茶園全程機械化生產(chǎn)是指農(nóng)機與農(nóng)藝技術相結合的基礎上，從茶園種植、田間管理、收獲直至茶葉加工等全程實現(xiàn)機械化作業(yè)。茶園生產(chǎn)管理，主要包括墾殖、耕作、施肥、植保、修剪、采摘等環(huán)節(jié)。近些年，茶園作業(yè)機械化的發(fā)展備受政府和茶葉界的重視，經(jīng)過不懈努力，目前除了名優(yōu)茶機械化采摘以及山區(qū)茶園機械化作業(yè)瓶頸問題以外，我國已經(jīng)基本攻克了茶園生產(chǎn)全程各環(huán)節(jié)的機械化作業(yè)技術，基本建成了適合我國平地、緩坡地茶園生產(chǎn)全程的機械化作業(yè)技術與裝備體系，目前正在逐步向全國茶園推廣。
我國茶園生產(chǎn)機械化技術“十三五”研究進展
1. 土肥管理機械
(1) 茶園耕作機械
“十三五”以來，我國科學技術水平不斷提高，茶園生產(chǎn)機械化技術發(fā)展較快，一些較優(yōu)作業(yè)性能的茶園耕作機械相繼問世。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制了KM3CG-30型小型茶園耕作機，采用柴油機驅動，同時利用仿生學模仿動物刨土及人工鋤地的特點，采用針式翻耕法，具有較好的耕作效果。安徽助成信息科技有限公司發(fā)明了一種家用茶園中耕機，該機在傳統(tǒng)中耕機的基礎上增加了靜刀片和靜刀軸，作業(yè)時動定刀配合不纏草，作業(yè)性能良好。鹽城市鹽海拖拉機制造有限公司研制了3S-6茶園手扶式深耕機，該機模仿人工深翻地塊的特點，采用倒退式撬翻耕法，耕作深度達30 cm，深翻效果良好。無錫鼎君機械科技有限公司研制了3TGQ-4茶園管理機，該機針對丘陵山地茶園作業(yè)特點，采用模塊化設計，可在5 min內(nèi)實現(xiàn)快速拆裝，單一模塊最大質(zhì)量21 kg，配備塔式破土機具、旋耕機具，功耗較傳統(tǒng)中耕機具降低10%左右，為目前市場上應用情況最好的模塊化丘陵茶園專用耕作機械，已在江蘇、山東、湖南、四川等省推廣應用。
(2)茶園施肥機
“十三五”以來無錫華源凱馬發(fā)動機有限公司研發(fā)了KM2F-3手扶式施肥機，機身寬度僅有57 cm，撒肥直徑達3 m，可撒施可條施。江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院研發(fā)了一種茶園深松施肥機，其主要包括機架、肥料箱、深松鏟、限深輪、變速箱等。威海市果樹茶葉工作站發(fā)明了液壓式茶園自行走有機肥施肥機，該機主要由車架、肥料箱、刮料機構、傳動鏈輪等組成，該發(fā)明主要解決了現(xiàn)有機型施肥成本高、作業(yè)效率低的問題。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研發(fā)了一種雙螺旋橫置自主施肥機械。
2. 茶樹管理機械
(1)茶樹植保機
“十三五”以來，勞動力日漸緊缺，小型植保機械作業(yè)效率無法滿足防控作業(yè)需求，大型植保機械需求日益增加。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制了2FS-16型低地隙茶園風送植保機，該機具有作業(yè)面積大、農(nóng)藥利用率高的特點，作業(yè)效率可達0.67 hm2/h;同時還研發(fā)了噴桿噴霧機，該機與低地隙履帶底盤、高地隙跨行履帶底盤配套，作業(yè)效率分別可達0.93 hm2/h、1.20 hm2/h?！笆濉逼陂g，負壓物理捕蟲、電網(wǎng)殺蟲等新型物理防治新技術裝備應運而生。負壓捕蟲機采用物理吸附原理，首次捕蟲率可達70%。另外還有KM3XC-30便攜式負壓捕蟲機、低地隙負壓捕蟲機、高地隙負壓捕蟲機等負壓捕蟲裝備。頻振式誘蟲燈在茶園應用較多，但其無法移動、益害不分、白天工作效率低等問題制約了技術的應用。