我國茶園中耕管理機械研究現狀與發展分析*

王文明，宋志禹，趙映，夏先飛，占才學

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國茶樹種植已有3 000多年歷史，是世界上最早種植茶樹并對其開發利用的國家，也是目前世界上最大的茶葉生產和消費國之一。據統計，截止到2019年，我國茶葉總產量超過279萬t，茶產業在國民經濟中發揮了不可替代的基礎性作用[1-4]。中耕管理是茶園生產的重要環節，同時也是勞動力最密集、生產效率較低的環節，其主要包括茶園除草、松土及開溝施肥等。及時的進行除草、開溝施肥等中耕管理作業不僅可提高茶葉產量和品質，還可改善茶園土壤肥力及環境。目前受茶園地理環境及種植模式的影響，我國茶園中耕管理作業還是依靠人工完成，生產效率和作業質量都較低，且勞動成本大。實現機械化作業是解決該問題的關鍵，也是我國茶園未來發展的必經之路，因此對茶園中耕管理機械開展相關研究，推進我國茶園中耕管理作業實現機械化，對我國茶產業發展具有重要意義。文章綜述了國內外茶園管理機械的研究與發展現狀，重點介紹了茶園除草、松土、開溝施肥等作業環節的關鍵技術與主要裝備，在此基礎上分析總結了制約我國茶園管理機械發展主要存在的問題，最后提出了其未來的發展建議與對策。

1 我國茶園機械化生產現狀

我國茶園種植面積近年來整體呈增長趨勢，從2014年的4 141 khm2增加至2019年的近4 600 khm2，茶葉總產量也從210萬t增加至279萬t[5]。我國國土面積遼闊，茶園種植分布廣泛，橫跨南方十幾個省份，不同地勢和環境造成了我國茶園的多樣性，根據茶園種植坡度的不同可將我國茶園分為平緩坡茶園和陡坡茶園，不同坡度下機械化作業水平差距較大。平緩坡茶園由于其坡度較小，更利于大中型機器作業，其機械化作業水平較高，而陡坡茶園大多分布在山地、丘陵地帶，其坡度較大，且土壤環境更復雜，機器難以作業，因此其機械化水平較低，目前不足10%，茶園作業環節以人力為主[5]。

目前阻礙我國茶園生產機械化的主要問題是我國茶園種植模式不適合機械化作業。我國大部分茶園均是20世紀建立的傳統茶園，且其面積占全國茶園總面積70%以上，傳統茶園的茶樹并非為優質的無性系樹種，種植繁密，且茶行較窄，在地頭也未留適宜機器掉頭的空地，這些均不利于茶園機械化作業。因此，傳統茶園只能在少數環節實現半機械化作業，大部分作業環節仍然要依靠人工完后，生產效率較低。

我國在2000年以后先后建立了部分新型茶園，這些茶園種植的是無性系茶樹，且規劃上考慮了土壤耕整、施肥植保、收獲等環節的機械化作業，但由于其在全國茶園中占比較小，因此目前我國茶園整體機械化作業水平仍然較低。從國外茶園發展歷程來看，實現各環節機械化作業，可大幅提高生產效率、降低成本，還可促進茶樹生長，從而保障高品質茶葉生產。因此實現茶園機械化作業是我國茶產業發展必經之路。

2 我國茶園中耕管理機械研究現狀

2.1 茶園中耕管理作業農藝要求

茶園的中耕管理作業主要包括除草、松土、開溝施肥等環節，茶園的中耕除草不僅能疏松土壤、消滅雜草，促進茶樹根系發育，增強其抗病蟲能力，而且還直接或間接起到消滅病蟲的作用。茶園中耕除草一般在6月中下旬進行，可消滅茶毛蟲蛹50%左右，同時配合施農藥消滅小綠葉蟬，可大大提高滅蟲效果。茶園松土作業根據耕深不同可分為淺耕、中耕和深耕，淺耕深度為8～10 cm左右，一般在春茶和夏茶后進行淺耕作業；中耕要在春茶萌發前進行，其深度為10～15 cm，耕作時將土壤打碎，同時將雜草割斷并埋入土壤；深耕其耕作深度一般在15 cm以上，對更新根系效果良好。茶園中耕施肥要求在樹冠下挖10 cm深施肥溝，其寬度一般在10～15 cm左右，施肥肥料大多為有機肥或無機肥，有機肥由于其見效較慢，一般用作基肥，無機肥養分含量高、見效快，目前為中耕作業主要肥料，常見的有尿素和復合肥。

