我国丘陵山区茶园种植机械化现状与发展研究

罗泽涌,陈 建,方晶晶,牛 坡,郑延莉,王炎林,王 磊,张 勉

(西南大学 工程技术学院,重庆 400715)

0 引言

茶叶是我国重要的经济作物之一[1],近年来茶园面积日益扩大,由2007年的161.33万hm2增长到2015年的279.14万hm2[2-3]。根据国际茶叶委员会(ITC)统计,2015年世界茶园总面积为453.716万hm2,我国占世界茶园总面积的61.52%[4],位居世界第一。随着茶园种植区域逐渐向丘陵山区发展[5-8],丘陵山区茶园种植对机械化作业的需求越来越迫切。丘陵山区的茶园按照坡度可以分为3类:坡度小于15°的平坡茶园,坡度大于15°小于25°的缓坡茶园,坡度大于25°的陡坡茶园[9-11]。目前,平坡和缓坡茶园相对于陡坡茶园的机械化情况较好,已经出现了一些茶园机械的应用,而陡坡茶园还较少见到机械化作业[12-13]。茶园种植过程中,耕作、植保和茶叶采摘是保证茶叶优质高产最重要的几个环节[14-18],因此通过对当前的丘陵山区茶园耕作、植保和茶叶采摘的机械化现状进行研究,剖析当前丘陵山区茶园种植机械化存在的问题,认清未来丘陵山区茶园种植机械的研究方向,提出未来丘陵山区茶园种植机械化的发展思路,以加快丘陵山区茶园种植机械化进程。

1 茶园种植机械化现状

1.1 茶园耕作机械化现状

按时、高效地做好茶园耕作是保证茶树全苗、高产、优质及持续增产的重要条件。茶园的耕作主要有浅耕、中耕和深耕[19-20]。浅耕通常在每年春季茶和夏季茶采摘后进行,浅耕深度为8～10cm,目的是疏松茶园表层土壤及清除杂草。目前,市场上出现了许多浅耕机械,如无锡华源凯马发动机有限公司开发的KM1S-30型微耕松土机(见图1)、重庆鑫源农机有限公司生产的SIRZ-35型浅耕除草机(见图2)。这些浅耕机型通常采用1～2kW的发动机,结构轻简,在茶园中作业灵活,在丘陵山区的一些茶园已经有了一定的应用。中耕通常在春茶发芽之前进行,耕作深度为10～15cm,常与施肥结合进行,目的是清除杂草、增加茶树对太阳辐射的吸收、增强土壤肥力及促进茶芽萌发。中耕机械目前还较少应用,由于其耕作深度较大,为保证耕作时有足够的动力,需采用2～6kW的发动机,如国产的ZGJ-120型茶园中耕施肥机(见图3),采用5kW的风冷柴油机作为动力[21-23]。该机在全国多省茶区进行了推广,然而由于我国茶园土壤长期管理不善,坚硬的土壤使得该机耕作锹齿变形、耕作深度不达标,因此并没有得到大规模应用。深耕通常在春秋两季进行,耕深应大于15cm,有的甚至超过25cm,作用是疏松深层土壤,将杂草与病虫害深埋,对促进茶树根系发育、改善土壤肥效和减少病虫害有很好的效果。深耕作业由于耕作阻力大,通常需要采用大型拖拉机带动耕作部件进行作业,但由于大型拖拉机整体结构较大,在丘陵山区难以实现转运,目前适合丘陵山区茶园的深耕的机型还很少。

