我國茶園中耕管理機(jī)械研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析*

王文明，宋志禹，趙映，夏先飛，占才學(xué)

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國茶樹種植已有3 000多年歷史，是世界上最早種植茶樹并對其開發(fā)利用的國家，也是目前世界上最大的茶葉生產(chǎn)和消費(fèi)國之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年，我國茶葉總產(chǎn)量超過279萬t，茶產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了不可替代的基礎(chǔ)性作用[1-4]。中耕管理是茶園生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，同時也是勞動力最密集、生產(chǎn)效率較低的環(huán)節(jié)，其主要包括茶園除草、松土及開溝施肥等。及時的進(jìn)行除草、開溝施肥等中耕管理作業(yè)不僅可提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)，還可改善茶園土壤肥力及環(huán)境。目前受茶園地理環(huán)境及種植模式的影響，我國茶園中耕管理作業(yè)還是依靠人工完成，生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量都較低，且勞動成本大。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)是解決該問題的關(guān)鍵，也是我國茶園未來發(fā)展的必經(jīng)之路，因此對茶園中耕管理機(jī)械開展相關(guān)研究，推進(jìn)我國茶園中耕管理作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，對我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。文章綜述了國內(nèi)外茶園管理機(jī)械的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了茶園除草、松土、開溝施肥等作業(yè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)與主要裝備，在此基礎(chǔ)上分析總結(jié)了制約我國茶園管理機(jī)械發(fā)展主要存在的問題，最后提出了其未來的發(fā)展建議與對策。

1 我國茶園機(jī)械化生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國茶園種植面積近年來整體呈增長趨勢，從2014年的4 141 khm2增加至2019年的近4 600 khm2，茶葉總產(chǎn)量也從210萬t增加至279萬t[5]。我國國土面積遼闊，茶園種植分布廣泛，橫跨南方十幾個省份，不同地勢和環(huán)境造成了我國茶園的多樣性，根據(jù)茶園種植坡度的不同可將我國茶園分為平緩坡茶園和陡坡茶園，不同坡度下機(jī)械化作業(yè)水平差距較大。平緩坡茶園由于其坡度較小，更利于大中型機(jī)器作業(yè)，其機(jī)械化作業(yè)水平較高，而陡坡茶園大多分布在山地、丘陵地帶，其坡度較大，且土壤環(huán)境更復(fù)雜，機(jī)器難以作業(yè)，因此其機(jī)械化水平較低，目前不足10%，茶園作業(yè)環(huán)節(jié)以人力為主[5]。

目前阻礙我國茶園生產(chǎn)機(jī)械化的主要問題是我國茶園種植模式不適合機(jī)械化作業(yè)。我國大部分茶園均是20世紀(jì)建立的傳統(tǒng)茶園，且其面積占全國茶園總面積70%以上，傳統(tǒng)茶園的茶樹并非為優(yōu)質(zhì)的無性系樹種，種植繁密，且茶行較窄，在地頭也未留適宜機(jī)器掉頭的空地，這些均不利于茶園機(jī)械化作業(yè)。因此，傳統(tǒng)茶園只能在少數(shù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)半機(jī)械化作業(yè)，大部分作業(yè)環(huán)節(jié)仍然要依靠人工完后，生產(chǎn)效率較低。

我國在2000年以后先后建立了部分新型茶園，這些茶園種植的是無性系茶樹，且規(guī)劃上考慮了土壤耕整、施肥植保、收獲等環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)，但由于其在全國茶園中占比較小，因此目前我國茶園整體機(jī)械化作業(yè)水平仍然較低。從國外茶園發(fā)展歷程來看，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)，可大幅提高生產(chǎn)效率、降低成本，還可促進(jìn)茶樹生長，從而保障高品質(zhì)茶葉生產(chǎn)。因此實(shí)現(xiàn)茶園機(jī)械化作業(yè)是我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展必經(jīng)之路。

