茶園生境智慧管控技術(shù)助推廣東茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展

陳義勇，黎健龍，周 波，唐 顥，劉嘉裕，唐勁馳

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所/廣東省茶樹資源創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

茶樹是多年生木本植物，我國是最早發(fā)現(xiàn)和利用茶葉的國家，人工栽培茶樹已有3 000多年的歷史。近年來，我國茶園面積不斷擴(kuò)大，茶樹資源和茶類也越來越豐富，茶產(chǎn)業(yè)一直呈持續(xù)增長勢頭，目前已成為世界茶葉大國，但還不是世界茶葉強(qiáng)國［1］。茶園科學(xué)管理問題一直以來影響著我國茶產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展，不少茶企注重茶樹的種植，但缺乏科學(xué)管理的意識，茶園管理粗放，化肥和農(nóng)藥的大量使用造成茶園土壤嚴(yán)重破壞，病蟲害防控難度加大。改變傳統(tǒng)的以化學(xué)肥料、化學(xué)農(nóng)藥為支撐的環(huán)境負(fù)荷型茶葉生產(chǎn)模式，以生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)的新理念對茶園進(jìn)行科學(xué)管控是促進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵［2］?？茖W(xué)地利用茶園有機(jī)生物培肥技術(shù)和茶園生境管控技術(shù)，可有效改良茶園土壤理化性狀，增強(qiáng)茶園病蟲害天敵控害能力，達(dá)到了減肥、減藥的效果［3-5］。茶園智能化生產(chǎn)與信息化管理是新時(shí)期茶產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提高茶葉生產(chǎn)效率的趨勢［6］。自然氣象條件對茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量有重要影響，極端天氣會造成茶葉產(chǎn)量驟減，品質(zhì)降低。對茶園環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，預(yù)測預(yù)警氣象災(zāi)害的發(fā)生，能很大程度減少茶農(nóng)的經(jīng)濟(jì)損失。目前國內(nèi)已研究開發(fā)了較多的茶園氣象監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和方法，例如，何敏［7］針對倒春寒引起的茶葉凍害，開發(fā)了茶園環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測與防凍預(yù)警系統(tǒng)；楊志勇等［8］設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些技術(shù)的研發(fā)提高了茶農(nóng)對自然災(zāi)害的應(yīng)對能力，減少了茶農(nóng)的經(jīng)濟(jì)損失，提高了茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，茶葉生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能得到精細(xì)的監(jiān)管。冷波等［9］采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對茶葉生長過程中環(huán)境因素，病蟲害發(fā)生情況等信息進(jìn)行采集，建立茶葉生長信息庫，及時(shí)對病蟲害的暴發(fā)進(jìn)行預(yù)警，提前做好防疫工作，避免了茶園病蟲害的大面積發(fā)生。近幾年，水肥一體化技術(shù)也逐步在茶園中得到應(yīng)用，有效解決了缺水問題，茶園管理實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉、精準(zhǔn)施肥，灌溉水利用率得到充分提高［10］。面對全國茶產(chǎn)業(yè)向智能化生態(tài)茶園發(fā)展的趨勢，廣東省根據(jù)本省的茶產(chǎn)業(yè)特征和區(qū)域優(yōu)勢，集成了一套以生態(tài)茶園建設(shè)為核心的茶園生境智慧管控技術(shù)，該技術(shù)在廣東省內(nèi)應(yīng)用推廣，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)茶園粗放式管理向智慧精準(zhǔn)管控的轉(zhuǎn)型，提升了茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，推進(jìn)了廣東茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

1 廣東茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

廣東省產(chǎn)茶歷史悠久，是全國著名的茶葉生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大省，在我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。2019年廣東省茶園面積6.67萬hm2，占全國茶園總面積的2.1%；茶葉產(chǎn)量10.35萬t，占全國總產(chǎn)量的3.7%。廣東茶區(qū)自然條件優(yōu)越，擁有大量的野生茶樹種質(zhì)資源和豐富的地方品種，省內(nèi)大部分地區(qū)都有茶葉生產(chǎn)，各茶葉產(chǎn)區(qū)區(qū)域特色明顯，粵東是以單叢為主的烏龍茶產(chǎn)區(qū)，粵西是大葉種紅茶和綠茶產(chǎn)區(qū)，粵北是以“英德紅茶”為主的紅茶產(chǎn)區(qū)［11］。