2.2 我國茶園中耕管理機械關鍵技術與裝備

早在20世紀50年代，我國就開始研制茶園中耕機，最開始使用半機械化的畜力帶著機具進行施肥作業，至20世紀70年代，手扶拖拉機的出現解決了茶園機械化作業動力問題，很多茶廠將手扶拖拉機加裝防護罩，采用旋耕機進行中耕除草作業，但由于機型較重，并沒有在茶園大面積推廣。80年代，浙江生產出了中國第一種茶園專用動力機C12型茶園耕作機，該機由小型柴油機提供動力，采用履帶行走機構，可順利進入茶行作業。21世紀以后，隨著我國經濟水平不斷發展，國內掀起了茶園生產機械研制的熱潮，茶機發展進入了快車道，一系列關鍵技術和性能優良的機器被研發出來。

2.2.1 防纏繞除草技術

除草是茶園中耕的關鍵環節，刀具纏草會增大中耕機的作業阻力，從而增加其功耗，同時降低作業質量。刀具防纏草技術的核心是通過合理設計刀具形狀及安裝角度，或配合設計刮草機構，使中耕機作業時，雜草能沿除草刀具自行滑脫或在刮草機構作用下強行脫落。農業部南京農業機械化研究所肖宏儒等研制了IS-30-1KM型松土除草機(如圖1)，該機采用單杠四沖程柴油機驅動，具有體積小、重量輕、操作簡單等優點，可滿足陡坡茶園以及山地丘陵等復雜地況茶園作業要求，其除草刀傾斜一定度呈螺旋安裝在除草輪上，作業時具有較大的滑切角，可有效的防治刀具纏草。湖南省農科院茶葉研究所的楊擁軍等[6]研制了一種小型除纏減阻式茶園中耕機，該機通過動刀與靜刀的間隙配合，利用靜刀片上鋸齒形切刀切斷纏在旋耕機上的雜草，再通過旋耕機翻耕作業將雜草、樹枝埋入土壤，同時其罩殼設計采用流線型，進一步降低了機器作業阻力。安徽農業大學曾晨等研制了一種小型自走式茶園除草機，其選用3.7 kW的178F型單缸立式風冷四沖程柴油機，額定轉速為3 000 r/min，作業時動力通過帶傳動和行走輪變速箱傳遞到行走輪帶動機具自主行走，同時通過鏈傳動和除草輪變速箱帶動除草輪旋轉，實現除草作業，田間試驗得到機器的最優參數組合為除草輪轉速為350 r/min、機具前進速度0.8 m/s、 除草深度30 mm、除草刀個數為6。與此同時，王小勇等[7]設計了自走式茶園微耕機，如圖2所示，該機主要由機架、發動機、操作架、限深調節裝置、傳動系統和旋耕刀輥組成。通過對刀片受力分析，優化了其結構，有效防止作業纏草的發生。貴州省山地農業機械研究所徐良等[8]設計了3ZFC-40型茶園中耕機，該機主要由汽油機、除草中耕刀、機架、施肥裝置、開溝器等組成，田間試驗表明其除草性能優于小型手扶式除草機，且施肥效果良好。四川省農業機械研究設計院程方平等[9]設計了手扶式茶園除草機，其結構示意圖如圖3所示，主要由除草輪、減速箱、擋泥板、前扶手架、發動機、離合器等構成。茶園田間試驗表明使用刀片偏角為70°的除草輪，可有效防止纏草，且除草率達90%以上，在行距1.5 m茶園中作業效率可達972 m2/h。同時在理論研究方面，徐良等[10]對茶園中耕機械纏草機理進行研究，其對雜草纏繞力學特性進行分析和計算,建立了纏繞力數學模型,計算各因子產生的纏繞力,通過對比實際纏繞力測試值,驗證力數學模型的正確性,從而得出減少纏草或防纏草的措施和方法。此外，貴州省山地農業機械研究所張寧潔等[11]發明了一種茶園除草機，該機由機架、滾輪、除草刀、電機、藥箱等構成，其機械割草的同時還可進行噴藥作業，以防止被割雜草重生。張亞楠[12]發明了茶園自走式除草機，其由前機架、后機架、行走輪、把手、發動機、變速箱、除草刀等組成，該機可實現沿茶行自主行走除草作業，大大降低了中耕作業人工勞動強度。