2 我國茶園中耕管理機(jī)械研究現(xiàn)狀

2.1 茶園中耕管理作業(yè)農(nóng)藝要求

茶園的中耕管理作業(yè)主要包括除草、松土、開溝施肥等環(huán)節(jié)，茶園的中耕除草不僅能疏松土壤、消滅雜草，促進(jìn)茶樹根系發(fā)育，增強(qiáng)其抗病蟲能力，而且還直接或間接起到消滅病蟲的作用。茶園中耕除草一般在6月中下旬進(jìn)行，可消滅茶毛蟲蛹50%左右，同時配合施農(nóng)藥消滅小綠葉蟬，可大大提高滅蟲效果。茶園松土作業(yè)根據(jù)耕深不同可分為淺耕、中耕和深耕，淺耕深度為8～10 cm左右，一般在春茶和夏茶后進(jìn)行淺耕作業(yè)；中耕要在春茶萌發(fā)前進(jìn)行，其深度為10～15 cm，耕作時將土壤打碎，同時將雜草割斷并埋入土壤；深耕其耕作深度一般在15 cm以上，對更新根系效果良好。茶園中耕施肥要求在樹冠下挖10 cm深施肥溝，其寬度一般在10～15 cm左右，施肥肥料大多為有機(jī)肥或無機(jī)肥，有機(jī)肥由于其見效較慢，一般用作基肥，無機(jī)肥養(yǎng)分含量高、見效快，目前為中耕作業(yè)主要肥料，常見的有尿素和復(fù)合肥。

2.2 我國茶園中耕管理機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)與裝備

早在20世紀(jì)50年代，我國就開始研制茶園中耕機(jī)，最開始使用半機(jī)械化的畜力帶著機(jī)具進(jìn)行施肥作業(yè)，至20世紀(jì)70年代，手扶拖拉機(jī)的出現(xiàn)解決了茶園機(jī)械化作業(yè)動力問題，很多茶廠將手扶拖拉機(jī)加裝防護(hù)罩，采用旋耕機(jī)進(jìn)行中耕除草作業(yè)，但由于機(jī)型較重，并沒有在茶園大面積推廣。80年代，浙江生產(chǎn)出了中國第一種茶園專用動力機(jī)C12型茶園耕作機(jī)，該機(jī)由小型柴油機(jī)提供動力，采用履帶行走機(jī)構(gòu)，可順利進(jìn)入茶行作業(yè)。21世紀(jì)以后，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展，國內(nèi)掀起了茶園生產(chǎn)機(jī)械研制的熱潮，茶機(jī)發(fā)展進(jìn)入了快車道，一系列關(guān)鍵技術(shù)和性能優(yōu)良的機(jī)器被研發(fā)出來。

2.2.1 防纏繞除草技術(shù)

