茶园管理机械发展现状及趋势

2021-03-05李兵

现代农业装备 2021年2期

李兵

（1.安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036；2.安徽农业大学茶树生物学与资源利用国家重点实验室，安徽合肥 230036）

0 引言

我国是茶的故乡，早在神农时期便发现并利用了茶，中国人饮茶已有几千年的历史，茶是一种深受全世界喜爱的饮品，直到现在茶依旧是千家万户的日常饮用品[1]。近年来随着科技的创新、人民经济生活水平的提高以及各级政府对茶产业的高度重视，我国各类茶叶销售量正逐年增长，茶叶出口量呈稳固上升的态势，茶区面积也在不断地扩大[2]。据统计，截至2019 年我国茶园总面积达4 597.87 万亩（1亩=0.067 hm2），茶叶种植面积连续几年居于世界首位，茶叶产量占世界产量近一半[3]。我国茶区主要分布在云南、四川、福建、湖北、浙江、贵州、湖南和安徽等省区，尤其是近年来湖北、贵州等省区茶园种植面积稳中增长,中国茶园种植面积虽广，但与日本相比，茶园的机械化和现代化水平远远落后，茶园管理机械化水平不高，甚至在一些经济发展相对落后的山区，茶园管理依旧以人力为主[4]。茶园机械化是提高茶叶产量和质量、促进茶叶产销量增长的重要手段，因此茶园管理机械对茶产业稳固发展起着至关重要的作用。

1 茶园管理机械研究现状

1.1 标准化茶园建设

茶园机械化管理水平较为落后的原因之一为茶园缺乏标准化建设，主要表现为：我国目前的茶园大多数为密植茶园，茶园内的行距过窄,行间机耕道小于600 mm，管理机械进入行间困难，行走部件可能损伤茶树[5]；茶园之间分布较为疏散，无法连片，不便于茶农进行集中管理；茶园基础设施建设较为薄弱，如灌溉、排水系统不够完善，旱涝霜冻等灾害时常发生[6]，导致茶叶产量降低，茶叶品质得不到保障。要实现茶园管理完全机械化的目标，首要任务是建设规模合理、园地优良和具有全面管理体系的标准化茶园。2009 年农业农村部提出了“标准茶园”的概念，组织开展全国标准茶园创建活动，研究制定了一系列实施方案，并在浙江等地区创建了第一批标准化茶园示范基地，试验结果令人满意，为之后其他地区的标准化茶园建设提供了模板，进而提升了我国茶叶生产技术，促进茶产业持续健康发展[7]。与传统茶园相比，标准化茶园建设的优点为：茶园集中连片，更加规模化易于管理；园内布局科学，行距合理，为茶园管理机械的作业和运输提供便利；基础设施完善，使得茶园的建设、规划和管理措施更加科学[8]，从而提高茶叶品质，全面提升茶叶综合生产力和产业竞争力。

1.2 耕作机械

茶园耕作技术关系到土壤所含的水分、空气、肥料等物质，这些成分对于茶树的生长起重要作用，并且影响茶叶加工品质。传统茶园耕作机械化程度较低，劳动强度大，作业质量差，为满足社会生产生活的需要、解放劳动力和提高作业效率，科研人员开始对茶园耕作机械进行研究[9]。1990 年新昌县捷马机械有限公司通过使用F190 型柴油机提供动力，设计出一种ZGJ-120 型中耕机，该机能在具有一定坡度的茶园中平稳耕作，耕作后土地松软平整，作业中对茶树的损伤较小，转弯灵活，便于技术人员操作[10]。2011 年，杨拥军[11]研制出一种动、静刀结合作业的小型茶园中耕机，解决了杂草容易缠绕机身部件的问题，对称安装的刀片结构对于减震具有一定效果，该机的防护罩采用流线型设计，能够有效减少行进过程中机身所受阻力，确保了机器作业时的通畅性、连续性和稳定性。2013 年，肖宏儒[12]结合多功能地盘、动力与机具直联驱动等技术，研发出一种节约能源、环保清洁的多功能茶园管理机。该装备的前进和机具作业时所需要的动力通过全液压传动技术得以实现,使得机器在行走和作业时更加灵活方便；该机还能够实现多机具配套复合作业功能，有效降低了茶叶生产成本。多功能茶园管理机的研制满足了一种机械多种模式化作业的要求。2015 年，徐良[13]以308F 小型手扶式茶园中耕机为试验样机建立数学模型，分析出草长、轴径、静摩擦系数对缠绕的影响性，通过试验得出增大转轴半径可以防止或减少杂草缠绕刀轴的现象。2016 年，安徽农业大学茶机课题组[14]针对茶园除草碎土问题研制出一种结构简单、操作便捷的自走式茶园微耕机，采用ANSYS 软件对该机的除草碎土部件进行分析，确定部件在工作时所受到作用力的相应位置，通过试验证明该机在作业时具有较高的稳定性，耕作后土壤表面较为平整且能满足茶园的除草和碎土要求，也符合规定的耕深耕宽范围。同年，该课题组还设计制造了一种旋耕刀为直角刀片的便携式茶园微耕机，采用直角刀片的旋耕刀在入土时具有较大的切碎力，更容易切碎土块，因其体积小、质量轻、便于掌握等优点，在作业过程中较为机动灵活且不易发生位移[15]。2017 年，程方平[16]设计出一种以NH130 风冷汽油发动机为动力，除草轮结构的手扶式茶园除草机，田间试验证明该机拥有较高的除草率，对于土壤的铲击功能也较强，能消除除草轮之间由于空隙造成的漏耕现象，耕作后的土块较小，整体结构较为轻巧，能灵活地在行距较窄的茶园中高效作业。

