中國茶樹工廠化育苗裝備研究應(yīng)用現(xiàn)狀及對策

周 洋，張 強，崔清梅，梁金波，戴居會

（恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)院/國家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系恩施綜合試驗站，湖北 恩施 445000）

在茶葉生產(chǎn)過程中，育苗是茶葉生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，育苗的好壞是茶園早產(chǎn)、豐產(chǎn)的基礎(chǔ)。工廠化育苗由于在縮短栽培周期、改善秧苗品質(zhì)、新品種快速轉(zhuǎn)化及提高土地利用率等方面的突出優(yōu)勢，近年來在中國各地形成規(guī)?；l(fā)展趨勢［1，2］。工廠化茶樹育苗生產(chǎn)過程涉及基質(zhì)攪拌裝盤、穴盤扦插、溫室土培、搬運等多個環(huán)節(jié)［3，4］，單純依靠人工作業(yè)效率低、人力成本高，且人工主觀經(jīng)驗無法保證育苗生產(chǎn)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化實施，不利于培育高品質(zhì)的茶樹秧苗［5］。面對當(dāng)前勞動力緊張以及集約育苗模式不斷發(fā)展的趨勢，開展工廠化茶樹育苗設(shè)備的研究和推廣應(yīng)用工作，對于保障中國茶樹育苗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

中國工廠化種苗裝備研發(fā)起步于20世紀(jì)80年代末，主要在引進基礎(chǔ)上通過跨越式發(fā)展而來，至今初步形成了較完整的裝備研發(fā)與生產(chǎn)體系，具備了一定的研發(fā)生產(chǎn)能力［6，7］。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，僅播種、覆土、基質(zhì)填裝等部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)了機械化，但距種苗全程自動化、連續(xù)化生產(chǎn)的要求，仍存在較大差距。

針對中國工廠化茶樹育苗生產(chǎn)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，重點介紹其各自關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，對當(dāng)前中國茶樹育苗裝備研究和應(yīng)用存在的問題進行分析，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)對策。

1 研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，工廠化茶樹育苗采用的是茶樹無性系良種“二段法”快繁技術(shù)，設(shè)備的研究和應(yīng)用已經(jīng)涉及茶樹育苗生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)，包括基質(zhì)消毒、基質(zhì)處理、基質(zhì)裝盤、穴盤傳送、溫室土培等。應(yīng)用于不同環(huán)節(jié)的裝備在國內(nèi)研究應(yīng)用的發(fā)展水平各不相同，其中基質(zhì)攪拌機、基質(zhì)裝盤機、穴盤清洗機、中小型傳送帶等在專業(yè)茶苗育苗基地已經(jīng)初步達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，其他環(huán)節(jié)作業(yè)機械仍處于研究和示范應(yīng)用階段。

1.1 基質(zhì)攪拌

育苗基質(zhì)是固定支持秧苗、保持水分和營養(yǎng)、提供根系正常生長發(fā)育環(huán)境的重要載體，制備適宜的基質(zhì)是工廠化育苗的重要環(huán)節(jié)和培育壯苗的基礎(chǔ)?；|(zhì)的攪拌作業(yè)是基質(zhì)制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求在不破壞基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下將各種原料、肥料等進行充分?jǐn)嚢杌旌希ＷC育種后的透氣吸水營養(yǎng)均衡。基質(zhì)攪拌機是應(yīng)用最早、最廣的茶樹育苗設(shè)備，國內(nèi)多家企業(yè)已經(jīng)具備了相關(guān)產(chǎn)品的量產(chǎn)制造能力。國內(nèi)比較常見的基質(zhì)攪拌機，如2YB-J10基質(zhì)混合攪拌機（圖1），此設(shè)備集成度較高，既可單機作業(yè)，也可與后續(xù)工序連線作業(yè)，通過電氣控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)全自動攪拌、加濕、出料、復(fù)位、清倉等功能，單次攪拌量1 000 L，攪拌效能可達(dá)800～4 200盆/h。

