茶树植保机械及减量施药技术研究进展*

刘冬梅，杨杭旭，周宏平，郑加强，茹煜

(1. 金华职业技术学院机电工程学院，浙江金华，321017； 2. 浙江省农作物收获装备技术重点实验室，浙江金华，321017； 3. 南京林业大学机械电子工程学院，南京市，210037)

0 引言

茶是世界上广受喜爱的绿色天然饮品，目前全世界约有60个国家和地区种植茶叶，其中，全球茶叶种植面积最大的是中国，2019年中国茶叶种植面积约2 930 khm2，占全球茶叶种植面积的60%[1]。随着茶园面积不断扩大，茶树病虫害已成为影响茶产业健康发展的重要因素。当今，国内外对茶树病虫害普遍推行综合防治管理，但因多数茶园为规模化密集矮化种植，在低海拔地区极易发生病虫害，且在规模化种植茶园内病虫害容易大规模繁殖。在实际生产中，由于假眼小绿叶蝉、茶尺蠖、茶饼病等重大病虫害常年发生流行，高效低毒的绿色农药防治仍是无公害茶园病虫害防治的重要手段。

目前，国内外对茶树病虫害防治的研究主要放在茶树抗病虫品种的筛选培育、生物农药改良及各种农业、物理、生物防控，对利用植保机械对茶树进行科学施药的针对性研究较少[2-3]。少量研究主要集中在评估喷雾机雾滴沉积分布及病虫害防治效果上[4-11]。调查发现，茶农普遍对喷雾施药缺乏科学认识，对喷雾器械及喷施参数缺乏深入了解，施药技术不科学，导致施药次数和用药量增加[3]，而大量施用农药会导致茶树病虫害产生抗药性、破坏生态平衡及茶叶农残等问题。

近年来，我国茶叶农残标准要求稳步提高，国外欧盟、美国、日本等发达国家对进口茶叶农残标准要求愈加严苛，在茶树病虫害综合防治前提下如何实现茶树减量施药是当下茶树植保的重难点。鉴于此，本文从茶树生物特性、茶树病虫害预测诊断及防治方法、茶树植保机械及施药技术等方面展开评述，并对茶树病虫害施药技术及装备提出进一步研究建议，以期为茶树减量施药提供借鉴与参考。

1 茶树生物特性及其病虫害

茶树是多年生、常绿木本植物，广泛种植于亚洲和非洲的南部和东南部。根据树型分为乔木、小乔木和灌木型茶树，为便于茶叶采摘和茶园管理，目前茶园种植的多为密植矮化灌木型茶树，其冠层内叶片上下交叠和障蔽现象十分严重[7]。灌木型茶树在严格修剪、采摘管理下，叶片被诱导集中在树冠表层，约有85%～95%的叶量集中分布在树冠0～30 cm的表层，30 cm以下着叶量仅占5%～15%，其有效叶面积指数一般在4以下[12]。茶树叶片表面比较光滑，无长绒毛，表面粗糙度较小，具有多种倾角，研究发现茶树叶片表面具有亲水性[13]。观察发现，茶树成龄叶片形状有椭圆形、卵形、披针形、圆形等，其中以椭圆形和卵形居多。叶片边缘大都平展，分布有细密锯齿，一般为16～32对，靠近叶尖锯齿较密，靠近叶柄锯齿较稀或没有锯齿。叶片表面有明显主脉，并向两侧发出多条侧脉，侧脉对数随茶树品种而异，一般8～9对，多则10～15对，少则5～7对。主脉和侧脉约成45°～80°角，侧脉伸展至边缘2/3处即向上弯曲呈弧形，与上方侧脉相连，构成封闭式网状系统，这是茶树叶片一个鉴别性特征。叶片大小通常分为超大叶、大叶、中叶和小叶，以叶面积在60 cm2以上为特大叶，40～60 cm2为大叶，20～40 cm2为中叶，20 cm2以下为小叶。茶树叶片可塑性大，易受环境和栽培技术影响而发生变化，叶长在5～20 cm，叶宽在2～8 cm范围，但就同一品种而言，叶片形态特征变化较小。对于叶片背面茸毛，除主脉上外，多数绒毛基部短，弯曲度大[14]。因茶树冠层和叶片结构都是重要药液沉积变量[15]，了解不同生长期茶树生物特性是实现茶树减量精准施药的基础。