圖1 IS-30-1KM型松土除草機

圖2 自走式茶園微耕機

圖3 手扶式茶園除草機示意圖

總結分析我國茶園中耕除草技術與裝備，近年來發展速度較快，大量機型投入到茶園生產中代替人工作業，尤其是防纏繞式除草部件的研制與推廣，有效的提高了茶園除草的作業效率和質量，解決了茶園機械化除草無法連續化作業的難題。但現有研究以改進和仿制國外機型為主，缺乏原創性設計，同時對防纏繞減阻作業部件的理論研究不足，導致作業部件的可靠性較低。

2.2.2 振動減阻耕作技術

耕作是茶園中耕管理重要環節，我國茶園大多分布在南方山區丘陵地帶，其土壤為偏酸性的黃土，粘性較大，傳統中耕機作業切削阻力大、能耗高等問題突出，振動降阻技術是通過設計振動系統，利用機器自激或主動振動，使得作業時刀具與土壤柔性作用，一部分土壤阻力轉換為機器的勢能，從而降低機器的作業阻力，減少能耗。

浙江工業大學蔣建東等[13]針對南方丘陵地區茶園板結土壤環境，設計了振動型茶園微耕裝置，其結構示意圖如圖4所示。其通過設計凸輪軸、彈簧、推桿等機構，使得微耕機作業時，刀片振動柔性切割土壤，一部分土壤阻力做功轉換為彈簧的彈性勢能，從而達到減阻降耗的目的，該機構設計巧妙，仿真結果表明相較于傳統微耕機，其作業功耗下降近了30%。西南大學李云伍等[14]針對丘陵山地長期淺耕帶來的土壤板結、蓄水保墑能力下降等問題，研制了低功耗小型立軸式深耕機分段螺旋刀具(圖5)，該刀具由立軸刀盤與沿其圓周方向均布的3把分段非連續螺旋型刀片組成，其基于立式銑削，具有上翻、下松的作業特征，仿真結果表明相對于傳統立式直角旋耕刀片，分段螺旋刀片具有明顯的上翻下松效果，切削阻力降低了37.5%，切削阻力波動范圍平均值降低了60.6%，功率消耗降低了47.6%。福建農林大學謝宇等[15]發明了一種振動式茶園松土機，其在車架與旋耕架之間設置彈簧，使機器作業時松土刀柔性切割土壤，從而降低其切削阻力，降低機器功耗。陳家東[16]發明了一種茶園耕地松土除草機，其通過在機器底部兩側設置緩沖桿有效減小裝置作業時，由于地表不平，機器出現顛簸而影響作業質量等問題。張翔等[17]發明了一種擺動犁式茶園松土機及其工作方法，其采用手扶拖拉機帶動松土裝置進行作業，松土裝置由偏心凸輪、推桿、犁刀等組成，優點是利用簡單的凸輪推桿機構實現兩個松土犁刀的一前一后擺動，從而實現松土、除草等作業，有效提高了作業效率。

