山地茶園松土施肥管理機(jī)械的研究現(xiàn)狀

林 聰，鄭書河

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002）

近年來，我國茶葉的種植面積、產(chǎn)量、出口量均呈持續(xù)增長態(tài)勢，經(jīng)濟(jì)效益增長顯著。我國茶樹種植總面積和茶葉生產(chǎn)量均位于世界第一，全世界茶葉總出口量的1/5來自中國[1]。茶具有養(yǎng)生保健的功效，人們對茶葉的需求量與日俱增[2]。茶樹主要分布在南緯16°～北緯30°，我國西南部是茶樹的起源中心[3]。然而，受地形限制，傳統(tǒng)的丘陵山區(qū)茶園生產(chǎn)方式主要是人力作業(yè)，僅有少量的噴藥和修剪實現(xiàn)機(jī)械化或半機(jī)械化作業(yè)，特別是茶園的松土施肥機(jī)械發(fā)展比較落后，真正滿足山地作業(yè)要求的茶園松土施肥機(jī)很少，這嚴(yán)重制約了茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。針對上述現(xiàn)狀，研制適合山地作業(yè)的茶園松土施肥機(jī)械有一定的社會價值。

1 茶園耕作施肥的農(nóng)藝要求

1.1 茶樹種植技術(shù)

茶樹種植一般有兩種方法。一是單行單株種植法，該方法應(yīng)保證株距35～40 cm，以滿足茶樹生長的空間需求。二是雙行單株馬蹄形錯開排列種植法，該方法應(yīng)保證行距在30 cm、株距在40 cm以上。

1.2 茶園耕作技術(shù)

根據(jù)松土深度的不同，茶園耕作可以分為淺耕、中耕和深耕。淺耕深度在8～10 cm，成齡茶園的淺耕一般是在春茶和夏茶后進(jìn)行；中耕要在春茶萌發(fā)前進(jìn)行，其深度要保證在10～15 cm，耕作時將雜草翻埋入土，打碎土塊，平整地面；深耕對于更新根系效果良好，要求深度在15 cm以上，開溝形狀呈“V”型。

1.3 茶園施肥技術(shù)

茶園施肥要求沿樹冠邊緣垂直向下挖10 cm施肥溝，橫向?qū)挿鶠?5～75 cm。茶園中普遍使用有機(jī)肥和無機(jī)肥來為茶樹提供營養(yǎng)物質(zhì)。由于有機(jī)肥中所含各元素的比例不好控制，并且見效緩慢，故而主要用作基肥。無機(jī)肥才是茶樹使用最多的，最常見的是尿素和復(fù)合肥。

2 茶園松土施肥機(jī)械的研究現(xiàn)狀

茶園松土施肥是茶園科學(xué)管理中的關(guān)鍵步驟。目前，國內(nèi)外的松土施肥機(jī)械大多數(shù)是針對平地大田所設(shè)計，一般裝備的體積較大，不適用于行距狹窄的茶園。對于需要精耕細(xì)作的茶園來說，實現(xiàn)裝備的自動化、智能化顯得尤為重要。

2.1 國外松土施肥機(jī)的研究現(xiàn)狀

國外機(jī)械化程度較高，很多國家較早實現(xiàn)開溝施肥機(jī)械化作業(yè)，其設(shè)備較為完備，具有專業(yè)化、規(guī)范化、自動化等特點。但是，國外對專門應(yīng)用于山地茶園的機(jī)械研制很少，為了滿足其他作物田間管理作業(yè)的要求，主要對微耕機(jī)進(jìn)行了研制。20世紀(jì)50年代起，英國和匈牙利等國家研制出民用施肥微耕機(jī)并應(yīng)用到實際作業(yè)中。隨后日本引進(jìn)了這種微耕機(jī)，并在此基礎(chǔ)上研制出了適用本國農(nóng)業(yè)環(huán)境的裝備[4]。日本設(shè)計的機(jī)型可以實現(xiàn)水旱地兩用,可完成翻土、耕作、起壟、開溝及平整等多種作業(yè)[5]。日本最開始是對手扶拖拉機(jī)進(jìn)行改造，改裝后可滿足茶園中耕除草和施肥作業(yè)，1961年開始設(shè)計茶園專用拖拉機(jī)[6]，還研發(fā)了主要應(yīng)用于平地茶園的管理機(jī)械，這類裝備通常具有跨行作業(yè)及自動轉(zhuǎn)底盤的能力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)茶園耕作、修剪、施肥及噴藥同一體化作業(yè)。在往后的10多年里，日本茶園機(jī)械仍在持續(xù)創(chuàng)新，茶園作業(yè)效率顯著提高。