1.2 基質(zhì)消毒

基質(zhì)作為栽培的核心，既是決定植物根系生長的最主要因素，也是病蟲害傳播的媒介和繁殖場所，對基質(zhì)消毒是其進行循環(huán)利用的前提［8，9］。國內(nèi)對基質(zhì)消毒裝備的研究起步較晚，現(xiàn)有的消毒機械規(guī)格少，性能不穩(wěn)定，大多數(shù)基質(zhì)消毒設(shè)備還處于試制階段。歐長勁等［10］、王詩敏等［11］開發(fā)了一種蒸汽—熱風(fēng)混流消毒設(shè)備，讓基質(zhì)與蒸汽—熱風(fēng)混流氣體進行充分的熱交換，使基質(zhì)達(dá)到高溫狀態(tài)，從而實現(xiàn)對栽培基質(zhì)的消毒。周雪青等［12］利用微波消毒加熱速度快、無污染和無殘留的特點，設(shè)計開發(fā)了一種基于微波技術(shù)的基質(zhì)消毒設(shè)備。喬曉東等［13］、賈海遙等［14］采用螺旋輸送器推送有機基質(zhì)，實現(xiàn)有機基質(zhì)連續(xù)進出，升舉抄板拋撒有機基質(zhì)與臭氧氣體形成對流，以提高消毒效率。目前使用較成熟的如SJ-2.5型基質(zhì)殺菌降溫生產(chǎn)線（圖2），采用高溫蒸汽殺菌，殺菌效率2.5 m3/h，降溫后≤45℃，但是從整體來看，中國育苗基質(zhì)消毒基本上還是人工操作，機械化基質(zhì)消毒設(shè)備發(fā)展水平較低，設(shè)備整體性能有待提高。

1.3 基質(zhì)裝盤

茶樹工廠化育苗以穴盤育苗為主要手段，現(xiàn)階段多采用蔬菜、花卉等精量播種流水線中使用的基質(zhì)裝盤機。2YB-G30B基質(zhì)裝盤機（圖3）采用光電信號檢測系統(tǒng)和獨特的刷平裝置，實現(xiàn)自動控制基質(zhì)裝土和裝盤后平整，裝盤效率≥300盤/h。

1.4 茶穗扦插

茶穗的扦插是茶樹育苗生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，扦插的質(zhì)量直接影響到茶苗的出苗率，現(xiàn)階段均采用人工扦插，尚無機具替代，而人工作業(yè)的扦插方式需要大量的人力資源供應(yīng)，同時工人作業(yè)水平不一也導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)效率低，難以滿足工廠化生產(chǎn)的需求，已成為茶樹工廠化育苗的技術(shù)瓶頸問題，急需進行專用產(chǎn)品的研發(fā)。

1.5 溫室土培苗床設(shè)備

溫室土培育苗是茶樹工廠化“二段法”育苗中周期最長、工序最多的環(huán)節(jié)，是快速生根、出圃的關(guān)鍵。目前常用的茶樹溫室土培育苗設(shè)備主要有移動苗床、旋轉(zhuǎn)立體式育苗機、多層循環(huán)育苗機等3種。

移動苗床（圖4）可通過手輪驅(qū)動苗床面，向左右移動，能使溫室的使用面積達(dá)80%左右，肥、水管理粗放，以其較高的操作便利性和水平面積利用率廣泛應(yīng)用于企業(yè)大規(guī)模育苗［15］。但也仍然存在不足，目前移動苗床大多只有一層，相對連棟溫室巨大的空間，上部空間未充分利用，空間利用率低，單位空間育苗面積少，育苗產(chǎn)出率不高，自動化程度低。

浸入式水肥自供一體育苗機（圖5）采用正六方形對稱結(jié)構(gòu)和定時控制器控制，機具下設(shè)有水肥槽。育苗機定時、定段循環(huán)運動過程中，在保證茶苗均勻采光的同時，完成水肥的自動供給，有效降低管理成本，相較移動苗床溫室利用率提高80%以上［16，17］。

多層循環(huán)運動茶樹育苗機（圖6）采用多層循環(huán)設(shè)計［18］，增加了補光和自動噴灌裝置，溫室利用率提高280%以上，育苗過程中光照一致性高，水、肥浪費少，有效地利用了溫室的垂直空間，可實現(xiàn)茶樹育苗過程的自動化作業(yè)。

