北方茶園數字化研究與實踐

摘要：在北方茶園中應用數字化技術，能夠針對制約北方茶產業發展的諸多不利因素提供技術和管理方案，推動北方茶葉產業高質量發展。文章闡述了北方茶區發展數字化茶園的必要性和可行性，介紹了北方數字化茶園的技術研究與應用現狀，包括茶園氣象災害預測、病蟲害智能監測預警、茶園可視化實時監控系統，以及數字茶葉等方面，并提出了北方數字茶園今后的發展趨勢。

關鍵詞：數字化；氣象災害預測；病蟲害智能監測預警；實時監控系統

中圖分類號：S571.1；TP29" " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：1000－3150（2024）04-58-8

Research and Practice on Digitalization of Northern Tea Gardens

WANG Ziqing1， WANG Wuchuang2， TIAN Guoqiang2， WANG Linzheng3， BI Guoyu2， WANG Linjun1*

1. Weihai Agricultural and Rural Affairs Service Center， Weihai 264200， China; 2. Shandong Kerun Information Technology Co.， Ltd.，

Weihai 264400， China; 3. Weihai Shuangfeng Divine Farming Technology Co.， Ltd.， Weihai 264200， China

Abstract： The application of digital technology in northern tea gardens can provide solutions and techniques for many problems that exist in the development of the northern tea industry， and promote the high-quality development of the northern tea industry. The article discussed the necessity and feasibility of digital development in northern tea gardens， introduced the research and application of digitalization in northern tea gardens， including meteorological disaster prediction in tea gardens， intelligent monitoring and early warning of diseases and pests， visualization monitoring system at actual time in tea gardens， and digital tea， etc. The development trend of digital tea gardens in northern China was put forward.

Keywords： digitalization， meteorological disaster prediction， intelligent monitoring and early warning of diseases and pests， real time monitoring system

近年來，茶業發展呈現出規模化、標準化、智慧化、機械化、品牌化的趨勢[1-3]，這一發展趨勢的背后，離不開數字技術在茶業發展中的深入應用。隨著時代進步和科技發展，數字技術將越來越多地應用于茶葉生產的各個環節，如同隱形的推手推動著茶產業的進步[4]。數字技術在北方茶園的應用，能夠針對制約北方茶產業發展的諸多不利因素提供技術和管理方案，有利于推動北方茶產業高質量發展進程，為北方茶產業的可持續發展提供強有力的支撐[5]。數字技術通過實時監測并調控環境條件，為茶樹生長提供更有利的環境，能有效提高茶葉產量、改善茶葉品質；通過全面監控和管理茶葉的生產加工過程，提高生產效率和成品茶的質量；通過建立茶葉生產數據庫和信息化管理系統，實現數據共享和信息交流，將生產效益和管理水平提升到一個全新的高度。

1" 北方茶園數字化的必要性與可行性

茶樹喜溫畏寒[6]，適宜生長在陽光充足、溫暖濕潤的環境中，而北方氣候因存在低溫時段長、降水總量偏少、季節性干旱及晝夜溫差大等逆境條件，不利于茶樹的營養生長和產量形成，但有利于茶葉品質的提升。北方大規模茶園種植起步晚于南方，種植技術和管理經驗相對落后。隨著人口老齡化趨勢加劇，勞動力不足問題日益凸顯，且生產資料成本日趨上升，北方茶企又普遍缺乏深加工能力，導致產品同質化嚴重，價格競爭激烈。相較于南方茶葉，北方茶葉品牌的影響力較低，還需要更多的時間和努力去提升品牌知名度。受以上多方面因素影響，我國北方茶產業的高質量發展受到了很大制約，亟需有效手段來解決相關問題。數字化技術的介入和應用，為北方茶產業提供了一條全新路徑，根據地域特點提供適合的管理方案，可有效克服不利因素的影響，并發揮北方茶產業發展的優勢[5]。

數字茶園（也稱智慧茶園）是借助物聯網、視頻監控、云通信、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，實現對茶樹生長環境及茶葉生產、加工、流通、銷售等過程的精準化、智能化管理的茶園[7]。北方茶園的數字化建設通過實現茶葉種植過程的信息化智能化，可應對茶樹在北方氣候環境中遇到的低溫、霜凍、干旱等逆境，及時發現病蟲害并采取防治措施，減少損失[8]，從而提高茶葉質量；茶葉數字化加工技術的應用，促進北方茶葉加工水平的提檔升級，改善產品質量不穩定、生產效率不高等問題[9]；智能銷售管理系統通過融合云計算技術，精準掌控銷售渠道，可改變傳統的銷售模式，優化產品銷售系統，在茶葉生產端與消費者之間搭建了一個信息化平臺，以消費者的品飲體驗和消費意愿指導茶葉生產[10]。

