茶园全程机械化生产是指农机与农艺技术相结合的基础上，从茶园种植、田间管理、收获直至茶叶加工等全程实现机械化作业。茶园生产管理，主要包括垦殖、耕作、施肥、植保、修剪、采摘等环节。近些年，茶园作业机械化的发展备受政府和茶叶界的重视，经过不懈努力，目前除了名优茶机械化采摘以及山区茶园机械化作业瓶颈问题以外，我国已经基本攻克了茶园生产全程各环节的机械化作业技术，基本建成了适合我国平地、缓坡地茶园生产全程的机械化作业技术与装备体系，目前正在逐步向全国茶园推广。
我国茶园生产机械化技术“十三五”研究进展
1. 土肥管理机械
(1) 茶园耕作机械
“十三五”以来，我国科学技术水平不断提高，茶园生产机械化技术发展较快，一些较优作业性能的茶园耕作机械相继问世。农业农村部南京农业机械化研究所研制了KM3CG-30型小型茶园耕作机，采用柴油机驱动，同时利用仿生学模仿动物刨土及人工锄地的特点，采用针式翻耕法，具有较好的耕作效果。安徽助成信息科技有限公司发明了一种家用茶园中耕机，该机在传统中耕机的基础上增加了静刀片和静刀轴，作业时动定刀配合不缠草，作业性能良好。盐城市盐海拖拉机制造有限公司研制了3S-6茶园手扶式深耕机，该机模仿人工深翻地块的特点，采用倒退式撬翻耕法，耕作深度达30 cm，深翻效果良好。无锡鼎君机械科技有限公司研制了3TGQ-4茶园管理机，该机针对丘陵山地茶园作业特点，采用模块化设计，可在5 min内实现快速拆装，单一模块最大质量21 kg，配备塔式破土机具、旋耕机具，功耗较传统中耕机具降低10%左右，为目前市场上应用情况最好的模块化丘陵茶园专用耕作机械，已在江苏、山东、湖南、四川等省推广应用。
(2)茶园施肥机
“十三五”以来无锡华源凯马发动机有限公司研发了KM2F-3手扶式施肥机，机身宽度仅有57 cm，撒肥直径达3 m，可撒施可条施。江苏农林职业技术学院研发了一种茶园深松施肥机，其主要包括机架、肥料箱、深松铲、限深轮、变速箱等。威海市果树茶叶工作站发明了液压式茶园自行走有机肥施肥机，该机主要由车架、肥料箱、刮料机构、传动链轮等组成，该发明主要解决了现有机型施肥成本高、作业效率低的问题。农业农村部南京农业机械化研究所研发了一种双螺旋横置自主施肥机械。
2. 茶树管理机械
(1)茶树植保机
“十三五”以来，劳动力日渐紧缺，小型植保机械作业效率无法满足防控作业需求，大型植保机械需求日益增加。农业农村部南京农业机械化研究所研制了2FS-16型低地隙茶园风送植保机，该机具有作业面积大、农药利用率高的特点，作业效率可达0.67 hm²/h;同时还研发了喷杆喷雾机，该机与低地隙履带底盘、高地隙跨行履带底盘配套，作业效率分别可达0.93 hm²/h、1.20 hm²/h。“十三五”期间，负压物理捕虫、电网杀虫等新型物理防治新技术装备应运而生。负压捕虫机采用物理吸附原理，首次捕虫率可达70%。另外还有KM3XC-30便携式负压捕虫机、低地隙负压捕虫机、高地隙负压捕虫机等负压捕虫装备。频振式诱虫灯在茶园应用较多，但其无法移动、益害不分、白天工作效率低等问题制约了技术的应用。中国农业科学院茶叶研究所陈宗懋院士团队和农业农村部南京农业机械化研究所果蔬茶团队分别研制了“天敌友好型诱虫灯”和“光电气色组合式除虫装备”，该系列装备均可全天工作，白天和黑夜分别通过色板及灯光诱集害虫，然后利用电网击杀，该装置已在南昌、重庆、南 京、扬州等地示范应用。另外，随着计算机技术的发展，物联网技术在病虫害防治领域也开始应用。
诱虫板、天敌友好型LED杀虫灯在茶园中的应用
(2)茶树修剪机械