图1 KM1S-30型微耕松土机

图2 SIRZ-35型浅耕除草机

图3 ZGJ-120型茶园中耕施肥机

1.2 茶园植保机械化现状

茶树的病虫害防治是保证茶叶产量和质量的必要条件,目前在茶树上发现的病害有90余种,虫害有430余种,茶园杂草有100余种[24-27]。丘陵山区防治病虫害主要以手动喷雾器(见图4)喷洒农药为主[28-30]。这种手动喷雾器结构简单、售价低,自引入茶园植保至今,一直占据着主要的地位。起初,这类手动药械采用大施液量的高容量喷雾法进行施药,容易造成药液流失、茶叶农药残留等问题。随着茶叶食品卫生安全要求的提高,我国对手动喷雾器进行了改进与完善,使其施液量降低至低容量喷雾水平[31-32],减少了药液的流失与农药残留。由于该技术简单易行,且不用更换施药器械,因此在茶园得到了大量的推广应用,直到目前这种低容量手动喷雾器仍是丘陵山区茶园的主要植保器械[33]。但是,手动喷雾器存在着作业效率低、劳动强度大的问题,因此后来逐渐出现了一些背负式机动喷雾喷粉机(见图5)、担架式机动喷雾机(见图6)等[34-35]。这些植保机械使用小型汽油机或柴油机作为动力,结构轻简,能够轻松实现田间转运,进入茶行作业,在一定程度上减轻了操作者的劳动强度。然而,背负式机动喷雾喷粉机形成的粉雾黏附性性较差,易受风的影响飘散,担架式机动喷雾机需要较长的喷雾胶管,在茶园中拉拽不便[36-37],且这类机动植保机械普遍售价较高,严重阻碍了机动植保机械的推广应用,因此目前应用还比较少。

图4 手动喷雾器

随着近年来国家对食品安全及生态环境的重视,逐渐出现了一些茶园病虫害绿色防控技术。利用害虫的趋光性,在茶园安装太阳能频振式杀虫灯(见图7),诱杀茶园鳞翅目、鞘翅目、半翅目等害虫;利用害虫的趋色性,茶园内使用黄板(见图8)、蓝板诱杀茶蚜、假小绿叶蝉、蓟马等具有趋色性害虫;利用害虫的趋化性,如茶园内鳞翅目成虫用糖醋诱杀[38-45]。这些物理植保方法经济实用、绿色环保,且不受丘陵山区的地形地貌影响,在规模较大的茶园得到了一定的的应用。然而,由于丘陵山区茶园面积辽阔,茶树生长环境复杂,规模不一,病虫害种类较多,而这些物理防治虫害的方法的针对性较强,杀虫的覆盖面较窄,因此丘陵山区的茶园病虫害防治形成了以农药防治为主、物理防治为辅的病虫害防治手段。

图5 背负式机动喷雾机

图8 黄色粘虫板

1.3 茶叶采摘机械化现状

茶叶采摘是茶叶生产过程中最重要的环节之一。手工方式采摘茶叶时通常采用提手采的方法,这种采摘方法能够最大程度地保证茶叶的完整度,提高茶叶的品质,同时使得茶叶的尺寸均匀,方便后续茶叶加工。但是,这种茶叶采摘方式极其费工,效率低,成本高,难以做到及时采摘[46],因此全国各地均开始了机械化采茶的研究与应用。目前,浙江、江苏、四川、贵州等地的一些规模较大的茶园都出现了采茶机的应用[47-48],按操作方式可分为单人采茶机(见图9)、双人采茶机(见图10)、便携式电动采茶机(见图11)及乘坐式采茶机(见图12)等机型[49-51]。其中,单人采茶机和双人采茶机相对于便携式电动采茶机和乘坐式采茶机应用更为常见。现有的采茶机普遍采用往复式割刀来实现茶叶采摘,这种方式简单高效[52],1台单人采茶机(2人操作)通常情况下以8h为一个作业日,每台每天可采鲜叶1 300kg左右;而如果用手工采摘,熟练的茶农每人每天能采60kg左右,则要21人才能完成同等采摘量,因此一台单人采茶机采茶每天可节省19个劳动力。这样高的工作效率不仅仅可以保证茶叶采摘的时机,同时也可以将茶农们从采摘茶叶的工作中解放出来,还能减少采茶劳动力,降低生产成本,提高经济效益。因此,这些采茶机正在全国范围内推广应用。但是,这种机械采茶方式属于无差别采摘,虽然采摘效率很高,却无法对老叶嫩芽进行选择性采摘,且采摘下来的茶叶破碎率较高,严重影响茶叶的完整度,因此主要用于大宗茶鲜叶或原料芽叶较粗大的乌龙茶的采摘,而无法满足名优茶的采摘要求[52]。目前,国内有关科研院所正针对名优茶特别是高档名优茶鲜叶原料的采摘进行攻关研究,并获得了一些成果[53-55]:通过设置扶叶机构,在采摘前将嫩芽扶正,将完整度提高到70%以上;通过建立茶蓬新梢统计模型,控制采茶机的切割器自动调整高度[56],实现同一平面内最大限度采摘完整新梢,大幅提升茶叶完整度;通过计算机视觉实现新梢的识别与定位[57],控制机械手实现采摘,这种采摘方式的完整度可以达到95%。然而,这些新技术还处于试验阶段,距离真正推广应用还有很长一段时间。因此,对于名优茶的采摘,目前仍然依靠手工为主。