近年來，茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主要舉措之一，可直接推動(dòng)第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的有效舉措，已受到越來越多地方政府的高度重視，全省大力推進(jìn)茶葉產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園和茶葉特色村鎮(zhèn)建設(shè)。而生態(tài)茶園建設(shè)是促進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，生態(tài)茶園建設(shè)更被寫入了省政府有關(guān)推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革實(shí)施方案（粵府〔2017〕118號）中，明確指出 “以全產(chǎn)業(yè)鏈的理念發(fā)展茶葉等優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)，擴(kuò)大茶葉種植面積，大力發(fā)展嶺南紅茶和高山綠茶，打造100個(gè)生態(tài)茶園” ，把生態(tài)茶園建設(shè)作為推進(jìn)廣東省供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鄉(xiāng)村振興的頭等大事。

生態(tài)茶園是指運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理，以茶樹為核心，因地制宜配置生物種類，綜合利用光、熱、水、土、氣等生態(tài)條件進(jìn)行茶葉生產(chǎn)，并采用生態(tài)調(diào)控等綠色防控技術(shù)進(jìn)行病蟲害防控，而且環(huán)境優(yōu)美，茶葉安全優(yōu)質(zhì)，生態(tài)產(chǎn)品綜合供給能力強(qiáng)的茶園［12］。建設(shè)生態(tài)茶園必須解決兩個(gè)問題：一是由于茶園長期偏施化肥，使得肥料利用率低、土壤退化（有機(jī)質(zhì)缺乏、酸化、板結(jié)、微生態(tài)遭破壞）。根據(jù)近年來全省茶園土壤檢測數(shù)據(jù)（檢測樣品數(shù)278個(gè)），土壤呈酸化趨勢的占 45.6%～39.6%（pH≤4.0），茶園土壤有機(jī)質(zhì)偏低至極缺乏占62.3%～68.9%，茶園土壤養(yǎng)分極不平衡［12］。二是不合理使用農(nóng)藥，造成病蟲害抗藥性增強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境的自然控害能力被削弱，從而導(dǎo)致茶葉產(chǎn)量損失、茶葉品質(zhì)下降和農(nóng)殘超標(biāo)隱患。因此，生態(tài)茶園建設(shè)必須拓展土壤培肥和病蟲害防治新途徑，最終目標(biāo)是恢復(fù)茶園土壤的可持續(xù)利用，不依賴化學(xué)防治而達(dá)到對病蟲害的有效控制。

在日常茶園管理中，傳統(tǒng)茶園管理技術(shù)往往方式較單一，管理粗放、建設(shè)落后，茶園生態(tài)系統(tǒng)較簡單，抗風(fēng)險(xiǎn)能力弱，茶園病蟲害頻發(fā)，制約了茶樹的生長與茶葉品質(zhì)的提升。目前，廣東茶園管理大多采用傳統(tǒng)茶園管理技術(shù)，為進(jìn)一步促進(jìn)廣東茶葉產(chǎn)業(yè)升級，要打破傳統(tǒng)的管理技術(shù)束縛，根據(jù)廣東茶業(yè)的資源和區(qū)域優(yōu)勢，依靠科技創(chuàng)新，提升茶園管理水平，應(yīng)用先進(jìn)可行的管理技術(shù)，打造高標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)茶園建設(shè)，促進(jìn)廣東茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。茶園生境智慧管控技術(shù)是以生態(tài)茶園建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，通過先進(jìn)可行的管理技術(shù)指導(dǎo)常規(guī)茶園向生態(tài)茶園轉(zhuǎn)型升級，為茶樹生長創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。

2 茶園生境智慧管控技術(shù)建立與發(fā)展

在推動(dòng)生態(tài)茶園建設(shè)的過程中，需要執(zhí)行良好技術(shù)規(guī)范和采取相應(yīng)的技術(shù)措施。通過長期的實(shí)踐和探索，立足生態(tài)茶園建設(shè)，建立了一套適合廣東生態(tài)茶園發(fā)展的茶園生境智慧管控技術(shù)。茶園生境智慧管控技術(shù)是通過對茶園生態(tài)環(huán)境智能化感知、預(yù)警、分析、專家在線指導(dǎo)等多種智能方式，為茶葉生產(chǎn)提供一系列的精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策等。茶園智慧管控與傳統(tǒng)茶園管理最大的區(qū)別在于，智慧管控利用了高新技術(shù)和科學(xué)管理換取對自然資源最大化節(jié)約利用，它依附于信息技術(shù)的支撐，強(qiáng)調(diào)時(shí)間、空間的不同，以定時(shí)、定位、定量三定位推行出一整套現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)操作與管理的綜合體系。隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智慧茶園也將是目前生態(tài)茶園的發(fā)展趨勢［13］。

