茶園全程機械化生產(chǎn)是指農(nóng)機與農(nóng)藝技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)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(shù)，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(shù)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(shù)“十三五”研究進(jìn)展
1. 土肥管理機械
(1) 茶園耕作機械
“十三五”以來，我國科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，茶園生產(chǎn)機械化技術(shù)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(qū)動，同時利用仿生學(xué)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(chǔ)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(dá)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(dá)3 m，可撒施可條施。江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)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(gòu)、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(fēng)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(dá)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(dá)0.93 hm2/h、1.20 hm2/h?！笆濉逼陂g，負(fù)壓物理捕蟲、電網(wǎng)殺蟲等新型物理防治新技術(shù)裝備應(yīng)運而生。負(fù)壓捕蟲機采用物理吸附原理，首次捕蟲率可達(dá)70%。另外還有KM3XC-30便攜式負(fù)壓捕蟲機、低地隙負(fù)壓捕蟲機、高地隙負(fù)壓捕蟲機等負(fù)壓捕蟲裝備。頻振式誘蟲燈在茶園應(yīng)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(shù)的應(yīng)用。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所陳宗懋院士團(tuán)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(tuán)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(yīng)用。另外，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在病蟲害防治領(lǐng)域也開始應(yīng)用。
誘蟲板、天敵友好型LED殺蟲燈在茶園中的應(yīng)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(fù)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(yīng)用。戴有華等基于UG軟件設(shè)計了一種手扶式茶樹修剪機，并對整機結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化。四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)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(fù)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(xué)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(gòu)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(jìn)行研究，通過增設(shè)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(shè)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(cè)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(cè)面修剪機，可同時修剪茶行側(cè)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(zāi)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(shè)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(shù)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(shè)計了一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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?！笆濉逼陂g，隨著“智能農(nóng)機”“智慧茶園”等新技術(shù)、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(yīng)用。
恒壓噴灌控制系統(tǒng)組成原理
(2)防霜風(fēng)扇
凍害是茶園重要的自然氣象災(zāi)害之一，但目前的凍害防控裝備比較單一，主要是引進(jìn)日本的防霜風(fēng)扇，國內(nèi)對此項技術(shù)研究較少。2017年江蘇大學(xué)胡永光教授團(tuán)隊研發(fā)了國產(chǎn)防霜風(fēng)扇，已在國內(nèi)推廣應(yīng)用。但總體上我國茶園應(yīng)用的凍害防治機械設(shè)備多為從日本進(jìn)口的防霜扇。
4. 采茶機械
“十三五”期間，視覺識別、精準(zhǔn)定位及采摘手臂等仿生采摘技術(shù)研究取得較大進(jìn)展，機械化采摘技術(shù)快速發(fā)展。湯一平等設(shè)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(shè)計了單人背負(fù)式采茶機，試驗結(jié)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(yīng)用ADAMS軟件對雙動割刀往復(fù)式切割器進(jìn)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(jìn)行了田間對比試驗，結(jié)果表明仿真結(jié)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(jié)構(gòu)圖
單人背負(fù)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(xué)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展愈來愈成熟，已經(jīng)逐漸在茶園中應(yīng)用。張威勁申請公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(luò)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(xué)院茶葉研究所也開展了茶園生境智慧管控技術(shù)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(jìn)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定為目的，對茶樹生長環(huán)境進(jìn)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(shù)。曲阜師范大學(xué)開發(fā)了一套集軟硬件于一體的高標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的智慧茶園管理系統(tǒng)劃分為感知執(zhí)行層、傳輸層和應(yīng)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(shè)備。趙小娟等研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的茶樹病蟲害監(jiān)測預(yù)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(shù)設(shè)計了茶樹病蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，結(jié)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(shè)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(gòu)建病蟲害發(fā)生的環(huán)境氣候模型，對病蟲害發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。茶樹病蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在英德市試點茶園進(jìn)行了應(yīng)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(yù)警等功能，提高了茶園病蟲害防治工作效率，促進(jìn)了當(dāng)?shù)夭枞~產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(jì)效益較低，嚴(yán)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(yīng)用也面臨諸多困難。當(dāng)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(jié)合自動化控制、機械電子等技術(shù)，提高茶機智能化作業(yè)水平。發(fā)達(dá)國家設(shè)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(qū)動等技術(shù)，這些技術(shù)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(yīng)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(shù)，結(jié)合機-電-液-氣等新型驅(qū)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(zhǔn);由于結(jié)構(gòu)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(yīng)結(jié)合機械、液壓、氣動等技術(shù)，同時考慮新型材質(zhì)，設(shè)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(dāng)長一段時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)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(yīng)當(dāng)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(yīng)著重研發(fā)一些結(jié)構(gòu)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(shù)、人工智能等學(xué)科的發(fā)展，無人化生產(chǎn)管理已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。不管是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害管理系統(tǒng)中的智能檢測、智能決策、災(zāi)害預(yù)警，還是智能裝備的最優(yōu)路徑規(guī)劃，已有相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)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(shù)在茶園機械化發(fā)展中的應(yīng)用必將日益廣泛，茶園智慧管控將成為應(yīng)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(jìn)展及“十四五”發(fā)展方向》，作者：宋志禹，韓余，丁文芹，占才學(xué)，蔣清海。
來源：中國茶葉
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