羅澤涌,陳 建,方晶晶,牛 坡,鄭延莉,王炎林,王 磊,張 勉

(西南大學 工程技術學院,重慶 400715)

0 引言

茶葉是我國重要的經濟作物之一[1],近年來茶園面積日益擴大,由2007年的161.33萬hm2增長到2015年的279.14萬hm2[2-3]。根據國際茶葉委員會(ITC)統(tǒng)計,2015年世界茶園總面積為453.716萬hm2,我國占世界茶園總面積的61.52%[4],位居世界第一。隨著茶園種植區(qū)域逐漸向丘陵山區(qū)發(fā)展[5-8],丘陵山區(qū)茶園種植對機械化作業(yè)的需求越來越迫切。丘陵山區(qū)的茶園按照坡度可以分為3類:坡度小于15°的平坡茶園,坡度大于15°小于25°的緩坡茶園,坡度大于25°的陡坡茶園[9-11]。目前,平坡和緩坡茶園相對于陡坡茶園的機械化情況較好,已經出現了一些茶園機械的應用,而陡坡茶園還較少見到機械化作業(yè)[12-13]。茶園種植過程中,耕作、植保和茶葉采摘是保證茶葉優(yōu)質高產最重要的幾個環(huán)節(jié)[14-18],因此通過對當前的丘陵山區(qū)茶園耕作、植保和茶葉采摘的機械化現狀進行研究,剖析當前丘陵山區(qū)茶園種植機械化存在的問題,認清未來丘陵山區(qū)茶園種植機械的研究方向,提出未來丘陵山區(qū)茶園種植機械化的發(fā)展思路,以加快丘陵山區(qū)茶園種植機械化進程。

1 茶園種植機械化現狀

1.1 茶園耕作機械化現狀

按時、高效地做好茶園耕作是保證茶樹全苗、高產、優(yōu)質及持續(xù)增產的重要條件。茶園的耕作主要有淺耕、中耕和深耕[19-20]。淺耕通常在每年春季茶和夏季茶采摘后進行,淺耕深度為8～10cm,目的是疏松茶園表層土壤及清除雜草。目前,市場上出現了許多淺耕機械,如無錫華源凱馬發(fā)動機有限公司開發(fā)的KM1S-30型微耕松土機(見圖1)、重慶鑫源農機有限公司生產的SIRZ-35型淺耕除草機(見圖2)。這些淺耕機型通常采用1～2kW的發(fā)動機,結構輕簡,在茶園中作業(yè)靈活,在丘陵山區(qū)的一些茶園已經有了一定的應用。中耕通常在春茶發(fā)芽之前進行,耕作深度為10～15cm,常與施肥結合進行,目的是清除雜草、增加茶樹對太陽輻射的吸收、增強土壤肥力及促進茶芽萌發(fā)。中耕機械目前還較少應用,由于其耕作深度較大,為保證耕作時有足夠的動力,需采用2～6kW的發(fā)動機,如國產的ZGJ-120型茶園中耕施肥機(見圖3),采用5kW的風冷柴油機作為動力[21-23]。該機在全國多省茶區(qū)進行了推廣,然而由于我國茶園土壤長期管理不善,堅硬的土壤使得該機耕作鍬齒變形、耕作深度不達標,因此并沒有得到大規(guī)模應用。深耕通常在春秋兩季進行,耕深應大于15cm,有的甚至超過25cm,作用是疏松深層土壤,將雜草與病蟲害深埋,對促進茶樹根系發(fā)育、改善土壤肥效和減少病蟲害有很好的效果。深耕作業(yè)由于耕作阻力大,通常需要采用大型拖拉機帶動耕作部件進行作業(yè),但由于大型拖拉機整體結構較大,在丘陵山區(qū)難以實現轉運,目前適合丘陵山區(qū)茶園的深耕的機型還很少。

