山地茶园松土施肥管理机械的研究现状

林 聪，郑书河

（福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002）

近年来，我国茶叶的种植面积、产量、出口量均呈持续增长态势，经济效益增长显著。我国茶树种植总面积和茶叶生产量均位于世界第一，全世界茶叶总出口量的1/5来自中国[1]。茶具有养生保健的功效，人们对茶叶的需求量与日俱增[2]。茶树主要分布在南纬16°～北纬30°，我国西南部是茶树的起源中心[3]。然而，受地形限制，传统的丘陵山区茶园生产方式主要是人力作业，仅有少量的喷药和修剪实现机械化或半机械化作业，特别是茶园的松土施肥机械发展比较落后，真正满足山地作业要求的茶园松土施肥机很少，这严重制约了茶产业的可持续发展。针对上述现状，研制适合山地作业的茶园松土施肥机械有一定的社会价值。

1 茶园耕作施肥的农艺要求

1.1 茶树种植技术

茶树种植一般有两种方法。一是单行单株种植法，该方法应保证株距35～40 cm，以满足茶树生长的空间需求。二是双行单株马蹄形错开排列种植法，该方法应保证行距在30 cm、株距在40 cm以上。

1.2 茶园耕作技术

根据松土深度的不同，茶园耕作可以分为浅耕、中耕和深耕。浅耕深度在8～10 cm，成龄茶园的浅耕一般是在春茶和夏茶后进行；中耕要在春茶萌发前进行，其深度要保证在10～15 cm，耕作时将杂草翻埋入土，打碎土块，平整地面；深耕对于更新根系效果良好，要求深度在15 cm以上，开沟形状呈“V”型。

1.3 茶园施肥技术

茶园施肥要求沿树冠边缘垂直向下挖10 cm施肥沟，横向宽幅为65～75 cm。茶园中普遍使用有机肥和无机肥来为茶树提供营养物质。由于有机肥中所含各元素的比例不好控制，并且见效缓慢，故而主要用作基肥。无机肥才是茶树使用最多的，最常见的是尿素和复合肥。

2 茶园松土施肥机械的研究现状

茶园松土施肥是茶园科学管理中的关键步骤。目前，国内外的松土施肥机械大多数是针对平地大田所设计，一般装备的体积较大，不适用于行距狭窄的茶园。对于需要精耕细作的茶园来说，实现装备的自动化、智能化显得尤为重要。

2.1 国外松土施肥机的研究现状

国外机械化程度较高，很多国家较早实现开沟施肥机械化作业，其设备较为完备，具有专业化、规范化、自动化等特点。但是，国外对专门应用于山地茶园的机械研制很少，为了满足其他作物田间管理作业的要求，主要对微耕机进行了研制。20世纪50年代起，英国和匈牙利等国家研制出民用施肥微耕机并应用到实际作业中。随后日本引进了这种微耕机，并在此基础上研制出了适用本国农业环境的装备[4]。日本设计的机型可以实现水旱地两用,可完成翻土、耕作、起垄、开沟及平整等多种作业[5]。日本最开始是对手扶拖拉机进行改造，改装后可满足茶园中耕除草和施肥作业，1961年开始设计茶园专用拖拉机[6]，还研发了主要应用于平地茶园的管理机械，这类装备通常具有跨行作业及自动转底盘的能力，而且能够实现茶园耕作、修剪、施肥及喷药同一体化作业。在往后的10多年里，日本茶园机械仍在持续创新，茶园作业效率显著提高。

意大利Benassi公司于20世纪90年代末设计生产出了以大马力小型柴油机或汽油机为动力的农业微耕机[7]。此外，德国研发的506型微耕机和西班牙研发的MAS5型微耕机，属于手扶式无轮旋耕机，它是将旋耕刀安装在前方轮轴上，由内燃机驱动，带动旋耕刀切削土壤进行作业，工作时利用切削土壤所受的反作用力推动机器前进。2006年，Senanarong研制出适用于田园管理作业的微耕机。次年，Fashola成功研发出可在小面积水稻田中作业的微耕机。2009年，SahayC.S设计了一款振动型微耕机，它具有工作效率高和破土能力强等优势，但功率消耗也随之增大[8]。