除草是茶園中耕的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，刀具纏草會增大中耕機(jī)的作業(yè)阻力，從而增加其功耗，同時降低作業(yè)質(zhì)量。刀具防纏草技術(shù)的核心是通過合理設(shè)計(jì)刀具形狀及安裝角度，或配合設(shè)計(jì)刮草機(jī)構(gòu)，使中耕機(jī)作業(yè)時，雜草能沿除草刀具自行滑脫或在刮草機(jī)構(gòu)作用下強(qiáng)行脫落。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所肖宏儒等研制了IS-30-1KM型松土除草機(jī)(如圖1)，該機(jī)采用單杠四沖程柴油機(jī)驅(qū)動，具有體積小、重量輕、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可滿足陡坡茶園以及山地丘陵等復(fù)雜地況茶園作業(yè)要求，其除草刀傾斜一定度呈螺旋安裝在除草輪上，作業(yè)時具有較大的滑切角，可有效的防治刀具纏草。湖南省農(nóng)科院茶葉研究所的楊擁軍等[6]研制了一種小型除纏減阻式茶園中耕機(jī)，該機(jī)通過動刀與靜刀的間隙配合，利用靜刀片上鋸齒形切刀切斷纏在旋耕機(jī)上的雜草，再通過旋耕機(jī)翻耕作業(yè)將雜草、樹枝埋入土壤，同時其罩殼設(shè)計(jì)采用流線型，進(jìn)一步降低了機(jī)器作業(yè)阻力。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)曾晨等研制了一種小型自走式茶園除草機(jī)，其選用3.7 kW的178F型單缸立式風(fēng)冷四沖程柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，作業(yè)時動力通過帶傳動和行走輪變速箱傳遞到行走輪帶動機(jī)具自主行走，同時通過鏈傳動和除草輪變速箱帶動除草輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)除草作業(yè)，田間試驗(yàn)得到機(jī)器的最優(yōu)參數(shù)組合為除草輪轉(zhuǎn)速為350 r/min、機(jī)具前進(jìn)速度0.8 m/s、 除草深度30 mm、除草刀個數(shù)為6。與此同時，王小勇等[7]設(shè)計(jì)了自走式茶園微耕機(jī)，如圖2所示，該機(jī)主要由機(jī)架、發(fā)動機(jī)、操作架、限深調(diào)節(jié)裝置、傳動系統(tǒng)和旋耕刀輥組成。通過對刀片受力分析，優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)，有效防止作業(yè)纏草的發(fā)生。貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所徐良等[8]設(shè)計(jì)了3ZFC-40型茶園中耕機(jī)，該機(jī)主要由汽油機(jī)、除草中耕刀、機(jī)架、施肥裝置、開溝器等組成，田間試驗(yàn)表明其除草性能優(yōu)于小型手扶式除草機(jī)，且施肥效果良好。四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院程方平等[9]設(shè)計(jì)了手扶式茶園除草機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由除草輪、減速箱、擋泥板、前扶手架、發(fā)動機(jī)、離合器等構(gòu)成。茶園田間試驗(yàn)表明使用刀片偏角為70°的除草輪，可有效防止纏草，且除草率達(dá)90%以上，在行距1.5 m茶園中作業(yè)效率可達(dá)972 m2/h。同時在理論研究方面，徐良等[10]對茶園中耕機(jī)械纏草機(jī)理進(jìn)行研究，其對雜草纏繞力學(xué)特性進(jìn)行分析和計(jì)算,建立了纏繞力數(shù)學(xué)模型,計(jì)算各因子產(chǎn)生的纏繞力,通過對比實(shí)際纏繞力測試值,驗(yàn)證力數(shù)學(xué)模型的正確性,從而得出減少纏草或防纏草的措施和方法。此外，貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所張寧潔等[11]發(fā)明了一種茶園除草機(jī)，該機(jī)由機(jī)架、滾輪、除草刀、電機(jī)、藥箱等構(gòu)成，其機(jī)械割草的同時還可進(jìn)行噴藥作業(yè)，以防止被割雜草重生。張亞楠[12]發(fā)明了茶園自走式除草機(jī)，其由前機(jī)架、后機(jī)架、行走輪、把手、發(fā)動機(jī)、變速箱、除草刀等組成，該機(jī)可實(shí)現(xiàn)沿茶行自主行走除草作業(yè)，大大降低了中耕作業(yè)人工勞動強(qiáng)度。

圖1 IS-30-1KM型松土除草機(jī)

圖2 自走式茶園微耕機(jī)

圖3 手扶式茶園除草機(jī)示意圖

總結(jié)分析我國茶園中耕除草技術(shù)與裝備，近年來發(fā)展速度較快，大量機(jī)型投入到茶園生產(chǎn)中代替人工作業(yè)，尤其是防纏繞式除草部件的研制與推廣，有效的提高了茶園除草的作業(yè)效率和質(zhì)量，解決了茶園機(jī)械化除草無法連續(xù)化作業(yè)的難題。但現(xiàn)有研究以改進(jìn)和仿制國外機(jī)型為主，缺乏原創(chuàng)性設(shè)計(jì)，同時對防纏繞減阻作業(yè)部件的理論研究不足，導(dǎo)致作業(yè)部件的可靠性較低。

