茶園中耕機械化發展現狀與對策分析

代紅朝，肖宏儒,梅 松，宋志禹

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

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茶園中耕機械化發展現狀與對策分析

代紅朝，肖宏儒,梅 松，宋志禹

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

中耕是茶園管理作業過程中的一個重要環節，實現茶園機械化耕作管理，可提高茶葉生產效率與品質。國內茶園耕作長期處于傳統作業狀態，不能滿足茶園管理需要，更不符合現代化農業要求，而國外部分茶葉生產國已經實現茶葉生產全程機械化作業。茶業是傳統的勞動力密集型產業，時效性較強，而隨著我國城鎮化進程加快，農業勞動力資源急劇短缺，茶園用工難問題日益突出。茶園耕作機械短缺已嚴重制約了我國新型高效茶業的發展。為此，針對國內外茶園中耕機械進行了綜述，分析了發展趨勢，指出了存在的問題，并據此提出了解決方案。

茶業；耕作管理；中耕；機械化

0 引言

資料顯示[1-2]，我國茶葉發于神農，聞于魯周公，興于唐朝，盛于宋代。中國是世界上最早發現和利用茶樹的國家，是飲茶、種茶、制茶的原產地，是茶葉的出口、消費大國。在19世紀，中國茶葉曾長期壟斷著國際市場。如今茶葉作為全球性純天然飲料，成為占據重要地位的國際農產品貿易種類之一。在現代豐富多樣的飲料當中，茶葉仍是最具活力的天然、綠色、健康飲料，純綠色、純天然已成為未來飲料世界的主流和發展趨勢。因此，應抓住茶業巨大的發展前景這一機遇，大力振興我國茶業經濟。

我國茶業區域特色比較明顯，全國生產茶葉的省、市、自治區中，紅茶主產區分布在廣東、云南，烏龍茶主要集中在福建，花茶產區主要分布在云南、廣西、福建等，名優綠茶集中在四川、安徽、湖南、浙江等。縱觀全國各茶類主產區，茶葉生產機械化現狀令人擔憂，茶業經濟發展中存在諸多問題亟待解決。茶業是傳統的勞動力密集型產業[3]，生產具有典型的季節性。然而，隨著改革開放的深入實施，成批的農業勞動力大量流出，造成茶園勞動力資源短缺，不斷上漲的勞動力成本導致茶葉生產成本急劇上升，對整個茶產業的影響日漸突出。這些問題日益成為當前阻遏茶業經濟發展的關鍵因素，迫使茶業產業生產方式做出轉變。

1 土壤中耕技術優勢

土壤機械耕作是調控土壤物理狀態、保持農業可持續發展的重要途徑，而耕層土壤的物理變化對農作物的生長環境產生著重要作用[4-7]。土壤機械耕作包括豐富的內容，涉及多學科知識，如土壤的機械阻力、孔隙比、導熱性及有機質含量等。中耕機械是農作物生長期間用于松土破板結、除草、施肥等作業的機械。茶園中耕、除草、施肥等作業所用勞動力約占整個茶園生產用工的1/4,且作業環境較差、任務繁重、效率低下,茶樹的栽培管理嚴重依賴人工、畜力勞作，耕作質量很難達到農藝要求[8-10]。中耕后的土壤具有以下主要優勢：

1)疏松土壤，增加土壤通氣性：茶果園等旱作物中耕，可增加土壤的孔隙度，增加土壤氧含量，改善土溫，從而增強農作物的呼吸作用，加強根系吸收能力，促進作物健壯生長。

2)提高土壤有效養分含量：由于茶果園旱地中大多數微生物都是好氣性的，當土壤板結或者土壤中氧氣不足時，不利于微生物活動，導致土壤中有機質、礦物質不能被充分分解、釋放，使土壤肥力下降。

3)調節土壤水分含量：旱地中耕能切斷土壤表層的毛細管，防止土壤水分向表層運送而蒸發，從而提高土壤的抗旱能力；當土壤水含量過多時，中耕松土又可促使土壤水分蒸發，對于丘陵坡地等能防止地表徑流及減少水土流失等[11]。