北方茶園數字化管理分為以下5步。第一步，采集數據，通過環境監測系統、土壤監測系統和茶葉生理監測系統采集茶園的基礎信息。第二步，數據累積和分析，將采集到的海量信息進行云計算，根據不同數據模型進行分析，為下一步信息的應用做準備。第三步，風險預測預報，根據數據分析結果，提前預測預判茶葉生長過程中可能出現的病蟲草害和氣候變化等風險。第四步，確定栽培方案，根據數據分析結果和判定的風險級別，制定精準的栽培技術等應對方案。第五步，實現跨平臺數據互聯互通，涵蓋茶園數據采集系統、物聯網（IoT）系統、數據分析系統、氣象災害監測預警系統、決策支持系統，以及農業管理系統等。通過以上5個步驟的實施，數字茶園實現茶葉生長全過程的數字化管理和監控，防災抗災減災，提高茶葉的產量和質量，為茶農帶來更多的收益和便利。

2" 北方茶園數字化研究與應用

茶園數字化建設，應用物聯網、自動化控制、實時監控、智能預警等技術，基于“全面感知、標準引領、平臺支撐、智慧應用”的指導思想開展實施。

北方數字茶園建設包含生長環境監測系統、茶樹生理監測系統、水肥一體化智能灌溉系統、氣象災害監測預警系統、病蟲害智能監測預警系統和茶園可視化實時監控系統等。通過在園區安裝智能硬件對各監測點的植保狀況、作物生長情況、農業氣象災害情況、氣象環境、土壤環境、植物生理環境、實時視頻環境等各種作物生長過程中重要的參數進行實時監測，監測預警結果可以在園區展示中心實時展示，并對監測信息進行分析處理，以提供多方位、多角度的科學指導（圖1）。

北方茶園在氣候、土壤及地形等方面與南方茶園差異較大，因此數字化茶園的解決方案需要著重考慮環境因素的影響，加強氣象災害預警及干預功能，以適應不同地區的茶園管理需求。此外，北方茶園數字化發展在某些方面滯后于南方，因此在實現跨平臺數據互聯互通時，應注重技術創新及引進；在設備設施配套上，應注重研發與更新。

2.1" 茶樹生長環境監測

北方氣象特征復雜，導致了茶葉的最佳生長期短，因此通過監測各種環境數據以準確控制茶樹生長發育環境，可以使茶樹生長長期處于一個相對最優的環境狀態中。

在茶園中安裝的氣象環境采集設備和土壤環境采集設備（圖2），能實現對環境條件變化的有效監測。通過在茶園安裝各類茶園所需的傳感器，實時監控茶園上方的空氣溫濕度、風速風向、大氣壓力、光照輻射總量，茶園土壤溫濕度、土壤pH、土壤氮磷鉀含量，以及茶樹生長情況等。運用這些設備為茶園管理人員提供詳細的監測數據，為及時調整和控制茶園培育環境提供專業依據。將茶葉品質產量與種植期間的數據提供給專家進行深入分析，并以可視化的方式呈現，為茶農提供種植參考依據，同時為茶葉產品終端消費者提供品質保障。

借助物聯網、云計算等手段，實現對茶樹生長環境及茶葉生產、加工、流通、銷售等過程的精準化、智能化管理，茶園物聯網信息采集－數據分析－優化投入方案－田間實踐的良性循環，促進茶葉增產增效[5]。

山東省在威海、煙臺、青島、日照、臨沂、泰安等地茶葉主產區內，開展了數字茶園建設與應用。選取威海、煙臺、臨沂等地10處代表性茶園建設實時數字化全維度氣象環境監測站，通過智能物聯網環境監測系統，根據監測茶園土壤的溫濕度、電導率、pH、光照強度、風速、風向、CO2等數據，對各類氣象災害發生做出預警，從而實現智能化茶園管理，保障茶葉質量與產量。

2.2" 茶樹生理監測系統

建設農業智能相機，對茶樹生長過程進行近距離定時拍照收集，抓取作物動態瞬間，經由網絡自動上傳至茶園物聯網管理系統。通過物聯網管理系統，園區管理者可隨時掌握茶葉生長動態，并采取及時有效的應對措施，實現茶園栽培管理的可視化和精準化，同時也可為農產品質量追溯提供數據支撐。

2.3" 水肥一體化智能灌溉

在茶園內建設水泵、過濾系統、控制系統、電磁閥、滴灌系統、霧化噴淋系統等設施裝備，全面鋪設微噴、滴灌等水肥一體化系統（圖3），安裝無線傳感網絡，基于農業物聯網和作物生長模型實現對茶園精準水肥一體化智能控制。數字茶園生長環境監測系統，能夠對園區內的土壤、作物生理、氣象小環境和農業氣象災害等因素實現全維度、高密度和高粒度的大數據在線監測。充分利用園區的物聯網系統，創造有利于茶樹生長的小環境，實現茶葉栽培管理中的水肥藥一體化精準管理和自動化控制。