中國農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所陳宗懋院士團隊和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所果蔬茶團隊分別研制了“天敵友好型誘蟲燈”和“光電氣色組合式除蟲裝備”，該系列裝備均可全天工作，白天和黑夜分別通過色板及燈光誘集害蟲，然后利用電網(wǎng)擊殺，該裝置已在南昌、重慶、南 京、揚州等地示范應用。另外，隨著計算機技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術在病蟲害防治領域也開始應用。
誘蟲板、天敵友好型LED殺蟲燈在茶園中的應用
(2)茶樹修剪機械
“十三五”以來，勞動力老齡化問題凸顯，手持式、背負式修剪機械因勞動強度大已不再是首選，手扶式、自走式修剪機械得到廣泛應用。戴有華等基于UG軟件設計了一種手扶式茶樹修剪機，并對整機結構進行有限元分析與優(yōu)化。四川省農(nóng)業(yè)機械研究設計院公開的發(fā)明專利履帶自走式茶蓬修剪機，配有履帶式底盤，可實現(xiàn)復雜地況自行行走，具有勞動強度低、作業(yè)平穩(wěn)等優(yōu)點。江蘇大學發(fā)明了一種圓盤式茶樹修剪機，該機主要由機架、升降平臺、滑 柱、圓盤式切割器、變速箱等機構組成，可精確調(diào)整切割高度，適合茶樹的深修剪、重修剪及臺刈作業(yè)。鄧小龍等對茶樹修剪機振動噪聲進行研究，通過增設隔音罩、安裝排氣消聲器和使用軟質(zhì)大阻尼懸置元件等方法降低茶樹修剪機作業(yè)時的噪聲。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所設計了一種自走式茶樹臺刈機，該機通過履帶式底盤實現(xiàn)自主行走，位于兩側的旋切刀組可將茶樹切成多段，且理論上可貼地作業(yè)，最大程度避免了樹枝堆積阻塞。此外，該所與無錫華源凱馬發(fā)動機有限公司聯(lián)合研制了一種茶樹側面修剪機，可同時修剪茶行側邊，具有輕簡高效的特點。
一種茶樹修剪機振動噪聲特性測試與研究
3. 災害管理機械
(1)茶園噴灌機
茶園噴灌對于茶樹抗旱、防霜凍具有重要作用。目前茶園噴灌設備主要有移動式、半固定式和固定式3種。近年來隨著計算機、自動控制技術的不斷發(fā)展，自動化程度較高的噴灌系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。張艷開展了基于PLC茶園恒溫噴灌系統(tǒng)研究，設計了一套由PLC、變頻器、遠程壓力表、2臺水泵機組、計算機、通信模塊等組成的全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行、遠程手動控制和現(xiàn)場手動控制等功能。同時該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較多的輔助性能。安溪華祥苑茶基地有限公司申報了茶園水肥藥一體化噴灌系統(tǒng)的實用新型專利，該系統(tǒng)通過進出控制系統(tǒng)、混勻系統(tǒng)、需求探測系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水、 肥、藥一體化作業(yè)，使茶園管理自動化程度大大提高。“十三五”期間，隨著“智能農(nóng)機”“智慧茶園”等新技術、新觀念等引入，茶園生產(chǎn)管理智能化水平得到快速提升，其中噴灌系統(tǒng)以其更接近于工業(yè)化的作業(yè)特點，自動化、智能化噴灌系統(tǒng)得到快速應用。
恒壓噴灌控制系統(tǒng)組成原理
(2)防霜風扇
凍害是茶園重要的自然氣象災害之一，但目前的凍害防控裝備比較單一，主要是引進日本的防霜風扇，國內(nèi)對此項技術研究較少。2017年江蘇大學胡永光教授團隊研發(fā)了國產(chǎn)防霜風扇，已在國內(nèi)推廣應用。但總體上我國茶園應用的凍害防治機械設備多為從日本進口的防霜扇。
