茶園管理機械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

李 兵

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230036）

0 引言

我國是茶的故鄉(xiāng)，早在神農(nóng)時期便發(fā)現(xiàn)并利用了茶，中國人飲茶已有幾千年的歷史，茶是一種深受全世界喜愛的飲品，直到現(xiàn)在茶依舊是千家萬戶的日常飲用品[1]。近年來隨著科技的創(chuàng)新、人民經(jīng)濟生活水平的提高以及各級政府對茶產(chǎn)業(yè)的高度重視，我國各類茶葉銷售量正逐年增長，茶葉出口量呈穩(wěn)固上升的態(tài)勢，茶區(qū)面積也在不斷地擴大[2]。據(jù)統(tǒng)計，截至2019 年我國茶園總面積達4 597.87 萬畝（1畝=0.067 hm2），茶葉種植面積連續(xù)幾年居于世界首位，茶葉產(chǎn)量占世界產(chǎn)量近一半[3]。我國茶區(qū)主要分布在云南、四川、福建、湖北、浙江、貴州、湖南和安徽等省區(qū)，尤其是近年來湖北、貴州等省區(qū)茶園種植面積穩(wěn)中增長,中國茶園種植面積雖廣，但與日本相比，茶園的機械化和現(xiàn)代化水平遠遠落后，茶園管理機械化水平不高，甚至在一些經(jīng)濟發(fā)展相對落后的山區(qū)，茶園管理依舊以人力為主[4]。茶園機械化是提高茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量、促進茶葉產(chǎn)銷量增長的重要手段，因此茶園管理機械對茶產(chǎn)業(yè)穩(wěn)固發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

1 茶園管理機械研究現(xiàn)狀

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化茶園建設(shè)

茶園機械化管理水平較為落后的原因之一為茶園缺乏標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，主要表現(xiàn)為：我國目前的茶園大多數(shù)為密植茶園，茶園內(nèi)的行距過窄,行間機耕道小于600 mm，管理機械進入行間困難，行走部件可能損傷茶樹[5]；茶園之間分布較為疏散，無法連片，不便于茶農(nóng)進行集中管理；茶園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為薄弱，如灌溉、排水系統(tǒng)不夠完善，旱澇霜凍等災(zāi)害時常發(fā)生[6]，導(dǎo)致茶葉產(chǎn)量降低，茶葉品質(zhì)得不到保障。要實現(xiàn)茶園管理完全機械化的目標(biāo)，首要任務(wù)是建設(shè)規(guī)模合理、園地優(yōu)良和具有全面管理體系的標(biāo)準(zhǔn)化茶園。2009 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出了“標(biāo)準(zhǔn)茶園”的概念，組織開展全國標(biāo)準(zhǔn)茶園創(chuàng)建活動，研究制定了一系列實施方案，并在浙江等地區(qū)創(chuàng)建了第一批標(biāo)準(zhǔn)化茶園示范基地，試驗結(jié)果令人滿意，為之后其他地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化茶園建設(shè)提供了模板，進而提升了我國茶葉生產(chǎn)技術(shù)，促進茶產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展[7]。與傳統(tǒng)茶園相比，標(biāo)準(zhǔn)化茶園建設(shè)的優(yōu)點為：茶園集中連片，更加規(guī)?；子诠芾恚粓@內(nèi)布局科學(xué)，行距合理，為茶園管理機械的作業(yè)和運輸提供便利；基礎(chǔ)設(shè)施完善，使得茶園的建設(shè)、規(guī)劃和管理措施更加科學(xué)[8]，從而提高茶葉品質(zhì)，全面提升茶葉綜合生產(chǎn)力和產(chǎn)業(yè)競爭力。

