智慧化有機茶莊園的建設與啟示

李福德 ，劉鈺懿 ，汪健仁 ，黃金水 *，魏伙霖 ，曾炳南 ，王志友 ，代劍 ，許勇泉 ，蘇峰

（1. 安溪縣農業(yè)農村局， 福建安溪 362400； 2. 中國農業(yè)科學院茶葉研究所， 浙江杭州 310008；3. 安溪縣桃源有機茶場有限公司，福建安溪 362400； 4. 福建省種植技術推廣總站， 福建福州 350003）

隨著我國經濟的不斷發(fā)展轉型， 對農業(yè)的要求越來越高，農業(yè)必須根據社會發(fā)展需求，對其自身的發(fā)展結構作出一定的改變[1]。智慧農業(yè)是農業(yè)生產的高級階段，是集新興的互聯網、云計算和物聯網技術為一體， 依托部署在農業(yè)生產現場的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等） 和無線通信網絡實現農業(yè)生產環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為農業(yè)生產提供精準化種植、可視化管理、智能化決策[2]。

2018 年，《中共中央國務院關于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》文件提出要大力發(fā)展數字農業(yè)，實施智慧農業(yè)林業(yè)水利工程， 推進物聯網試驗示范和遙感技術應用。茶葉是中國的傳統農業(yè)，為促進傳統茶產業(yè)向現代茶產業(yè)轉變，引進智能化設備，開發(fā)數字化系統， 發(fā)展智慧茶業(yè)是當前茶葉發(fā)展和變革的方向。 2017 年，安溪縣發(fā)布《關于深入實施茶業(yè)莊園化戰(zhàn)略的通知》，明確提出至2020 年，建成一批特色鮮明、 生產方式綠色、 經濟效益顯著、輻射帶動有力的“金牌茶莊園”，莊園化、集約化管理的茶莊園占全縣茶莊園面積80%以上，讓茶莊園成為引領安溪茶產業(yè)“二次騰飛”的新名片[3]。桃源智慧化有機茶莊園項目根據國家政策倡導的“生產智能化”“管理數據化”及“經營網絡化”建設理念，圍繞種植、生產、倉儲和銷售四個方面完善升級原有設施和平臺，利用大數據、云計算、物聯網等現代信息技術，通過智能化手段開展數字農業(yè)試點，成為當地領先的智慧化農業(yè)產業(yè)園。同時，以“品雅”為產品品牌，以“添壽福地”為文化品牌，以當地古茶文化、古村落文化、農耕文化、母親河晉江源為依托，借助閩南古式大厝建筑風格，并融合安溪特色茶文化，打造以養(yǎng)眼、養(yǎng)耳、養(yǎng)肺、養(yǎng)胃且養(yǎng)心為特色的智慧茶莊園。

1 智慧化茶莊園建設要點

茶莊園是指在一定的原產地區(qū)域內， 采用先進國家的農業(yè)管理方式， 按照我國綠色茶葉標準建立起來的可以追溯的茶園和茶葉加工廠。 茶莊園具有嚴格的種植標準、加工標準；鮮葉流向和干茶流向可以追溯；遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，通過環(huán)境保護、人文關懷等措施，使之長期品質穩(wěn)定，符合低碳理念。下面以安溪桃源茶莊園為例，介紹智慧化茶莊園的建設要點。

1.1 基礎設施

供電，用電取自安溪縣供電公司，項目區(qū)建有完善的供電網絡，專線三相電力直達基地，并配置有1 座250 kVA 變壓器， 電力容量能夠滿足需要。供水，所在基地灌溉用水為基地中的自然山泉水，并有8000 平方米水庫，水量充足，能夠滿足項目用水需求。通訊，配置專用移動基站并以高速光纖寬帶為主的高效迅捷的網絡， 各類信息能夠及時傳輸交流，為項目的建設提供了便利條件。