据估计，世界上有超过1 000多种病虫影响茶树的生存和生产，在中国已记载虫害约430种，病害有90余种，在印度登记的茶树虫害约有380余种[16-17]。茶树病虫害以虫害居多，在中国主要以食叶类害虫、吸汁性害虫为主，病害发生相对较少，较常见的以茶饼病、茶炭疽病为主。在印度东北部和印度南部茶园，主要虫害为茶红蜘蛛、茶角盲蝽、茶黄蓟马，近年来大钩翅尺蠖、油桐尺蠖、黄钩尺蛾等食叶害虫在印度东北部呈流行趋势[17]。近十年来，在中国、印度、斯里兰卡、日本和中国台湾等主要茶叶生产国和地区，茶斑蛾已成为重要的食叶害虫，值得重点关注[18]。随着茶树种植方式由丛栽发展为条栽密植，茶园空间明显减小，连片栽植茶园不仅为病虫生长、繁衍和传播创造了条件，也提供了更隐蔽的匿藏场所，使病虫种类和密度增加。同时，茶园间作也会使病虫区系发生变化，如中国华南茶区推行胶茶间作后，导致红根腐病发展成为优势种[16]。由于生态条件差异明显，世界各地茶树病虫害种类不尽相同，有些为普遍发生，有些表现为一定的区域特点，流行模式也不一致，各地应根据当地病虫害种类及发生规律，开展茶树病虫害预警与防治。

2 茶树病虫害预测诊断及防治方法

茶树病虫害预测预报是茶树减量精准施药的重要基础，主要有经验预测、实验预测、统计预测和信息预测等[19]。传统茶树病虫害监测预报采用田间定点监测或随机调查，直接用肉眼观测病害或者用捕捉害虫方法判断病虫害发生可能性[20]。近年来，遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)和物联网技术的应用为茶树病虫害预测预报提供了观测平台和技术手段[19]。徐德良等[21]设计出基于物联网的茶树病虫害预警信息系统，该系统通过安装RFID、传感器等，感应茶树生长过程中温度、湿度、土壤等环境因素的变化以实现病虫害早期预警。日本建立了植物防疫信息综合系统JPP-NET，其借助网络数据库来预测、管理和发布病虫信息。美国农业部建立了基于网络地图的有害生物信息平台(PIPE)[22]，用于提供重要病虫害的田间动态观察、发生趋势分析、监测预警等服务。为准确进行茶树病虫害诊断与防治，国内外学者研发出多种茶树病虫害专家系统。汪辉进[23]根据皖南茶区茶树病虫害特点，开发出茶树病虫害智能化防治专家系统。敬廷桃等[24]设计开发了基于B/S结构的茶树病虫害综合防治信息系统，为茶农进行病虫害查询、诊断与防治提供了科学指导。随网络覆盖工程的实施，便携式移动智能终端发展迅速，研发基于移动智能终端的茶树病虫害诊断防治系统，更便于茶树病虫害实时求助、快速诊断和信息检索[25]。李敏等[26]构建了基于Android平台的茶树病虫害查询诊断系统，重点围绕茶树病虫害信息浏览、专家技术交流等。邓立苗等[27]基于JSP和Android技术，构建基于Web的茶树病虫害远程诊断系统，其能实现病虫害田间信息实时获取与诊断及病虫害信息查询。美国佛罗里达州研制的有害生物远程诊断与识别系统(DDIS)，通过提交从田间获得的数码样品和文字描述，全州专家都可进行诊断和识别，并提供最优建议[28]。目前，国外发达国家病虫害诊断与识别系统具有高清、全覆盖远程互动视频系统，信息采集自动化程度较高，结合专家远程在线指导，能及时准确地给出防治建议。而国内茶树病虫害专家系统多以茶树病虫害文字和图片信息为主，对田间病虫害动态数据获取较少，缺乏专家在线指导，今后开发智能化、信息化、动态化的茶树病虫害专家系统对于茶树科学减量施药具有重要意义。