圖4 振動型茶園微耕機示意圖

在理論研究方面，丁文芹等[18]研究了不同耕作方式對土壤物理性狀的影響，其研究結果表明：與免耕相比，螺旋式施肥機作業后，土壤緊實度、土壤容重、孔隙度改善效果較為明顯。農業農村部南京農業機械化研究所李坤等[19]在土槽試驗臺中對低地隙茶園管理機齒耕與旋耕作業性能進行試驗分析，其分別從耕深、碎土率、功耗等三個方面的進行試驗，結果表明:相比旋耕，齒耕耕得更深，但其碎土率低、功耗較高。韓余等[20]對針式仿生耕作機的響應頻率進行分析，其運用有限元分析軟件MSC Nastran對仿生耕齒進行靜力學分析、頻率響應分析與正則約束模態分析，結果表明其仿生齒設計滿足強度和剛度要求，各階模態遠大于激振頻率，振動效果良好。

圖5 螺旋刀具及刀片示意圖

茶園耕作是茶園管理的關鍵環節，我國關于茶園振動減阻耕作技術的研究尚處于起步階段，大多數機型還處于實驗室階段，距離投入實際生產使用還有很長一段路要走。

2.2.3 螺旋開溝技術

傳統的中耕開溝施肥技術是用圓盤式或鏈式開溝機在茶行開一條深溝，然后撒肥、覆土作業。但圓盤式或鏈式開溝機體積較大，更適合果園開溝作業，不適合相對狹窄的茶行，針對茶行開溝要求，螺旋開溝施肥技術應運而生，近年來受到學者們的重視和青睞。

螺旋開溝技術是利用螺旋機構旋切土壤的同時將土壤提升拋向一側，完成開溝作業。王少偉等[21]對果園開溝機傾斜螺旋式開溝部件進行優化設計，其主要對開溝部件的螺旋葉片、開溝刀片進行優化設計，同時制備樣機進行了田間試驗，結果表明與現有開溝機相比，其優化后的開溝裝置作業功耗降低了22%，溝深穩定系數提高了7.2%～8.5%。肖宏儒等[5]設計了2FY-40型螺旋施肥機(圖6)，其通過立式螺旋機構進行開溝作業，然后由外槽輪式排肥器將肥料排出，完成施肥作業。其施肥深度可達35 cm，施肥寬度達到41 cm，實際作業測得其施肥均勻性較好，肥料顆粒集中在垂直方向25 cm處。

針對開溝施肥作業功耗較大等問題，劉大為等[22]對1K-50型果園開溝機開溝部件功耗影響因素開展研究，建立了開溝部件切土、運土、拋土力學模型，建立了開溝部件功耗與整機工作參數、刀輥結構參數以及土壤力學性能之間的函數關系，得到影響開溝部件功率消耗的因素主次順序為刀輥型式、前進速度、刀輥轉速、開溝深度，采用最優組合進行土槽試驗，結果表明其開溝深度為0.15 m，測得此時開溝部件平均功耗值約為1.22 kW，小于傳統開溝機功耗，滿足設計要求。同時在開溝機拋土研究方面，何彬濤等[23]基于EDEM軟件對開溝機導流裝置性能進行仿真分析，以刀盤轉速、曲面相對開溝刀的距離、曲面傾斜角度為試驗因素，以拋撒土壤的角速度為試驗指標進行虛擬試驗研究，結果表明對拋撒土壤角速度影響依次為刀盤轉速、曲面傾斜角度、曲面相對開溝刀的距離，最優組合為刀盤轉速130 r/min，曲面相對開溝刀的距離為42°，曲面相對開溝刀的距離40 mm。