1.6 穴盤清洗機

為節(jié)約資源、減少污染、降低成本，育苗穴盤的重復(fù)利用成為工廠化育苗的必然選擇。已使用過的穴盤殘留基質(zhì)中可能含有一些有害的病原菌或蟲卵等［19，20］，需對其進行清洗消毒，以免影響種子的出苗質(zhì)量。傳統(tǒng)人工清洗消毒方式是先手工洗刷穴盤，待晾曬干后放入稀釋600倍多菌靈或稀釋800～1 000倍殺滅爾等殺菌劑中浸泡消毒，最后清水洗滌消毒液并自然干燥，存在效率低、勞動量大和工作環(huán)境差等一系列問題，不能滿足茶樹育苗的規(guī)?；?、集約化要求。目前國內(nèi)在育苗產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化方面發(fā)展落后，配套的穴盤清洗方面裝備開發(fā)與試驗較少，相應(yīng)的成套裝置缺乏。禹振軍等［21］研制了一種SDQXJ-Ⅰ型隧道式穴盤清洗機，工作時將穴盤水平放置輸送至清洗艙，上下左右4個方向交錯排列的噴嘴在水泵作用下對穴盤進行清洗。高原源等［22］基于先浸泡、后水壓清洗干燥的方式開發(fā)了一款物理水壓沖洗的育苗穴盤自動清洗裝置，采用豎直送盤、對稱多次沖洗、循環(huán)水箱的設(shè)計，實現(xiàn)了對穴盤的高效自動清洗。李愷等［23］設(shè)計了一種穴盤清洗消毒裝置，通過清洗-沖洗兩段式高壓清洗結(jié)合消毒液噴霧附著的方法，一次性完成穴盤的清洗和消毒。目前在國內(nèi)可以根據(jù)需要定制不同規(guī)格的穴盤清洗機，也有成熟的穴盤清洗生產(chǎn)線（圖7），自動完成清洗、消毒、風(fēng)干、烘干等工序，效率為600盤/h，清洗后的菌落數(shù)小于10，機械化程度較高，能滿足不同工廠化生產(chǎn)需求。

1.7 其他輔助設(shè)備

苗床土是培育壯苗的基礎(chǔ)，一般天然采土的顆粒細(xì)度達(dá)不到茶樹扦插育苗的農(nóng)藝要求，要經(jīng)過碎土篩土機［24］的破碎、過篩，再按需求添加相應(yīng)比例基質(zhì)和肥料，才能取得直徑小且均勻、通透性好的苗床養(yǎng)分土。

在茶樹扦插之前基質(zhì)需要保持適宜的濕度，一般選用澆水機、接盤機等與基質(zhì)裝盤機連線使用，實現(xiàn)局部連續(xù)化作業(yè)。

茶樹育苗生產(chǎn)過程中，穴盤、基質(zhì)及相關(guān)工具設(shè)備等農(nóng)資物料，物流輸送量大，投入的勞動力多，尤其是生產(chǎn)旺季，勞動力資源短缺、勞動費用增加，使工廠化生產(chǎn)在競爭日益激烈的市場經(jīng)濟環(huán)境下面臨巨大的挑戰(zhàn)［25］。目前在中國工廠化育苗物流輸送裝備主要有三類，第一類是皮帶輸送裝置，應(yīng)用于穴盤、茶穗等物資的搬運和輸送，需要在溫室作業(yè)區(qū)安裝布置輸送帶，對設(shè)備控制精度、可靠性要求均較高，是一種前期投資較大，后期收益較明顯的物流輸送裝置。第二類是懸掛式物流輸送設(shè)備，適用于溫室內(nèi)物流輸送距離長、變向多、輸送路線十分復(fù)雜，且一般中小型物流輸送設(shè)備無法滿足自動運輸?shù)难b置。第三類是基于導(dǎo)航系統(tǒng)的運輸機器人［26］、叉車，適用于非固定車間，相對占用空間較小，購買性價比高。

2 存在的問題

自中國引進工廠化育苗技術(shù)之后，經(jīng)過40多年的研究與發(fā)展，茶樹育苗技術(shù)已日趨成熟，但是在與其配套的育苗設(shè)備的推廣應(yīng)用中仍存在著一些問題。