2.2.2 振動減阻耕作技術(shù)

耕作是茶園中耕管理重要環(huán)節(jié)，我國茶園大多分布在南方山區(qū)丘陵地帶，其土壤為偏酸性的黃土，粘性較大，傳統(tǒng)中耕機(jī)作業(yè)切削阻力大、能耗高等問題突出，振動降阻技術(shù)是通過設(shè)計(jì)振動系統(tǒng)，利用機(jī)器自激或主動振動，使得作業(yè)時刀具與土壤柔性作用，一部分土壤阻力轉(zhuǎn)換為機(jī)器的勢能，從而降低機(jī)器的作業(yè)阻力，減少能耗。

浙江工業(yè)大學(xué)蔣建東等[13]針對南方丘陵地區(qū)茶園板結(jié)土壤環(huán)境，設(shè)計(jì)了振動型茶園微耕裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其通過設(shè)計(jì)凸輪軸、彈簧、推桿等機(jī)構(gòu)，使得微耕機(jī)作業(yè)時，刀片振動柔性切割土壤，一部分土壤阻力做功轉(zhuǎn)換為彈簧的彈性勢能，從而達(dá)到減阻降耗的目的，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，仿真結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)微耕機(jī)，其作業(yè)功耗下降近了30%。西南大學(xué)李云伍等[14]針對丘陵山地長期淺耕帶來的土壤板結(jié)、蓄水保墑能力下降等問題，研制了低功耗小型立軸式深耕機(jī)分段螺旋刀具(圖5)，該刀具由立軸刀盤與沿其圓周方向均布的3把分段非連續(xù)螺旋型刀片組成，其基于立式銑削，具有上翻、下松的作業(yè)特征，仿真結(jié)果表明相對于傳統(tǒng)立式直角旋耕刀片，分段螺旋刀片具有明顯的上翻下松效果，切削阻力降低了37.5%，切削阻力波動范圍平均值降低了60.6%，功率消耗降低了47.6%。福建農(nóng)林大學(xué)謝宇等[15]發(fā)明了一種振動式茶園松土機(jī)，其在車架與旋耕架之間設(shè)置彈簧，使機(jī)器作業(yè)時松土刀柔性切割土壤，從而降低其切削阻力，降低機(jī)器功耗。陳家東[16]發(fā)明了一種茶園耕地松土除草機(jī)，其通過在機(jī)器底部兩側(cè)設(shè)置緩沖桿有效減小裝置作業(yè)時，由于地表不平，機(jī)器出現(xiàn)顛簸而影響作業(yè)質(zhì)量等問題。張翔等[17]發(fā)明了一種擺動犁式茶園松土機(jī)及其工作方法，其采用手扶拖拉機(jī)帶動松土裝置進(jìn)行作業(yè)，松土裝置由偏心凸輪、推桿、犁刀等組成，優(yōu)點(diǎn)是利用簡單的凸輪推桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個松土犁刀的一前一后擺動，從而實(shí)現(xiàn)松土、除草等作業(yè)，有效提高了作業(yè)效率。

圖4 振動型茶園微耕機(jī)示意圖

在理論研究方面，丁文芹等[18]研究了不同耕作方式對土壤物理性狀的影響，其研究結(jié)果表明：與免耕相比，螺旋式施肥機(jī)作業(yè)后，土壤緊實(shí)度、土壤容重、孔隙度改善效果較為明顯。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所李坤等[19]在土槽試驗(yàn)臺中對低地隙茶園管理機(jī)齒耕與旋耕作業(yè)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，其分別從耕深、碎土率、功耗等三個方面的進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:相比旋耕，齒耕耕得更深，但其碎土率低、功耗較高。韓余等[20]對針式仿生耕作機(jī)的響應(yīng)頻率進(jìn)行分析，其運(yùn)用有限元分析軟件MSC Nastran對仿生耕齒進(jìn)行靜力學(xué)分析、頻率響應(yīng)分析與正則約束模態(tài)分析，結(jié)果表明其仿生齒設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求，各階模態(tài)遠(yuǎn)大于激振頻率，振動效果良好。

