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摘要：从土肥管理机械、茶树管理机械、灾害管理机械、采茶机械、智慧管控5个方向详述了“十三五”我国茶园机械的研究进展。分析了我国茶园机械研究“十四五”发展趋势与重点，并对当前国内茶园机械化研究发展方向提出了建议。
关键词：茶园;机械化;“十三五”;进展;“十四五”;发展方向
Tea Garden Machinery Research Progress during the
13th Five-Year Plan Period and Development
Direction in the 14th Five-Year Plan Period
SONG Zhiyu， HAN Yu， DING Wenqin， ZHAN Caixue， JIANG Qinghai
Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China
Abstract： The research progress of tea garden machinery in the "13th Five-Year Plan" was introduced in detail， from
five directions， including soil and fertilizer management machinery， tea tree management machinery， disaster
management machinery， tea picking machinery， and smart management and control. The development trend and key
points of tea garden machinery research in the "14th Five-Year Plan" period were analyzed， A series of recommendations
for the current development direction of domestic tea garden mechanization research were also put forward.
Keywords： tea garden， mechanization， the 13th Five-Year Plan， progress， the 14th Five-Year Plan， development
direction
茶園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。茶园生产机械化是茶叶生产现代化的基础，特别是在农村劳动人口持续下降的情况下，实现茶园机械化生产是茶叶产业健康发展的必由之路。
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。据统计，我国茶园基本实现了茶树修剪、大宗茶采摘、植保等环节的机械化，10%～20%的平地茶园实现了机械化耕作与施肥。
一、我国茶园生产机械化技术
“十三五”研究进展
我国茶园机械化起步于上世纪五六十年代，“十一五”末到“十二五”是集中发展期，基本奠定了“动力平台+”的机械化发展模式。“十三五”是继续推进期，重点就丘陵地区茶园轻简型机械化、作业装备自动化智能化、茶园生产智能管控等方面开展了技术攻关，取得了初步成效，使我国茶园机械化生产技术装备水平得到进一步提升。
1. 土肥管理机械
（1） 茶园耕作机械
土壤耕作是土壤管理的主要技术措施之一，具有疏松土壤、清除杂草、防治病虫，调节土壤水、肥、气、热等良好作用;而施肥是提高土壤肥力和茶叶产量最有效、最直接的方法，是茶树栽培的重要环节。耕作施肥机械的正确选择和耕作技术的合理配套，对茶树生长和茶叶品质有着重要的影响。
“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[1]。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。2020年，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
施肥对茶树的生长发育，茶叶的产量、品质都具有重要意义。1970年前后，我国开始研究茶园施肥机械，经过几十年的发展，一些机型已经被推广使用，但因茶园行间距小，机具作业不便，大多为施用颗粒复合肥的撒施小型机械。针对上述情况，“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。2018年，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[2]。该机型尺寸与茶行尺寸相匹配，适合跨行作业，且其作业时开沟离茶树根系距离适当，不易伤根;1次作业可开4条沟，作业效率较高。 茶园有机肥用量大，传统采用先开沟、再施肥、最后覆土的作业方式，费时费力，很多茶园因此采用直接撒施方式，肥效很低。针对这种情况，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[3]。2020年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，该机主要由横置排列的2个螺旋破土排肥器组成，作业时排肥器反向旋转破土，肥料经施肥器中空管施入土层，可一次性完成开沟、施肥、覆土作业，同时，集成了施肥深度自适应保持系统和螺旋输肥系统，实现了变量、变位、变深施肥作业，目前已小批量生产推广使用;此外还研发了链式开沟施肥机、圆盘式开沟施肥机等施肥作业机具，均可与其研发的低地隙履带动力底盘配套作业。
2. 茶树管理机械
（1）茶树植保机