意大利Benassi公司于20世紀(jì)90年代末設(shè)計生產(chǎn)出了以大馬力小型柴油機(jī)或汽油機(jī)為動力的農(nóng)業(yè)微耕機(jī)[7]。此外，德國研發(fā)的506型微耕機(jī)和西班牙研發(fā)的MAS5型微耕機(jī)，屬于手扶式無輪旋耕機(jī)，它是將旋耕刀安裝在前方輪軸上，由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，帶動旋耕刀切削土壤進(jìn)行作業(yè)，工作時利用切削土壤所受的反作用力推動機(jī)器前進(jìn)。2006年，Senanarong研制出適用于田園管理作業(yè)的微耕機(jī)。次年，F(xiàn)ashola成功研發(fā)出可在小面積水稻田中作業(yè)的微耕機(jī)。2009年，SahayC.S設(shè)計了一款振動型微耕機(jī)，它具有工作效率高和破土能力強(qiáng)等優(yōu)勢，但功率消耗也隨之增大[8]。

在微耕機(jī)的理論研究方面，大部分研究是對微耕機(jī)的作業(yè)刀具進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)與研究，主要對刀具結(jié)構(gòu)、材料和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。S.Karoonboonyanan等[9]人為了提高旋耕機(jī)刀片耐磨性，試驗比較了噴涂WC-Co和Al2O3-Ti02的刀具耐磨性，得出涂有WC-Co的刀具磨損明顯減少。Asl J.H[10]研究了微耕機(jī)功率消耗與旋耕刀片幾何參數(shù)間關(guān)系，結(jié)果表明合理的刀片幾何參數(shù)可以大大降低微耕機(jī)消耗的功率。H Gholami[11]等人針對傳統(tǒng)微耕機(jī)的L型刀片振動明顯、易纏雜草、性能落后等問題，設(shè)計了一種新型脊?fàn)钚麢C(jī)刀片并進(jìn)行試驗，探究了土壤含水率、刀片轉(zhuǎn)速對耕作效果和功率消耗的影響。結(jié)果表明，降低一定轉(zhuǎn)速具有減少功率消耗、緩解刀具磨損、維持土壤結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。Shoutai L等[12]人采用光滑粒子流體動力學(xué)（SPH）模型進(jìn)行了微耕機(jī)旋耕刀土壤切削模擬試驗，并對旋耕刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后旋耕機(jī)的功率消耗明顯下降。

2.2 我國茶園松土施肥機(jī)研究現(xiàn)狀

從新中國成立起至20世紀(jì)70年代，茶園管理機(jī)械的研制主要針對坡度低于10°的茶園[13]。對于坡度較大的茶園，沒有滿足作業(yè)要求的裝備。70年代以后，開始對手扶拖拉機(jī)進(jìn)行改裝加工，如機(jī)身加裝防護(hù)機(jī)構(gòu)，機(jī)尾后掛接旋耕裝置、施肥裝置等。改裝后的手扶拖拉機(jī)可以在一些茶園中實現(xiàn)松土施肥作業(yè)，提高了茶園的管理作業(yè)效率，但是受地形的限制及機(jī)器本身轉(zhuǎn)彎半徑較大、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不方便、撒肥的范圍較廣等特點影響，不適用山地茶園作業(yè)。1980年，我國正式完成了C12茶園耕作機(jī)的研制，它的軀干就是履帶式拖拉機(jī)。它以S195柴油機(jī)為動力，外殼采用流線型設(shè)計，該機(jī)重心低、穩(wěn)定性好、驅(qū)動力大、機(jī)身較小、機(jī)動靈活等優(yōu)點[14]。次年，我國又從日本引進(jìn)了F-15A茶園開溝機(jī)，后續(xù)開始對開溝機(jī)的開溝器進(jìn)行了一系列開發(fā)研制，但成果并不明顯。