1.2 智慧化茶園管理智能化

項目以戶外茶園、生產加工廠房、深加工標準化廠房作為升級改造主體，通過在產前、產中、產后各環(huán)節(jié)配備水肥一體化系統、 精準環(huán)境測控系統、生產過程管理系統、采后商品化處理系統以及農產品質量安全追溯系統， 構建茶葉數字農業(yè)物聯網綜合管理平臺，實現了從種植、加工（包括初精制加工與深加工）、倉儲、物流到銷售全過程的數字化、信息化與智慧化。

1.2.1 茶園自動化噴灌

將山泉水和飲用水通過輸水管網輸送至茶園各個蓄水池中， 每個蓄水池出口安裝過濾系統以及智能水表，每個灌溉區(qū)域配置手自一體電磁閥。軟件系統集成了用水管理和灌溉控制兩種功能，一方面， 服務器通過智能控制器讀取各水表用水信息，從而反映各灌溉區(qū)域當前的灌溉狀態(tài)；另一方面，通過智能控制器進行灌溉控制。此兩種功能的結合，實現了園區(qū)用水計量、用水調度、灌溉控制三方面的有機結合， 自動化噴灌系統技術結構示意圖如圖1 所示。 系統將依據獲取的量化傳感器數據，比對作物生理生態(tài)模型，對灌溉相關設備下達灌溉指令，實現用量有據、輪灌有序、區(qū)別配給的決策模式，實現了茶園用水的智能管理。

1.2.2 茶園環(huán)境精準測控

為確保園區(qū)各自動化調控系統的運行不受外部環(huán)境因素干擾，需要建設氣象監(jiān)測設備，設備根據海拔高低差， 分別于3 塊丘陵分區(qū)各安裝2 臺，于園區(qū)中心綠地位置安裝1 臺。氣象墑情監(jiān)測站用于監(jiān)測室外空氣溫濕度、降雨量、太陽輻射強度、風速、風向、4 層土壤溫度及4 層土壤含水量指標。 結合當地氣象部門發(fā)布的氣象預告信息，共同構成氣象監(jiān)測服務子系統，為園區(qū)在惡劣環(huán)境氣候、不利于開展對應農事操作的條件下提供技術指標。

1.2.3 茶園網絡及監(jiān)控全覆蓋

為方便園區(qū)“移動式”管理，在園區(qū)內開展無線覆蓋工作， 使園區(qū)管理人員及農事執(zhí)行人員可隨時隨地應用物聯網系統記錄、填報、咨詢農事問題。于種植區(qū)域內平均分布安裝監(jiān)控球機，用于監(jiān)測全園種植狀況與重點位置安防情況，記錄24 小時不間斷影像數據， 為處理突發(fā)事件或應急情況提供遠程監(jiān)控手段。

圖1 茶園自動化噴灌系統技術結構示意圖Fig. 1 Technical structure diagram of automatic sprinkler irrigation system for tea garden

1.2.4 茶園病蟲害防治

平均分布安裝多功能植保機， 配備手持式健康診斷儀。 多功能植保機除了為病害防治系統提供空氣溫濕度環(huán)境參考參數外， 還具備光學誘捕殺蟲功能；手持式設備健康診斷儀，內嵌利用長時序數據建立的穩(wěn)定模型， 針對不同生育期進行科學建模；同時儀器還充分考慮物候信息，克服了傳統光譜測量儀器單時間點測量的不足， 能夠快速測得歸一化植被指數（NDVI）、葉面積指數（LAI）、植被覆蓋度 （FVC）、 葉綠素含量 （Cab）、 產量（Yield）以及推薦施用氮肥量（Nc），為高效開展農事勞作起到了重要作用。

圖2 初制和精制茶葉自動化控制系統Fig. 2 Automatic control system for primary and refined tea

1.3 加工廠房智能化

在原有機械設備條件基礎上定制開發(fā)自動化程控系統， 結合制茶工藝要求定制開發(fā)初制和精制茶葉控制模型，并將各獨立設備通過連接附件，整合升級為一體化生產線設備， 為依據制茶工藝模型的自動化、智能化茶葉初制生產線的研建，解決茶葉初制標準化生產提供技術保障， 初制和精制茶葉自動化控制系統如圖2 所示。