茶園生境智慧管理技術(shù)是從整個(gè)茶園的生態(tài)環(huán)境大局出發(fā)，著眼營造茶園生態(tài)適宜小氣候，以達(dá)到綠色優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。該技術(shù)主要包含茶園土壤生態(tài)調(diào)控技術(shù)、茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)、茶園病蟲害監(jiān)測預(yù)警與生態(tài)防控技術(shù)、茶園生境環(huán)境信息自動(dòng)化感知技術(shù)、茶園水分智慧管控技術(shù)以及茶園生境智慧管控專家服務(wù)系統(tǒng)。茶園生境智慧管控技術(shù)的應(yīng)用一方面增加了茶園物種多樣性，提高茶園整體對病蟲害的防控能力，可很大程度減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，提升茶葉產(chǎn)品的安全性；另一方面，茶園的實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警、智能化的水肥調(diào)控、智慧茶園專家在線服務(wù)等都能為茶葉品質(zhì)的提升提供保障，提高茶園管理的效率。茶園生境智慧管控技術(shù)將成為廣東省生態(tài)茶園建設(shè)、促進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的重要內(nèi)容。

2.1 茶園土壤生態(tài)調(diào)控技術(shù)

廣東茶區(qū)土壤普遍因偏施化肥，養(yǎng)分失衡造成土壤退化（酸化、板結(jié)、微生態(tài)失衡），從而導(dǎo)致施肥效率低、茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)下降等嚴(yán)重問題。針對這一現(xiàn)狀，創(chuàng)造性地利用土壤工程生物——蚯蚓，研究建立了茶園土壤生態(tài)調(diào)控（蚯蚓有機(jī)培肥）技術(shù)。示范應(yīng)用的效果表明，碳氮比為21.8～24.9的牛糞和稻稈組合適宜蚯蚓生長，碳氮比為28.9的組合適宜蚯蚓繁殖。與常規(guī)施肥模式相比，該技術(shù)有效促進(jìn)土壤陽離子吸附能力的增強(qiáng)，提高土壤養(yǎng)分含量，其中有機(jī)碳含量增加70%；顯著提高土壤呼吸速率和改善土壤生物學(xué)性質(zhì)，增加土壤生物團(tuán)聚體；顯著改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤酶活性和微生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)土壤可持續(xù)培肥能力，使肥效提高8.6%，大幅減少化肥施用，茶葉產(chǎn)量穩(wěn)定增加15.2%～23.5%，顯著改善茶葉品質(zhì)［3,14］，特別是提高夏茶的醇類、醛類、酯類等香氣物質(zhì)含量。

2.2 茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)

針對廣東茶區(qū)茶園種植模式普遍單一的現(xiàn)狀，立足于生態(tài)茶園理念，創(chuàng)造性地提出茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)，綜合評估茶園間作物種對茶樹生長環(huán)境、茶園土壤理化性狀、茶園病蟲草害發(fā)生以及茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)等的影響，應(yīng)用生態(tài)農(nóng)業(yè)模式配置調(diào)控技術(shù)與耕作栽培學(xué)原理和方法，建立以茶樹為主體，多種作物相結(jié)合、多物種共存、多層次配置、多時(shí)序組合、物質(zhì)多級循環(huán)利用，克服茶園生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和不穩(wěn)定性，形成復(fù)合間作生態(tài)栽培模式技術(shù)體系［15-17］。茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)以生物多樣性保護(hù)為中心，合理種植綠肥、遮陰樹以及行間地面上鋪草等措施，可顯著提高天敵蜘蛛多樣性，同時(shí)不影響茶葉生物量，為今后優(yōu)質(zhì)生態(tài)茶園建設(shè)提供了重要參數(shù)。實(shí)施茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)后，首次發(fā)現(xiàn)廣東茶區(qū)天敵蜘蛛新紀(jì)錄17個(gè)，豐富了廣東地區(qū)蜘蛛種群數(shù)目的多樣性；在國際上首次報(bào)道1個(gè)蜘蛛新種——巨蟹蛛。茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)充分發(fā)揮了天敵自然調(diào)控作用，為實(shí)現(xiàn)茶園害蟲綠色防控奠定了基礎(chǔ)。

2.2.1 幼齡茶園間作磷高效利用大豆的技術(shù) 針對華南茶區(qū)土壤普遍低磷的特性，篩選出兩個(gè)磷高效大豆品種“華春2號”“華夏3號”與幼齡茶樹間作，克服了傳統(tǒng)茶豆間作模式需要大量補(bǔ)充磷肥的缺點(diǎn)。該技術(shù)顯著緩解土壤酸化，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮含量比對照分別提高8.3%～10.0%和17 mg/kg，茶小綠葉蟬的數(shù)量及其危害茶樹葉片數(shù)顯著降低，蜘蛛數(shù)量明顯增加，雜草減少［18］。