1.3 植保机械

茶园植保在整个茶树生长生产环节中起着重要作用，直接影响茶树产量和茶叶品质。随着人们健康、环保意识的提高，化学农药在茶树生长过程中的使用逐渐减少，中国农业科学院茶叶研究所陈宗懋院士[17]曾指出我国茶叶质量安全问题大都是由于农药残留导致的，茶叶中残留的农药对人体伤害极大，长期饮用含有农药残留的茶叶容易引起慢性中毒，与成年人相比，农药对于儿童的身体健康伤害更为严重。为减少农药对于人体健康的伤害，越来越多的绿色环保措施被应用到茶园植保中。2012 年，胡义元[18]对信息素色板诱捕器诱捕茶园害虫进行试验，通过利用信息素和色板对害虫吸引性，使得信息色素板诱捕害虫并粘于色板上，试验结果表明信息色素板对于茶园害虫的防效较好，但需要进一步改善，提高诱捕率。2014 年，安徽农业大学茶机课题组发明了一种乘座式茶园杀虫机，机器运转时，含有昆虫的高速气流通过安装在“∏”形机架内侧上方的集风罩及导风管进入到昆虫分离器，经筛孔作用将昆虫引入到药液中杀死，该机器具有良好的杀虫效果并减少了茶园中农药的使用量[19]。2016年，金星[20]研制出一种主要以超高亮全彩LED 为光源的光纤发光诱虫灯，针对诱虫灯不同发光颜色等因素对诱捕害虫的影响进行对照试验，发现利用黄色光的诱虫灯在亮2 min 灭1 min 的规律下诱捕害虫效果好，并且能耗较小，具有广阔的应用前景。2019 年，涂海华[21]利用茶园害虫的趋光性等生态特征设计了一种双光谱LED 茶园专用杀虫灯，能够最优化地对害虫进行诱捕，通过实际生产生活的使用验证了该灯的杀虫谱较广，对害虫进行大量诱杀的同时也能保护和利用益虫。该灯对于害虫的测报和诱捕更为科学，使得茶树更加绿色健康地生长。在确保病虫害防治有效性的前提下还要满足绿色环保防治措施的要求，生物农药开始逐渐在茶园植保过程中普及并应用。2020 年，杜润清[22]探讨了生物农药在病虫害防治上的使用，分析了生物农药的成分比较天然，具有无公害防治病虫害的优点，能在最大限度上避免农药的使用，减少茶园环境污染情况，保护了茶树的生长环境。随着茶园劳动力资源的紧缺和各病虫害防治措施的应用改善，利用植保无人机对茶园进行植保已成为一种必要趋势。近些年来，植保无人机在我国逐渐兴起并快速发展，因其具有靶标明确、高效环保、灵活性较强等特点受到了人们的喜爱，植保无人机的应用也使得茶农对于茶园的管理更加便捷高效，提高了生产效率[23]。2016 年，袁玉敏[24]就GPS 定位系统在环境较为复杂的条件下定位精度不准确、稳定性较差等问题，设计出了一种基于GPS 和GPRS 的混合农业植保无人机高精度定位系统，该系统的运用能够有效地弥补农业植保无人机存在的不足，从而提高无人机定位的准确性,为其他科研者在农业植保无人机技术研究方面提供了重要的指导。2020 年，王亚涛[25]设计了一种基于感应式核电原理的静电喷雾系统多旋翼植保无人机，该机进行植保作业时喷射出带荷电的雾滴，雾滴可通过旋翼旋转所形成垂直向下的风场控制，喷雾的流量通过控制模块得以稳定；该植保无人机具有操作简便、精准作业、降低劳动力、减少药液消耗等优点，拥有较好的应用前景。