1.2 耕作機械

茶園耕作技術(shù)關(guān)系到土壤所含的水分、空氣、肥料等物質(zhì)，這些成分對于茶樹的生長起重要作用，并且影響茶葉加工品質(zhì)。傳統(tǒng)茶園耕作機械化程度較低，勞動強度大，作業(yè)質(zhì)量差，為滿足社會生產(chǎn)生活的需要、解放勞動力和提高作業(yè)效率，科研人員開始對茶園耕作機械進行研究[9]。1990 年新昌縣捷馬機械有限公司通過使用F190 型柴油機提供動力，設(shè)計出一種ZGJ-120 型中耕機，該機能在具有一定坡度的茶園中平穩(wěn)耕作，耕作后土地松軟平整，作業(yè)中對茶樹的損傷較小，轉(zhuǎn)彎靈活，便于技術(shù)人員操作[10]。2011 年，楊擁軍[11]研制出一種動、靜刀結(jié)合作業(yè)的小型茶園中耕機，解決了雜草容易纏繞機身部件的問題，對稱安裝的刀片結(jié)構(gòu)對于減震具有一定效果，該機的防護罩采用流線型設(shè)計，能夠有效減少行進過程中機身所受阻力，確保了機器作業(yè)時的通暢性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。2013 年，肖宏儒[12]結(jié)合多功能地盤、動力與機具直聯(lián)驅(qū)動等技術(shù)，研發(fā)出一種節(jié)約能源、環(huán)保清潔的多功能茶園管理機。該裝備的前進和機具作業(yè)時所需要的動力通過全液壓傳動技術(shù)得以實現(xiàn),使得機器在行走和作業(yè)時更加靈活方便；該機還能夠?qū)崿F(xiàn)多機具配套復(fù)合作業(yè)功能，有效降低了茶葉生產(chǎn)成本。多功能茶園管理機的研制滿足了一種機械多種模式化作業(yè)的要求。2015 年，徐良[13]以308F 小型手扶式茶園中耕機為試驗樣機建立數(shù)學(xué)模型，分析出草長、軸徑、靜摩擦系數(shù)對纏繞的影響性，通過試驗得出增大轉(zhuǎn)軸半徑可以防止或減少雜草纏繞刀軸的現(xiàn)象。2016 年，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組[14]針對茶園除草碎土問題研制出一種結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷的自走式茶園微耕機，采用ANSYS 軟件對該機的除草碎土部件進行分析，確定部件在工作時所受到作用力的相應(yīng)位置，通過試驗證明該機在作業(yè)時具有較高的穩(wěn)定性，耕作后土壤表面較為平整且能滿足茶園的除草和碎土要求，也符合規(guī)定的耕深耕寬范圍 。同年，該課題組還設(shè)計制造了一種旋耕刀為直角刀片的便攜式茶園微耕機，采用直角刀片的旋耕刀在入土?xí)r具有較大的切碎力，更容易切碎土塊，因其體積小、質(zhì)量輕、便于掌握等優(yōu)點，在作業(yè)過程中較為機動靈活且不易發(fā)生位移[15]。2017 年，程方平[16]設(shè)計出一種以NH130 風(fēng)冷汽油發(fā)動機為動力，除草輪結(jié)構(gòu)的手扶式茶園除草機，田間試驗證明該機擁有較高的除草率，對于土壤的鏟擊功能也較強，能消除除草輪之間由于空隙造成的漏耕現(xiàn)象，耕作后的土塊較小，整體結(jié)構(gòu)較為輕巧，能靈活地在行距較窄的茶園中高效作業(yè)。