2.2.2 成齡茶樹間作景觀樹的技術(shù) 該技術(shù)創(chuàng)新了生態(tài)茶園種植模式，顯著增加了茶園生物多樣性，使茶園生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)控能力逐步恢復(fù)，將病蟲草害的為害控制在經(jīng)濟(jì)損害閾值以內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)對茶園病蟲害的生態(tài)調(diào)控提供了有效途徑，建立了以生物多樣性為核心的生態(tài)防控技術(shù)體系，茶園節(jié)肢動(dòng)物多樣性增加23.3%～29.8%，茶小綠葉蟬的發(fā)生數(shù)量減少10.8%～53.9%［19-20］，實(shí)現(xiàn)了茶園生態(tài)優(yōu)化和茶葉質(zhì)量穩(wěn)定提升的雙重效應(yīng)。

該技術(shù)以有效控制病蟲害的發(fā)生為害為目標(biāo)，在較大的空間和時(shí)間尺度上考慮茶園生態(tài)系統(tǒng)的空間格局和生態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)不同景觀斑塊的結(jié)構(gòu)對茶園生物群落多樣性、物種豐富度有較大影響，特別是人類活動(dòng)干擾頻繁、道路廊道多、種植的景觀樹少等因素能顯著降低茶園節(jié)肢動(dòng)物群落的多樣性。此外，從茶園生境小尺度范圍內(nèi)探索多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能，在茶園周邊進(jìn)行有效生境管理，構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜、植物相對豐富的生境緩沖帶，種植多種景觀樹，能增加天敵群落多樣性，發(fā)揮天敵對害蟲茶小綠葉蟬的自然控制作用。

2.3 茶園病蟲害監(jiān)測預(yù)警與生態(tài)防控技術(shù)

華南茶區(qū)茶園主要病害蟲發(fā)生的情況是常發(fā)性病蟲為害加重，如茶小綠葉蟬、茶尺蠖、螨類和黑刺粉虱，為害逐年加重，給茶區(qū)造成較大的損失，也增加很多安全隱患［21-22］。茶園病蟲害監(jiān)測技術(shù)是將植物化學(xué)保護(hù)、農(nóng)藥學(xué)、農(nóng)藥毒理學(xué)、作物栽培學(xué)、航天航空遙感影像處理、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等集成，實(shí)現(xiàn)對病蟲害的遠(yuǎn)程診斷與鑒定以及病蟲害測報(bào)信息發(fā)布、綜合防治方法檢索、專家視頻診斷、歷史資料查詢等功能。主要操作手段是通過搭建、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)攝像頭，對茶田進(jìn)行圖像、視頻監(jiān)控，利用機(jī)器視覺等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對茶葉常見病蟲害識別等（圖1、圖2）。利用無人機(jī)對發(fā)生過病蟲害的茶葉產(chǎn)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過分析受害的茶葉光譜特征變化，定量危害程度，預(yù)警后期的病蟲害發(fā)生情況。

圖1 茶園病蟲害智能識別Fig. 1 Intelligent identification of pests and diseases in tea garden

圖2 茶園害蟲監(jiān)測預(yù)警平臺模型Fig. 2 Model of pest monitoring and early warning platform for tea garden

以茶小綠葉蟬為例，茶園害蟲監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)利用3月蟲口數(shù)（667 m2蟲量）、上年12月至2月份最低氣溫和2月份平均氣溫組成的三因子，組建測報(bào)專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)庫對茶小綠葉蟬的發(fā)生情況進(jìn)行預(yù)測。監(jiān)測預(yù)警結(jié)果顯示，茶小綠葉蟬第一峰發(fā)生趨勢為重發(fā)生，近4年預(yù)測準(zhǔn)確率為90%，與田間發(fā)生動(dòng)態(tài)相似?；趯Χ喾N病蟲害的準(zhǔn)確預(yù)測，創(chuàng)建了“廣東茶園主要害蟲監(jiān)測預(yù)警信息咨詢服務(wù)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，專家系統(tǒng)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等將茶葉生產(chǎn)中主要病蟲害的調(diào)查（數(shù)據(jù)采集）、數(shù)據(jù)傳輸與管理、預(yù)測預(yù)報(bào)及預(yù)報(bào)和防治信息發(fā)布等功能集于一體。建立茶園害蟲監(jiān)測預(yù)警平臺，使茶農(nóng)和生產(chǎn)者能夠很好地把握害蟲發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)期（如茶小綠葉蟬的百葉蟲口數(shù)控制在10左右，此時(shí)茶小綠葉蟬未大暴發(fā)，不會影響茶葉產(chǎn)量，茶小綠葉蟬適度的叮咬還能提升茶葉香氣。但蟲口數(shù)高于此值時(shí)需要及時(shí)采摘或有效防控），適時(shí)進(jìn)行采摘，并結(jié)合生境管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對茶園的精確管理，實(shí)現(xiàn)提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

2.4 茶園生境環(huán)境信息自動(dòng)化感知技術(shù)