圖5 螺旋刀具及刀片示意圖

茶園耕作是茶園管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我國關(guān)于茶園振動減阻耕作技術(shù)的研究尚處于起步階段，大多數(shù)機(jī)型還處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離投入實(shí)際生產(chǎn)使用還有很長一段路要走。

2.2.3 螺旋開溝技術(shù)

傳統(tǒng)的中耕開溝施肥技術(shù)是用圓盤式或鏈?zhǔn)介_溝機(jī)在茶行開一條深溝，然后撒肥、覆土作業(yè)。但圓盤式或鏈?zhǔn)介_溝機(jī)體積較大，更適合果園開溝作業(yè)，不適合相對狹窄的茶行，針對茶行開溝要求，螺旋開溝施肥技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，近年來受到學(xué)者們的重視和青睞。

螺旋開溝技術(shù)是利用螺旋機(jī)構(gòu)旋切土壤的同時將土壤提升拋向一側(cè)，完成開溝作業(yè)。王少偉等[21]對果園開溝機(jī)傾斜螺旋式開溝部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要對開溝部件的螺旋葉片、開溝刀片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時制備樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明與現(xiàn)有開溝機(jī)相比，其優(yōu)化后的開溝裝置作業(yè)功耗降低了22%，溝深穩(wěn)定系數(shù)提高了7.2%～8.5%。肖宏儒等[5]設(shè)計(jì)了2FY-40型螺旋施肥機(jī)(圖6)，其通過立式螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行開溝作業(yè)，然后由外槽輪式排肥器將肥料排出，完成施肥作業(yè)。其施肥深度可達(dá)35 cm，施肥寬度達(dá)到41 cm，實(shí)際作業(yè)測得其施肥均勻性較好，肥料顆粒集中在垂直方向25 cm處。

針對開溝施肥作業(yè)功耗較大等問題，劉大為等[22]對1K-50型果園開溝機(jī)開溝部件功耗影響因素開展研究，建立了開溝部件切土、運(yùn)土、拋土力學(xué)模型，建立了開溝部件功耗與整機(jī)工作參數(shù)、刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)以及土壤力學(xué)性能之間的函數(shù)關(guān)系，得到影響開溝部件功率消耗的因素主次順序?yàn)榈遁佇褪健⑶斑M(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、開溝深度，采用最優(yōu)組合進(jìn)行土槽試驗(yàn)，結(jié)果表明其開溝深度為0.15 m，測得此時開溝部件平均功耗值約為1.22 kW，小于傳統(tǒng)開溝機(jī)功耗，滿足設(shè)計(jì)要求。同時在開溝機(jī)拋土研究方面，何彬濤等[23]基于EDEM軟件對開溝機(jī)導(dǎo)流裝置性能進(jìn)行仿真分析，以刀盤轉(zhuǎn)速、曲面相對開溝刀的距離、曲面傾斜角度為試驗(yàn)因素，以拋撒土壤的角速度為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)研究，結(jié)果表明對拋撒土壤角速度影響依次為刀盤轉(zhuǎn)速、曲面傾斜角度、曲面相對開溝刀的距離，最優(yōu)組合為刀盤轉(zhuǎn)速130 r/min，曲面相對開溝刀的距離為42°，曲面相對開溝刀的距離40 mm。

圖6 2FY-40型螺旋施肥機(jī)