圖6 2FY-40型螺旋施肥機

隨著我國茶園生產全程機械化整體進程的不斷推進，螺旋開溝技術將會得到大量的應用和推廣，但目前的研究仍然不夠成熟，拋土效果不好、作業能耗較高等問題仍然比較突出。

2.2.4 精準施肥技術

施肥是茶園中耕管理的一項重要工序，目前國內關于茶園施肥機械研究相對較少，大多是針對果園或大田的，缺少茶園專用施肥設備，國內茶園中仍然廣泛采用大田用施肥裝置進行施肥作業[24]。精準施肥即利用自動化控制技術實現肥料精準定量、定位排施。李明等[25]設計了茶園遙控式靜電噴藥施肥機，其遙控系統可精準的調節施肥量，一次性完成淺施肥和覆土作業。楊葉成[26]分析了離心撒肥裝置工作過程，測得了肥料顆粒的碰撞恢復系數、密度、三軸尺寸等物理參數，基于EDEM軟件對撒肥過程中肥料顆粒運動軌跡進行分析和優化(如圖7)，仿真結果表明撒肥過程中肥料顆粒分布的縱向均勻性較好，橫向均勻性較差，裝置的下料口對肥料顆粒運動起到一定緩沖作用。戴有華等[27]設計了一種深松施肥裝置，該機可一次開4條深溝、施入有機肥及覆土等作業，并對機器的主要受力部件進行有限元分析，得出了結構優化的依據。錢生越等[28]發明了用于茶園的開溝施肥覆土機，其作業效率較高，可在茶園狹窄空間內一次性完成開溝、施肥和覆土作業。湖南農業大學李明等[29]發明了一種茶園多功能可調開溝施肥機，該機由機架、開溝器、施肥裝置和支撐機構等組成，具有除草，茶園淺、深施肥和開溝組合功能，實用性較好。

圖7 撒肥裝置仿真效果圖

總結國內關于茶園中耕管理除草、松土、開溝施肥等作業環節關鍵技術與裝備的研究，目前尚處在起步階段，以部件結構設計和機器性能試驗居多，缺少關于機器作業機理理論方面的研究，且缺少針對性設計，很多機型是從果園中耕機改造而來，其并不適合在行距較窄的茶園作業。

3 國外茶園中耕管理機械研究現狀

國外主要茶葉大國有日本、印度、越南、斯里蘭卡等，其中日本的茶葉生產機械化程度最高，其國內大多是種植模式統一的現代化茶園，更適合機械化作業，因此日本也是世界上唯一一個實現茶葉生產全程機械化的國家，也是茶葉單產值最高的國家，引領者國際茶葉機械化發展方向。

縱觀世界茶葉機械化發展史，前蘇聯是最早研究茶園管理機械的國家。其國家級的山地拖拉機研究所于20世紀30年代就已成立，設計研究了多種中小型的茶園施肥機、耕耘機。其次，日本對于茶園中耕管理機研制起步也較早，在20世紀50年代左右，其茶園管理作業中開始使用小型手扶式拖拉機，隨后乘用型多功能田間管理機代替小型機械，其采用履帶液壓式驅動裝置，可通過更換機具完成耕作、除草、施肥等作業，具有效率高、適應強等優點，比較有代表性的機型有松元機工株式會社研發的MCF-2型茶園中耕施肥機，該機采用履帶式行走底盤，配備臥式旋耕機，通過尾部限深輪可調節耕作深度，同時在機器上部裝有肥料箱，可一次性完成開溝、施肥、覆土作業。由于日本茶園分布集中，且其種植模式統一，因此日本的茶園管理機多為跨行的大型多功能作業機，目前由于茶園分布地理環境及種植農藝的不同，其機型還難以在國內大面積推廣使用。意大利、德國、西班牙等歐洲國家于20世紀90年代起開始研究微耕機，其中有代表性的如西班牙研發的MAS5型微耕機，其由內燃機提供動力，將旋耕刀安裝在機器前輪上，利用刀切削土壤的反作用力推動機器前進。

國外由于其茶園種植和生產作業模式與國內不同，其茶園管理技術發展上與國內有較大不同，具體如表1所示。

表1 國內外茶園中耕管理技術對比

4 存在問題

縱觀國內外茶園機械的發展過程，結合國內現狀，茶園中耕管理機械化是實現茶葉生產全程機械化的關鍵環節。近年來，隨著我國經濟水平的不斷提高和工業化進程的推進，在茶葉加工、包裝等后處理機械的研究方面取得了突破性的進展，但我國茶園機械化水平仍然較低，目前，我國茶園中耕管理機械的存在以下幾個問題。