机械化采茶技术受到茶叶的品种、品牌和茶叶加工对采摘的要求等因素制约,现有的茶叶采摘机械虽然能够实现茶叶的采摘,但仅适用于修剪成形茶园的大宗茶叶,还无法达到名优茶的采摘要求,名优茶的采摘还有待新技术的应用。因此,尽管我国正在全国范围内大力推广应用各种采茶机,但并未取得明显的成效,仅在一些规模较大的茶园出现了采茶机的应用。丘陵山区的茶园以家庭式小规模种植为主,因此目前还较少见到采茶机的应用,并且在名优茶的采摘没有得到突破以前,茶叶采摘机械化程度不会有太大的改变。

图9 单人采茶机

图10 双人采茶机

图11 便携式电动采茶机

图12 乘坐式采茶机

2 茶园种植机械化的问题

实现茶园种植机械化对提高丘陵山区茶叶产业经济效益起着至关重要的作用,但目前丘陵山区的茶园种植机械化还存在着很多问题,主要集中在茶园、作业机械、农机农艺融合、茶机共同使用和茶农这几个方面。

2.1 茶园问题

1)丘陵山区的茶园地块大多比较零散,呈阶梯状,相邻地块之间高度落差大,道路条件差,茶园机械从存放地点转移到茶园及茶园中相邻地块间的茶园机械转移十分困难,目前丘陵山区作业机械的转移基本依靠茶农肩扛手抬,劳动强度大。

2)丘陵山区的茶园地块平整度较差,存在一定的坡度,且地块形状不规则,作业死角多,机械作业难度较大。

2.2 作业机械问题

1)目前,适合于丘陵山区茶园的机械还十分缺乏,尽管如耕作、植保等作业环节已经有了对应机型,但都是一些技术含量较低的机型,且大都比较雷同,性能差较,尽管型号繁多,但并没有在丘陵山区的茶园得到大规模应用;而对于如茶园深耕、高档名优茶的采摘等一些对技术含量要求较高的作业环节,目前还很少有合适的机械。

2)现有的机型作业时对操作者的依赖性强,转向控制困难,振动噪声大,整机舒适性较差。茶园机械零件质量差,装配精度低,故障率较高,严重影响了作业的效率甚至错过最佳作业时间段。

3)现有的丘陵山区茶园机械通常是动力机械与作业机械结合一体,售价较高,动力机械不能一机多用,因此购置某一种植环节的作业机械就需要同时购置动力机械,购机成本高,经济性差。尽管我国很早以前就已经开始了通用动力平台的研究,但由于作业机械的接口、整机控制等关键问题没能很好地解决,因此目前还没有出现通用动力平台的应用。

2.3 农机农艺融合问题

农机农艺融合是解决农业机械化生产的重要措施与途径,而目前我国丘陵山区茶园的农机农艺融合水平还很低。我国茶园种植区域分散在全国各地,茶园种植模式复杂,茶树的栽植技术、耕作制度、采摘方式等没有考虑到机械作业的要求。因此,茶树品种的选育时应考虑该品种是否适应机械化作业,茶树栽植时应给机械作业预留足够的行间距,茶树培育时应形成整齐的蓬面,培育的新梢萌发整齐、长度一致,以适应机械化采摘。另一方面,研发部门没有建立农机与农艺相结合的研发机制,农艺研究主要追求如何提高产量,忽略了机械作业的适应性;农机研制过程中,又会根据对应的种植制度,研究不同作业要求的机械,二者结合的情况较少,给茶园机械化发展带来很大的问题。