2.4.1 茶園氣象監(jiān)測系統(tǒng) （1）實(shí)時(shí)氣象。茶園氣象監(jiān)測系統(tǒng)可以選擇茶園具體區(qū)域或地塊，顯示實(shí)時(shí)溫度、濕度、風(fēng)級和積溫?cái)?shù)據(jù)信息，并提供區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、降水等區(qū)域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)，展示全局氣象分布（圖3）。

圖3 茶園氣象站Fig. 3 Weather station in tea garden

（2）氣象預(yù)報(bào)。主要對茶園集中種植區(qū)域降水、均溫、相對濕度的氣象信息進(jìn)行7～14 d趨勢和具體數(shù)值預(yù)測，并且平均12 h更新1次。

（3）歷史氣象。關(guān)于歷史氣象對比分析方面，可以查看當(dāng)前積溫、累積降水、溫度等歷史多年對比分析數(shù)據(jù)，用于分析對比今年長勢與歷年長勢和產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系，對生產(chǎn)實(shí)際指導(dǎo)提供輔助決策意見。

2.4.2 茶園土壤監(jiān)測系統(tǒng) 茶園土壤監(jiān)測系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無線傳輸和數(shù)據(jù)分析評估功能，在茶園范圍內(nèi)配置多點(diǎn)無線土壤墑情監(jiān)測主機(jī)和土壤溫度、水分、電導(dǎo)率、土壤水勢等多種傳感器（圖4），構(gòu)建多點(diǎn)無線土壤墑情原位監(jiān)測系統(tǒng)，集成智能監(jiān)控-水肥一體化管理技術(shù)，構(gòu)建茶園精準(zhǔn)灌溉、施肥系統(tǒng)，可以最大程度地優(yōu)化灌溉、施肥和害蟲綜合治理（IPM）決策。

圖4 土壤參數(shù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)Fig. 4 Soil parameter monitoring node

2.4.3 茶葉長勢監(jiān)測 利用多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，反演植被指數(shù)，對茶葉的生長趨勢進(jìn)行不間斷觀察，獲得茶葉長勢的綜合評估，最終以平臺可視化的形式為茶農(nóng)和管理者提供各地塊茶葉的生長狀況，便于對茶葉的生長過程進(jìn)行管理和監(jiān)控（圖5）［23］。

圖5 茶樹長勢監(jiān)測示意圖Fig. 5 Diagram of tea tree growth monitoring

2.5 茶園水分智慧管控技術(shù)

根據(jù)茶園土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果，針對茶樹需肥特性，以及當(dāng)前茶園管理人工缺乏的現(xiàn)狀，研究集成了一系列輕簡化水肥管控模式，主要包括：（1）水肥一體化模式，主要以水溶肥為主，采用滴灌系統(tǒng)，精確控制肥料用量和施肥時(shí)間。（2）新型肥料模式，采用了控釋肥、功能性肥料等結(jié)合茶樹養(yǎng)分需求規(guī)律，調(diào)控養(yǎng)分施用量［24］。（3）專用肥模式，針對廣東茶園土壤區(qū)域性養(yǎng)分特征，結(jié)合特定區(qū)域樹種對養(yǎng)分需求的特點(diǎn)。按照“調(diào)大肥-補(bǔ)中肥-慎微肥”的方針，開發(fā)了茶葉專用長效肥［25］。（4）有機(jī)替代模式，采用適量有機(jī)肥分批分次替代部分（20%～40%）化肥［26-27］。（5）酸化改良模式，針對酸化嚴(yán)重的茶園（pH<3.0）施用適量對茶樹生長無害的土壤調(diào)理劑，并配合適量有機(jī)肥，適當(dāng)改良土壤酸化狀況［25］。茶園水肥精準(zhǔn)管控技術(shù)是根據(jù)茶樹需肥規(guī)律、土壤供肥性能針對不同區(qū)域、不同土壤和不同類型茶園的茶樹對水肥進(jìn)行精準(zhǔn)管控。茶園有機(jī)肥替代技術(shù)的實(shí)施全面推廣了生物有機(jī)肥和復(fù)合微生物肥料的施用，達(dá)到少施化肥甚至不施化肥的目的。茶園水肥精準(zhǔn)管控技術(shù)在茶園中應(yīng)用不僅可以提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)對土壤理化性狀起到一定的改良作用，在廣東茶園有較好的應(yīng)用前景。

2.6 茶園生境智慧管控專家服務(wù)系統(tǒng)

智慧茶園是專為茶園管理人員打造的茶園智慧管理APP，用戶可以通過手機(jī)智能監(jiān)測茶園茶葉生長情況、茶園溫度、濕度、光強(qiáng)、氣壓等，幫助茶農(nóng)更好地對茶園進(jìn)行管理，種出優(yōu)質(zhì)茶葉（圖6）。通過對茶園茶樹萌芽、生長、成熟、環(huán)境變化和病蟲害發(fā)生程度等情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合氣候變化規(guī)律，茶園管理者可以有針對性進(jìn)行茶葉采收、病蟲害防治和水肥管理，為茶葉生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供有力技術(shù)支撐。