4. 采茶機械
“十三五”期間，視覺識別、精準定位及采摘手臂等仿生采摘技術研究取得較大進展，機械化采摘技術快速發(fā)展。湯一平等設計了一種基于機器視覺的乘用式智能采茶機，提出了自動識別茶葉嫩芽和割刀自動調(diào)平控制方法，試驗表明該機可解決現(xiàn)有采茶機無選擇性切割老葉和嫩芽的弊端。吳先坤等設計了單人背負式采茶機，試驗結果表明，該機漏采率小于2%，采摘芽葉完整率大于85%，該機適用于多種類型的茶葉采摘。杜哲等應用ADAMS軟件對雙動割刀往復式切割器進行仿真研究，得到齒距20 mm、齒高19 mm、刀機速比1.05為最優(yōu)組合，同時進行了田間對比試驗，結果表明仿真結果可信，誤差在允許范圍內(nèi)。
基于機器視覺的乘用式智能采茶機結構圖
單人背負式采茶機裝配體模型圖
5. 智慧管控
“十三五”以來，隨著計算機、大數(shù)據(jù)等信息科學的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展愈來愈成熟，已經(jīng)逐漸在茶園中應用。張威勁申請公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧茶園安全監(jiān)控平臺的專利，包括控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)，用于監(jiān)測管理茶園中茶樹生存環(huán)境各監(jiān)測模塊的運行。廣東省農(nóng)業(yè)科學院茶葉研究所也開展了茶園生境智慧管控技術研究，從茶園整個生態(tài)系統(tǒng)出發(fā)，以完善和提升生態(tài)系統(tǒng)功能、促進系統(tǒng)平衡穩(wěn)定為目的，對茶樹生長環(huán)境進行智能、系統(tǒng)的管控，從而提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，建立了一套適合廣東生態(tài)茶園發(fā)展的茶園生境智慧管控技術。曲阜師范大學開發(fā)了一套集軟硬件于一體的高標準現(xiàn)代茶園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以提高茶園綜合管理能力。該系統(tǒng)將整個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧茶園管理系統(tǒng)劃分為感知執(zhí)行層、傳輸層和應用層3部分，分別集成了采集終端傳感器、系統(tǒng)微控制器、智能水肥藥一體機等設備。趙小娟等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術的茶樹病蟲害監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、多媒體、計算機圖像識別、GIS 等技術設計了茶樹病蟲害監(jiān)測預警系統(tǒng)，結合自動蟲情燈、自動性誘儀、孢子捕捉儀、智能氣象儀、高清攝像機等物聯(lián)網(wǎng)硬件設備，實現(xiàn)茶園環(huán)境數(shù)據(jù)、病蟲害信息的自動化監(jiān)測和病蟲害信息在地圖上的可視化展示，并通過構建病蟲害發(fā)生的環(huán)境氣候模型，對病蟲害發(fā)生進行預警。茶樹病蟲害監(jiān)測預警系統(tǒng)在英德市試點茶園進行了應用，實現(xiàn)了茶園生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測、蟲情監(jiān)測、病蟲害預警等功能，提高了茶園病蟲害防治工作效率，促進了當?shù)夭枞~產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益增長和可持續(xù)發(fā)展。
二
我國茶園機械研究存在的問題