20世紀(jì)90年代中期，以日本的一款淺耕、施肥兩用機(jī)為原型，浙江省的一家機(jī)械廠研制出ZGJ-150型茶園耕作施肥機(jī)（圖1所示），這是依據(jù)我國茶園現(xiàn)實情況設(shè)計成功的新機(jī)型。相比于日本兩用機(jī)，它的通用性好，作業(yè)范圍更廣，機(jī)器性能更優(yōu)越，價格僅為日本同類機(jī)型的四分之一[15]。

2010年7月16日，肖宏儒等[16]人對研制成功的高地隙履帶自走式茶園管理機(jī)（如圖2所示）的性能試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了測定，完成了對主體部分的研發(fā)，首次在國內(nèi)實現(xiàn)了跨越茶棚進(jìn)入窄小的茶行間進(jìn)行作業(yè)，大大降低了勞動者的工作強(qiáng)度，改變了以往修剪、施肥、中耕機(jī)具由人工抬入茶園進(jìn)行工作的狀況。同時，他們還研制了適合陡坡的低地隙多功能茶園管理機(jī)（如圖3所示）。

此后，專家學(xué)者們對茶園松土施肥機(jī)械進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論分析及試驗研究，為山地茶園管理機(jī)械的研制提供了參考依據(jù)。李明等[17]設(shè)計了一種茶園遙控式靜電噴藥施肥機(jī)，用容量式調(diào)節(jié)施肥量，并完成淺施肥和覆土，最終成果顯示該機(jī)可以較好地進(jìn)行施肥。易文裕等[18]對小型茶園深耕機(jī)上的前進(jìn)輪和松土鏟進(jìn)行了重新設(shè)計配置，并進(jìn)行整機(jī)行走試驗和茶園下地耕作試驗，最終顯示，該機(jī)可以滿足茶園的深松作業(yè)。楊葉成[19]研制了一種茶園專用的高效施肥裝置，基于離心撒肥裝置的工作過程及其結(jié)構(gòu)分析，在對肥料物理特性和運動軌跡進(jìn)行分析計算之后，對施肥過程進(jìn)行模擬優(yōu)化；在此之后，進(jìn)行了田間試驗，結(jié)果表明該離心施肥機(jī)構(gòu)在優(yōu)化后的工作參數(shù)下，施肥均勻性較好。戴有華等[20]為了完成茶園的深松施肥作業(yè)，設(shè)計了一種深松施肥裝置，該機(jī)一次可開4條深松溝、施入有機(jī)肥及覆土等作業(yè)，并采用UG軟件對該機(jī)的主要受力部件進(jìn)行有限元分析，得出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。曾晨[21]研發(fā)了一種滿足山地茶園耕作的由柴油機(jī)驅(qū)動的微耕機(jī)，通過理論分析，對該機(jī)的受力、結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并利用有限元軟件對刀具進(jìn)行過度疲勞分析，得到了刀具應(yīng)力和應(yīng)變最大部位，并對刀具的刀輥進(jìn)行實際校對，為作業(yè)部件的選擇提供了依據(jù)。

3 山地茶園松土施肥機(jī)械存在的問題

常見的茶園松土施肥機(jī)，大部分是在常見的工作機(jī)械上進(jìn)行小的改造，缺少專業(yè)理論的研究。裝備的自動化、智能化水平與茶葉的產(chǎn)量是成正比關(guān)系的，大力發(fā)展茶園管理機(jī)械是提高茶園產(chǎn)量，提升茶葉經(jīng)濟(jì)效益的最直接途徑。目前，針對山地茶園松土施肥機(jī)械的研究程度還不高，仍然有一些問題存在。

3.1 技術(shù)方面

3.1.1 振動問題

由于茶園坡度大，地面凹凸不平，松土施肥機(jī)械在作業(yè)過程中，極易出現(xiàn)機(jī)器劇烈抖動的現(xiàn)象，不僅可能對操作人員造成身體傷害，還會導(dǎo)致行走困難甚至翻車。

3.1.2 施肥不均勻

由于茶園行距較窄、種植密集和缺少定量施肥裝置，在施肥的過程中會出現(xiàn)遮擋和施肥不均勻的情況，從而導(dǎo)致“差少施肥，優(yōu)多施肥”的現(xiàn)象，這也造成了肥料的浪費，達(dá)不到預(yù)期的效果。