隨著我國茶園生產(chǎn)全程機(jī)械化整體進(jìn)程的不斷推進(jìn)，螺旋開溝技術(shù)將會得到大量的應(yīng)用和推廣，但目前的研究仍然不夠成熟，拋土效果不好、作業(yè)能耗較高等問題仍然比較突出。

2.2.4 精準(zhǔn)施肥技術(shù)

施肥是茶園中耕管理的一項(xiàng)重要工序，目前國內(nèi)關(guān)于茶園施肥機(jī)械研究相對較少，大多是針對果園或大田的，缺少茶園專用施肥設(shè)備，國內(nèi)茶園中仍然廣泛采用大田用施肥裝置進(jìn)行施肥作業(yè)[24]。精準(zhǔn)施肥即利用自動化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)肥料精準(zhǔn)定量、定位排施。李明等[25]設(shè)計(jì)了茶園遙控式靜電噴藥施肥機(jī)，其遙控系統(tǒng)可精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)施肥量，一次性完成淺施肥和覆土作業(yè)。楊葉成[26]分析了離心撒肥裝置工作過程，測得了肥料顆粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)、密度、三軸尺寸等物理參數(shù)，基于EDEM軟件對撒肥過程中肥料顆粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析和優(yōu)化(如圖7)，仿真結(jié)果表明撒肥過程中肥料顆粒分布的縱向均勻性較好，橫向均勻性較差，裝置的下料口對肥料顆粒運(yùn)動起到一定緩沖作用。戴有華等[27]設(shè)計(jì)了一種深松施肥裝置，該機(jī)可一次開4條深溝、施入有機(jī)肥及覆土等作業(yè)，并對機(jī)器的主要受力部件進(jìn)行有限元分析，得出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù)。錢生越等[28]發(fā)明了用于茶園的開溝施肥覆土機(jī)，其作業(yè)效率較高，可在茶園狹窄空間內(nèi)一次性完成開溝、施肥和覆土作業(yè)。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)李明等[29]發(fā)明了一種茶園多功能可調(diào)開溝施肥機(jī)，該機(jī)由機(jī)架、開溝器、施肥裝置和支撐機(jī)構(gòu)等組成，具有除草，茶園淺、深施肥和開溝組合功能，實(shí)用性較好。

圖7 撒肥裝置仿真效果圖

總結(jié)國內(nèi)關(guān)于茶園中耕管理除草、松土、開溝施肥等作業(yè)環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究，目前尚處在起步階段，以部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)器性能試驗(yàn)居多，缺少關(guān)于機(jī)器作業(yè)機(jī)理理論方面的研究，且缺少針對性設(shè)計(jì)，很多機(jī)型是從果園中耕機(jī)改造而來，其并不適合在行距較窄的茶園作業(yè)。

3 國外茶園中耕管理機(jī)械研究現(xiàn)狀

國外主要茶葉大國有日本、印度、越南、斯里蘭卡等，其中日本的茶葉生產(chǎn)機(jī)械化程度最高，其國內(nèi)大多是種植模式統(tǒng)一的現(xiàn)代化茶園，更適合機(jī)械化作業(yè)，因此日本也是世界上唯一一個實(shí)現(xiàn)茶葉生產(chǎn)全程機(jī)械化的國家，也是茶葉單產(chǎn)值最高的國家，引領(lǐng)者國際茶葉機(jī)械化發(fā)展方向。