在微耕机的理论研究方面，大部分研究是对微耕机的作业刀具进行了系统的开发与研究，主要对刀具结构、材料和形状进行优化设计。S.Karoonboonyanan等[9]人为了提高旋耕机刀片耐磨性，试验比较了喷涂WC-Co和Al2O3-Ti02的刀具耐磨性，得出涂有WC-Co的刀具磨损明显减少。Asl J.H[10]研究了微耕机功率消耗与旋耕刀片几何参数间关系，结果表明合理的刀片几何参数可以大大降低微耕机消耗的功率。H Gholami[11]等人针对传统微耕机的L型刀片振动明显、易缠杂草、性能落后等问题，设计了一种新型脊状旋耕机刀片并进行试验，探究了土壤含水率、刀片转速对耕作效果和功率消耗的影响。结果表明，降低一定转速具有减少功率消耗、缓解刀具磨损、维持土壤结构等优点。Shoutai L等[12]人采用光滑粒子流体动力学（SPH）模型进行了微耕机旋耕刀土壤切削模拟试验，并对旋耕刀结构进行了优化设计，优化后旋耕机的功率消耗明显下降。

2.2 我国茶园松土施肥机研究现状

从新中国成立起至20世纪70年代，茶园管理机械的研制主要针对坡度低于10°的茶园[13]。对于坡度较大的茶园，没有满足作业要求的装备。70年代以后，开始对手扶拖拉机进行改装加工，如机身加装防护机构，机尾后挂接旋耕装置、施肥装置等。改装后的手扶拖拉机可以在一些茶园中实现松土施肥作业，提高了茶园的管理作业效率，但是受地形的限制及机器本身转弯半径较大、转速调节不方便、撒肥的范围较广等特点影响，不适用山地茶园作业。1980年，我国正式完成了C12茶园耕作机的研制，它的躯干就是履带式拖拉机。它以S195柴油机为动力，外壳采用流线型设计，该机重心低、稳定性好、驱动力大、机身较小、机动灵活等优点[14]。次年，我国又从日本引进了F-15A茶园开沟机，后续开始对开沟机的开沟器进行了一系列开发研制，但成果并不明显。

20世纪90年代中期，以日本的一款浅耕、施肥两用机为原型，浙江省的一家机械厂研制出ZGJ-150型茶园耕作施肥机（图1所示），这是依据我国茶园现实情况设计成功的新机型。相比于日本两用机，它的通用性好，作业范围更广，机器性能更优越，价格仅为日本同类机型的四分之一[15]。

2010年7月16日，肖宏儒等[16]人对研制成功的高地隙履带自走式茶园管理机（如图2所示）的性能试验数据进行了测定，完成了对主体部分的研发，首次在国内实现了跨越茶棚进入窄小的茶行间进行作业，大大降低了劳动者的工作强度，改变了以往修剪、施肥、中耕机具由人工抬入茶园进行工作的状况。同时，他们还研制了适合陡坡的低地隙多功能茶园管理机（如图3所示）。

此后，专家学者们对茶园松土施肥机械进行了结构设计、理论分析及试验研究，为山地茶园管理机械的研制提供了参考依据。李明等[17]设计了一种茶园遥控式静电喷药施肥机，用容量式调节施肥量，并完成浅施肥和覆土，最终成果显示该机可以较好地进行施肥。易文裕等[18]对小型茶园深耕机上的前进轮和松土铲进行了重新设计配置，并进行整机行走试验和茶园下地耕作试验，最终显示，该机可以满足茶园的深松作业。杨叶成[19]研制了一种茶园专用的高效施肥装置，基于离心撒肥装置的工作过程及其结构分析，在对肥料物理特性和运动轨迹进行分析计算之后，对施肥过程进行模拟优化；在此之后，进行了田间试验，结果表明该离心施肥机构在优化后的工作参数下，施肥均匀性较好。戴有华等[20]为了完成茶园的深松施肥作业，设计了一种深松施肥装置，该机一次可开4条深松沟、施入有机肥及覆土等作业，并采用UG软件对该机的主要受力部件进行有限元分析，得出了结构优化的依据。曾晨[21]研发了一种满足山地茶园耕作的由柴油机驱动的微耕机，通过理论分析，对该机的受力、结构和传动系统进行了优化，并利用有限元软件对刀具进行过度疲劳分析，得到了刀具应力和应变最大部位，并对刀具的刀辊进行实际校对，为作业部件的选择提供了依据。