圖1 KM1S-30型微耕松土機

圖2 SIRZ-35型淺耕除草機

圖3 ZGJ-120型茶園中耕施肥機

1.2 茶園植保機械化現狀

茶樹的病蟲害防治是保證茶葉產量和質量的必要條件,目前在茶樹上發(fā)現的病害有90余種,蟲害有430余種,茶園雜草有100余種[24-27]。丘陵山區(qū)防治病蟲害主要以手動噴霧器(見圖4)噴灑農藥為主[28-30]。這種手動噴霧器結構簡單、售價低,自引入茶園植保至今,一直占據著主要的地位。起初,這類手動藥械采用大施液量的高容量噴霧法進行施藥,容易造成藥液流失、茶葉農藥殘留等問題。隨著茶葉食品衛(wèi)生安全要求的提高,我國對手動噴霧器進行了改進與完善,使其施液量降低至低容量噴霧水平[31-32],減少了藥液的流失與農藥殘留。由于該技術簡單易行,且不用更換施藥器械,因此在茶園得到了大量的推廣應用,直到目前這種低容量手動噴霧器仍是丘陵山區(qū)茶園的主要植保器械[33]。但是,手動噴霧器存在著作業(yè)效率低、勞動強度大的問題,因此后來逐漸出現了一些背負式機動噴霧噴粉機(見圖5)、擔架式機動噴霧機(見圖6)等[34-35]。這些植保機械使用小型汽油機或柴油機作為動力,結構輕簡,能夠輕松實現田間轉運,進入茶行作業(yè),在一定程度上減輕了操作者的勞動強度。然而,背負式機動噴霧噴粉機形成的粉霧黏附性性較差,易受風的影響飄散,擔架式機動噴霧機需要較長的噴霧膠管,在茶園中拉拽不便[36-37],且這類機動植保機械普遍售價較高,嚴重阻礙了機動植保機械的推廣應用,因此目前應用還比較少。

圖4 手動噴霧器

隨著近年來國家對食品安全及生態(tài)環(huán)境的重視,逐漸出現了一些茶園病蟲害綠色防控技術。利用害蟲的趨光性,在茶園安裝太陽能頻振式殺蟲燈(見圖7),誘殺茶園鱗翅目、鞘翅目、半翅目等害蟲;利用害蟲的趨色性,茶園內使用黃板(見圖8)、藍板誘殺茶蚜、假小綠葉蟬、薊馬等具有趨色性害蟲;利用害蟲的趨化性,如茶園內鱗翅目成蟲用糖醋誘殺[38-45]。這些物理植保方法經濟實用、綠色環(huán)保,且不受丘陵山區(qū)的地形地貌影響,在規(guī)模較大的茶園得到了一定的的應用。然而,由于丘陵山區(qū)茶園面積遼闊,茶樹生長環(huán)境復雜,規(guī)模不一,病蟲害種類較多,而這些物理防治蟲害的方法的針對性較強,殺蟲的覆蓋面較窄,因此丘陵山區(qū)的茶園病蟲害防治形成了以農藥防治為主、物理防治為輔的病蟲害防治手段。

圖5 背負式機動噴霧機

圖8 黃色粘蟲板

1.3 茶葉采摘機械化現狀

茶葉采摘是茶葉生產過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。手工方式采摘茶葉時通常采用提手采的方法,這種采摘方法能夠最大程度地保證茶葉的完整度,提高茶葉的品質,同時使得茶葉的尺寸均勻,方便后續(xù)茶葉加工。但是,這種茶葉采摘方式極其費工,效率低,成本高,難以做到及時采摘[46],因此全國各地均開始了機械化采茶的研究與應用。目前,浙江、江蘇、四川、貴州等地的一些規(guī)模較大的茶園都出現了采茶機的應用[47-48],按操作方式可分為單人采茶機(見圖9)、雙人采茶機(見圖10)、便攜式電動采茶機(見圖11)及乘坐式采茶機(見圖12)等機型[49-51]。其中,單人采茶機和雙人采茶機相對于便攜式電動采茶機和乘坐式采茶機應用更為常見?，F有的采茶機普遍采用往復式割刀來實現茶葉采摘,這種方式簡單高效[52],1臺單人采茶機(2人操作)通常情況下以8h為一個作業(yè)日,每臺每天可采鮮葉1 300kg左右;而如果用手工采摘,熟練的茶農每人每天能采60kg左右,則要21人才能完成同等采摘量,因此一臺單人采茶機采茶每天可節(jié)省19個勞動力。這樣高的工作效率不僅僅可以保證茶葉采摘的時機,同時也可以將茶農們從采摘茶葉的工作中解放出來,還能減少采茶勞動力,降低生產成本,提高經濟效益。因此,這些采茶機正在全國范圍內推廣應用。但是,這種機械采茶方式屬于無差別采摘,雖然采摘效率很高,卻無法對老葉嫩芽進行選擇性采摘,且采摘下來的茶葉破碎率較高,嚴重影響茶葉的完整度,因此主要用于大宗茶鮮葉或原料芽葉較粗大的烏龍茶的采摘,而無法滿足名優(yōu)茶的采摘要求[52]。目前,國內有關科研院所正針對名優(yōu)茶特別是高檔名優(yōu)茶鮮葉原料的采摘進行攻關研究,并獲得了一些成果[53-55]:通過設置扶葉機構,在采摘前將嫩芽扶正,將完整度提高到70%以上;通過建立茶蓬新梢統(tǒng)計模型,控制采茶機的切割器自動調整高度[56],實現同一平面內最大限度采摘完整新梢,大幅提升茶葉完整度;通過計算機視覺實現新梢的識別與定位[57],控制機械手實現采摘,這種采摘方式的完整度可以達到95%。然而,這些新技術還處于試驗階段,距離真正推廣應用還有很長一段時間。因此,對于名優(yōu)茶的采摘,目前仍然依靠手工為主。