縱觀世界茶葉機(jī)械化發(fā)展史，前蘇聯(lián)是最早研究茶園管理機(jī)械的國家。其國家級的山地拖拉機(jī)研究所于20世紀(jì)30年代就已成立，設(shè)計(jì)研究了多種中小型的茶園施肥機(jī)、耕耘機(jī)。其次，日本對于茶園中耕管理機(jī)研制起步也較早，在20世紀(jì)50年代左右，其茶園管理作業(yè)中開始使用小型手扶式拖拉機(jī)，隨后乘用型多功能田間管理機(jī)代替小型機(jī)械，其采用履帶液壓式驅(qū)動裝置，可通過更換機(jī)具完成耕作、除草、施肥等作業(yè)，具有效率高、適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，比較有代表性的機(jī)型有松元機(jī)工株式會社研發(fā)的MCF-2型茶園中耕施肥機(jī)，該機(jī)采用履帶式行走底盤，配備臥式旋耕機(jī)，通過尾部限深輪可調(diào)節(jié)耕作深度，同時在機(jī)器上部裝有肥料箱，可一次性完成開溝、施肥、覆土作業(yè)。由于日本茶園分布集中，且其種植模式統(tǒng)一，因此日本的茶園管理機(jī)多為跨行的大型多功能作業(yè)機(jī)，目前由于茶園分布地理環(huán)境及種植農(nóng)藝的不同，其機(jī)型還難以在國內(nèi)大面積推廣使用。意大利、德國、西班牙等歐洲國家于20世紀(jì)90年代起開始研究微耕機(jī)，其中有代表性的如西班牙研發(fā)的MAS5型微耕機(jī)，其由內(nèi)燃機(jī)提供動力，將旋耕刀安裝在機(jī)器前輪上，利用刀切削土壤的反作用力推動機(jī)器前進(jìn)。

國外由于其茶園種植和生產(chǎn)作業(yè)模式與國內(nèi)不同，其茶園管理技術(shù)發(fā)展上與國內(nèi)有較大不同，具體如表1所示。

表1 國內(nèi)外茶園中耕管理技術(shù)對比

4 存在問題

縱觀國內(nèi)外茶園機(jī)械的發(fā)展過程，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，茶園中耕管理機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)茶葉生產(chǎn)全程機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，在茶葉加工、包裝等后處理機(jī)械的研究方面取得了突破性的進(jìn)展，但我國茶園機(jī)械化水平仍然較低，目前，我國茶園中耕管理機(jī)械的存在以下幾個問題。

1) 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合較少。我國茶園規(guī)模一般較小，且大多分布在山地丘陵地區(qū)，目前市場上的茶園中耕管理機(jī)大多體積和重量都較大，運(yùn)輸?shù)缴絽^(qū)茶園上較為困難，同時也難以在狹窄的茶行中靈活作業(yè)。我國茶園分布廣泛，橫跨南方十幾個省份，不同的種植模式和土壤環(huán)境對中耕管理作業(yè)技術(shù)要求也不盡相同，如粘重土壤環(huán)境下，設(shè)計(jì)作業(yè)部件應(yīng)著重考慮其脫草和減阻性能，普通中耕機(jī)難以達(dá)到作業(yè)要求。目前國內(nèi)的機(jī)型大多通用化設(shè)計(jì)，并未考慮特殊環(huán)境下的作業(yè)。同時近年來有機(jī)肥代替化肥在全國茶園中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，有機(jī)肥的施肥深度及施用量和普通化肥相比差距較大，當(dāng)前普通的開溝施肥機(jī)難以滿足其作業(yè)要求。

2) 缺乏高產(chǎn)高效機(jī)械化作業(yè)技術(shù)規(guī)章及國家政策支持。目前，國家的農(nóng)業(yè)機(jī)械化政策和補(bǔ)貼更傾向于大宗作物，而如茶葉等特色經(jīng)濟(jì)作物的機(jī)械化生產(chǎn)缺少相關(guān)政策支持，這不利于如茶葉等特色作物的發(fā)展。

3) 作業(yè)性能及關(guān)鍵部件可靠性較低。目前國內(nèi)機(jī)型大多是對國外現(xiàn)有機(jī)器的仿制，缺少關(guān)于機(jī)器作業(yè)機(jī)理的研究，技術(shù)沉淀不夠，這直接導(dǎo)致其作業(yè)性能普遍較低，刀齒纏草、功耗較大等問題突出，同時由于材料及設(shè)計(jì)上的缺陷，導(dǎo)致機(jī)器的關(guān)鍵部件可靠性較低，易損壞，嚴(yán)重影響中耕機(jī)的工作效率和使用壽命，從而制約機(jī)器的推廣。