对于茶树病虫害的防治，各产茶国普遍以农业防治、物理防治、生物防治为主，化学防治为辅。通过选育抗病虫品种，去除茶园内杂草，适当遮阴和施肥，改善茶园排水系统，合理种植、嫩采、修剪等农业措施，促进茶树生长，增强其抵抗病虫攻击的能力，从而控制和降低病虫危害[29-31]。物理防治是茶树病虫害综合防控的重要措施，主要有人工捕杀、粘虫色板诱捕、灯光和性信息素诱杀等。Borthakur等[32]发现黑光、振频闪光、近紫外光杀虫灯对捕捉飞蛾效果明显，当光捕器放置在茶树冠层上方0.5 m高度时，更易捕捉到成蛾。Anonymous[29]认为冬季在茶园间作树的底部树干涂上白石灰，可作为飞蛾等虫害的产卵屏障。近年来各产茶国都投入大量精力研究茶树病虫害生物防治。生物防治主要包括两个方面，一是利用天敌防治害虫；二是利用病原微生物、植物提取物等生物对茶树病虫害进行杀灭。

在茶园内通过大量饲养寄生蜂、捕食螨和鸟类等天敌可以对茶园病虫害进行控制。Sinu等[33]研究了鸟类在印度东北部茶园防治茶毛虫的作用，发现在害虫防治规划中应将鸟类作为茶树害虫的重要生物控制剂。Whelan和Philpott等[34-35]研究表明鸟类也可以对昆虫爆发或落叶事件表现出强烈的数字反应，鸟类物种丰富度(或功能丰富度)越高，预计茶园内节肢害虫的去除率越高。在亚洲，中国是最大的生物农药市场，其次是印度和日本[36]。在印度，只有四种植物杀虫剂即除虫菊、印度楝、尼古丁和香茅油登记在册。在中国，苏云金杆菌、多角体病毒、鱼藤酮、苦参碱、川楝素、藜芦碱、柠檬苦素、桉叶素和印楝素都是生物农药注册产品[17]。生物制剂的可再生性、安全性和生态友好性，已成为茶树病虫害防治可持续性的有效保护措施。

当茶树病虫害大面积爆发时，可适当进行绿色农药防治。目前，茶树用农药多为高效低毒的绿色农药和生物农药，生物农药因低毒、无残留、无抗药性等优点，在茶树病虫害防治应用中呈较快的增长趋势。茶树病虫害施药效果取决于多种因素，与喷施药剂、环境条件、喷雾器械、喷嘴类型及喷施参数等密切相关。

Kakoty等[37]发现红蛞蝓毛虫更喜欢灌木底部老叶，如果从灌木较低区域开始喷洒，对红蛞蝓毛虫会更有防效。刘冬梅等[38]发现利用微生物农药对茶树施药时还需考虑喷头结构、喷施压力等因素对药液生物活性的影响，以最大程度保持其活性，提高农药生物防效。药剂性质如表面张力、粘度及密度等因素直接影响农药在叶片表面沉积分布[39]。因茶树冠层和叶片结构都是重要药液沉积变量[15]，对茶树施药时，需将茶树生物特性纳入雾滴沉积研究中，结合喷雾药剂性质，选择合适喷头及喷施参数，以提高农药有效利用率，实现减量施药。