2.4 茶机共同利用问题

我国丘陵山区的茶叶种植主要是以家庭式的小规模生产为主,各种植户之间缺乏相互之间的协同合作,缺乏合理的茶机共同管理利用意识,每家每户均各自购买多种类型的茶园机械,造成了大量茶园机械的闲置浪费,购机成本高。丘陵山区缺乏专业的茶园机械管理作业团队和茶叶机械服务专业合作社等社会化服务组织,茶园作业只能依靠茶农自己或雇佣工人操作机械作业,作业水平良莠不齐,作业质量差,茶园机械一旦发生故障,只能送回到经销商处进行维修处理或等待厂家的售后上门,维修周期长,路程远,劳心费力。

2.5 茶农问题

目前,丘陵山区茶农老龄化严重、体力差,不满足机械作业对操作者体力的要求;茶农的文化水平普遍较低,难以掌握机械作业的各种技术要求,大多不会机械的故障排除、维修等技术;茶农对茶园机械的保养管理意识差,茶园机械通常只能使用2～3年,使用成本高。因此,丘陵山区现有的茶农难以适应机械化作业,提高茶园机械化水平必须积极培养技术水平高的青壮年茶农。

3 茶园种植机械化的发展思路

加快我国丘陵山区茶园种植机械化进程,主要可以从以下几个方面来考虑:

1)提高茶园的标准化建设水平,通过长远规划,逐步实施的方式对丘陵山区的茶园进行土地宜机化整治,逐步改善茶园的基础设施现状,为茶园的机械化作业创造有利条件。

2)积极发展适度规模经营,提高茶园的规模化经营。积极鼓励成立专业的茶园机械管理作业团队或茶叶机械服务专业合作社等社会化服务组织,为丘陵山区的茶农提供专业的服务。积极宣传鼓励家庭型茶农多家购买不同机型,联合使用,共同管理,切实解决丘陵山区茶园机械购机成本高、利用率低的问题。

3)强化农机农艺融合,推行适宜的农艺管理措施,改革传统种植制度,使茶园生产适宜机械化作业。新发展的茶园采用规范化的种植规格,选择优良的茶树品种,通过定型修剪形成统一的树高和蓬面,以适应机械化作业。

4)针对丘陵山区茶园的特殊作业条件,积极研发适宜的作业机械,切实解决茶园种植各环节机械缺乏的问题,提高机械的舒适性,降低作业的劳动强度,提高机械的制造水平,降低故障率。

5)目前,丘陵山区的茶园机械多采用柴油机或汽油机作为动力,为响应国家节能减排和可持续发展政策的号召,可以加大新能源应用,积极研发绿色无污染的新能源茶园机械。

6)进一步改进完善通用动力平台,开发出适用于丘陵山区的通用动力平台,使得动力机械的利用率得到提升,提高茶园机械的经济性,降低购机成本和使用成本。

7)将计算机视觉、图像处理、伺服控制等技术应用到茶园机械当中,提高茶园机械的自动化、智能化程度,实现茶园植保机械的精准、精量喷施,茶叶采摘的精准识别定位及单芽完整采摘等。

4 结论

尽管我国丘陵山区的茶园种植机械化还存在很多问题,但近年来通过土地宜机化整治及茶园标准化建设、规模经营化,已经初见成效,一部分茶园的作业条件已经得到改善,能够适应机械化作业。下一步,我国应继续推进茶园标准化建设、经营规模化,同时加大茶园机械的研发力度,采取引进应用、参考借鉴和自主创新并重的策略,研制技术含量高的具有自主知识产权的茶园机械,提高茶园种植机械的自动化程度,为进一步实现茶园种植的智能化打下坚实基础。