1.3 植保機械

茶園植保在整個茶樹生長生產(chǎn)環(huán)節(jié)中起著重要作用，直接影響茶樹產(chǎn)量和茶葉品質(zhì)。隨著人們健康、環(huán)保意識的提高，化學(xué)農(nóng)藥在茶樹生長過程中的使用逐漸減少，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所陳宗懋院士[17]曾指出我國茶葉質(zhì)量安全問題大都是由于農(nóng)藥殘留導(dǎo)致的，茶葉中殘留的農(nóng)藥對人體傷害極大，長期飲用含有農(nóng)藥殘留的茶葉容易引起慢性中毒，與成年人相比，農(nóng)藥對于兒童的身體健康傷害更為嚴重。為減少農(nóng)藥對于人體健康的傷害，越來越多的綠色環(huán)保措施被應(yīng)用到茶園植保中。2012 年，胡義元[18]對信息素色板誘捕器誘捕茶園害蟲進行試驗，通過利用信息素和色板對害蟲吸引性，使得信息色素板誘捕害蟲并粘于色板上，試驗結(jié)果表明信息色素板對于茶園害蟲的防效較好，但需要進一步改善，提高誘捕率。2014 年，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組發(fā)明了一種乘座式茶園殺蟲機，機器運轉(zhuǎn)時，含有昆蟲的高速氣流通過安裝在“∏”形機架內(nèi)側(cè)上方的集風(fēng)罩及導(dǎo)風(fēng)管進入到昆蟲分離器，經(jīng)篩孔作用將昆蟲引入到藥液中殺死，該機器具有良好的殺蟲效果并減少了茶園中農(nóng)藥的使用量[19]。2016年，金星[20]研制出一種主要以超高亮全彩LED 為光源的光纖發(fā)光誘蟲燈，針對誘蟲燈不同發(fā)光顏色等因素對誘捕害蟲的影響進行對照試驗，發(fā)現(xiàn)利用黃色光的誘蟲燈在亮2 min 滅1 min 的規(guī)律下誘捕害蟲效果好，并且能耗較小，具有廣闊的應(yīng)用前景。2019 年，涂海華[21]利用茶園害蟲的趨光性等生態(tài)特征設(shè)計了一種雙光譜LED 茶園專用殺蟲燈，能夠最優(yōu)化地對害蟲進行誘捕，通過實際生產(chǎn)生活的使用驗證了該燈的殺蟲譜較廣，對害蟲進行大量誘殺的同時也能保護和利用益蟲。該燈對于害蟲的測報和誘捕更為科學(xué)，使得茶樹更加綠色健康地生長。在確保病蟲害防治有效性的前提下還要滿足綠色環(huán)保防治措施的要求，生物農(nóng)藥開始逐漸在茶園植保過程中普及并應(yīng)用。2020 年，杜潤清[22]探討了生物農(nóng)藥在病蟲害防治上的使用，分析了生物農(nóng)藥的成分比較天然，具有無公害防治病蟲害的優(yōu)點，能在最大限度上避免農(nóng)藥的使用，減少茶園環(huán)境污染情況，保護了茶樹的生長環(huán)境。隨著茶園勞動力資源的緊缺和各病蟲害防治措施的應(yīng)用改善，利用植保無人機對茶園進行植保已成為一種必要趨勢。近些年來，植保無人機在我國逐漸興起并快速發(fā)展，因其具有靶標(biāo)明確、高效環(huán)保、靈活性較強等特點受到了人們的喜愛，植保無人機的應(yīng)用也使得茶農(nóng)對于茶園的管理更加便捷高效，提高了生產(chǎn)效率[23]。2016 年，袁玉敏[24]就GPS 定位系統(tǒng)在環(huán)境較為復(fù)雜的條件下定位精度不準(zhǔn)確、穩(wěn)定性較差等問題，設(shè)計出了一種基于GPS 和GPRS 的混合農(nóng)業(yè)植保無人機高精度定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運用能夠有效地彌補農(nóng)業(yè)植保無人機存在的不足，從而提高無人機定位的準(zhǔn)確性,為其他科研者在農(nóng)業(yè)植保無人機技術(shù)研究方面提供了重要的指導(dǎo)。2020 年，王亞濤[25]設(shè)計了一種基于感應(yīng)式核電原理的靜電噴霧系統(tǒng)多旋翼植保無人機，該機進行植保作業(yè)時噴射出帶荷電的霧滴，霧滴可通過旋翼旋轉(zhuǎn)所形成垂直向下的風(fēng)場控制，噴霧的流量通過控制模塊得以穩(wěn)定；該植保無人機具有操作簡便、精準(zhǔn)作業(yè)、降低勞動力、減少藥液消耗等優(yōu)點，擁有較好的應(yīng)用前景。