3 国内外茶树植保机械及施药技术

3.1 物理防治机械

目前，世界各产茶国中日本的茶园机械化程度最高，从茶园耕作、施肥、修剪、采摘、植保到加工，已普遍实现全过程机械化管理。对于茶树植保机械，国内外大多偏重研究病虫害物理防治机械，如各种捕虫机、杀虫灯及粘虫色板等。Li等[40]基于目标害虫趋光性、形态和飞行能力，设计了茶树害虫专用LED灯，提高了诱捕效果。Borthakur等[32]发现近紫外光捕虫器放置在茶树冠层上方0.5 m高度时捕捉飞蛾效果明显。日本国立野菜茶业研究所开发了“旋风式吸引洗净装置”和“送风式捕虫机”，前者利用吸气装置将害虫吸到收容器，同时用水对冠层进行风送喷水冲洗，对假眼小绿叶蝉、炭疽病有较好抑制效果，后者使用含水雾强风将茶蓬内害虫吹入集虫袋，对螨类害虫去除率达到82%[41]，如图1所示。

(a) 旋风式吸引洗净装置 (b) 送风式捕虫机

农业农村部南京农业机械化研究所团队自主研制了背负式茶树吸虫机和乘坐式物理捕虫机，其对假眼小绿叶蝉等飞行害虫具有较好的控制效果。在日本，已普及利用送风除霜防冻害技术，基本解决了茶园霜冻问题[42]。国内江苏大学胡永光团队、农业农村部南京农业机械化研究所团队也研制了茶树防霜机、大型塔式防霜扇，通过扰动近地逆温层空气，使茶树避免或减轻霜害[43-44]。在实际生产中，物理防治对茶树病虫害有较好的防治效果，但由于生态环境的复杂性，物理防治也存在其局限性，如需要耗费大量人力物力，在害虫大规模爆发时无法及时控制虫害，杀虫灯及粘板等有时对人、动物及天敌也不安全等。考虑茶树病虫害发生的复杂性，实际生产中应将物理防治与农业防治、化学防治等方法进行综合应用[45]。

3.2 植保喷雾机械及施药技术

当病虫害大规模爆发时，利用植保喷雾机械进行农药防治具有快速高效的防治优势。植保喷雾机械将农药直接雾化成液滴并喷施到茶树靶标上，其性能优劣直接影响药液在靶标上沉积分布和最终生物防效。根据茶树种植分布及树型特点，目前常用的茶树植保喷雾机械有背负式喷雾器、担架式喷雾机、喷杆喷雾机、植保无人机及风送高射程喷雾机，其工作形式及特点如表1所示。

表1 常用茶树植保喷雾机械Tab. 1 Commonly used tea tree protection spray machinery

近年来，结合茶树栽培生长特性，日本率先研发出乘用型复合茶园管理机[42]，国内肖宏儒团队根据茶园特点研制了高地隙轮式、履带式茶园多功能管理机，通过配套大喷幅折叠式喷杆可在茶树高1 m、蓬面宽1.5 m、茶蓬间距15 cm左右，横向坡度小于20°的茶园进行喷雾作业，田间试验表明其喷施农药比人工作业可提高工效25倍[47]，如图2所示。随着先进传感器技术及自动控制技术的快速发展，国内外科研人员对基于变量喷雾的仿形喷雾机进行了诸多研究。Hocevar和Osterman等[48-49]设计了机械臂可调节的仿形喷雾机，其通过图像采集和分析系统获取冠层轮廓，调整喷雾臂最优位置，实现单侧树木的仿形喷雾；Miranda-Fuentes等[50]研发了基于超声波传感器的变量对靶喷雾机，根据传感器测量的冠层信息，控制系统调整线性执行机构的喷雾位置和喷施量对两侧树木进行仿形喷雾作业，如图3所示。李龙龙等[51]研制出基于变风量与变喷雾量的果园自动仿形喷雾机，其以冠层分割模型作为变量处方，以激光传感器作为探测源，根据探测的果树冠层体积实时调节风机转速和喷头流量实现仿形变量施药。基于变量喷雾的仿形对靶喷雾机利用超声波、激光和图像等技术探测冠层轮廓、叶密度、株高等形貌信号，根据信号控制喷嘴位置、风量和喷头流量[52]，提高了雾滴在冠层分布均匀性和农药施用效率。设计茶树自动对靶变量喷雾机，采用低容量精准施药技术，有助于实现茶树减量施药和减少环境污染。