1.3.1 茶葉初制生產線智能化升級改造

鐵觀音茶初制生產流程依次為鮮葉采摘、曬青（日光萎凋）、做青（搖青與晾青）、殺青（炒青）、揉捻、整形、烘焙、毛茶，在機械化生產過程中，應用儲青進料設備、萎凋設備、殺青設備、揉捻設備、烘焙設備等機械設備代替?zhèn)鹘y手工作業(yè)； 為提高初制效率，統一制茶標準，應用傳感器技術、自動化控制技術，將原有的設備進行升級改造，形成一條完整的生產線。

1.3.2 智能化茶葉精制過程信息采集系統

由揀梗設備、色選設備及茶葉提香設備構成，集成應用光學技術、物理學技術、機械學技術及自動化控制技術， 實現茶葉品質篩選與提升的全程流水線作業(yè)。 揀梗設備將經過篩分和風選后的茶?；旌衔?， 通過振動槽板和揀梗軸將較長的茶葉梗送越槽溝，使茶葉與茶梗分離，在揀梗的同時也有區(qū)分茶條長短的作用； 色選設備應用高清晰度全色譜傳感器對茶葉進行篩選，通過程控裝置，準確開啟氣動閥門，將低品質茶葉吹入次品槽，保留精品，實現自動化篩選；茶葉提香設備通過紅外燈管產生的紅外線對精制后的茶葉進行提香、醇化。

1.4 茶葉智能化深加工系統

系統由智能化沖擊磨濃縮機、 渦流微分機、脈沖除塵器、臥式雙螺旋混合機、粉碎機、除粉器、單片沖壓機、混合機、槽型混合機、熱風循環(huán)烘箱、搖擺式顆粒機、震動篩分機、深加工粉劑自動化包裝系統及配套組件共同組成機組， 機組主要由粉碎、除塵、混合、干燥、包裝等五個功能模塊組成。 粉碎部分由粗粉碎、細粉碎兩步來完成，以提高生產效率和細度；除塵部分采用袋式脈沖除塵器，減少生產過程中的粉塵污染；混合部分為臥式雙螺帶混合機，混合均勻度高，操作簡單；干燥部分選擇微波烘干，具有干燥殺菌雙重功效，且烘干溫度低，提高了烘干后的產品質量； 包裝部分采用了全自動包裝機，效率更高，操作簡單、智能。 整套設備材質選用食品級304 不銹鋼材質，且從進料到成品出料無需人工操作，并可隨時調整，在控制上實現一鍵操作，實時監(jiān)測， 并可通過手機進行遠程監(jiān)控和操作，完全實現智能化控制，智能化茶葉深加工系統工作流程如圖3 所示。

1.5 數控中心建設

建設園區(qū)農業(yè)數據中心， 搭建數字農業(yè)物聯網綜合管理平臺， 將項目中建設的各應用系統所采集的農業(yè)數據匯總展現。 各業(yè)務系統數據交互共享，農業(yè)數據分為基礎數據、專家數據、企業(yè)數據、產品數據、土肥數據、環(huán)境數據、作物數據等。

形成物聯網技術應用集中展示功能， 通過豐富的表現手段直觀展示茶葉種植過程的視頻場景、空氣溫度、空氣濕度、土壤含水量、地溫等參數。通過數控中心可直觀感知基地環(huán)境信息、生產履歷信息、視頻場景信息等；依托云服務平臺的分布式數據存儲系統， 形成基于海量時間序列感知數據的挖掘、切片、統計、分析等功能，輔助茶葉種植專家提煉形成基于物聯網的作物生長、 生產模型，病蟲害預警模型等；通過該系統直接參與茶葉種植，通過操控園區(qū)內的控制設備，實現生產環(huán)境遠程調控、用水精準投入等。