圖6 智慧茶園APPFig. 6 Intelligent tea garden APP

在茶葉生產(chǎn)中，病蟲害一直是茶樹種植過程中面臨的重要問題，病蟲害的發(fā)生引起茶葉品質(zhì)下降、茶園化學(xué)農(nóng)藥的使用使茶產(chǎn)品的安全性降低、環(huán)境惡化等問題。病蟲害的及時(shí)有效防治是保證茶樹正常生長發(fā)育獲得高產(chǎn)的重要因素。智慧茶園專家服務(wù)系統(tǒng)是基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合茶園茶樹種植實(shí)際情況開發(fā)的實(shí)時(shí)雙向?qū)＜疫h(yuǎn)程監(jiān)控咨詢診斷系統(tǒng)，是智慧茶園APP的核心組成部分。該系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)重要功能：（1）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程技術(shù)咨詢。專家和茶農(nóng)可以通過網(wǎng)絡(luò)面對面交流，為茶農(nóng)提供實(shí)時(shí)的技術(shù)指導(dǎo)。（2）病蟲害遠(yuǎn)程診斷。茶農(nóng)可以把田間病蟲害樣本實(shí)物通過圖片共享、文件共享等方式通過系統(tǒng)傳給專家，專家根據(jù)實(shí)際病癥予以診斷。（3）疫病遠(yuǎn)程監(jiān)控。專家可以通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程登陸安裝在茶園的攝像頭并隨時(shí)查看茶樹生長情況，及時(shí)給予技術(shù)指導(dǎo)。（4）大范圍的信息發(fā)布。專家根據(jù)病蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的提示以及病蟲害的發(fā)生規(guī)律，可通過智慧茶園專家服務(wù)系統(tǒng)大范圍地發(fā)布病蟲害防控信息。智慧茶園專家在線服務(wù)系統(tǒng)極大的提高茶園管理服務(wù)效率，節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用，提升了科技轉(zhuǎn)化的服務(wù)能力。

3 茶園生境智慧管控技術(shù)應(yīng)用實(shí)例與推廣效果

廣東主要分為粵北、粵東、粵西3個(gè)茶區(qū)，各茶區(qū)的主栽品種不同，并且氣候環(huán)境、土壤和植被也存在較大差異（圖7）。針對3個(gè)茶區(qū)各自主栽品種的特點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整茶園生境智慧管控技術(shù)，以最大限度發(fā)揮地方茶樹品種的特色。

圖7 茶園生境智慧管控技術(shù)在廣東省的應(yīng)用情況Fig. 7 Application of habitat intelligent management and control technologies in Guangdong Province

3.1 茶園生境智慧管控提升粵北英紅九號紅茶品質(zhì)

粵北茶區(qū)氣候?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，距離海洋相對較遠(yuǎn)，海洋性暖濕氣流減弱，冬季受北方寒流的影響增強(qiáng)，夏季高溫多雨，茶園地勢平坦，光照較強(qiáng)。以英紅九號為代表的紅茶品種是該茶區(qū)的核心特色茶類，氨基酸和酚氨比是影響英紅九號夏秋茶品質(zhì)的關(guān)鍵因子，茶園遮陰能顯著增加氨基酸含量，提升夏秋茶的品質(zhì)［28］。因此，在粵北茶園生境智慧管控技術(shù)的應(yīng)用中，茶園氣候監(jiān)測配合遮陰樹種植改善茶園生態(tài)環(huán)境技術(shù)對英紅九號紅茶品質(zhì)提升起到了重要作用。遮陰樹品種選擇高大喬木，數(shù)量控制在每667 m2地8～10棵以上，并且配合行道樹木和景觀美化樹種。黎健龍等［29］研究發(fā)現(xiàn)，茶園生境智慧管控技術(shù)在粵北茶區(qū)的應(yīng)用能顯著增加茶園節(jié)肢動(dòng)物物種多樣性，茶樹病蟲害的天敵數(shù)量顯著增加，茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量也有明顯提高。

3.2 茶園生境智慧管控提升粵東單叢茶品質(zhì)