4)提高土壤溫度：中耕能使土壤疏松，從而使受光面積增大，熱量向土壤深層傳導，進而提高土壤溫度，尤其對板結的土壤進行中耕，可加快幼苗成長。

5)抑制作物徒長：農作物營養生長過旺時，中耕可切斷部分根系，控制吸收養分，抑制徒長[12]。

6)行間除草：茶果園等行間易生雜草，中耕可清除雜草，提高土壤肥力利用率，利于作物生長，國內外長期實踐證明，化學除草病不能取替機械中耕。

7)土肥相融：中耕可使表層肥料攪拌到底層，達到土肥相融的目的。

2 國外茶園中耕機械化現狀

國外主要茶葉生產貿易國有日本、印度、越南、肯尼亞及斯里蘭卡[13-15]。前蘇聯是最早研究茶園管理機械的國家，全蘇山地拖拉機研究所于20世紀30年代成立，研究設計了茶園跨行式自動底盤拖掛機具，后又相繼研制了跨行式施肥機、耕耘機，以及源于其它作物噴灌機具、治蟲機具的改進。日本是研究茶園作業機械最多且基本實現管理機械化的國家。日本茶園主要由家庭農戶經營，茶園有一定規模的茶農一般配備了整套茶葉機械與設備。日本的現代化茶園種植制度統一，田間作業等亦可由農協等經濟、高效地完成。因此，日本是世界上目前唯一能夠實現茶業全程機械化與標準化作業的茶葉生產國，也是茶葉單位產值最高的國家，其茶園生產管理技術的發展逐步成熟，并引導著當今國際茶葉機械化的發展方向。

1955年，日本開始在茶園管理作業中使用改裝的小型手扶拖拉機[14]；隨后，小型耕作機械逐步被乘用型茶園管理機所替代。茶園管理機械或配備田間鐵軌，或采用履帶液壓行走裝置(全液壓驅動)，可分別攜帶不同機具完成耕作、施肥等作業，具有較強的適應性、作業效率高、便捷安全等優勢。其中，較為典型的是MCF-2乘用型茶園施肥中耕機，于20世紀70年代后期在松元機工株式會社成功研發。該機采用履帶式自動底盤，后部配備兩部臥式旋耕機，通過尾輪可調節中耕作業深度，并能同時在兩行進行作業；龍門架兩側上面分別裝有肥料箱，箱內肥料經攪動而排入管內到達地面，后經施耕機翻土覆蓋。日本茶葉耕作機械主要由幾家大公司生產，以自走式、手扶式茶園管理機械為主。這些機械的工作方式不同于其他土壤耕作方式，且更具有實用性，目前在我國大陸因茶園種植等農藝的差異而未能大面積推廣應用。

我國臺灣地區茶園管理機械具有操作簡便、輕巧靈活等優點[13]，如坡地多用途作業機及氣壓式深層松土施肥機等。

3 國內茶園中耕機械化現狀

茶園管理是茶葉生產過程中重要的組成部分，按時、高效地做好茶園管理作業，能夠徹底清除雜草、疏松土壤、增強土壤肥力，從而保證茶樹全苗、高產、優質及持續增產等。茶園生產機械化的重點和難點在茶園耕作管理機械化。茶園中耕耕深一般在0.15m以內，茶園中的耕作管理通常有中耕、除草、施肥等作業功能。茶園在生長采摘期間，每年都需要若干次不同程度的行間松土、除草、施肥等中耕作業，這些作業環境惡劣、任務復雜而繁重。中耕作業采用人工作業時用工數占全年20%[16-17]，而中耕機械化不僅可以降低成本、提高產量、改善土壤性狀、減少病蟲害，更能提高丘陵等山區、干旱茶園土壤抗旱能力。

20世紀70年代前，我國茶園生產管理等田間作業一直由傳統的半機械化的畜力農具作業，工效低，經濟效益差[18]。70年代后，我國手扶拖拉機逐漸開始廣泛應用，經過加裝防護罩等機構，采用旋耕機開始在部分茶園中進行中耕、除草等作業，在一定程度上提高了生產效率；但其體型較大、重心偏高、操作較困難等一系列不便利因素，在坡地茶園作業時穩定性差，整體使用性能有待提高。

