茶樹植保機械及減量施藥技術研究進展*

劉冬梅，楊杭旭，周宏平，鄭加強，茹煜

(1. 金華職業技術學院機電工程學院，浙江金華，321017； 2. 浙江省農作物收獲裝備技術重點實驗室，浙江金華，321017； 3. 南京林業大學機械電子工程學院，南京市，210037)

0 引言

茶是世界上廣受喜愛的綠色天然飲品，目前全世界約有60個國家和地區種植茶葉，其中，全球茶葉種植面積最大的是中國，2019年中國茶葉種植面積約2 930 khm2，占全球茶葉種植面積的60%[1]。隨著茶園面積不斷擴大，茶樹病蟲害已成為影響茶產業健康發展的重要因素。當今，國內外對茶樹病蟲害普遍推行綜合防治管理，但因多數茶園為規模化密集矮化種植，在低海拔地區極易發生病蟲害，且在規模化種植茶園內病蟲害容易大規模繁殖。在實際生產中，由于假眼小綠葉蟬、茶尺蠖、茶餅病等重大病蟲害常年發生流行，高效低毒的綠色農藥防治仍是無公害茶園病蟲害防治的重要手段。

目前，國內外對茶樹病蟲害防治的研究主要放在茶樹抗病蟲品種的篩選培育、生物農藥改良及各種農業、物理、生物防控，對利用植保機械對茶樹進行科學施藥的針對性研究較少[2-3]。少量研究主要集中在評估噴霧機霧滴沉積分布及病蟲害防治效果上[4-11]。調查發現，茶農普遍對噴霧施藥缺乏科學認識，對噴霧器械及噴施參數缺乏深入了解，施藥技術不科學，導致施藥次數和用藥量增加[3]，而大量施用農藥會導致茶樹病蟲害產生抗藥性、破壞生態平衡及茶葉農殘等問題。

近年來，我國茶葉農殘標準要求穩步提高，國外歐盟、美國、日本等發達國家對進口茶葉農殘標準要求愈加嚴苛，在茶樹病蟲害綜合防治前提下如何實現茶樹減量施藥是當下茶樹植保的重難點。鑒于此，本文從茶樹生物特性、茶樹病蟲害預測診斷及防治方法、茶樹植保機械及施藥技術等方面展開評述，并對茶樹病蟲害施藥技術及裝備提出進一步研究建議，以期為茶樹減量施藥提供借鑒與參考。

1 茶樹生物特性及其病蟲害

茶樹是多年生、常綠木本植物，廣泛種植于亞洲和非洲的南部和東南部。根據樹型分為喬木、小喬木和灌木型茶樹，為便于茶葉采摘和茶園管理，目前茶園種植的多為密植矮化灌木型茶樹，其冠層內葉片上下交疊和障蔽現象十分嚴重[7]。灌木型茶樹在嚴格修剪、采摘管理下，葉片被誘導集中在樹冠表層，約有85%～95%的葉量集中分布在樹冠0～30 cm的表層，30 cm以下著葉量僅占5%～15%，其有效葉面積指數一般在4以下[12]。茶樹葉片表面比較光滑，無長絨毛，表面粗糙度較小，具有多種傾角，研究發現茶樹葉片表面具有親水性[13]。觀察發現，茶樹成齡葉片形狀有橢圓形、卵形、披針形、圓形等，其中以橢圓形和卵形居多。葉片邊緣大都平展，分布有細密鋸齒，一般為16～32對，靠近葉尖鋸齒較密，靠近葉柄鋸齒較稀或沒有鋸齒。葉片表面有明顯主脈，并向兩側發出多條側脈，側脈對數隨茶樹品種而異，一般8～9對，多則10～15對，少則5～7對。主脈和側脈約成45°～80°角，側脈伸展至邊緣2/3處即向上彎曲呈弧形，與上方側脈相連，構成封閉式網狀系統，這是茶樹葉片一個鑒別性特征。葉片大小通常分為超大葉、大葉、中葉和小葉，以葉面積在60 cm2以上為特大葉，40～60 cm2為大葉，20～40 cm2為中葉，20 cm2以下為小葉。茶樹葉片可塑性大，易受環境和栽培技術影響而發生變化，葉長在5～20 cm，葉寬在2～8 cm范圍，但就同一品種而言，葉片形態特征變化較小。對于葉片背面茸毛，除主脈上外，多數絨毛基部短，彎曲度大[14]。因茶樹冠層和葉片結構都是重要藥液沉積變量[15]，了解不同生長期茶樹生物特性是實現茶樹減量精準施藥的基礎。