长期以来，茶树施药多停留在常量喷雾，容易造成农药浪费、环境污染和农药残留等问题，已难以满足茶叶绿色可持续发展需要。研究发现，喷雾施药时只需一定的雾滴覆盖密度就可达到良好的防治效果，并不需要采用大容量淋洗式喷雾方式[53]。近年来，喷雾技术及装备的发展使低容量喷雾逐渐成为未来农药喷雾的主流。随着国内外市场对茶叶农残限量标准的逐步严格，低容量喷雾已成为茶园减量施药的重要手段。研究多种喷雾技术的融合和变革，以最少农药施用量，获得最佳病虫害防治效果是现代茶园喷雾技术发展必然趋势。目前，国内外茶树施药中已运用多种喷雾技术，如表2所示。随着探测技术、控制技术及系统集成技术的发展，低量化、精准化和智能化是茶树植保喷雾机械及施药技术的发展趋势。

(a) 日本乘用型复合茶园管理机 (b) 高地隙轮式多功能管理机

(a) 机械臂仿形喷雾机 (b) 立式仿形喷雾机 (c) 多风管仿形喷雾机

Fig. 3 Profile sprayer

3.3 存在问题

近年来，有机茶由于优良品质和健康功效得到了各产茶国的重视和发展，但由于有机茶检测认证标准严格、人工成本高、茶叶产量低及国际贸易壁垒等问题，国际市场上有机茶的市场占有率不足10%。2019年国内通过有机茶认证的茶园面积约110 khm2，不足茶园总种植面积的4%，无公害茶园仍占主导地位[55-56]。目前，全球各产茶国中日本茶园因机械化、标准化程度高，其植保作业普遍实现了机械化操作，能有效及时地将病虫害控制在合理范围内。我国茶园分布呈多而散的特点，缺少规模化、标准化种植和管理，且多分布在山区和丘陵地带，茶园地形复杂，不利于传统移动机械的植保作业。我国多数茶园还是以背负式喷雾器为主，少量规模较大茶园采用无人机植保喷雾。先进喷雾器械如茶园多功能管理机、喷杆喷雾机、乘坐式捕虫机由于地面工况、成本等原因还处于推广阶段。未来，我国在茶树病虫害综合防治前提下，还需继续加大标准化茶园的建设和智能化喷雾机械的研发，逐步提高茶园植保喷雾的机械化程度，对实现茶树减量精准施药具有重要意义。

4 茶树病虫害精准施药技术及装备研究建议

通过梳理茶树植保喷雾技术及装备的局限性及发展潜力，结合茶树生物特性及生物农药发展现状，提出以下研究建议。

1) 研究茶树病虫害目标识别、诊断与预测预报技术。目前，茶树病虫害发生种类及危害程度的信息采集普遍采用图像拍摄，因密植矮化茶树冠层叶片交叠和障蔽现象严重，仅依靠单一的视觉信息采集具有局限性。茶树害虫在冠层中下部、叶片背面均有分布，因害虫作为声源会传递声波，可将声音探测应用于害虫发生位置及害虫密度信息采集上，未来也可将基因识别技术应用于茶树病虫害诊断与预测研究，以弥补茶树冠层对视觉信息的干扰，提高预测及诊断结果的准确性。