4) 智能化程度較低。目前我國茶園管理機(jī)械智能化程度普遍較低，不能根據(jù)茶園實(shí)際作業(yè)情況，實(shí)現(xiàn)自動避障和精準(zhǔn)在線配肥和施肥，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)要求。

5 發(fā)展趨勢建議與分析

目前，在國家大力發(fā)展可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)及全力推進(jìn)機(jī)械化作業(yè)的背景下，結(jié)合我國茶園中耕管理機(jī)械研究和發(fā)展現(xiàn)狀，從政府政策、宣傳推廣、技術(shù)研究等方面進(jìn)行趨勢分析并提出未來的發(fā)展建議：

1) 以政府為主導(dǎo)，構(gòu)建完善的扶持政策。堅(jiān)持以政府為主導(dǎo)，農(nóng)民、茶企和社會共同參與，形成攻堅(jiān)合力，統(tǒng)籌考慮土壤、肥料、水分等多種生產(chǎn)要素，促進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相結(jié)合，綜合運(yùn)用行政、經(jīng)濟(jì)、法律等多重手段推進(jìn)茶園管理科學(xué)作業(yè)。完成相關(guān)補(bǔ)貼制度，加強(qiáng)施用有機(jī)肥料、配方肥料、緩釋肥及配套機(jī)具的補(bǔ)貼力度，強(qiáng)制報(bào)廢低性能、高污染的中耕機(jī)具，同時健全各項(xiàng)肥料管理制度，加強(qiáng)打擊市場假冒偽劣產(chǎn)品，全面保證產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

2) 創(chuàng)新發(fā)展現(xiàn)代化茶園中耕管理技術(shù)，推進(jìn)新技術(shù)和裝備的應(yīng)用。為改善我國茶園中耕管理機(jī)械的作業(yè)性能，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)、作業(yè)原理及智能化控制等方面開展深入研究。優(yōu)化中耕管理機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對其關(guān)鍵作業(yè)部件如除草輪、開溝裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，優(yōu)化除草刀、開溝刀切刃曲線，以降低其切土阻力、防止纏草；優(yōu)化排肥裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變量精準(zhǔn)在線配肥及施肥作業(yè)，提高施肥系統(tǒng)自動化及智能化水平，開展基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智慧精準(zhǔn)施肥技術(shù)及配套裝備研制，可結(jié)合節(jié)水灌溉技術(shù)，進(jìn)行茶園水肥一體化耦合效應(yīng)技術(shù)研究和探討，同時借鑒大田施肥機(jī)相關(guān)技術(shù)，開展有機(jī)肥專用施肥裝置的相關(guān)研究。

6 結(jié)語

我國是茶葉生產(chǎn)和消費(fèi)大國，近年來，隨著國家工業(yè)體系現(xiàn)代化和信息化的不斷推進(jìn)，茶園中耕作業(yè)機(jī)械得到了大力發(fā)展，一定程度緩解了茶園管理作業(yè)用工難的問題，但技術(shù)上仍不成熟，還存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝未有效融合、機(jī)器可靠性差、智能化程度低等問題。在國家大力發(fā)展綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)的背景下，結(jié)合我國茶園地理分布及生產(chǎn)實(shí)際特點(diǎn)，提出了未來發(fā)展建議：以政府主導(dǎo)為主，完善相關(guān)補(bǔ)貼政策，加快茶園中耕管理機(jī)械現(xiàn)代化升級改造進(jìn)程，同時完善相關(guān)技術(shù)研究，優(yōu)化機(jī)器結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高其自動化、智能化作業(yè)水平。