據估計，世界上有超過1 000多種病蟲影響茶樹的生存和生產，在中國已記載蟲害約430種，病害有90余種，在印度登記的茶樹蟲害約有380余種[16-17]。茶樹病蟲害以蟲害居多，在中國主要以食葉類害蟲、吸汁性害蟲為主，病害發生相對較少，較常見的以茶餅病、茶炭疽病為主。在印度東北部和印度南部茶園，主要蟲害為茶紅蜘蛛、茶角盲蝽、茶黃薊馬，近年來大鉤翅尺蠖、油桐尺蠖、黃鉤尺蛾等食葉害蟲在印度東北部呈流行趨勢[17]。近十年來，在中國、印度、斯里蘭卡、日本和中國臺灣等主要茶葉生產國和地區，茶斑蛾已成為重要的食葉害蟲，值得重點關注[18]。隨著茶樹種植方式由叢栽發展為條栽密植，茶園空間明顯減小，連片栽植茶園不僅為病蟲生長、繁衍和傳播創造了條件，也提供了更隱蔽的匿藏場所，使病蟲種類和密度增加。同時，茶園間作也會使病蟲區系發生變化，如中國華南茶區推行膠茶間作后，導致紅根腐病發展成為優勢種[16]。由于生態條件差異明顯，世界各地茶樹病蟲害種類不盡相同，有些為普遍發生，有些表現為一定的區域特點，流行模式也不一致，各地應根據當地病蟲害種類及發生規律，開展茶樹病蟲害預警與防治。

2 茶樹病蟲害預測診斷及防治方法

茶樹病蟲害預測預報是茶樹減量精準施藥的重要基礎，主要有經驗預測、實驗預測、統計預測和信息預測等[19]。傳統茶樹病蟲害監測預報采用田間定點監測或隨機調查，直接用肉眼觀測病害或者用捕捉害蟲方法判斷病蟲害發生可能性[20]。近年來，遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)和物聯網技術的應用為茶樹病蟲害預測預報提供了觀測平臺和技術手段[19]。徐德良等[21]設計出基于物聯網的茶樹病蟲害預警信息系統，該系統通過安裝RFID、傳感器等，感應茶樹生長過程中溫度、濕度、土壤等環境因素的變化以實現病蟲害早期預警。日本建立了植物防疫信息綜合系統JPP-NET，其借助網絡數據庫來預測、管理和發布病蟲信息。美國農業部建立了基于網絡地圖的有害生物信息平臺(PIPE)[22]，用于提供重要病蟲害的田間動態觀察、發生趨勢分析、監測預警等服務。為準確進行茶樹病蟲害診斷與防治，國內外學者研發出多種茶樹病蟲害專家系統。汪輝進[23]根據皖南茶區茶樹病蟲害特點，開發出茶樹病蟲害智能化防治專家系統。敬廷桃等[24]設計開發了基于B/S結構的茶樹病蟲害綜合防治信息系統，為茶農進行病蟲害查詢、診斷與防治提供了科學指導。隨網絡覆蓋工程的實施，便攜式移動智能終端發展迅速，研發基于移動智能終端的茶樹病蟲害診斷防治系統，更便于茶樹病蟲害實時求助、快速診斷和信息檢索[25]。李敏等[26]構建了基于Android平臺的茶樹病蟲害查詢診斷系統，重點圍繞茶樹病蟲害信息瀏覽、專家技術交流等。鄧立苗等[27]基于JSP和Android技術，構建基于Web的茶樹病蟲害遠程診斷系統，其能實現病蟲害田間信息實時獲取與診斷及病蟲害信息查詢。美國佛羅里達州研制的有害生物遠程診斷與識別系統(DDIS)，通過提交從田間獲得的數碼樣品和文字描述，全州專家都可進行診斷和識別，并提供最優建議[28]。目前，國外發達國家病蟲害診斷與識別系統具有高清、全覆蓋遠程互動視頻系統，信息采集自動化程度較高，結合專家遠程在線指導，能及時準確地給出防治建議。而國內茶樹病蟲害專家系統多以茶樹病蟲害文字和圖片信息為主，對田間病蟲害動態數據獲取較少，缺乏專家在線指導，今后開發智能化、信息化、動態化的茶樹病蟲害專家系統對于茶樹科學減量施藥具有重要意義。