“十三五”以来，劳动力老龄化问题凸显，手持式、背负式修剪机械因劳动强度大已不再是首选，手扶式、自走式修剪机械得到广泛应用。戴有华等基于UG软件设计了一种手扶式茶树修剪机，并对整机结构进行有限元分析与优化。四川省农业机械研究设计院公开的发明专利履带自走式茶蓬修剪机，配有履带式底盘，可实现复杂地况自行行走，具有劳动强度低、作业平稳等优点。江苏大学发明了一种圆盘式茶树修剪机，该机主要由机架、升降平台、滑 柱、圆盘式切割器、变速箱等机构组成，可精确调整切割高度，适合茶树的深修剪、重修剪及台刈作业。邓小龙等对茶树修剪机振动噪声进行研究，通过增设隔音罩、安装排气消声器和使用软质大阻尼悬置元件等方法降低茶树修剪机作业时的噪声。农业农村部南京农业机械化研究所设计了一种自走式茶树台刈机，该机通过履带式底盘实现自主行走，位于两侧的旋切刀组可将茶树切成多段，且理论上可贴地作业，最大程度避免了树枝堆积阻塞。此外，该所与无锡华源凯马发动机有限公司联合研制了一种茶树侧面修剪机，可同时修剪茶行侧边，具有轻简高效的特点。
一种茶树修剪机振动噪声特性测试与研究
3. 灾害管理机械
(1)茶园喷灌机
茶园喷灌对于茶树抗旱、防霜冻具有重要作用。目前茶园喷灌设备主要有移动式、半固定式和固定式3种。近年来随着计算机、自动控制技术的不断发展，自动化程度较高的喷灌系统逐渐发展起来。张艳开展了基于PLC茶园恒温喷灌系统研究，设计了一套由PLC、变频器、远程压力表、2台水泵机组、计算机、通信模块等组成的全自动变频恒压供水系统，该系统可实现全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。同时该系统具有较高的稳定性和较多的辅助性能。安溪华祥苑茶基地有限公司申报了茶园水肥药一体化喷灌系统的实用新型专利，该系统通过进出控制系统、混匀系统、需求探测系统和中央控制系统，实现水、 肥、药一体化作业，使茶园管理自动化程度大大提高。“十三五”期间，随着“智能农机”“智慧茶园”等新技术、新观念等引入，茶园生产管理智能化水平得到快速提升，其中喷灌系统以其更接近于工业化的作业特点，自动化、智能化喷灌系统得到快速应用。
恒压喷灌控制系统组成原理
(2)防霜风扇
冻害是茶园重要的自然气象灾害之一，但目前的冻害防控装备比较单一，主要是引进日本的防霜风扇，国内对此项技术研究较少。2017年江苏大学胡永光教授团队研发了国产防霜风扇，已在国内推广应用。但总体上我国茶园应用的冻害防治机械设备多为从日本进口的防霜扇。
4. 采茶机械
“十三五”期间，视觉识别、精准定位及采摘手臂等仿生采摘技术研究取得较大进展，机械化采摘技术快速发展。汤一平等设计了一种基于机器视觉的乘用式智能采茶机，提出了自动识别茶叶嫩芽和割刀自动调平控制方法，试验表明该机可解决现有采茶机无选择性切割老叶和嫩芽的弊端。吴先坤等设计了单人背负式采茶机，试验结果表明，该机漏采率小于2%，采摘芽叶完整率大于85%，该机适用于多种类型的茶叶采摘。杜哲等应用ADAMS软件对双动割刀往复式切割器进行仿真研究，得到齿距20 mm、齿高19 mm、刀机速比1.05为最优组合，同时进行了田间对比试验，结果表明仿真结果可信，误差在允许范围内。
基于机器视觉的乘用式智能采茶机结构图
单人背负式采茶机装配体模型图
5. 智慧管控
“十三五”以来，随着计算机、大数据等信息科学的发展，物联网技术发展愈来愈成熟，已经逐渐在茶园中应用。张威劲申请公开了一种基于物联网技术的智慧茶园安全监控平台的专利，包括控制系统、数据系统、监控系统、网络系统。数据系统，用于监测管理茶园中茶树生存环境各监测模块的运行。广东省农业科学院茶叶研究所也开展了茶园生境智慧管控技术研究，从茶园整个生态系统出发，以完善和提升生态系统功能、促进系统平衡稳定为目的，对茶树生长环境进行智能、系统的管控，从而提高茶叶的产量和品质，建立了一套适合广东生态茶园发展的茶园生境智慧管控技术。曲阜师范大学开发了一套集软硬件于一体的高标准现代茶园物联网系统，以提高茶园综合管理能力。