我国茶园中大多使用大田植保机械进行病虫害防治，其机型种类较多，有喷粉机、喷雾机、喷灌机等。“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便攜式负压捕虫机、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[4]。通过传感器节点精准监测作物的病虫害信息，监测到的信息通过网络系统传递到控制中心，控制中心处理数据后将信息反馈给各用户。基于物联网技术的茶树病虫害公共服务平台也在探索中，该平台集病虫害检索系统、病虫害监控预警系统于一体，可对茶树病虫害进行综合防治。
（2）茶树修剪机械
目前市场上大多数的茶叶修剪机为往复切割型，主要由汽油机、往复切割刀、传动机构、机架等组成。根据作业功能可将其分为单人手提式，双人抬式轻、重、深型修剪机和侧边修剪机等。“十三五”之前，茶园修剪作业大多采用往复式单人或双人修剪机作业，以浙江川崎、杭州落合等日本合资企业产品为主，因其结构简单、作业效率高，在全国茶园迅速得到应用，使我国茶树修剪环节成为第一个达到机械化率50%的茶园作业。
“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。2016年，戴有华等[5]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[6]。2017年，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[7]。邓小龙等[8]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。2018年，恩家智能科技有限公司设计了一种单刃茶树修剪机，该机采用自主研发的电机配合松下进口锂电池，可持续作业8～10 h，同时具有无极调速、定速巡航等功能，可应用于园林和茶园修剪等[9]。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[10]。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。
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 [11]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[12]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。2017年，蔡彬等[13]设计了一种基于无线传感网络的茶园智能化喷灌系统，该系统由检测部分和执行装置组成，可针对不同茶树生长期对土壤、温度、盐分、水分等因素的需要，进行实时精准灌溉。福建大用生态农业综合发展有限公司申报了实用新型专利：一种茶园移动喷灌装置[14]。该装置的喷灌范围更大，同时由于有过滤装置，作业更加环保。2018年，湖州职业技术学院发明了一种茶园自动喷灌系统[15]，该系统主要包括土壤湿度检测器、光照传感器、主控器、喷灌装置、雨水收集装置、蓄水房和太阳能供电装置等，该系统采用太阳能提供动力，可将雨水储存，用相关传感器检测光照强度和土壤湿度，并由控制器自动控制喷灌阀门的开启，实现全自动茶园喷灌，具有节能环保、自动化程度高的优点。付文哲[16]发明了一种茶园喷灌系统，其包括水池、泵、第一过滤器、给料单元和灌溉单元，具有控制简易、灌溉均匀的优点。 （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
采茶机械和修剪机械为同时期作业机械，目前主要应用的大多为日本川崎、落合等公司的产品，双人抬式采茶机几乎垄断了国内市场，但由于国内名优茶等工艺要求较高，往复式采茶機无法达到采摘要求，包括日本川崎生产的KJ4N乘坐式采茶机在内的系列采茶机械只在大宗茶等经济附加值相对低的茶叶产品生产中应用。名优茶机械化、自动化、智能化采摘机械的缺乏严重制约着茶产业的发展。“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。2016年，汤一平等[17]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。2017年，吴先坤等[18]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。2018年，杜哲等[19]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。辛文文[20]对采茶机器人自动控制系统进行设计与分析，该控制系统依据TMS320F2812DSP内核实现，由C语言进行编写，并置入DSP控制板内，满足串口通信与数据分析的伺服控制，确保了茶叶采摘的回收率与品质。侯巧生等[21]发明了一种手提式电动采茶机，该机由直流无刷电机、动力传动机构、剪切刀具、蓄电池组组成，由于增加了电机调速功能，既适应采茶机实际作业要求，同时也可保护电机。2019年，江西师范大学发明了一种往复切割式采茶机[22]，该发明采用独特的锯条结构和切割孔设计，使机器作业时能接触不同角度生长的茶叶，且其收集装置有茶叶筛选功能，可对收获后的茶叶进行初步筛选，该装置具有较高的商业前景。2020年，农业农村部南京农业机械化研究所综合茶叶采摘质量与效率指标，创新提出基于树冠培育的有限选择性采摘思路，创制了优质茶叶智能采摘机器人，利用不同成熟度茶树新梢对红外光谱的反射率不同，成功攻克复杂多变环境下茶叶芽头的识别、定位的难题;并在采摘路径高效规划和采摘控制等方面取得突破，实现了茶叶芽头的精确识别与高效采摘，实现了茶叶较高水平的智能化采摘。浙江理工大学提出并研制了一种基于超声波传感器的机采茶蓬面割刀仿形方法与样机，提出了一种基于非线性跟踪微分器的PNTD控制律，构建了基于CAN总线的仿形单元分布式控制结构，实现了该分布式控制结构的低成本RCP系统，采摘质量基本满足机械化采茶技术标准和大宗绿茶制作工艺要求。