2 莊園有機茶生產技術要點

有機茶是指在原料生產過程中遵循自然規(guī)律和生態(tài)學原理， 采取有益于生態(tài)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的農業(yè)技術，不使用合成的農藥、肥料及生長調節(jié)劑等物質，在生產中不使用食品添加劑，并經專業(yè)機構認證的茶葉及相關產品。

2.1 資質認證

有機茶產品需按照有機產品國家標準GB/T 19630—2019《有機產品 生產、加工、標識與管理體系要求》中的技術要求進行生產，加工后的產品得到相關認證機構認證， 具有完整的產品可追溯體系，健全的生產記錄。有機產品認證證書由認證機構根據《有機產品認證管理辦法》的規(guī)定頒發(fā)，有效期為一年。 結合有機茶產品的生產加工實際情況， 有機產品認證證書中詳細記錄了有機茶園信息、鮮葉產量、有機茶產品名稱、加工地址、生產數量等信息。 安溪縣桃源有機茶場有限公司于2004 年開始茶園建設，從基地開發(fā)開始就全程采取有機管控技術，例如，開發(fā)茶園時，保留原有的樹木和林帶，并在茶園的邊界保留和種植樹木，使之形成天然的隔離屏障；公司于2005 年開始申請有機茶認證，并于同年通過有機茶產品認證，經過多年持續(xù)改進有機茶園的生態(tài)環(huán)境及生產加工技術，至今已經連續(xù)16 年通過國家有機茶認證。 現有有機茶園133 公頃，年產有機鐵觀音120 噸。

2.2 茶園管理技術特點

有機茶所有原料要求生長在生態(tài)環(huán)境良好、遠離城市的區(qū)域。 這些區(qū)域污染少， 氣候條件適宜，晝夜溫差大，土壤腐殖質多，有機質含量高，營養(yǎng)元素充足，茶樹抗性好，茶葉品質優(yōu)異，為有機的生產奠定了良好的基礎。 桃源有機茶園位于海拔800～1000 米之間，莊園中林木占60%，茶樹占40%，自然植被覆蓋率高，生物多樣性優(yōu)勢明顯。莊園現有鐵觀音80 公頃，金觀音20 公頃，另外還有金牡丹、梅占、黃金桂、本山、毛蟹等茶樹良種。

2.3 茶葉加工技術特點

2.3.1 初制工藝

在茶葉初制加工上， 引進一條不落地的智能化、標準化、清潔化、自動化烏龍茶生產線，其主要構成模塊及特點如下。 （1）做青模塊。 采用全自動烏龍茶生產設備，自動完成曬青、晾青、搖青和環(huán)境調控作業(yè)，毛茶品質優(yōu)于傳統搖晾分置做青，省工節(jié)能30%；集成冷熱風吹干太陽能曬青，紅外線曬青，自動搖青與攤青。這些自動化設備及控制系統使烏龍茶做青實現了智能化、標準化、清潔化、自動化。（2）殺青模塊。殺青設備主要有兩段，前段為連續(xù)式滾筒殺青機， 后端配置連續(xù)式微波殺青機，該新能源殺青系統已獲得國家實用新型專利。（3）包揉造型模塊。采用自動揉捻型包揉造型機加工茶葉的成型過程接近于傳統工藝， 所制的茶葉緊結呈團，葉片較完整，制優(yōu)率大幅提高，品質高于常規(guī)半機械化產品。 （4）烘焙模塊。 采用自動烘干機，按照預先設定的溫度和時間進行低溫烘焙，最大程度保留鐵觀音花香特色品質。 （5） 控制模塊?？刂颇K由觸摸屏電腦控制，桃源有機茶廠應用計算機技術、電子技術和傳感技術，開發(fā)出一套烏龍茶連續(xù)做青自動控制系統， 可在手動和自動操作間自由切換， 供不同操作水平的技術人員使用。