對于茶樹病蟲害的防治，各產茶國普遍以農業防治、物理防治、生物防治為主，化學防治為輔。通過選育抗病蟲品種，去除茶園內雜草，適當遮陰和施肥，改善茶園排水系統，合理種植、嫩采、修剪等農業措施，促進茶樹生長，增強其抵抗病蟲攻擊的能力，從而控制和降低病蟲危害[29-31]。物理防治是茶樹病蟲害綜合防控的重要措施，主要有人工捕殺、粘蟲色板誘捕、燈光和性信息素誘殺等。Borthakur等[32]發現黑光、振頻閃光、近紫外光殺蟲燈對捕捉飛蛾效果明顯，當光捕器放置在茶樹冠層上方0.5 m高度時，更易捕捉到成蛾。Anonymous[29]認為冬季在茶園間作樹的底部樹干涂上白石灰，可作為飛蛾等蟲害的產卵屏障。近年來各產茶國都投入大量精力研究茶樹病蟲害生物防治。生物防治主要包括兩個方面，一是利用天敵防治害蟲；二是利用病原微生物、植物提取物等生物對茶樹病蟲害進行殺滅。

在茶園內通過大量飼養寄生蜂、捕食螨和鳥類等天敵可以對茶園病蟲害進行控制。Sinu等[33]研究了鳥類在印度東北部茶園防治茶毛蟲的作用，發現在害蟲防治規劃中應將鳥類作為茶樹害蟲的重要生物控制劑。Whelan和Philpott等[34-35]研究表明鳥類也可以對昆蟲爆發或落葉事件表現出強烈的數字反應，鳥類物種豐富度(或功能豐富度)越高，預計茶園內節肢害蟲的去除率越高。在亞洲，中國是最大的生物農藥市場，其次是印度和日本[36]。在印度，只有四種植物殺蟲劑即除蟲菊、印度楝、尼古丁和香茅油登記在冊。在中國，蘇云金桿菌、多角體病毒、魚藤酮、苦參堿、川楝素、藜蘆堿、檸檬苦素、桉葉素和印楝素都是生物農藥注冊產品[17]。生物制劑的可再生性、安全性和生態友好性，已成為茶樹病蟲害防治可持續性的有效保護措施。

當茶樹病蟲害大面積爆發時，可適當進行綠色農藥防治。目前，茶樹用農藥多為高效低毒的綠色農藥和生物農藥，生物農藥因低毒、無殘留、無抗藥性等優點，在茶樹病蟲害防治應用中呈較快的增長趨勢。茶樹病蟲害施藥效果取決于多種因素，與噴施藥劑、環境條件、噴霧器械、噴嘴類型及噴施參數等密切相關。

Kakoty等[37]發現紅蛞蝓毛蟲更喜歡灌木底部老葉，如果從灌木較低區域開始噴灑，對紅蛞蝓毛蟲會更有防效。劉冬梅等[38]發現利用微生物農藥對茶樹施藥時還需考慮噴頭結構、噴施壓力等因素對藥液生物活性的影響，以最大程度保持其活性，提高農藥生物防效。藥劑性質如表面張力、粘度及密度等因素直接影響農藥在葉片表面沉積分布[39]。因茶樹冠層和葉片結構都是重要藥液沉積變量[15]，對茶樹施藥時，需將茶樹生物特性納入霧滴沉積研究中，結合噴霧藥劑性質，選擇合適噴頭及噴施參數，以提高農藥有效利用率，實現減量施藥。