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[23]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;监控系统，用于茶园安全监控;网络系统，用于用户请求和反馈处理、远程访问通讯、数据存储;数据系统的各个传感器通过RS485串口连接至LAN局域网，通过交换机传输至茶园指挥中心，指挥中心根据茶园监测数据，通过LAN网络传输指令至控制系统控制茶园中的装置及机器人调整作业状态。远程用户可以通过专网/VPN连接至茶园指挥中心，通过客户端观察茶园数据。上述平台能够对茶树进行实时监测，还能够监控茶园内部安全，使茶园环境监测数据更加可靠。
中国计量大学将茶园与分布式光伏有效结合起来，将物联网技术应用于茶园远程监测，以STM32为微控制器，开发了基于物联网的光伏茶园监测系统。该系统能够采集茶园的各项数据并发送到远程服务器，实现数据的远程查看和共享，利用这些数据可用于优化光伏茶园系统，从而提高茶叶的产量[24]。
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。该技术主要包含茶园土壤生态调控技术、茶园生态位配置与管控技术、茶园病虫害监测预警与生态防控技术、茶园生境环境信息自动化感知技术、茶园水分智慧管控技术以及茶园生境智慧管控专家服务系统等。根据广东省各茶区的主栽品种、气候环境、土壤和植被的差异特征，合理使用茶园生境智慧管控相关技术，改变了茶园种植结构，强化了生物多样性增益控害的服务功能，促进了广东省生态茶园建设，推动了广东省茶产业可持续健康发展[25]。
广东职业技术学院以物联网技术为基础，构建了一个智慧茶园控制系统，以解决在传统茶树种植过程中施肥、灌溉、除虫和采摘等问题，实现了茶树种植过程的精细化管理。构建了一个专家系统，使用紫峰网络来采集茶园土壤温湿度、光照度等数据并进行挖掘，辅以视频监测，精细化管控茶树种植过程中的各项工作[26]。
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[27]。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。开发了基于Spring Cloud智慧茶园云管理平台，分为茶树生长环境监测平台、视频监控平台、水肥药一体化调控平台、茶叶质量追溯平台、茶树生长过程综合管理平台5个子平台，为实现智慧茶园的精准控制管理提供了平台技术支撑。采用优化的AlexNet神经网络作为基本架构，先对病虫害图像样本进行优化，然后将预处理后的图像样本输入模型进行训练并测试，为实现视频监控子平台的病虫害图像识别功能提供理论依据。该系统设计合理，能够有效提高茶园的管理效率，具有一定的可推广性。 赵小娟等[28]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
我国茶园生产机械化技术在“十三五”期间取得了长足的发展，重点针对丘陵山区轻简型作业机具、智能化作业机具开展了技术攻关。5年来，茶园耕作、施肥、除草、修剪、采摘、植保等环节研发出了背负式、手扶式、乘坐式和遥控式全程系列作业机械，解决了茶园生产无专用机械可用的问题，同时提出了“动力平台+”的技术作业模式，制定了平坡、缓坡、陡坡不同地形茶园机具配置方案，进一步优化和完善了我国茶园机械化生产装备技术体系。一方面使茶园机械化生产技术装备体系更加完善，为茶园生产全面机械化、现代化奠定了坚实基础;另一方面，使得茶园生产机械化观念深入人心，茶园宜机化改造的接受度愈来愈高。茶园生产机械化出现了良好的发展势头。
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 [29-32]。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
“十三五”期间茶园机械化发展硕果累累，成效显著，为茶叶产业的阶段性发展提供了重要的技术装备支撑，但依然存在诸多问题有待解决。未来我国茶园生产机械化发展重点应放在以下几个方面。
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經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。
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关键词：茶园;机械化;“十三五”;进展;“十四五”;发展方向
Tea Garden Machinery Research Progress during the
13th Five-Year Plan Period and Development
Direction in the 14th Five-Year Plan Period
SONG Zhiyu， HAN Yu， DING Wenqin， ZHAN Caixue， JIANG Qinghai
Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China
Abstract： The research progress of tea garden machinery in the "13th Five-Year Plan" was introduced in detail， from
five directions， including soil and fertilizer management machinery， tea tree management machinery， disaster
management machinery， tea picking machinery， and smart management and control. The development trend and key
points of tea garden machinery research in the "14th Five-Year Plan" period were analyzed， A series of recommendations
for the current development direction of domestic tea garden mechanization research were also put forward.