如在威海威茗茶業有限公司的示范園中，安裝有茶葉生長環境監測系統和水肥一體化智能灌溉系統。平臺會根據茶樹不同生長階段，提供適宜茶樹生長的土壤溫濕度和氮磷鉀等數據的閾值與實時監測數據做比對分析，不僅可以為改善生產環境、預警自然災害發生與產品質量追溯提供數據支持，同時也能為茶葉種植管理提供科學精準的施肥灌溉依據。水源通過三級過濾設備后，與肥料融合，通過管網將水肥精準地輸送到田間，再通過滴灌的方式，將水肥精準地作用到茶樹根系部位。根據地塊的面積，安裝了對應數量的無線電磁閥，作為一個獨立的灌溉分區，通過“耕者寶”小程序實現了水肥機和電磁閥的遠程開啟、關閉，以及分區分組定時定量灌溉。通過這些精準管控，可以及時精準地調節和改善基地的土壤環境，使茶樹長期處于最佳生長環境和生理狀態，提高了管理水平，節約了生產成本，提升了茶園效益。

2.4" 茶園小氣候自動調節和干預

應用物聯網設備采集的茶園小氣候數據，結合水肥一體化設備等機械自動化設備，實現對茶園小氣候的自動調節和干預，提高茶葉的品質和產量。

安裝空氣溫度、空氣濕度、光照、降雨量等傳感器，實時監測茶園的氣候數據，通過物聯網設備將數據傳輸到云端或本地數據中心進行分析和處理。分析茶園氣候數據，當氣候條件超過預設范圍時，系統自動發出預警信號，提醒管理人員采取相應措施。工作人員根據采集到的數據，通過水肥一體化設備等自動化設備，能夠對茶園進行精準管理。例如，當茶園溫度過高時，自動開啟噴水裝置進行降溫；當茶園濕度過低時，自動開啟灌溉系統進行補水等。基于采集和分析的數據，通過算法和模型，智能化地給出茶園管理的決策建議。

2.5" 茶園氣象災害預測、霜凍防治

早春氣溫不穩定，茶園容易遭受“倒春寒”霜凍的侵襲。調查表明，“倒春寒”輕則造成茶樹新梢芽葉焦灼，產生“麻點”現象，重則造成成片已萌發芽葉焦枯失水，導致當年春茶減產甚至絕收，會給茶葉生產者帶來嚴重的經濟損失[11]， 因此，做好“倒春寒”預防工作對保障當年的茶葉產量和品質至關重要。

在園區建設農業氣象災害監測預警系統和智能霧化防霜凍系統能有效解決“倒春寒”的霜凍問題。以物聯網、實時監控、智能預警等技術，結合農業氣象預報數據，建設高標準、高質量、高水平的農業災害監測預警系統，可完成茶樹生長階段判定、災害監測、霜凍預測等功能，實現園區災害的監測和預警（圖4）。

結合智能霧化防霜凍系統（圖5 ），保證茶樹葉片表面形成冰水混合物，溫度始終保持在 0 ℃狀態，保護茶葉不被凍壞。基于茶園物聯網監測設備，系統可以精準在線監測到10層空氣梯度溫濕度、茶樹冠層溫濕度、茶樹冠層風速風向及地面溫濕度等，采集的數據依據霜凍模型自動執行相應的運算，可以準確分辨霜凍的類型（平流霜凍、輻射霜凍和混合霜凍等），準確預測霜凍來臨時間和類型。

山東省臨沂市丘陵廣布，適宜茶樹生長，但春季易受霜凍天氣影響。為此，臨沂春曦茶葉有限公司茶園引進安裝了“防霜凍風扇”。當夜晚溫度降到4 ℃時，風扇自動啟動后，把高處暖空氣吹到茶樹上，而且風扇轉動可帶動空氣流動，削弱逆溫層以上的上層冷空氣下沉，從而減輕或消除霜凍對茶樹的影響，解決茶葉防霜凍的難題。

2.6" 病蟲害智能監測預警

病蟲害智能監測設備（圖6）可對收集的害蟲分別進行分段存放、拍照與計數，并將數據發送至監測平臺，平臺整理分析每天的數據，形成數據庫，以供植保專家遠程診斷。結合茶園物聯網監測傳感數據，為用戶計算和展現病蟲害圖形，精準預測病蟲害發生時間和程度，指導用戶提前采取措施進行有效防治。

