

S499

A

2095-0306（2014）02-0034-04

2013-01-25

李文萃（1988-），女，河南三門峽人，碩士，主要從事茶葉加工與審評方面的研究。

*通訊作者：dcshu@126.com