2.1 專用設(shè)備缺乏

茶樹育苗許多設(shè)備可在花卉、蔬菜、煙草等育苗設(shè)備中找到替代品，但是在有些工序如溫室水、霧培愈合和轉(zhuǎn)苗扦插工序，還找不到可以相匹配的設(shè)備，面對工廠化育苗中數(shù)以百萬計的茶穗，人工茶穗裝板和穴盤扦插遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)的需求，茶穗自動裝板和穴盤自動化扦插已成為茶樹工廠化育苗中的“卡脖子”難題。

2.2 設(shè)備連續(xù)性、成套性差

當(dāng)前，中國茶樹育苗所用設(shè)備多為單機或單工序成套設(shè)備，工序間缺乏銜接配套設(shè)備，需要依靠人工進行轉(zhuǎn)運，連續(xù)性差，不能發(fā)揮工廠化高效育苗的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)還沒有形成茶樹的工廠化育苗生產(chǎn)系統(tǒng)，無法進行各要素規(guī)劃、設(shè)計，硬件選配、布局，技術(shù)、設(shè)備、管理融合后的高度統(tǒng)一，也就達(dá)不到各設(shè)備與生產(chǎn)線之間的有機銜接和組合，因此還無法實現(xiàn)茶樹育苗的機械化以及全程自動化生產(chǎn)。目前在國內(nèi)推廣、可供生產(chǎn)系統(tǒng)組配的設(shè)備有基質(zhì)破碎提升機、基質(zhì)攪拌機、穴盤清洗機、水肥配制機、消毒設(shè)備等。

2.3 設(shè)備昂貴，可靠性差

工廠化育苗設(shè)備因集成了設(shè)施生物技術(shù)、設(shè)施工程技術(shù)、設(shè)施智能控制技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，其精密性程度高，技術(shù)瓶頸較多。國內(nèi)較大型的茶樹育苗工廠所采用的育苗關(guān)鍵設(shè)備大部分還是依賴進口，盡管設(shè)備先進、質(zhì)量好，但價格較貴，投資較大，運營成本高。目前，中國茶樹育苗主體的規(guī)模普遍較小，經(jīng)濟實力有限，少量購置國產(chǎn)育苗設(shè)備使用，但生產(chǎn)效率、可靠性及壽命與國外產(chǎn)品存在較大差距。這是多數(shù)復(fù)雜設(shè)備和有精準(zhǔn)性功能要求設(shè)備普遍存在的問題，與國內(nèi)制造業(yè)的整體狀況有關(guān)。

2.4 從業(yè)人員梯度不合理，素質(zhì)普遍偏低

現(xiàn)有的茶樹育苗生產(chǎn)是人員與自動化設(shè)備的結(jié)合，其生產(chǎn)方式正從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向工業(yè)發(fā)生改變。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的收益相較其他行業(yè)明顯偏低，青壯勞動力向其他行業(yè)流失嚴(yán)重，實際從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍是老人和婦女，但他們的素質(zhì)尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)工人的要求，學(xué)習(xí)能力弱，實踐生產(chǎn)經(jīng)驗不足，嚴(yán)重制約了茶樹育苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 發(fā)展對策

未來茶樹工廠化育苗的發(fā)展將以農(nóng)機農(nóng)藝融合為路徑，在保證育苗能力最大化、成本投資最小化和工藝流程合理化的同時，促使設(shè)備、工藝和技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展。機械化、自動化、信息化的“三化”結(jié)合將成為未來工廠化育苗的重要特征。從設(shè)施到設(shè)備，整個系統(tǒng)集成將更集約化，管理也將更趨于智能化。工廠化育苗將向質(zhì)量、效益并重的方向發(fā)展，實現(xiàn)工廠化育苗產(chǎn)業(yè)的全面健康發(fā)展。

3.1 信息化智能化裝備研究

收集茶樹育苗生產(chǎn)過程中的各類幼苗的生長數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，建立育苗生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺，對各類生長參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進行平臺化管理。現(xiàn)有的育苗設(shè)備幾乎都是半自動機械式的，不利于自動化控制和效率提高。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將遙感技術(shù)和管理專家系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、電子技術(shù)等相結(jié)合，綜合液壓、氣動和微電機技術(shù)，提高設(shè)備的智能程度，既可以大幅度提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，減少人為誤操作，也可以適時監(jiān)控各設(shè)備的工作情況，一旦出現(xiàn)故障，及時提醒生產(chǎn)人員或自動停機，避免造成更大的損失。