茶樹種植對精準施肥施藥有嚴格要求，通過布局茶園物聯網綜合監測系統收集茶園環境、土壤墑情、病蟲害等數據對茶樹生長態勢進行精準把控，并結合作物長勢采用植保無人機可實現茶園生物農藥精準可變量噴灑。

2.7" 茶園可視化實時監控系統

在園區安裝高清槍型攝像機和360°高清球型攝像機，對茶園環境進行實時監控，實時采集視頻信號，顯示茶樹生長實時畫面，管理者可在手機或電視上遠程查看，隨時隨地了解茶園情況。視頻監控實時監測定位信息，并將監控視頻進行存儲，在平臺上可實時預覽視頻或調取存儲錄像。

2.8" 數字茶葉

數字茶葉是一種全新的茶葉管理和營銷方式，通過數字化技術手段，對茶葉生產進行全流程管理和監控，以提高茶葉質量和生產效率，并為消費者提供更加安全、健康、高品質的茶葉產品。按照《茶葉質量安全追溯系統建設要求》（DB37/T 3970—2020）來建設茶葉追溯系統，對茶葉生產、加工過程數據進行全程記錄，實現了茶葉的全程可視化追溯。

茶葉追溯系統是“生產有記錄、流向可追蹤、質量可追溯、責任可界定、違者可追究”的大數據平臺，實現了農產品從生產到加工、包裝、批發、銷售的各環節可追溯。各系統數據深度整合，實現跨系統追溯，從投入品的銷售流向、基地的使用情況、茶葉的檢測結果到茶葉的流向全程無縫整合，組成一條完整的追溯鏈條。將全鏈路信息傳到區塊鏈中，為每一個茶葉產品創建唯一的“原產地身份證”，從而實現茶葉的來源可查、去向可追、責任可究，實現“從茶園到茶杯”的全程追溯。在銷售終端，消費者只要用手機輕輕一掃，即可了解茶葉生產、加工的整個過程。

3" 北方茶園數字化建設主要經驗

3.1" 問題導向和結果導向

北方茶園數字化應用的研究以問題和結果為導向，通過數字技術的應用、技術培訓、人才培養、深加工能力的提升，以及品牌建設和宣傳等手段，可有效解決北方茶園氣象災害易發、種植經驗落后、人口老齡化、深加工能力缺乏、品牌知名度低等問題。促進北方茶產業可持續發展。因此，在基地建設初期就應整體考慮茶園物聯網系統的建設，通過前期的數據積累，為茶園管理、茶葉生產提供數據支撐。

3.2" 注重數據有效性

茶園數字化發展的前提是數據的有效積累，數據的準確性和穩定性決定了所積累數據的有效性。由于茶園多位于野外山區，電力和網絡條件受限，北方茶園在冬季面臨低溫的嚴峻挑戰。目前市場上的一些氣象和土壤傳感器采集終端在數據采集的精準性、穩定性和連續性方面存在一些問題，影響了數據的價值。因此，在選擇采集終端時，就應注重設施的穩定性和精準性。

3.3" 茶園數字化要實現跨平臺融合

為使茶園管理高效、精細，需將農藝、農技、農機緊密結合，將數字茶園管理經驗與茶葉品質產量相融合，通過軟件模型與硬件設施設備的聯動，實現智能化管理。這將有效解決茶園數據資源浪費、人力成本高昂、管理方式粗放等問題，進一步提升茶葉品質與茶園效益，為茶產業可持續發展注入新的活力。

4" 北方茶園數字化發展展望

茶園數字化為解決北方茶產業發展困境提供了全新的視角，以數字化調控茶園小氣候，實現茶園精細化管理，減少化肥和農藥的使用量，提高了茶葉的產量和品質。隨著技術的不斷進步和應用，可以預見未來的茶園將更加智能化、精細化和綠色化，為消費者帶來更加健康和環保的茶葉產品。

茶園數字化有望解決勞動力短缺的問題。通過數字化技術的應用，茶園實現精準種植、自動化管理、智能化銷售和管理等目標，減少對人工的依賴，降低人力成本，推動農業的可持續發展。

茶園數字化有望推動北方茶葉產業的升級和發展，通過電子商務平臺、物聯網技術等數字化工具，提高北方茶葉品牌影響力，拓寬銷售渠道，實現線上銷售和線下體驗的有機結合，提高產業的競爭力和市場影響力。

北方茶園數字化技術的應用是貫徹落實我國“四化同步”國家戰略、加快轉變茶產業發展方式和推進茶業現代化建設的迫切需要；數字化技術在北方茶園管理中的強力滲透，生產、經營、管理、服務四大領域相互銜接，有助于促進信息化和茶業現代化深度融合，推動北方茶業全產業鏈改造升級，為推進北方茶產業高質量發展、實施鄉村振興戰略、建設數字中國作出積極貢獻。

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