粵東茶區(qū)的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，是南亞熱帶和中亞熱帶氣候區(qū)的過渡地帶。受太平洋和山地的特定地形影響，夏日長，冬日短，全年氣溫高，雨水豐盈且集中。該茶區(qū)地形以山地為主，土地資源緊缺，茶園多建設(shè)在海拔較高、坡度較大的陡峭山坡地，多數(shù)以梯田的形式開墾茶園，并且梯面比較窄。特色茶樹品種為單叢茶，單叢茶以香氣著稱，因此，調(diào)控的重點(diǎn)為香氣，加強(qiáng)對病蟲害的控制及茶園水肥的管理是提升單叢茶品質(zhì)的關(guān)鍵［30-31］。茶園水肥精準(zhǔn)管控技術(shù)在粵東低產(chǎn)茶園進(jìn)行了應(yīng)用，如梅州五華，采用 “蚯蚓+功能菌+有機(jī)物料”的高效生物有機(jī)培肥模式進(jìn)行培肥示范，示范區(qū)茶園土壤肥力狀況明顯提升，茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)都得到改善［32］。該技術(shù)的特點(diǎn)主要是符合茶樹養(yǎng)分需求，減少化肥用量，提升土壤質(zhì)量，并且操作簡單，省工省力。通過連續(xù)3年在省內(nèi)主要茶區(qū)的驗(yàn)證結(jié)果表明，該技術(shù)可以減少化肥用量20%的基礎(chǔ)上，增加產(chǎn)量10%以上，同時(shí)可以顯著改善土壤質(zhì)量，提升茶葉品質(zhì)。另外，采用茶園病蟲害預(yù)警技術(shù)，結(jié)合以生物多樣性為核心的生態(tài)防控技術(shù)體系,優(yōu)化茶園生態(tài)環(huán)境, 增強(qiáng)茶園生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)控能力,減少農(nóng)藥化肥使用［33］。

3.3 茶園生境智慧管控提升粵西金萱茶品質(zhì)

粵西茶區(qū)屬于熱帶北緣季風(fēng)氣候，終年受海洋氣候的調(diào)節(jié)，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年平均氣溫在22.7～23.5 ℃，由北向南遞增，南北相差1.5 ℃。年平均雨量1 395.5～1 723.1 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1 714.8～2 038.2 h。區(qū)域內(nèi)沒有高大的山脈，地形多為平原和臺地，主要土壤類型為赤紅壤、磚紅壤。該區(qū)域的主栽茶樹品種之一為金萱，金萱茶特有品質(zhì)成分的形成與茶小綠葉蟬的種群密度有重要的關(guān)系。因此在粵西茶區(qū)采用茶園生境智慧管控技術(shù)對茶小綠葉蟬種群的監(jiān)測與調(diào)控，同時(shí)兼顧遮陰樹等生態(tài)環(huán)境改良，控制茶小綠葉蟬的種群密度。通過茶園專家服務(wù)平臺及時(shí)發(fā)布蟲害發(fā)生信息，指導(dǎo)茶農(nóng)適時(shí)采摘茶青，使茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)同步提升。

4 茶園生境智慧管控技術(shù)對廣東茶產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)作用

4.1 提升夏秋茶品質(zhì)，增加經(jīng)濟(jì)收益

夏秋茶產(chǎn)量占全年總產(chǎn)量的60%以上，但因品質(zhì)差導(dǎo)致其價(jià)格遠(yuǎn)低于春茶，嚴(yán)重制約了茶產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。廣東地處南亞熱帶，茶葉全年可采摘時(shí)間高達(dá)280 d以上，雖然在一定程度上增加了產(chǎn)量，但春茶的采摘時(shí)間僅占40 d，遠(yuǎn)低于其他省份，大部分產(chǎn)量為經(jīng)濟(jì)效益較差的夏秋茶。此外，廣東茶區(qū)具有高溫多雨，紅壤、磚紅壤酸化明顯，土壤養(yǎng)分含量低，茶樹病蟲害多發(fā)等特點(diǎn)，茶園長期過量使用化肥農(nóng)藥，會造成茶園土壤性狀惡化和茶葉農(nóng)殘超標(biāo)，并衍生出水體污染、茶葉質(zhì)量安全等問題。因此，推廣茶園生境智慧管控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)夏秋茶品質(zhì)和產(chǎn)量的安全定向改良和提升，對推動(dòng)廣東生態(tài)茶園建設(shè)和茶產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

4.2 病蟲害生態(tài)防控，提高茶產(chǎn)品的安全性

茶園生境智慧管控技術(shù)茶園生態(tài)系統(tǒng)的整體出發(fā)，為生態(tài)茶園精準(zhǔn)防控害蟲提供新途徑。通過對茶園生境管理長期的定位調(diào)查和室內(nèi)測試，結(jié)合連續(xù)3年的產(chǎn)量測定、茶小綠葉蟬控制調(diào)查、代謝物和轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果顯示茶葉產(chǎn)量不但沒有減少，而且還能保持穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的趨勢，明顯改善茶葉滋味（茶多酚、兒茶素等物質(zhì)含量增加），香氣物質(zhì)（萜類化合物等物質(zhì)）更加豐富，并且沒有檢測出任何化學(xué)農(nóng)藥殘留［11］。通過研究生境管理-天敵-害蟲-茶葉品質(zhì)間相互作用的生態(tài)學(xué)機(jī)制，研發(fā)和集成創(chuàng)新了生態(tài)茶園生境智慧管控系統(tǒng)，強(qiáng)化生物多樣性增益控害效應(yīng)，推進(jìn)害蟲精準(zhǔn)防控，實(shí)現(xiàn)了茶園的提質(zhì)增效。