機械化采茶技術受到茶葉的品種、品牌和茶葉加工對采摘的要求等因素制約,現有的茶葉采摘機械雖然能夠實現茶葉的采摘,但僅適用于修剪成形茶園的大宗茶葉,還無法達到名優(yōu)茶的采摘要求,名優(yōu)茶的采摘還有待新技術的應用。因此,盡管我國正在全國范圍內大力推廣應用各種采茶機,但并未取得明顯的成效,僅在一些規(guī)模較大的茶園出現了采茶機的應用。丘陵山區(qū)的茶園以家庭式小規(guī)模種植為主,因此目前還較少見到采茶機的應用,并且在名優(yōu)茶的采摘沒有得到突破以前,茶葉采摘機械化程度不會有太大的改變。

圖9 單人采茶機

圖10 雙人采茶機

圖11 便攜式電動采茶機

圖12 乘坐式采茶機

2 茶園種植機械化的問題

實現茶園種植機械化對提高丘陵山區(qū)茶葉產業(yè)經濟效益起著至關重要的作用,但目前丘陵山區(qū)的茶園種植機械化還存在著很多問題,主要集中在茶園、作業(yè)機械、農機農藝融合、茶機共同使用和茶農這幾個方面。

2.1 茶園問題

1)丘陵山區(qū)的茶園地塊大多比較零散,呈階梯狀,相鄰地塊之間高度落差大,道路條件差,茶園機械從存放地點轉移到茶園及茶園中相鄰地塊間的茶園機械轉移十分困難,目前丘陵山區(qū)作業(yè)機械的轉移基本依靠茶農肩扛手抬,勞動強度大。

2)丘陵山區(qū)的茶園地塊平整度較差,存在一定的坡度,且地塊形狀不規(guī)則,作業(yè)死角多,機械作業(yè)難度較大。

2.2 作業(yè)機械問題

1)目前,適合于丘陵山區(qū)茶園的機械還十分缺乏,盡管如耕作、植保等作業(yè)環(huán)節(jié)已經有了對應機型,但都是一些技術含量較低的機型,且大都比較雷同,性能差較,盡管型號繁多,但并沒有在丘陵山區(qū)的茶園得到大規(guī)模應用;而對于如茶園深耕、高檔名優(yōu)茶的采摘等一些對技術含量要求較高的作業(yè)環(huán)節(jié),目前還很少有合適的機械。

2)現有的機型作業(yè)時對操作者的依賴性強,轉向控制困難,振動噪聲大,整機舒適性較差。茶園機械零件質量差,裝配精度低,故障率較高,嚴重影響了作業(yè)的效率甚至錯過最佳作業(yè)時間段。

3)現有的丘陵山區(qū)茶園機械通常是動力機械與作業(yè)機械結合一體,售價較高,動力機械不能一機多用,因此購置某一種植環(huán)節(jié)的作業(yè)機械就需要同時購置動力機械,購機成本高,經濟性差。盡管我國很早以前就已經開始了通用動力平臺的研究,但由于作業(yè)機械的接口、整機控制等關鍵問題沒能很好地解決,因此目前還沒有出現通用動力平臺的應用。

2.3 農機農藝融合問題

農機農藝融合是解決農業(yè)機械化生產的重要措施與途徑,而目前我國丘陵山區(qū)茶園的農機農藝融合水平還很低。我國茶園種植區(qū)域分散在全國各地,茶園種植模式復雜,茶樹的栽植技術、耕作制度、采摘方式等沒有考慮到機械作業(yè)的要求。因此,茶樹品種的選育時應考慮該品種是否適應機械化作業(yè),茶樹栽植時應給機械作業(yè)預留足夠的行間距,茶樹培育時應形成整齊的蓬面,培育的新梢萌發(fā)整齊、長度一致,以適應機械化采摘。另一方面,研發(fā)部門沒有建立農機與農藝相結合的研發(fā)機制,農藝研究主要追求如何提高產量,忽略了機械作業(yè)的適應性;農機研制過程中,又會根據對應的種植制度,研究不同作業(yè)要求的機械,二者結合的情況較少,給茶園機械化發(fā)展帶來很大的問題。