我國雖然是茶葉大國，但由于農(nóng)機農(nóng)藝融合度差等原因，導致目前茶園作業(yè)的綜合機械化率依然較低，據(jù)統(tǒng)計，全國茶園綜合作業(yè)機械化率不足30%，遠遠落后于主要糧食作物。雖然在茶葉生產(chǎn)的耕作、中耕植保、修剪、收獲等環(huán)節(jié)均有機械可用，但現(xiàn)有機械存在作業(yè)操作友好度較低、舒適性較差、勞動強度大、適應性較低、智能化程度低、作業(yè)仍然需要較多人工參與等問題。山地丘陵地區(qū)茶園仍以人工生產(chǎn)為主，生產(chǎn)成本居高不下，作業(yè)效率與經(jīng)濟效益較低，嚴重制約著茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這距離真正的智慧管理、無人生產(chǎn)的要求還有很大的差距。在農(nóng)村勞動力總量持續(xù)下降、老齡化加劇的背景下，機械生產(chǎn)裝備的推廣與應用也面臨諸多困難。當前，茶園生產(chǎn)全面機械化依然是茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要科技命題。
三
茶園機械研究“十四五”發(fā)展方向
1. 生產(chǎn)裝備智能化
結合自動化控制、機械電子等技術，提高茶機智能化作業(yè)水平。發(fā)達國家設計的茶園生產(chǎn)機械已經(jīng)廣泛采用了智能檢測、自動化控制、機- 電-液-氣驅動等技術，這些技術的采用一方面提高了茶葉生產(chǎn)機械的作業(yè)效率和精度;另一方面，有效降低了人工勞作強度，實現(xiàn)了綠色生產(chǎn)作業(yè)。因此，國內(nèi)茶機研發(fā)也應朝這個方向發(fā)展，借鑒工業(yè)上成熟的機器視覺、智能檢測、自動化控制等技術，結合機-電-液-氣等新型驅動方式，研發(fā)自動化程度高、綠色清潔的新型茶葉生產(chǎn)機械。采摘是茶葉生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，相較于其他作物，茶葉嫩芽柔軟易傷的物理特性決定了其采摘環(huán)節(jié)要求更加精準;由于結構和材質(zhì)限制，傳統(tǒng)的純機械式采摘器采摘質(zhì)量還有待提高。因此，應結合機械、液壓、氣動等技術，同時考慮新型材質(zhì)，設計出損傷率較小的采摘器，以提高采茶作業(yè)質(zhì)量。
2. 丘陵山區(qū)作業(yè)機械化
我國茶園種植區(qū)域廣泛，大多分布在丘陵山地等地帶，且茶樹是多年生植物，因此無論從地理環(huán)境還是農(nóng)藝上都決定了今后相當長一段時間內(nèi)，結構簡單的輕小型茶園機械與自動化程度高、作業(yè)效率高的大型茶園機械并存，以適應當下茶園生產(chǎn)機械化的需求。因此，我國在研發(fā)自動化程度高的大型茶園機械的同時，也應著重研發(fā)一些結構簡單、易于推廣的小型茶機，以期加快機器換人速度，提高我國丘陵山地茶園生產(chǎn)機械化作業(yè)水平。
3. 茶園智慧管控
隨著信息技術、人工智能等學科的發(fā)展，無人化生產(chǎn)管理已經(jīng)不再遙遠。不管是基于無線傳感網(wǎng)絡的災害管理系統(tǒng)中的智能檢測、智能決策、災害預警，還是智能裝備的最優(yōu)路徑規(guī)劃，已有相應的技術應用。隨著工業(yè)技術的發(fā)展和社會的進步，人們對無人化勞動作業(yè)的向往日益強烈，人工智能技術在茶園機械化發(fā)展中的應用必將日益廣泛，茶園智慧管控將成為應對農(nóng)村勞動力短缺的有力舉措，也是未來茶園生產(chǎn)方式發(fā)展的必由之路。
本文有刪節(jié)，具體內(nèi)容詳見《中國茶葉》2021年第10期，P26-33，《茶園機械研究“十三五”進展及“十四五”發(fā)展方向》，作者：宋志禹，韓余，丁文芹，占才學，蔣清海。
來源：中國茶葉
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