3 山地茶园松土施肥机械存在的问题

常见的茶园松土施肥机，大部分是在常见的工作机械上进行小的改造，缺少专业理论的研究。装备的自动化、智能化水平与茶叶的产量是成正比关系的，大力发展茶园管理机械是提高茶园产量，提升茶叶经济效益的最直接途径。目前，针对山地茶园松土施肥机械的研究程度还不高，仍然有一些问题存在。

3.1 技术方面

3.1.1 振动问题

由于茶园坡度大，地面凹凸不平，松土施肥机械在作业过程中，极易出现机器剧烈抖动的现象，不仅可能对操作人员造成身体伤害，还会导致行走困难甚至翻车。

3.1.2 施肥不均匀

由于茶园行距较窄、种植密集和缺少定量施肥装置，在施肥的过程中会出现遮挡和施肥不均匀的情况，从而导致“差少施肥，优多施肥”的现象，这也造成了肥料的浪费，达不到预期的效果。

3.1.3 破土能力差

山地茶园普遍存在免耕或者不耕的现象，这就使得山地茶园地表坚实，土质较硬，不仅影响茶树根系的呼吸，还导致松土较为困难，碎土率很低。

3.1.4 耕深控制能力弱

针对茶树的不同生长时期，应该把握好耕作的深度。如果耕作太深会破坏茶树的根系和地表土壤的结构，若耕作太浅则会阻碍茶树根系对水分和肥料的吸收利用，起不到松土的目的。目前，现存的松土施肥装置在这方面还有待提高。

3.2 发展方面

3.2.1 茶园机械针对性差

相对于其他装备来说，在茶园管理机械方面的研究较少，人才相对缺乏，理论不够成熟，体系不够完善。市场中大体积的松土施肥机普遍应用于高地隙作物，想要应用于山地茶园比较困难。同时现在市场上已有的茶园机械大多针对平原地区且行间距较大的情况，而对于山地丘陵地区密植茶园的应用较少，适用的专用驱动机型也很少。

3.2.2 环境问题

目前，松土施肥机械大多数都采用内燃机驱动，不仅存在噪声，排放污染气体，而且在机器工作的过程中会出现燃料泄露的情况，这会对茶园的土壤造成污染，也会影响茶叶的品质[22]。随着社会的发展，科技的进步，自动化、智能化的电动机驱动装置才是未来发展趋势。

3.2.3 茶园规划不合理

茶农对传统的耕作方式过分依赖，缺乏科学的眼光和正确的认识，缺乏科学的茶园规划经营方式，使得茶园种植过于稠密，基本掩盖了行间距，导致机械很难下地，在一定程度上影响了茶园管理机械化的推进，制约了茶产业的可持续发展。实际上，为了鼓励发展茶园作业机械化，近年来全国许多家农机生产厂，早已密切注视茶园松土施肥机的研制，并且很多茶产业部门也做出了一些贡献，如茶园标准建设和配套技术的融合[23]。

4 茶园松土施肥管理机械未来发展建议

传统的茶园松土施肥机械是以化石燃料作为动力，以后的农业机械会向着以电、生物燃料等清洁能源作为动力的方向发展。政府应该加大资金投入和政策扶持力度，发挥农机服务部门的作用，实时了解国内外新动向，学习国外先进的茶园规划经营方案，掌握最新的茶园专业资料。在此基础上，提高茶园规模化及标准化经营水平，对茶农进行定期培训和传授，保证茶园管理机械的正确使用和及时更新换代，打造新型茶园。

我国茶园管理机械要想达到自动化、智能化水平还有很长的路途，要敢于发现不足，弥补缺点，紧密结合我国的实际发展现状，通过有针对性的设计研发，提升机器的作业性能，并在此基础上加大茶园管理机械的推广使用。另外，茶行业必须确保茶叶品质，保护茶园健康。与茶叶有关的各个学科、各个单位及各个负责人应该协同合作，精诚团结，实现农机与农艺的相互促进融合，结合本地区的实际情况，不断提升创新，使茶产业朝着绿色化的方向发展。