1.4 修剪和采茶机械

采茶是茶叶生产中十分费工费力的劳作环节之一，随着社会的发展和农村劳动力的转移，茶区劳动力资源越来越短缺，采茶机械化成为一种必然趋势，机械化采茶所用到的主要设备为茶树修剪机和采茶机[26]。要实现茶叶由手工采摘向机械采摘的转变，首先需要采用修剪机械对茶树进行修剪以形成合适的采摘面，且最后一次修剪所使用的修剪机械应与之后采摘机工作弧面相一致，因此修剪机械和采茶机械通常配套使用[27]。我国茶叶修剪机和采茶机起步较晚，市场上的茶树修剪机械和采茶机械大多从日本引进。随着我国工业化进程快速发展，国内一些农机企业开始在茶树修剪机械和采茶机械上加大资金投入，进行上述装备的研发[28]。2013 年，针对优质扁形绿茶的采摘，嵊州市嵊慈茶机有限公司[29]设计出一种采用蓄电瓶提供动力的6CDW-220型微型采茶机，通过利用小采幅切割器和拨叶轮完成茶树鲜叶采摘，采摘后的芽叶较为完整且漏采率较低，该机具有效率较高、节约能耗、噪声小等优点，但生产率相对较低，无法满足大型茶企需求。2016 年，戴有华[30]利用软件对手扶式茶树修剪机创建虚拟样机，分析样机各零部件强度性能和机构运动学、动力学，模拟了手扶式茶树修剪机在修剪茶树时的受力情况，模拟设计计算样机尺寸大小和各部件的结构，以保证实物样机的质量。2020 年，安徽农业大学茶机课题组[31]设计制造了一种便于茶农操作的单人背负式采茶机。该机作业时，汽油发动机产生的动力经蜗杆和动力离合器输出从动轴传至采茶机采摘头，往复式切割器割下的茶鲜叶通过风机吹入到集叶袋中，实现茶叶采摘环节。单人背负式采茶机具有较小的漏采率，且采摘后的茶树蓬面平整，不影响下次采摘，机器工作时较稳定亦便于操作，满足茶园采摘要求，适合推广使用。2020 年，为减小修剪机械剪切时所受阻力、提高切口平滑度，易文裕[32]对双动刃茶树修剪机进行优化，通过建立修剪机刀片仿真模型并进行正交试验，得出刀片间隙和切割速度等参数最佳优化值，该机型参数的优化为采茶机的设计提供了新的思路。针对背负式单、双人采茶机作业时噪声污染、劳动强度较大等问题，安徽农业大学茶机课题组[33]研制出一种履带式智能采茶机，利用软件建模对各部件进行优化设计。整机构造宽度为550 mm，作业时行驶于行间，同时设计有茶蓬高度传感器，采摘头根据茶蓬起伏自动调节高度，提高了芽头采摘合格率。该机结构紧凑，降低了采茶劳动强度，适用于密植型丘陵茶园。

2 茶园管理机械发展趋势

2.1 加强合作与交流

相关科研单位、院校和企业应加强茶园管理机械技术方面的合作与交流，联合攻关，突破技术瓶颈；各级主管部门应相互积极配合，组织技术交流和专项培训活动，探讨相关技术的发展，互相扶持以提高茶园管理机械化程度。

2.2 加大投入和补贴力度

加大农业机械生产方面的投入，相关单位应因地制宜的加大补贴力度，进行合理补贴，调动农民购买农机具的积极性[34]。对丘陵山区农机推广目录中微耕机、茶叶生产机具、田园管理机、中耕管理机等小型机具应适当加大推广力度，促进茶园管理机械在茶叶生产过程中的广泛使用。

2.3 注意农机农艺的融合

在进行相关机具的研究时，应注意农机与农艺的融合，应充分考虑到我国茶园的种植特点，设计与之相适应的土壤耕作部件或执行机构等，以防止脱离实际而难以推广[35]。考虑到我国茶园多为密植茶园，机耕道过窄严重制约茶园机械化发展，茶园标准化建设势在必行。可根据各地实际情况逐步有序进行茶园标准化改造，最终达到茶树行距在1 800～2 000 mm 为宜，以保证行间机耕道达到600 mm以上，利于茶园管理机械在行间行驶；同时结合山区茶园土地整理项目，扩大高标准茶园面积，为茶园机械化的发展提供良好的物质基础。