4.3 助力茶園機(jī)械化采摘，節(jié)約人力成本

生態(tài)茶園的建設(shè)關(guān)鍵在于茶園綠色、可持續(xù)管理，但隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展和人口老齡化問題的加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力短缺問題逐漸凸顯。茶葉生產(chǎn)作為一個(gè)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，田間管理和采摘對勞動(dòng)力需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他作物。如6.7 hm2茶園的施肥、修剪、除草等茶園管理每年約消耗150個(gè)人工（人·天），而茶青采收環(huán)節(jié)消耗更多，以日產(chǎn)300 kg干茶為例，每天需采茶工約60人?？梢灶A(yù)見，未來10～20年，勞動(dòng)力短缺將是嚴(yán)重制約茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題之一。

茶園生境智慧管控技術(shù)采用無人機(jī)大面積遙感圖像與地面不間斷視頻監(jiān)測手段，對機(jī)采茶樹的年生長輪次、各輪次間的生長周期、生長特性（一致性、整齊度等）等進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，采用深度學(xué)習(xí)或農(nóng)業(yè)認(rèn)知計(jì)算技術(shù)進(jìn)行分析與建模，以預(yù)測每輪次適采時(shí)期、產(chǎn)量及機(jī)采品質(zhì)等，為機(jī)采茶園精細(xì)化管理提供數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合茶園多源數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，對機(jī)采茶園的長勢監(jiān)測與生長預(yù)測進(jìn)行融合研發(fā)，形成機(jī)采茶園的智慧管控體系，對茶園生長進(jìn)行前期干預(yù)，提升機(jī)采原料品質(zhì)。

4.4 推進(jìn)生態(tài)茶園建設(shè)

茶園生境智慧管控技術(shù)的構(gòu)建改變茶園種植結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化生物多樣性增益控害的服務(wù)功能。核心技術(shù)“茶園高效安全生產(chǎn)技術(shù)”“生態(tài)茶園有機(jī)替代培肥關(guān)鍵技術(shù)”“廣東生態(tài)茶園建設(shè)與管理技術(shù)”“廣東茶區(qū)茶園農(nóng)藥減施增效技術(shù)”等在2014—2019年連續(xù)多次被廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳列為全省主推技術(shù)。2019年3月30日，陳宗懋院士到廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所英德基地詳細(xì)了解茶園病蟲害發(fā)生和綠色防控技術(shù)應(yīng)用情況后指出：廣東在2020年前實(shí)現(xiàn)生態(tài)茶園面積超30%是完全可以做到的。截至2019年12月，依據(jù)制定的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《廣東生態(tài)茶園建設(shè)規(guī)范（T/GZBC 5—2018）》，全省生態(tài)茶園已認(rèn)定28家。茶園生境智慧管控技術(shù)的集成與應(yīng)用促進(jìn)我省生態(tài)茶園的建設(shè)，對提升茶葉產(chǎn)量、品質(zhì)、質(zhì)量安全有積極的推動(dòng)意義，有效推動(dòng)廣東省茶產(chǎn)業(yè)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革。

5 展望

面對全省乃至全國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好的趨勢，生態(tài)茶園建設(shè)作為廣東茶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手，制定和應(yīng)用切實(shí)可行的措施和先進(jìn)實(shí)用技術(shù)的需求越來越強(qiáng)烈。加快生態(tài)茶園建設(shè)是茶產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展方向，茶園生境智慧管控技術(shù)是針對廣東主要茶區(qū)各自主栽品種的特點(diǎn)經(jīng)過長期實(shí)踐積累而成，可根據(jù)當(dāng)?shù)夭鑸@特點(diǎn)和差異進(jìn)行多樣化模式應(yīng)用。茶園生境智慧管控技術(shù)作為廣東生態(tài)茶園建設(shè)的重要內(nèi)容和技術(shù)支撐，堅(jiān)持生態(tài)效益優(yōu)先，是尊重自然、保護(hù)環(huán)境、因地制宜的必然選擇，其相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能引領(lǐng)我省生態(tài)茶園的發(fā)展，促進(jìn)廣東常規(guī)茶園轉(zhuǎn)化為生態(tài)茶園，提升產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，形成創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、農(nóng)民增收、企業(yè)增效、社會收益的良性循環(huán)。