1.4 修剪和采茶機械

采茶是茶葉生產(chǎn)中十分費工費力的勞作環(huán)節(jié)之一，隨著社會的發(fā)展和農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移，茶區(qū)勞動力資源越來越短缺，采茶機械化成為一種必然趨勢，機械化采茶所用到的主要設(shè)備為茶樹修剪機和采茶機[26]。要實現(xiàn)茶葉由手工采摘向機械采摘的轉(zhuǎn)變，首先需要采用修剪機械對茶樹進行修剪以形成合適的采摘面，且最后一次修剪所使用的修剪機械應(yīng)與之后采摘機工作弧面相一致，因此修剪機械和采茶機械通常配套使用[27]。我國茶葉修剪機和采茶機起步較晚，市場上的茶樹修剪機械和采茶機械大多從日本引進。隨著我國工業(yè)化進程快速發(fā)展，國內(nèi)一些農(nóng)機企業(yè)開始在茶樹修剪機械和采茶機械上加大資金投入，進行上述裝備的研發(fā)[28]。2013 年，針對優(yōu)質(zhì)扁形綠茶的采摘，嵊州市嵊慈茶機有限公司[29]設(shè)計出一種采用蓄電瓶提供動力的6CDW-220型微型采茶機，通過利用小采幅切割器和撥葉輪完成茶樹鮮葉采摘，采摘后的芽葉較為完整且漏采率較低，該機具有效率較高、節(jié)約能耗、噪聲小等優(yōu)點，但生產(chǎn)率相對較低，無法滿足大型茶企需求。2016 年，戴有華[30]利用軟件對手扶式茶樹修剪機創(chuàng)建虛擬樣機，分析樣機各零部件強度性能和機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)，模擬了手扶式茶樹修剪機在修剪茶樹時的受力情況，模擬設(shè)計計算樣機尺寸大小和各部件的結(jié)構(gòu)，以保證實物樣機的質(zhì)量。2020 年，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組[31]設(shè)計制造了一種便于茶農(nóng)操作的單人背負式采茶機。該機作業(yè)時，汽油發(fā)動機產(chǎn)生的動力經(jīng)蝸桿和動力離合器輸出從動軸傳至采茶機采摘頭，往復(fù)式切割器割下的茶鮮葉通過風(fēng)機吹入到集葉袋中，實現(xiàn)茶葉采摘環(huán)節(jié)。單人背負式采茶機具有較小的漏采率，且采摘后的茶樹蓬面平整，不影響下次采摘，機器工作時較穩(wěn)定亦便于操作，滿足茶園采摘要求，適合推廣使用。2020 年，為減小修剪機械剪切時所受阻力、提高切口平滑度，易文裕[32]對雙動刃茶樹修剪機進行優(yōu)化，通過建立修剪機刀片仿真模型并進行正交試驗，得出刀片間隙和切割速度等參數(shù)最佳優(yōu)化值，該機型參數(shù)的優(yōu)化為采茶機的設(shè)計提供了新的思路。針對背負式單、雙人采茶機作業(yè)時噪聲污染、勞動強度較大等問題，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機課題組[33]研制出一種履帶式智能采茶機，利用軟件建模對各部件進行優(yōu)化設(shè)計。整機構(gòu)造寬度為550 mm，作業(yè)時行駛于行間，同時設(shè)計有茶蓬高度傳感器，采摘頭根據(jù)茶蓬起伏自動調(diào)節(jié)高度，提高了芽頭采摘合格率。該機結(jié)構(gòu)緊湊，降低了采茶勞動強度，適用于密植型丘陵茶園。

2 茶園管理機械發(fā)展趨勢

2.1 加強合作與交流

相關(guān)科研單位、院校和企業(yè)應(yīng)加強茶園管理機械技術(shù)方面的合作與交流，聯(lián)合攻關(guān)，突破技術(shù)瓶頸；各級主管部門應(yīng)相互積極配合，組織技術(shù)交流和專項培訓(xùn)活動，探討相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，互相扶持以提高茶園管理機械化程度。

2.2 加大投入和補貼力度

加大農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)方面的投入，相關(guān)單位應(yīng)因地制宜的加大補貼力度，進行合理補貼，調(diào)動農(nóng)民購買農(nóng)機具的積極性[34]。對丘陵山區(qū)農(nóng)機推廣目錄中微耕機、茶葉生產(chǎn)機具、田園管理機、中耕管理機等小型機具應(yīng)適當(dāng)加大推廣力度，促進茶園管理機械在茶葉生產(chǎn)過程中的廣泛使用。

2.3 注意農(nóng)機農(nóng)藝的融合

在進行相關(guān)機具的研究時，應(yīng)注意農(nóng)機與農(nóng)藝的融合，應(yīng)充分考慮到我國茶園的種植特點，設(shè)計與之相適應(yīng)的土壤耕作部件或執(zhí)行機構(gòu)等，以防止脫離實際而難以推廣[35]?？紤]到我國茶園多為密植茶園，機耕道過窄嚴重制約茶園機械化發(fā)展，茶園標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)勢在必行。可根據(jù)各地實際情況逐步有序進行茶園標(biāo)準(zhǔn)化改造，最終達到茶樹行距在1 800～2 000 mm 為宜，以保證行間機耕道達到600 mm以上，利于茶園管理機械在行間行駛；同時結(jié)合山區(qū)茶園土地整理項目，擴大高標(biāo)準(zhǔn)茶園面積，為茶園機械化的發(fā)展提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

隨著鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化的推進，農(nóng)村勞動力日益緊缺，茶園管理必然向機械化及智能化方向發(fā)展。茶園管理機械研究應(yīng)以茶學(xué)、農(nóng)業(yè)工程、計算機應(yīng)用和自動控制等多學(xué)科交叉的方式進行，以突破技術(shù)瓶頸，最終實現(xiàn)茶園管理機械智能化。