1980年，原浙江省機械科學研究所、浙江省嘉善拖拉機廠等單位成功研制了C-12型茶園專用耕作機械，這是我國茶園耕作機械首款值得推廣應用的茶園專用動力機[19-20]。C-12型茶園耕作機使用S195型(8.8kW)柴油機提供動力，采用履帶式行走裝置，機器下部最大寬度為0.8m，上部為0.5m，整機橫斷面成“凸”字型，可充分利用茶行間隙，配置流線形防護罩減少對茶樹枝條的損壞。其變速箱箱體共設置6個前進檔、2個倒檔，可滿足中耕、深耕、開溝、施肥等作業。采用液壓提升系統，設置中立、提升、浮動等3個工位，以適應地面起伏狀況并保持耕深。中耕除草作業使用左右各配8把彎犁的旋耕機，松土、除草性能良好，且不易纏草。整機驅動力較大、重心低、穩定性較好，適宜于行距為1.5m的條植茶園作業。

20世紀80年代，紹興東方紅茶場使用小型柴油機懸掛直齒犁，依靠鏈軌式行走裝置進行中耕作業，耕幅達0.8m，耕深可達0.3m，每小時可耕作0.13hm2左右，該耕作機適用于一定坡度的茶園[20]。

20世紀90年代中期，國內第1家生產茶園中耕機的原浙江省新昌縣東輝機械廠研制的ZGJ-150型茶園中耕施肥機，是在日本一種施肥、淺耕兩用機的基礎上，結合我國茶園實際狀況而制造的新機型[21]。該機以2.2kW的F165型柴油機為動力，采用手扶自走式作業方式，中耕作業部件為2把齒形鍬，中耕幅寬設定在0.35～0.55m范圍內；中耕耕深為0.13～0.15m，作業行走速度可達0.5m/s，整機長、寬、高分別為1.50、0.42、1m，質量為120kg左右。該機在全國多省茶區推廣使用性能穩定，得到了茶農一致好評。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動力不足、耕作鍬齒變形、耕作深度不達標。

隨后，經過實地調研，新昌縣捷馬機械有限公司(原東輝機械廠)在ZGJ-150型基礎上全新設計了ZGJ-120型茶園中耕機[22]。該機以F170型柴油機為動力，功率達2.96kW(4馬力)，行走輪采用鐵輪，輪緣寬0.9m，外緣焊有人字形凸出筋條，耕幅設定在0.45m，最大耕深為0.12m，行走速度達0.4m/s，整機長、寬、高分別為1.25、0.47、0.76m，質量為130kg左右。經過改進后的試驗，ZGJ-120型茶園中耕機適用于松軟、硬度適中的茶園，可在坡度為15°以下茶園中穩定作業，茶樹枝條損傷率極低，耕作質量滿足農藝要求。試驗中還發現：該機在土壤含水率很低且堅硬的茶園中作業時，出現耕深不一致、作業效率較低、機器行走時跳動等不良現象。

2011年，楊擁軍等[23]針對我國南方茶園機耕過程中受茶樹枝條阻礙、纏草等情況，在煙草作物中耕機基礎上經過改進設計了一種小型茶園中耕機。該茶園中耕機由傳動系統、旋耕刀、靜刀、限深裝置、罩殼及機架等組成，工作時由柴油機提供動力，動力經由帶輪帶動槽輪傳遞到一級變速箱，調速后將動力傳到二級可調速變速箱中，進而傳遞給刀軸帶動旋耕刀。中耕除草作業時，通過在旋耕刀旋轉機構上方裝配1根與之相對應的靜刀軸，使安裝在刀軸套管導槽中的靜刀片、下方旋耕刀成間隙均勻分配，刀軸旋轉時靜刀片能與纏繞的雜草之間產生一定的剪切應力，從而纏在旋耕刀上的雜草被靜刀片切斷并隨著旋耕刀翻轉土壤而脫離旋耕機構。該機亦采用了流線型罩殼，在減小中耕機行進阻力的同時保證工作過程連續、流暢，亦可調節耕深，適應不同土質要求和耕作環境要求等。

2012年，由無錫華源凱馬發動機有限公司張士興、農業部南京農業機械化研究所肖宏儒等針對茶行有限的空隙發明了新型模仿人工鋤地作業的刀具。其作業時可利用土壤作用于刀具的水平方向的反作用力克服一部分整機前進作業時受到的地表阻力，從而為發動機減輕負荷、節省能耗。整機運用高等機構學原理，結構設計精巧而緊湊，可順利進入茶果園等狹窄的行間作業。在使用中，由于曲柄機構受震動、慣性力、負載力等復雜環境影響，軸承、螺栓等連接固定部分容易松動、損壞，其強度和結構參數等有待進一步優化。該茶田翻耕機外形圖如圖1所示。