3 國內外茶樹植保機械及施藥技術

3.1 物理防治機械

目前，世界各產茶國中日本的茶園機械化程度最高，從茶園耕作、施肥、修剪、采摘、植保到加工，已普遍實現全過程機械化管理。對于茶樹植保機械，國內外大多偏重研究病蟲害物理防治機械，如各種捕蟲機、殺蟲燈及粘蟲色板等。Li等[40]基于目標害蟲趨光性、形態和飛行能力，設計了茶樹害蟲專用LED燈，提高了誘捕效果。Borthakur等[32]發現近紫外光捕蟲器放置在茶樹冠層上方0.5 m高度時捕捉飛蛾效果明顯。日本國立野菜茶業研究所開發了“旋風式吸引洗凈裝置”和“送風式捕蟲機”，前者利用吸氣裝置將害蟲吸到收容器，同時用水對冠層進行風送噴水沖洗，對假眼小綠葉蟬、炭疽病有較好抑制效果，后者使用含水霧強風將茶蓬內害蟲吹入集蟲袋，對螨類害蟲去除率達到82%[41]，如圖1所示。

(a) 旋風式吸引洗凈裝置 (b) 送風式捕蟲機

農業農村部南京農業機械化研究所團隊自主研制了背負式茶樹吸蟲機和乘坐式物理捕蟲機，其對假眼小綠葉蟬等飛行害蟲具有較好的控制效果。在日本，已普及利用送風除霜防凍害技術，基本解決了茶園霜凍問題[42]。國內江蘇大學胡永光團隊、農業農村部南京農業機械化研究所團隊也研制了茶樹防霜機、大型塔式防霜扇，通過擾動近地逆溫層空氣，使茶樹避免或減輕霜害[43-44]。在實際生產中，物理防治對茶樹病蟲害有較好的防治效果，但由于生態環境的復雜性，物理防治也存在其局限性，如需要耗費大量人力物力，在害蟲大規模爆發時無法及時控制蟲害，殺蟲燈及粘板等有時對人、動物及天敵也不安全等。考慮茶樹病蟲害發生的復雜性，實際生產中應將物理防治與農業防治、化學防治等方法進行綜合應用[45]。

3.2 植保噴霧機械及施藥技術

當病蟲害大規模爆發時，利用植保噴霧機械進行農藥防治具有快速高效的防治優勢。植保噴霧機械將農藥直接霧化成液滴并噴施到茶樹靶標上，其性能優劣直接影響藥液在靶標上沉積分布和最終生物防效。根據茶樹種植分布及樹型特點，目前常用的茶樹植保噴霧機械有背負式噴霧器、擔架式噴霧機、噴桿噴霧機、植保無人機及風送高射程噴霧機，其工作形式及特點如表1所示。

表1 常用茶樹植保噴霧機械Tab. 1 Commonly used tea tree protection spray machinery

近年來，結合茶樹栽培生長特性，日本率先研發出乘用型復合茶園管理機[42]，國內肖宏儒團隊根據茶園特點研制了高地隙輪式、履帶式茶園多功能管理機，通過配套大噴幅折疊式噴桿可在茶樹高1 m、蓬面寬1.5 m、茶蓬間距15 cm左右，橫向坡度小于20°的茶園進行噴霧作業，田間試驗表明其噴施農藥比人工作業可提高工效25倍[47]，如圖2所示。隨著先進傳感器技術及自動控制技術的快速發展，國內外科研人員對基于變量噴霧的仿形噴霧機進行了諸多研究。Hocevar和Osterman等[48-49]設計了機械臂可調節的仿形噴霧機，其通過圖像采集和分析系統獲取冠層輪廓，調整噴霧臂最優位置，實現單側樹木的仿形噴霧；Miranda-Fuentes等[50]研發了基于超聲波傳感器的變量對靶噴霧機，根據傳感器測量的冠層信息，控制系統調整線性執行機構的噴霧位置和噴施量對兩側樹木進行仿形噴霧作業，如圖3所示。李龍龍等[51]研制出基于變風量與變噴霧量的果園自動仿形噴霧機，其以冠層分割模型作為變量處方，以激光傳感器作為探測源，根據探測的果樹冠層體積實時調節風機轉速和噴頭流量實現仿形變量施藥。基于變量噴霧的仿形對靶噴霧機利用超聲波、激光和圖像等技術探測冠層輪廓、葉密度、株高等形貌信號，根據信號控制噴嘴位置、風量和噴頭流量[52]，提高了霧滴在冠層分布均勻性和農藥施用效率。設計茶樹自動對靶變量噴霧機，采用低容量精準施藥技術，有助于實現茶樹減量施藥和減少環境污染。