Keywords： tea garden， mechanization， the 13th Five-Year Plan， progress， the 14th Five-Year Plan， development
direction
茶園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。茶园生产机械化是茶叶生产现代化的基础，特别是在农村劳动人口持续下降的情况下，实现茶园机械化生产是茶叶产业健康发展的必由之路。
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。据统计，我国茶园基本实现了茶树修剪、大宗茶采摘、植保等环节的机械化，10%～20%的平地茶园实现了机械化耕作与施肥。
一、我国茶园生产机械化技术
“十三五”研究进展
我国茶园机械化起步于上世纪五六十年代，“十一五”末到“十二五”是集中发展期，基本奠定了“动力平台+”的机械化发展模式。“十三五”是继续推进期，重点就丘陵地区茶园轻简型机械化、作业装备自动化智能化、茶园生产智能管控等方面开展了技术攻关，取得了初步成效，使我国茶园机械化生产技术装备水平得到进一步提升。
1. 土肥管理机械
（1） 茶园耕作机械
土壤耕作是土壤管理的主要技术措施之一，具有疏松土壤、清除杂草、防治病虫，调节土壤水、肥、气、热等良好作用;而施肥是提高土壤肥力和茶叶产量最有效、最直接的方法，是茶树栽培的重要环节。耕作施肥机械的正确选择和耕作技术的合理配套，对茶树生长和茶叶品质有着重要的影响。
“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[1]。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。2020年，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
施肥对茶树的生长发育，茶叶的产量、品质都具有重要意义。1970年前后，我国开始研究茶园施肥机械，经过几十年的发展，一些机型已经被推广使用，但因茶园行间距小，机具作业不便，大多为施用颗粒复合肥的撒施小型机械。针对上述情况，“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。2018年，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[2]。该机型尺寸与茶行尺寸相匹配，适合跨行作业，且其作业时开沟离茶树根系距离适当，不易伤根;1次作业可开4条沟，作业效率较高。 茶园有机肥用量大，传统采用先开沟、再施肥、最后覆土的作业方式，费时费力，很多茶园因此采用直接撒施方式，肥效很低。针对这种情况，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[3]。2020年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，该机主要由横置排列的2个螺旋破土排肥器组成，作业时排肥器反向旋转破土，肥料经施肥器中空管施入土层，可一次性完成开沟、施肥、覆土作业，同时，集成了施肥深度自适应保持系统和螺旋输肥系统，实现了变量、变位、变深施肥作业，目前已小批量生产推广使用;此外还研发了链式开沟施肥机、圆盘式开沟施肥机等施肥作业机具，均可与其研发的低地隙履带动力底盘配套作业。
2. 茶树管理机械
（1）茶树植保机
我国茶园中大多使用大田植保机械进行病虫害防治，其机型种类较多，有喷粉机、喷雾机、喷灌机等。“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便攜式负压捕虫机、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[4]。通过传感器节点精准监测作物的病虫害信息，监测到的信息通过网络系统传递到控制中心，控制中心处理数据后将信息反馈给各用户。基于物联网技术的茶树病虫害公共服务平台也在探索中，该平台集病虫害检索系统、病虫害监控预警系统于一体，可对茶树病虫害进行综合防治。
（2）茶树修剪机械
目前市场上大多数的茶叶修剪机为往复切割型，主要由汽油机、往复切割刀、传动机构、机架等组成。根据作业功能可将其分为单人手提式，双人抬式轻、重、深型修剪机和侧边修剪机等。“十三五”之前，茶园修剪作业大多采用往复式单人或双人修剪机作业，以浙江川崎、杭州落合等日本合资企业产品为主，因其结构简单、作业效率高，在全国茶园迅速得到应用，使我国茶树修剪环节成为第一个达到机械化率50%的茶园作业。