1) 農機農藝結合較少。我國茶園規模一般較小，且大多分布在山地丘陵地區，目前市場上的茶園中耕管理機大多體積和重量都較大，運輸到山區茶園上較為困難，同時也難以在狹窄的茶行中靈活作業。我國茶園分布廣泛，橫跨南方十幾個省份，不同的種植模式和土壤環境對中耕管理作業技術要求也不盡相同，如粘重土壤環境下，設計作業部件應著重考慮其脫草和減阻性能，普通中耕機難以達到作業要求。目前國內的機型大多通用化設計，并未考慮特殊環境下的作業。同時近年來有機肥代替化肥在全國茶園中得到了廣泛的應用和推廣，有機肥的施肥深度及施用量和普通化肥相比差距較大，當前普通的開溝施肥機難以滿足其作業要求。

2) 缺乏高產高效機械化作業技術規章及國家政策支持。目前，國家的農業機械化政策和補貼更傾向于大宗作物，而如茶葉等特色經濟作物的機械化生產缺少相關政策支持，這不利于如茶葉等特色作物的發展。

3) 作業性能及關鍵部件可靠性較低。目前國內機型大多是對國外現有機器的仿制，缺少關于機器作業機理的研究，技術沉淀不夠，這直接導致其作業性能普遍較低，刀齒纏草、功耗較大等問題突出，同時由于材料及設計上的缺陷，導致機器的關鍵部件可靠性較低，易損壞，嚴重影響中耕機的工作效率和使用壽命，從而制約機器的推廣。

4) 智能化程度較低。目前我國茶園管理機械智能化程度普遍較低，不能根據茶園實際作業情況，實現自動避障和精準在線配肥和施肥，難以滿足現代農業精細化生產要求。

5 發展趨勢建議與分析

目前，在國家大力發展可持續生態農業及全力推進機械化作業的背景下，結合我國茶園中耕管理機械研究和發展現狀，從政府政策、宣傳推廣、技術研究等方面進行趨勢分析并提出未來的發展建議：

1) 以政府為主導，構建完善的扶持政策。堅持以政府為主導，農民、茶企和社會共同參與，形成攻堅合力，統籌考慮土壤、肥料、水分等多種生產要素，促進農機農藝相結合，綜合運用行政、經濟、法律等多重手段推進茶園管理科學作業。完成相關補貼制度，加強施用有機肥料、配方肥料、緩釋肥及配套機具的補貼力度，強制報廢低性能、高污染的中耕機具，同時健全各項肥料管理制度，加強打擊市場假冒偽劣產品，全面保證產業的健康穩定發展。

2) 創新發展現代化茶園中耕管理技術，推進新技術和裝備的應用。為改善我國茶園中耕管理機械的作業性能，重點從結構、作業原理及智能化控制等方面開展深入研究。優化中耕管理機結構設計，重點對其關鍵作業部件如除草輪、開溝裝置的結構進行深入研究，優化除草刀、開溝刀切刃曲線，以降低其切土阻力、防止纏草；優化排肥裝置設計，實現變量精準在線配肥及施肥作業，提高施肥系統自動化及智能化水平，開展基于農業物聯網的智慧精準施肥技術及配套裝備研制，可結合節水灌溉技術，進行茶園水肥一體化耦合效應技術研究和探討，同時借鑒大田施肥機相關技術，開展有機肥專用施肥裝置的相關研究。

6 結語

我國是茶葉生產和消費大國，近年來，隨著國家工業體系現代化和信息化的不斷推進，茶園中耕作業機械得到了大力發展，一定程度緩解了茶園管理作業用工難的問題，但技術上仍不成熟，還存在農機農藝未有效融合、機器可靠性差、智能化程度低等問題。在國家大力發展綠色可持續農業的背景下，結合我國茶園地理分布及生產實際特點，提出了未來發展建議：以政府主導為主，完善相關補貼政策，加快茶園中耕管理機械現代化升級改造進程，同時完善相關技術研究，優化機器結構參數，提高其自動化、智能化作業水平。