2) 研发茶树植保生物农药及其专用喷头。生物农药因低毒、无残留等优点目前在茶树病虫害防治中呈较快增长趋势。现阶段在茶树上登记的生物农药品种仅有20多种，而茶树病虫害约有400多种，加大对茶树生物农药研发力度是茶树植保的重要方向。目前，生物农药喷施一般是采用化学农药用喷头及操作规范，国内外还没有开发出商业化的生物农药专用喷头。因喷头结构影响生物农药有效成分的活性及数量，为确保生物农药活性成分，提高茶树病虫害防治效果，需开发茶树生物农药专用喷头。

3) 研制平缓坡密植矮化茶园低容量仿形对靶喷雾机。对于平缓坡茶园，可利用轮式、轨道式或履带式喷雾机进行植保作业。可融合红外线、激光、超声波和图像等先进探测技术，自动识别茶树冠层位置、叶密度等冠层信息，即时调整喷头位置和喷雾量，实现变量精准对靶喷雾。对于仿形机构，可设计轻量化、调节灵活的柔性多关节机械臂执行机构，改进蚁群优化算法、遗传算法、人工神经网络等已有智能算法，提高仿形喷雾机整机鲁棒性。

4) 研制山地茶园仿生足式喷雾机器人。在崎岖山地茶园，多足步行机器人在运动灵活性、环境适应性上相对轮式、履带式机器人具有显著优势，特别是四足或八足机器人，其可在凹凸不平地面上行走、爬坡、越障，在地面离散变形状态下，具有自平衡能力能适应多变地形。随着未来平衡算法及人工智能进一步发展，利用仿生学原理，研制仿生足式喷雾机器人在陡坡山地茶园进行喷雾作业，具有一定的应用前景。

5) 研究茶树植保施药无人机静电喷雾技术。我国茶园多在山区及丘陵地带，传统人工施药劳动强度大，作业效率低，轮式、履带式地面移动机械难以进入，而仿生足式喷雾机器人由于成本及相关技术尚待完善，短期内难以商业化，应用植保无人机低空低容量喷雾是茶树低容量喷雾的应用趋势。因茶树冠层叶片丛生，为改善茶树中下部冠层雾滴沉积及分布，可将静电喷雾技术与无人机下旋气流耦合研究，以提高叶片背面雾滴附着率。无人机可搭载多个传感器和控制系统，结合低空低量喷雾专家决策系统，确定无人机药液量、航高和飞行速度等参数，以实现变量喷雾。

6) 研发茶树病虫害喷雾决策系统及智能终端。目前已有学者进行茶树病虫害专家系统研究，但仅限于病虫害诊断识别及预测预报，缺乏最终执行施药的喷雾决策系统。为实现减量精准施药，需根据茶树冠层特征信息及叶片表面性质准确预测施药量，确定适宜喷头及喷施参数。为准确预测施药量，需利用探测及后处理技术获取冠层高度、体积、叶面积指数、叶面积密度方位分布等茶树冠层信息，因叶片结构如蜡质、倾角和叶脉等都是重要药液沉积变量，需结合茶树冠层形态，找出利于药液沉积的雾滴运动参数，优化喷头选择及喷施参数。因喷头类型、喷雾高度、施药液量、行走速度、风速、叶片性质、病虫害程度等都影响茶树施药效果，需开发出包含这些变量的喷雾决策系统，以便用户获得科学施药方案。为便于茶树病虫害喷雾决策系统使用，需开发喷雾决策系统智能终端，茶农通过智能终端进行人机交互，即时准确获得喷雾决策，使病虫害防治更加智能、精准和便捷。

5 结束语

茶树减量施药是保证茶叶品质安全的基础，低容量喷雾是实现茶树减量施药的重要前提。基于茶树生物特性、茶树病虫害预测诊断及防治方法、茶树植保机械及施药技术发展现状，提出研制茶园仿形喷雾机、开发茶树病虫害喷雾决策系统及智能终端等方法是实现茶树低容量喷雾的有力举措。今后，随着物联网、控制技术和智能算法的进一步发展，实现茶树病虫害植保喷雾的低量化、精准化和智能化，是未来茶树植保机械及施药技术的发展趋势。