该系统将整个基于物联网技术的智慧茶园管理系统划分为感知执行层、传输层和应用层3部分，分别集成了采集终端传感器、系统微控制器、智能水肥药一体机等设备。赵小娟等研发了一套基于物联网技术的茶树病虫害监测预警系统。该系统基于物联网、多媒体、计算机图像识别、GIS 等技术设计了茶树病虫害监测预警系统，结合自动虫情灯、自动性诱仪、孢子捕捉仪、智能气象仪、高清摄像机等物联网硬件设备，实现茶园环境数据、病虫害信息的自动化监测和病虫害信息在地图上的可视化展示，并通过构建病虫害发生的环境气候模型，对病虫害发生进行预警。茶树病虫害监测预警系统在英德市试点茶园进行了应用，实现了茶园生产环境监测、虫情监测、病虫害预警等功能，提高了茶园病虫害防治工作效率，促进了当地茶叶产业的经济效益增长和可持续发展。
二
我国茶园机械研究存在的问题
我国虽然是茶叶大国，但由于农机农艺融合度差等原因，导致目前茶园作业的综合机械化率依然较低，据统计，全国茶园综合作业机械化率不足30%，远远落后于主要粮食作物。虽然在茶叶生产的耕作、中耕植保、修剪、收获等环节均有机械可用，但现有机械存在作业操作友好度较低、舒适性较差、劳动强度大、适应性较低、智能化程度低、作业仍然需要较多人工参与等问题。山地丘陵地区茶园仍以人工生产为主，生产成本居高不下，作业效率与经济效益较低，严重制约着茶叶产业的发展。这距离真正的智慧管理、无人生产的要求还有很大的差距。在农村劳动力总量持续下降、老龄化加剧的背景下，机械生产装备的推广与应用也面临诸多困难。当前，茶园生产全面机械化依然是茶叶产业发展面临的重要科技命题。
三
茶园机械研究“十四五”发展方向
1. 生产装备智能化
结合自动化控制、机械电子等技术，提高茶机智能化作业水平。发达国家设计的茶园生产机械已经广泛采用了智能检测、自动化控制、机- 电-液-气驱动等技术，这些技术的采用一方面提高了茶叶生产机械的作业效率和精度;另一方面，有效降低了人工劳作强度，实现了绿色生产作业。因此，国内茶机研发也应朝这个方向发展，借鉴工业上成熟的机器视觉、智能检测、自动化控制等技术，结合机-电-液-气等新型驱动方式，研发自动化程度高、绿色清洁的新型茶叶生产机械。采摘是茶叶生产的核心环节，相较于其他作物，茶叶嫩芽柔软易伤的物理特性决定了其采摘环节要求更加精准;由于结构和材质限制，传统的纯机械式采摘器采摘质量还有待提高。因此，应结合机械、液压、气动等技术，同时考虑新型材质，设计出损伤率较小的采摘器，以提高采茶作业质量。
2. 丘陵山区作业机械化
我国茶园种植区域广泛，大多分布在丘陵山地等地带，且茶树是多年生植物，因此无论从地理环境还是农艺上都决定了今后相当长一段时间内，结构简单的轻小型茶园机械与自动化程度高、作业效率高的大型茶园机械并存，以适应当下茶园生产机械化的需求。因此，我国在研发自动化程度高的大型茶园机械的同时，也应着重研发一些结构简单、易于推广的小型茶机，以期加快机器换人速度，提高我国丘陵山地茶园生产机械化作业水平。
3. 茶园智慧管控
随着信息技术、人工智能等学科的发展，无人化生产管理已经不再遥远。不管是基于无线传感网络的灾害管理系统中的智能检测、智能决策、灾害预警，还是智能装备的最优路径规划，已有相应的技术应用。随着工业技术的发展和社会的进步，人们对无人化劳动作业的向往日益强烈，人工智能技术在茶园机械化发展中的应用必将日益广泛，茶园智慧管控将成为应对农村劳动力短缺的有力举措，也是未来茶园生产方式发展的必由之路。
本文有删节，具体内容详见《中国茶叶》2021年第10期，P26-33，《茶园机械研究“十三五”进展及“十四五”发展方向》，作者：宋志禹，韩余，丁文芹，占才学，蒋清海。
来源：中国茶叶
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