3.1.3 破土能力差

山地茶園普遍存在免耕或者不耕的現(xiàn)象，這就使得山地茶園地表堅實，土質(zhì)較硬，不僅影響茶樹根系的呼吸，還導(dǎo)致松土較為困難，碎土率很低。

3.1.4 耕深控制能力弱

針對茶樹的不同生長時期，應(yīng)該把握好耕作的深度。如果耕作太深會破壞茶樹的根系和地表土壤的結(jié)構(gòu)，若耕作太淺則會阻礙茶樹根系對水分和肥料的吸收利用，起不到松土的目的。目前，現(xiàn)存的松土施肥裝置在這方面還有待提高。

3.2 發(fā)展方面

3.2.1 茶園機(jī)械針對性差

相對于其他裝備來說，在茶園管理機(jī)械方面的研究較少，人才相對缺乏，理論不夠成熟，體系不夠完善。市場中大體積的松土施肥機(jī)普遍應(yīng)用于高地隙作物，想要應(yīng)用于山地茶園比較困難。同時現(xiàn)在市場上已有的茶園機(jī)械大多針對平原地區(qū)且行間距較大的情況，而對于山地丘陵地區(qū)密植茶園的應(yīng)用較少，適用的專用驅(qū)動機(jī)型也很少。

3.2.2 環(huán)境問題

目前，松土施肥機(jī)械大多數(shù)都采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，不僅存在噪聲，排放污染氣體，而且在機(jī)器工作的過程中會出現(xiàn)燃料泄露的情況，這會對茶園的土壤造成污染，也會影響茶葉的品質(zhì)[22]。隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，自動化、智能化的電動機(jī)驅(qū)動裝置才是未來發(fā)展趨勢。

3.2.3 茶園規(guī)劃不合理

茶農(nóng)對傳統(tǒng)的耕作方式過分依賴，缺乏科學(xué)的眼光和正確的認(rèn)識，缺乏科學(xué)的茶園規(guī)劃經(jīng)營方式，使得茶園種植過于稠密，基本掩蓋了行間距，導(dǎo)致機(jī)械很難下地，在一定程度上影響了茶園管理機(jī)械化的推進(jìn)，制約了茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。實際上，為了鼓勵發(fā)展茶園作業(yè)機(jī)械化，近年來全國許多家農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠，早已密切注視茶園松土施肥機(jī)的研制，并且很多茶產(chǎn)業(yè)部門也做出了一些貢獻(xiàn)，如茶園標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和配套技術(shù)的融合[23]。

4 茶園松土施肥管理機(jī)械未來發(fā)展建議

傳統(tǒng)的茶園松土施肥機(jī)械是以化石燃料作為動力，以后的農(nóng)業(yè)機(jī)械會向著以電、生物燃料等清潔能源作為動力的方向發(fā)展。政府應(yīng)該加大資金投入和政策扶持力度，發(fā)揮農(nóng)機(jī)服務(wù)部門的作用，實時了解國內(nèi)外新動向，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的茶園規(guī)劃經(jīng)營方案，掌握最新的茶園專業(yè)資料。在此基礎(chǔ)上，提高茶園規(guī)模化及標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)營水平，對茶農(nóng)進(jìn)行定期培訓(xùn)和傳授，保證茶園管理機(jī)械的正確使用和及時更新?lián)Q代，打造新型茶園。

我國茶園管理機(jī)械要想達(dá)到自動化、智能化水平還有很長的路途，要敢于發(fā)現(xiàn)不足，彌補(bǔ)缺點，緊密結(jié)合我國的實際發(fā)展現(xiàn)狀，通過有針對性的設(shè)計研發(fā)，提升機(jī)器的作業(yè)性能，并在此基礎(chǔ)上加大茶園管理機(jī)械的推廣使用。另外，茶行業(yè)必須確保茶葉品質(zhì)，保護(hù)茶園健康。與茶葉有關(guān)的各個學(xué)科、各個單位及各個負(fù)責(zé)人應(yīng)該協(xié)同合作，精誠團(tuán)結(jié)，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的相互促進(jìn)融合，結(jié)合本地區(qū)的實際情況，不斷提升創(chuàng)新，使茶產(chǎn)業(yè)朝著綠色化的方向發(fā)展。