2.3.2 精制工藝

茶葉精制加工主要由茶葉自動揀梗機、 色選機、鏈板式烘干機、全自動包裝機組成，通過輸送帶連接，通過電腦中央控制器，達到智能化控制。

2.3.3 深加工技術

采用以有機茶為原料的超微粉研發(fā)技術和茶含片加工技術，讓人們從“喝茶”到“吃茶”，滿足消費者不同口味的需求。 超微茶粉生產線的構成主要有連續(xù)式初粉碎機和精粉碎機、 重金屬挑揀設備、連續(xù)式微波干燥設備、全自動粉劑包裝機，最終出來的茶粉能達到800 目以上。 茶含片生產線主要由粉碎機、槽式攪拌器、粗造粒機、烘焙機、V型攪拌機、細造粒機、壓片機和包衣機組成。 可依據消費者口味調節(jié)茶含片配方， 目前桃源有機茶廠已研制出抹茶口味和降三高茶含片兩種產品。

3 有機茶莊園的成效與啟示

3.1 成效

通過茶產業(yè)物聯網的搭建，實現了茶葉種植、生產、倉儲到物流銷售全過程的數字化、信息化、自動化與智慧化，采取規(guī)范化與精細化的控制，減少中間環(huán)節(jié)人工的干預， 提高茶葉生產效率和質量；降低茶企的用工成本與勞動強度，建設后的用工由原來的98 人減少到69 人； 改變傳統茶農生產模式，提高茶園畝產的經濟效益，茶園的蚊蟲數量減少50%左右。

進一步探索了智慧農業(yè)技術集成應用解決方案和產業(yè)化模式，通過在產前、產中、產后各環(huán)節(jié)配備精準環(huán)境測控系統、生產過程管理系統、采后商品化處理系統以及農產品質量安全追溯系統，構建了茶葉物聯網系統， 實現了種植、 初精制加工、深加工、倉儲物流、銷售的數字化，打造了中國智慧化茶莊園的樣板，獲得“國家數字農業(yè)試點項目”“福建省級智慧示范園”“全國商業(yè)企業(yè)文化優(yōu)秀成果”“泉州市休閑農業(yè)示范點”“泉州市文化產業(yè)示范基地”“安溪縣金牌茶莊園”等榮譽。

3.2 啟示

目前，茶產品企業(yè)種植加工方式落后，生產效率不高，生產與營銷尚未形成聯動機制[4]，我國已進入智慧農業(yè)快速發(fā)展階段， 但中國多數茶企仍然沒有意識到智慧化農業(yè)能給茶行業(yè)帶來多大影響，物聯網、大數據、云計算、智能化種植與加工管理在茶行業(yè)內未能被有效發(fā)掘并發(fā)揮最大價值。

在建設過程中， 數據應用上還存在多處 “痛點”。 例如有機肥、病蟲害追蹤系統擁有的數據并未全部被有效利用， 行業(yè)內相關信息無法及時獲取、共享。 移除這些痛點，有賴于打造一個端到端的數據供應鏈，讓數據流動起來，成為“循環(huán)農業(yè)”的一部分。通過數據供應鏈，企業(yè)可以不斷從中獲取數據， 并利用從數據中獲取的信息優(yōu)化業(yè)務決定，提升盈利能力。特別是在盈利管理、風險管理、供應鏈管理、創(chuàng)新以及合規(guī)這五個方面，數據供應鏈將為企業(yè)帶來諸多市場價值。目前，中國茶企仍然處于創(chuàng)建數據供應鏈的早期階段，應抓緊打造。阿里、京東、網易等互聯網公司通過對數字技術和網絡平臺的積極利用，使得中國打造“智慧農業(yè)”已經初具雛形， 但是對絕大多數傳統茶葉企業(yè)而言， 打造數據供應鏈仍然是一個全新且長期的過程。