“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。2016年，戴有华等[5]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[6]。2017年，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[7]。邓小龙等[8]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。2018年，恩家智能科技有限公司设计了一种单刃茶树修剪机，该机采用自主研发的电机配合松下进口锂电池，可持续作业8～10 h，同时具有无极调速、定速巡航等功能，可应用于园林和茶园修剪等[9]。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[10]。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。
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 [11]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[12]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。2017年，蔡彬等[13]设计了一种基于无线传感网络的茶园智能化喷灌系统，该系统由检测部分和执行装置组成，可针对不同茶树生长期对土壤、温度、盐分、水分等因素的需要，进行实时精准灌溉。福建大用生态农业综合发展有限公司申报了实用新型专利：一种茶园移动喷灌装置[14]。该装置的喷灌范围更大，同时由于有过滤装置，作业更加环保。2018年，湖州职业技术学院发明了一种茶园自动喷灌系统[15]，该系统主要包括土壤湿度检测器、光照传感器、主控器、喷灌装置、雨水收集装置、蓄水房和太阳能供电装置等，该系统采用太阳能提供动力，可将雨水储存，用相关传感器检测光照强度和土壤湿度，并由控制器自动控制喷灌阀门的开启，实现全自动茶园喷灌，具有节能环保、自动化程度高的优点。付文哲[16]发明了一种茶园喷灌系统，其包括水池、泵、第一过滤器、给料单元和灌溉单元，具有控制简易、灌溉均匀的优点。 （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
采茶机械和修剪机械为同时期作业机械，目前主要应用的大多为日本川崎、落合等公司的产品，双人抬式采茶机几乎垄断了国内市场，但由于国内名优茶等工艺要求较高，往复式采茶機无法达到采摘要求，包括日本川崎生产的KJ4N乘坐式采茶机在内的系列采茶机械只在大宗茶等经济附加值相对低的茶叶产品生产中应用。名优茶机械化、自动化、智能化采摘机械的缺乏严重制约着茶产业的发展。“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。2016年，汤一平等[17]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。2017年，吴先坤等[18]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。2018年，杜哲等[19]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。辛文文[20]对采茶机器人自动控制系统进行设计与分析，该控制系统依据TMS320F2812DSP内核实现，由C语言进行编写，并置入DSP控制板内，满足串口通信与数据分析的伺服控制，确保了茶叶采摘的回收率与品质。侯巧生等[21]发明了一种手提式电动采茶机，该机由直流无刷电机、动力传动机构、剪切刀具、蓄电池组组成，由于增加了电机调速功能，既适应采茶机实际作业要求，同时也可保护电机。2019年，江西师范大学发明了一种往复切割式采茶机[22]，该发明采用独特的锯条结构和切割孔设计，使机器作业时能接触不同角度生长的茶叶，且其收集装置有茶叶筛选功能，可对收获后的茶叶进行初步筛选，该装置具有较高的商业前景。2020年，农业农村部南京农业机械化研究所综合茶叶采摘质量与效率指标，创新提出基于树冠培育的有限选择性采摘思路，创制了优质茶叶智能采摘机器人，利用不同成熟度茶树新梢对红外光谱的反射率不同，成功攻克复杂多变环境下茶叶芽头的识别、定位的难题;并在采摘路径高效规划和采摘控制等方面取得突破，实现了茶叶芽头的精确识别与高效采摘，实现了茶叶较高水平的智能化采摘。浙江理工大学提出并研制了一种基于超声波传感器的机采茶蓬面割刀仿形方法与样机，提出了一种基于非线性跟踪微分器的PNTD控制律，构建了基于CAN总线的仿形单元分布式控制结构，实现了该分布式控制结构的低成本RCP系统，采摘质量基本满足机械化采茶技术标准和大宗绿茶制作工艺要求。