3.2 育苗生產(chǎn)系統(tǒng)裝備研究

以集約化、精細(xì)化、規(guī)?；?、高效化為目標(biāo)，瞄準(zhǔn)世界先進的工廠化育苗生產(chǎn)系統(tǒng)，研發(fā)茶樹育苗生產(chǎn)線的自動化生產(chǎn)裝備，集成剪穗、愈傷組織培養(yǎng)、基質(zhì)處理、消毒、填料、土培、轉(zhuǎn)運、清洗等裝備。對設(shè)備的工程材料、機械設(shè)計、加工制造、電氣控制、生產(chǎn)系統(tǒng)集成等多個方面進行優(yōu)化完善，提高設(shè)備作業(yè)精度和可靠性，降低設(shè)備后期維護難度和成本。

3.3 低碳節(jié)能、綠色環(huán)保研究

茶樹工廠化育苗和其他農(nóng)業(yè)發(fā)展一樣，面臨著成本、效益、質(zhì)量、生態(tài)等方面的挑戰(zhàn)，節(jié)能新材料、新技術(shù)和新能源的利用是工廠化育苗領(lǐng)域研究的熱點和難點。如研發(fā)溫室加熱降溫的太陽能集熱器，將儲存的多余太陽能轉(zhuǎn)換成電能，為冬季供暖與夏季降溫，節(jié)省能源消耗；營養(yǎng)液閉路循環(huán)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的營養(yǎng)液無土栽培技術(shù)，通過對營養(yǎng)液的回收、過濾、消毒等技術(shù)手段，實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥，提高營養(yǎng)液的利用效率，減少營養(yǎng)液過剩外排造成的面源污染；探索新型補光光源LED替代傳統(tǒng)人工燈源熒光燈、鈉燈、金屬鹵化物等。

3.4 加強設(shè)施農(nóng)業(yè)人才培養(yǎng)

工廠化育苗的設(shè)備和系統(tǒng)都是基于計算機開發(fā)設(shè)計的，對于從業(yè)人員的專業(yè)知識和系統(tǒng)的操作使用要求較高，人員作業(yè)素質(zhì)低就不能充分發(fā)揮育苗設(shè)施設(shè)備的生產(chǎn)作用。各級政府應(yīng)引導(dǎo)和鼓勵各類涉農(nóng)科研高校、職業(yè)教育學(xué)校培養(yǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)人才，支持建立設(shè)施農(nóng)業(yè)各類實訓(xùn)基地和人才孵化基地。農(nóng)機部門可通過垂直體系的專業(yè)人才技能培訓(xùn)，讓基層科技人員定點支持、服務(wù)到戶，建立建全設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)推廣體系，提升基層農(nóng)技推廣人員的專業(yè)技術(shù)能力。此外政府部門要結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)特點、工資水平研究出臺政策，對新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體給予一定的資金補貼，提高從業(yè)人員的收入水平，讓從業(yè)者無后顧之憂。

4 小結(jié)

隨著中國工廠化育苗生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴大，現(xiàn)有設(shè)施裝備技術(shù)體系在技術(shù)含量、可靠性、系統(tǒng)性、信息化、智能化等方面的不足，對產(chǎn)業(yè)瓶頸制約作用越來越明顯，影響了產(chǎn)業(yè)整體效益水平。盡管中國茶樹工廠化育苗還存在很多問題，但近年來中國的設(shè)施裝備從引進走向自主研發(fā)，農(nóng)業(yè)公司和公司化主體發(fā)揮帶頭作用明顯，已經(jīng)初見成效，部分茶樹育苗工序的作業(yè)條件已經(jīng)得到改善，可以進行機械化、自動化作業(yè)。下一步，應(yīng)繼續(xù)加大配套機械的研發(fā)力度，采取引進應(yīng)用、參考借鑒和自主創(chuàng)新并重的策略，研制技術(shù)含量高的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的茶樹育苗機械，提高茶樹工廠化育苗的自動化程度，為進一步實現(xiàn)智能化育苗打下堅實基礎(chǔ)。