圖1 茶田翻耕機

2013年起，在現代農業茶葉產業技術體系等的支持下，由肖宏儒等設計了茶園管理機復合底盤、機具配套接口結構，同時研制配套的中耕、除草等一系列機具，最終完成節能高效的高地隙多功能茶園管理機[24-25]。該機為減少能耗損失而全部采用高效液壓直驅方式，調整底盤高度以實現橫跨茶棚并能復式作業，通過調整整機寬度、地隙高度可增強整機在復雜地形及不同茶園農藝的適用性。經過試驗改進，形成履帶式、輪式等不同樣機，外形圖如圖2所示。該機型結構簡單、質量較小、能耗低、作業效率高、實用性較強，應加強推廣應用。另我，還有適用于低地隙的履帶式多功能茶園管理機，樣機外形圖如圖3所示。多功能茶園管理機的研制成功使我國茶園可實現大型機械高效作業，極大地提高了生產率，為國內首創，亦適用于其他果園等的作業，具有很強的通用性。

2015年，徐良等設計研制了3ZFC-40型茶園中耕機[26-27]，主要由機架、除草中耕刀、汽油機及開溝器組成等，整機約25kg，由2.58kW(3馬力)汽油機提供動力，經過變速箱減速后帶動旋刀軸轉動，使中耕除草刀完成碎土、碎草作業。中耕除草裝置由防纏保護蓋、旋轉刀組組成，在相鄰兩組刀間設置橫向肋條，以增大軸徑、防止纏草；防纏圓環、變速箱凹槽相互配合，可有效防止纏草；變速箱體兩側分別開有圓形凹槽，并與防纏保護蓋密封配合，可解決輸出軸被纏死的問題。經過試驗，該機作業性能良好，耕深較為理想，可靠性及作業效率較高，是適合丘陵地區茶園作業的新型茶園中耕機械。但是，由于機器重心偏置而產生微量彈動、長莖稈雜草等依然會出現纏死問題及土壤濕度大于32%時容易堵塞等問題有待解決。

圖2 高地隙多功能茶園管理機

圖3 低地隙多功能茶園管理機(懸掛有機具)

4 當前茶園中耕機械發展趨勢

實現茶葉機械化管理，可極大地提高勞動生產效率，降低茶葉生產成本，解決當前農業勞動力資源緊缺問題，并能穩步發展茶業經濟，提高茶葉品質，滿足茶園節本增效的現實之需，也是發展茶業現代化、提高茶農生活質量、創建新型農村等的必由之路。

縱觀茶園耕作機械整個發展史，雖然適用于茶園的機型較少，但近幾年在國家強力推進農業現代化的進程中農業機械化水平得到迅速提高，茶園機械整體水平亦有一定程度的提升。隨著計算機輔助設計、虛擬樣機等技術的發展與廣泛應用，專門針對茶園的耕作機械雖少，尤其是中耕機械，但亦有其發展趨勢：

1)當前茶園中耕機械實現了小型化發展。隨著發動機、傳動系統的發展，以及新技術、新材料的應用，越來越多的工作部件被集成于一體或者被集成模塊所替代，其工作穩定性、可靠性等亦得到很大提升。如上文所述的茶田翻耕機，其小巧的外觀能輕松進入有限的茶行間作業。

2)當前茶園中耕機械實現了可乘用型的發展。傳統的茶田耕作機械借用大田作業機械，在茶園耕作性能較差，而新型的多功能茶園管理機在實現乘坐功能的前提下卻能保證良好的作業性能。

3)當前茶園中耕機械智能化、通用性水平得到提升和發展。發動機技術的發展提高了動力機械的智能化水平，通用接口技術的發展提升了機具使用率，新型的茶園管理機械不僅可以用于茶園作業，還可用于林果園等間隙種植的作物。

4)當前茶園中耕機械實現了節能、綠色、環保。機械設計與制造水平的提升可提高中耕機械自身的經濟性能，如油耗、尾氣排放等。針對茶園的中耕機械的應用還可以減少化肥的使用，提高茶園土壤有機質含量，改善茶園的生物環境，提供適于茶樹生長的條件。