長期以來，茶樹施藥多停留在常量噴霧，容易造成農藥浪費、環境污染和農藥殘留等問題，已難以滿足茶葉綠色可持續發展需要。研究發現，噴霧施藥時只需一定的霧滴覆蓋密度就可達到良好的防治效果，并不需要采用大容量淋洗式噴霧方式[53]。近年來，噴霧技術及裝備的發展使低容量噴霧逐漸成為未來農藥噴霧的主流。隨著國內外市場對茶葉農殘限量標準的逐步嚴格，低容量噴霧已成為茶園減量施藥的重要手段。研究多種噴霧技術的融合和變革，以最少農藥施用量，獲得最佳病蟲害防治效果是現代茶園噴霧技術發展必然趨勢。目前，國內外茶樹施藥中已運用多種噴霧技術，如表2所示。隨著探測技術、控制技術及系統集成技術的發展，低量化、精準化和智能化是茶樹植保噴霧機械及施藥技術的發展趨勢。

(a) 日本乘用型復合茶園管理機 (b) 高地隙輪式多功能管理機

(a) 機械臂仿形噴霧機 (b) 立式仿形噴霧機 (c) 多風管仿形噴霧機

Fig. 3 Profile sprayer

3.3 存在問題

近年來，有機茶由于優良品質和健康功效得到了各產茶國的重視和發展，但由于有機茶檢測認證標準嚴格、人工成本高、茶葉產量低及國際貿易壁壘等問題，國際市場上有機茶的市場占有率不足10%。2019年國內通過有機茶認證的茶園面積約110 khm2，不足茶園總種植面積的4%，無公害茶園仍占主導地位[55-56]。目前，全球各產茶國中日本茶園因機械化、標準化程度高，其植保作業普遍實現了機械化操作，能有效及時地將病蟲害控制在合理范圍內。我國茶園分布呈多而散的特點，缺少規模化、標準化種植和管理，且多分布在山區和丘陵地帶，茶園地形復雜，不利于傳統移動機械的植保作業。我國多數茶園還是以背負式噴霧器為主，少量規模較大茶園采用無人機植保噴霧。先進噴霧器械如茶園多功能管理機、噴桿噴霧機、乘坐式捕蟲機由于地面工況、成本等原因還處于推廣階段。未來，我國在茶樹病蟲害綜合防治前提下，還需繼續加大標準化茶園的建設和智能化噴霧機械的研發，逐步提高茶園植保噴霧的機械化程度，對實現茶樹減量精準施藥具有重要意義。

4 茶樹病蟲害精準施藥技術及裝備研究建議

通過梳理茶樹植保噴霧技術及裝備的局限性及發展潛力，結合茶樹生物特性及生物農藥發展現狀，提出以下研究建議。

1) 研究茶樹病蟲害目標識別、診斷與預測預報技術。目前，茶樹病蟲害發生種類及危害程度的信息采集普遍采用圖像拍攝，因密植矮化茶樹冠層葉片交疊和障蔽現象嚴重，僅依靠單一的視覺信息采集具有局限性。茶樹害蟲在冠層中下部、葉片背面均有分布，因害蟲作為聲源會傳遞聲波，可將聲音探測應用于害蟲發生位置及害蟲密度信息采集上，未來也可將基因識別技術應用于茶樹病蟲害診斷與預測研究，以彌補茶樹冠層對視覺信息的干擾，提高預測及診斷結果的準確性。