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[23]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;监控系统，用于茶园安全监控;网络系统，用于用户请求和反馈处理、远程访问通讯、数据存储;数据系统的各个传感器通过RS485串口连接至LAN局域网，通过交换机传输至茶园指挥中心，指挥中心根据茶园监测数据，通过LAN网络传输指令至控制系统控制茶园中的装置及机器人调整作业状态。远程用户可以通过专网/VPN连接至茶园指挥中心，通过客户端观察茶园数据。上述平台能够对茶树进行实时监测，还能够监控茶园内部安全，使茶园环境监测数据更加可靠。
中国计量大学将茶园与分布式光伏有效结合起来，将物联网技术应用于茶园远程监测，以STM32为微控制器，开发了基于物联网的光伏茶园监测系统。该系统能够采集茶园的各项数据并发送到远程服务器，实现数据的远程查看和共享，利用这些数据可用于优化光伏茶园系统，从而提高茶叶的产量[24]。
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。该技术主要包含茶园土壤生态调控技术、茶园生态位配置与管控技术、茶园病虫害监测预警与生态防控技术、茶园生境环境信息自动化感知技术、茶园水分智慧管控技术以及茶园生境智慧管控专家服务系统等。根据广东省各茶区的主栽品种、气候环境、土壤和植被的差异特征，合理使用茶园生境智慧管控相关技术，改变了茶园种植结构，强化了生物多样性增益控害的服务功能，促进了广东省生态茶园建设，推动了广东省茶产业可持续健康发展[25]。
广东职业技术学院以物联网技术为基础，构建了一个智慧茶园控制系统，以解决在传统茶树种植过程中施肥、灌溉、除虫和采摘等问题，实现了茶树种植过程的精细化管理。构建了一个专家系统，使用紫峰网络来采集茶园土壤温湿度、光照度等数据并进行挖掘，辅以视频监测，精细化管控茶树种植过程中的各项工作[26]。
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[27]。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。开发了基于Spring Cloud智慧茶园云管理平台，分为茶树生长环境监测平台、视频监控平台、水肥药一体化调控平台、茶叶质量追溯平台、茶树生长过程综合管理平台5个子平台，为实现智慧茶园的精准控制管理提供了平台技术支撑。采用优化的AlexNet神经网络作为基本架构，先对病虫害图像样本进行优化，然后将预处理后的图像样本输入模型进行训练并测试，为实现视频监控子平台的病虫害图像识别功能提供理论依据。该系统设计合理，能够有效提高茶园的管理效率，具有一定的可推广性。 赵小娟等[28]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
我国茶园生产机械化技术在“十三五”期间取得了长足的发展，重点针对丘陵山区轻简型作业机具、智能化作业机具开展了技术攻关。5年来，茶园耕作、施肥、除草、修剪、采摘、植保等环节研发出了背负式、手扶式、乘坐式和遥控式全程系列作业机械，解决了茶园生产无专用机械可用的问题，同时提出了“动力平台+”的技术作业模式，制定了平坡、缓坡、陡坡不同地形茶园机具配置方案，进一步优化和完善了我国茶园机械化生产装备技术体系。一方面使茶园机械化生产技术装备体系更加完善，为茶园生产全面机械化、现代化奠定了坚实基础;另一方面，使得茶园生产机械化观念深入人心，茶园宜机化改造的接受度愈来愈高。茶园生产机械化出现了良好的发展势头。
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 [29-32]。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
“十三五”期间茶园机械化发展硕果累累，成效显著，为茶叶产业的阶段性发展提供了重要的技术装备支撑，但依然存在诸多问题有待解决。未来我国茶园生产机械化发展重点应放在以下几个方面。
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經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。
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