2.4 茶機共同利用問題

我國丘陵山區(qū)的茶葉種植主要是以家庭式的小規(guī)模生產為主,各種植戶之間缺乏相互之間的協(xié)同合作,缺乏合理的茶機共同管理利用意識,每家每戶均各自購買多種類型的茶園機械,造成了大量茶園機械的閑置浪費,購機成本高。丘陵山區(qū)缺乏專業(yè)的茶園機械管理作業(yè)團隊和茶葉機械服務專業(yè)合作社等社會化服務組織,茶園作業(yè)只能依靠茶農自己或雇傭工人操作機械作業(yè),作業(yè)水平良莠不齊,作業(yè)質量差,茶園機械一旦發(fā)生故障,只能送回到經銷商處進行維修處理或等待廠家的售后上門,維修周期長,路程遠,勞心費力。

2.5 茶農問題

目前,丘陵山區(qū)茶農老齡化嚴重、體力差,不滿足機械作業(yè)對操作者體力的要求;茶農的文化水平普遍較低,難以掌握機械作業(yè)的各種技術要求,大多不會機械的故障排除、維修等技術;茶農對茶園機械的保養(yǎng)管理意識差,茶園機械通常只能使用2～3年,使用成本高。因此,丘陵山區(qū)現有的茶農難以適應機械化作業(yè),提高茶園機械化水平必須積極培養(yǎng)技術水平高的青壯年茶農。

3 茶園種植機械化的發(fā)展思路

加快我國丘陵山區(qū)茶園種植機械化進程,主要可以從以下幾個方面來考慮:

1)提高茶園的標準化建設水平,通過長遠規(guī)劃,逐步實施的方式對丘陵山區(qū)的茶園進行土地宜機化整治,逐步改善茶園的基礎設施現狀,為茶園的機械化作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

2)積極發(fā)展適度規(guī)模經營,提高茶園的規(guī)?；洜I。積極鼓勵成立專業(yè)的茶園機械管理作業(yè)團隊或茶葉機械服務專業(yè)合作社等社會化服務組織,為丘陵山區(qū)的茶農提供專業(yè)的服務。積極宣傳鼓勵家庭型茶農多家購買不同機型,聯(lián)合使用,共同管理,切實解決丘陵山區(qū)茶園機械購機成本高、利用率低的問題。

3)強化農機農藝融合,推行適宜的農藝管理措施,改革傳統(tǒng)種植制度,使茶園生產適宜機械化作業(yè)。新發(fā)展的茶園采用規(guī)范化的種植規(guī)格,選擇優(yōu)良的茶樹品種,通過定型修剪形成統(tǒng)一的樹高和蓬面,以適應機械化作業(yè)。

4)針對丘陵山區(qū)茶園的特殊作業(yè)條件,積極研發(fā)適宜的作業(yè)機械,切實解決茶園種植各環(huán)節(jié)機械缺乏的問題,提高機械的舒適性,降低作業(yè)的勞動強度,提高機械的制造水平,降低故障率。

5)目前,丘陵山區(qū)的茶園機械多采用柴油機或汽油機作為動力,為響應國家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展政策的號召,可以加大新能源應用,積極研發(fā)綠色無污染的新能源茶園機械。

6)進一步改進完善通用動力平臺,開發(fā)出適用于丘陵山區(qū)的通用動力平臺,使得動力機械的利用率得到提升,提高茶園機械的經濟性,降低購機成本和使用成本。

7)將計算機視覺、圖像處理、伺服控制等技術應用到茶園機械當中,提高茶園機械的自動化、智能化程度,實現茶園植保機械的精準、精量噴施,茶葉采摘的精準識別定位及單芽完整采摘等。

4 結論

盡管我國丘陵山區(qū)的茶園種植機械化還存在很多問題,但近年來通過土地宜機化整治及茶園標準化建設、規(guī)模經營化,已經初見成效,一部分茶園的作業(yè)條件已經得到改善,能夠適應機械化作業(yè)。下一步,我國應繼續(xù)推進茶園標準化建設、經營規(guī)模化,同時加大茶園機械的研發(fā)力度,采取引進應用、參考借鑒和自主創(chuàng)新并重的策略,研制技術含量高的具有自主知識產權的茶園機械,提高茶園種植機械的自動化程度,為進一步實現茶園種植的智能化打下堅實基礎。