2) 研發茶樹植保生物農藥及其專用噴頭。生物農藥因低毒、無殘留等優點目前在茶樹病蟲害防治中呈較快增長趨勢。現階段在茶樹上登記的生物農藥品種僅有20多種，而茶樹病蟲害約有400多種，加大對茶樹生物農藥研發力度是茶樹植保的重要方向。目前，生物農藥噴施一般是采用化學農藥用噴頭及操作規范，國內外還沒有開發出商業化的生物農藥專用噴頭。因噴頭結構影響生物農藥有效成分的活性及數量，為確保生物農藥活性成分，提高茶樹病蟲害防治效果，需開發茶樹生物農藥專用噴頭。

3) 研制平緩坡密植矮化茶園低容量仿形對靶噴霧機。對于平緩坡茶園，可利用輪式、軌道式或履帶式噴霧機進行植保作業。可融合紅外線、激光、超聲波和圖像等先進探測技術，自動識別茶樹冠層位置、葉密度等冠層信息，即時調整噴頭位置和噴霧量，實現變量精準對靶噴霧。對于仿形機構，可設計輕量化、調節靈活的柔性多關節機械臂執行機構，改進蟻群優化算法、遺傳算法、人工神經網絡等已有智能算法，提高仿形噴霧機整機魯棒性。

4) 研制山地茶園仿生足式噴霧機器人。在崎嶇山地茶園，多足步行機器人在運動靈活性、環境適應性上相對輪式、履帶式機器人具有顯著優勢，特別是四足或八足機器人，其可在凹凸不平地面上行走、爬坡、越障，在地面離散變形狀態下，具有自平衡能力能適應多變地形。隨著未來平衡算法及人工智能進一步發展，利用仿生學原理，研制仿生足式噴霧機器人在陡坡山地茶園進行噴霧作業，具有一定的應用前景。

5) 研究茶樹植保施藥無人機靜電噴霧技術。我國茶園多在山區及丘陵地帶，傳統人工施藥勞動強度大，作業效率低，輪式、履帶式地面移動機械難以進入，而仿生足式噴霧機器人由于成本及相關技術尚待完善，短期內難以商業化，應用植保無人機低空低容量噴霧是茶樹低容量噴霧的應用趨勢。因茶樹冠層葉片叢生，為改善茶樹中下部冠層霧滴沉積及分布，可將靜電噴霧技術與無人機下旋氣流耦合研究，以提高葉片背面霧滴附著率。無人機可搭載多個傳感器和控制系統，結合低空低量噴霧專家決策系統，確定無人機藥液量、航高和飛行速度等參數，以實現變量噴霧。

6) 研發茶樹病蟲害噴霧決策系統及智能終端。目前已有學者進行茶樹病蟲害專家系統研究，但僅限于病蟲害診斷識別及預測預報，缺乏最終執行施藥的噴霧決策系統。為實現減量精準施藥，需根據茶樹冠層特征信息及葉片表面性質準確預測施藥量，確定適宜噴頭及噴施參數。為準確預測施藥量，需利用探測及后處理技術獲取冠層高度、體積、葉面積指數、葉面積密度方位分布等茶樹冠層信息，因葉片結構如蠟質、傾角和葉脈等都是重要藥液沉積變量，需結合茶樹冠層形態，找出利于藥液沉積的霧滴運動參數，優化噴頭選擇及噴施參數。因噴頭類型、噴霧高度、施藥液量、行走速度、風速、葉片性質、病蟲害程度等都影響茶樹施藥效果，需開發出包含這些變量的噴霧決策系統，以便用戶獲得科學施藥方案。為便于茶樹病蟲害噴霧決策系統使用，需開發噴霧決策系統智能終端，茶農通過智能終端進行人機交互，即時準確獲得噴霧決策，使病蟲害防治更加智能、精準和便捷。

5 結束語

茶樹減量施藥是保證茶葉品質安全的基礎，低容量噴霧是實現茶樹減量施藥的重要前提。基于茶樹生物特性、茶樹病蟲害預測診斷及防治方法、茶樹植保機械及施藥技術發展現狀，提出研制茶園仿形噴霧機、開發茶樹病蟲害噴霧決策系統及智能終端等方法是實現茶樹低容量噴霧的有力舉措。今后，隨著物聯網、控制技術和智能算法的進一步發展，實現茶樹病蟲害植保噴霧的低量化、精準化和智能化，是未來茶樹植保機械及施藥技術的發展趨勢。