5 存在問題及解決方案

縱觀國內外茶園機械的發展過程，結合我國茶園機械發展現狀，茶園管理機械化是實現茶業現代化、提高茶業經濟效益最迫切、最關鍵的部分。近年來，隨著我國工業的發展，我國在茶葉加工、包裝等后處理機械方面有較多的研究與應用，并取得了不錯的成果；但在茶園管理機械(尤其是耕作機械)卻很少見有新機型應用，更沒有適用性強的管理機械。在丘陵山區的茶園，管理機械化程度更是極低，且茶園耕作勞動強度大、人工作業成本高，因此急需可推廣的、實用性強的茶園耕作機械。

目前，我國茶園耕作機械化水平較低，并存在諸多問題，主要有3方面：

1)我國茶園規范化、標準化程度低。茶園規劃各不相同，茶園所處丘陵、山區地形復雜多樣化，茶園育種與栽培等農藝不適于機械化，缺乏相應有效的技術服務體系及農機技術推廣人員，機手作業水平低，不能適應市場需求。

2)國內茶葉機械科研體系不健全，國家政策、專項資金等有待更多的傾斜與支持，科研力度有待加大，科研水平、科研面有待進一步提高、擴大。

3)茶機企業數量少、實力單薄、創新力不高，生產制造水平較低，作業機具功能單一、價格昂貴、低性能，這些都嚴重制約著茶葉機械的發展。

我國茶園實現機械化的路程還很長，鑒于國外茶園機械化發展狀況，根據我國茶園實際發展現狀及國民飲茶習慣等，建議通過以下途徑提高我國茶園耕作機械化水平：

1)行業主導茶葉品質、品種及相應栽培技術的規范與推廣，茶葉機械、農學、企業等各學科、各單位協同一致，提高農機、農藝的深度融合水平，共同打造有中國特色的新型現代化茶園。

2)加大政策、資金等的支持力度，運用現代設計方法，結合先進的計算機仿真分析功能，采用國內外新技術、新材料等研發新機型。針對不同地形、不同農藝的品種進行分類研究、逐步攻克，進一步發揮農機推廣站等農機、農藝服務部門的作用，及時跟蹤反饋茶園需求，打通產品的研發、制造、推廣應用等環節，提高產品從設計到應用的效率，使各部門、各環節相互緊密銜接，建立一整套高效的茶園服務體系。

3)提高茶園規模化及標準化經營水平，成立茶機專業合作社，提高茶機的安全使用水平和利用效率，努力打造現代生態茶園。

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Keywords：teaindustry;cultivationmanagement;cultivation;mechanization

TeaCultivatorMechanizationDevelopmentandCountermeasures

DaiHongchao,XiaoHongru,MeiSong,SongZhiyu

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

Cultivatorisoneofthemostimportantpartsoftheteagardenmanagementoperationprocess,therealizationofmechanizedfarmingmanagementcanimprovetheproductionefficiencyandqualityoftea.Domesticteagardenfarming,especiallythecultivationoperations,inthetraditionaloperationstateforalongtime,cannotmeettherequirementsofthemanagementoftea,notconformtotherequirementsofthemodernagriculture.Someforeignteaproductioncountrieshasrealizedthemodernizationofthewholeteaproduction.Teaindustryisthetraditionallabor-intensiveindustries,andisstrongoftimeliness.However,withtherapiddevelopmentofChina'surbanizationanddramaticshortageofagriculturallaborresources,theproblem,difficultemploymentinteagarden,isbecomingmoreandmoreprominent.ItisshortageofteagardencultivationmachinerythathasseriouslyrestrictedthedevelopmentofthenewtypeofefficientteaindustryinChina.Thispaperreviewedthedomesticandforeignteacultivationmachinery,analyzedthedevelopmenttrend,pointedouttheproblemsaboutthedomesticteagardencultivationmachinery,andaccordinglyproposedsolutions.

2016-03-23

中國農業科學院果蔬茶創新工程、現代農業茶葉產業技術體系項目(CARS-23)；公益性行業(農業)科研專項(201303132)；國家星火計劃項目(2013GA690001)

代紅朝(1989- ),男,河南平頂山人, 碩士研究生，(E-mail)dhcman@qq.com。

肖宏儒(1958-),男,江蘇泰興人,研究員，(E-mail)xhr2712@sina.com。

S

A

1003-188X(2017)04-0263-06