我国茶园中耕管理机械研究现状与发展分析*

王文明，宋志禹，赵映，夏先飞，占才学

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我国茶树种植已有3 000多年历史，是世界上最早种植茶树并对其开发利用的国家，也是目前世界上最大的茶叶生产和消费国之一。据统计，截止到2019年，我国茶叶总产量超过279万t，茶产业在国民经济中发挥了不可替代的基础性作用[1-4]。中耕管理是茶园生产的重要环节，同时也是劳动力最密集、生产效率较低的环节，其主要包括茶园除草、松土及开沟施肥等。及时的进行除草、开沟施肥等中耕管理作业不仅可提高茶叶产量和品质，还可改善茶园土壤肥力及环境。目前受茶园地理环境及种植模式的影响，我国茶园中耕管理作业还是依靠人工完成，生产效率和作业质量都较低，且劳动成本大。实现机械化作业是解决该问题的关键，也是我国茶园未来发展的必经之路，因此对茶园中耕管理机械开展相关研究，推进我国茶园中耕管理作业实现机械化，对我国茶产业发展具有重要意义。文章综述了国内外茶园管理机械的研究与发展现状，重点介绍了茶园除草、松土、开沟施肥等作业环节的关键技术与主要装备，在此基础上分析总结了制约我国茶园管理机械发展主要存在的问题，最后提出了其未来的发展建议与对策。

1 我国茶园机械化生产现状

我国茶园种植面积近年来整体呈增长趋势，从2014年的4 141 khm2增加至2019年的近4 600 khm2，茶叶总产量也从210万t增加至279万t[5]。我国国土面积辽阔，茶园种植分布广泛，横跨南方十几个省份，不同地势和环境造成了我国茶园的多样性，根据茶园种植坡度的不同可将我国茶园分为平缓坡茶园和陡坡茶园，不同坡度下机械化作业水平差距较大。平缓坡茶园由于其坡度较小，更利于大中型机器作业，其机械化作业水平较高，而陡坡茶园大多分布在山地、丘陵地带，其坡度较大，且土壤环境更复杂，机器难以作业，因此其机械化水平较低，目前不足10%，茶园作业环节以人力为主[5]。

目前阻碍我国茶园生产机械化的主要问题是我国茶园种植模式不适合机械化作业。我国大部分茶园均是20世纪建立的传统茶园，且其面积占全国茶园总面积70%以上，传统茶园的茶树并非为优质的无性系树种，种植繁密，且茶行较窄，在地头也未留适宜机器掉头的空地，这些均不利于茶园机械化作业。因此，传统茶园只能在少数环节实现半机械化作业，大部分作业环节仍然要依靠人工完后，生产效率较低。

我国在2000年以后先后建立了部分新型茶园，这些茶园种植的是无性系茶树，且规划上考虑了土壤耕整、施肥植保、收获等环节的机械化作业，但由于其在全国茶园中占比较小，因此目前我国茶园整体机械化作业水平仍然较低。从国外茶园发展历程来看，实现各环节机械化作业，可大幅提高生产效率、降低成本，还可促进茶树生长，从而保障高品质茶叶生产。因此实现茶园机械化作业是我国茶产业发展必经之路。

2 我国茶园中耕管理机械研究现状

2.1 茶园中耕管理作业农艺要求

茶园的中耕管理作业主要包括除草、松土、开沟施肥等环节，茶园的中耕除草不仅能疏松土壤、消灭杂草，促进茶树根系发育，增强其抗病虫能力，而且还直接或间接起到消灭病虫的作用。茶园中耕除草一般在6月中下旬进行，可消灭茶毛虫蛹50%左右，同时配合施农药消灭小绿叶蝉，可大大提高灭虫效果。茶园松土作业根据耕深不同可分为浅耕、中耕和深耕，浅耕深度为8～10 cm左右，一般在春茶和夏茶后进行浅耕作业；中耕要在春茶萌发前进行，其深度为10～15 cm，耕作时将土壤打碎，同时将杂草割断并埋入土壤；深耕其耕作深度一般在15 cm以上，对更新根系效果良好。茶园中耕施肥要求在树冠下挖10 cm深施肥沟，其宽度一般在10～15 cm左右，施肥肥料大多为有机肥或无机肥，有机肥由于其见效较慢，一般用作基肥，无机肥养分含量高、见效快，目前为中耕作业主要肥料，常见的有尿素和复合肥。

2.2 我国茶园中耕管理机械关键技术与装备

早在20世纪50年代，我国就开始研制茶园中耕机，最开始使用半机械化的畜力带着机具进行施肥作业，至20世纪70年代，手扶拖拉机的出现解决了茶园机械化作业动力问题，很多茶厂将手扶拖拉机加装防护罩，采用旋耕机进行中耕除草作业，但由于机型较重，并没有在茶园大面积推广。80年代，浙江生产出了中国第一种茶园专用动力机C12型茶园耕作机，该机由小型柴油机提供动力，采用履带行走机构，可顺利进入茶行作业。21世纪以后，随着我国经济水平不断发展，国内掀起了茶园生产机械研制的热潮，茶机发展进入了快车道，一系列关键技术和性能优良的机器被研发出来。

2.2.1 防缠绕除草技术

除草是茶园中耕的关键环节，刀具缠草会增大中耕机的作业阻力，从而增加其功耗，同时降低作业质量。刀具防缠草技术的核心是通过合理设计刀具形状及安装角度，或配合设计刮草机构，使中耕机作业时，杂草能沿除草刀具自行滑脱或在刮草机构作用下强行脱落。农业部南京农业机械化研究所肖宏儒等研制了IS-30-1KM型松土除草机(如图1)，该机采用单杠四冲程柴油机驱动，具有体积小、重量轻、操作简单等优点，可满足陡坡茶园以及山地丘陵等复杂地况茶园作业要求，其除草刀倾斜一定度呈螺旋安装在除草轮上，作业时具有较大的滑切角，可有效的防治刀具缠草。湖南省农科院茶叶研究所的杨拥军等[6]研制了一种小型除缠减阻式茶园中耕机，该机通过动刀与静刀的间隙配合，利用静刀片上锯齿形切刀切断缠在旋耕机上的杂草，再通过旋耕机翻耕作业将杂草、树枝埋入土壤，同时其罩壳设计采用流线型，进一步降低了机器作业阻力。安徽农业大学曾晨等研制了一种小型自走式茶园除草机，其选用3.7 kW的178F型单缸立式风冷四冲程柴油机，额定转速为3 000 r/min，作业时动力通过带传动和行走轮变速箱传递到行走轮带动机具自主行走，同时通过链传动和除草轮变速箱带动除草轮旋转，实现除草作业，田间试验得到机器的最优参数组合为除草轮转速为350 r/min、机具前进速度0.8 m/s、 除草深度30 mm、除草刀个数为6。与此同时，王小勇等[7]设计了自走式茶园微耕机，如图2所示，该机主要由机架、发动机、操作架、限深调节装置、传动系统和旋耕刀辊组成。通过对刀片受力分析，优化了其结构，有效防止作业缠草的发生。贵州省山地农业机械研究所徐良等[8]设计了3ZFC-40型茶园中耕机，该机主要由汽油机、除草中耕刀、机架、施肥装置、开沟器等组成，田间试验表明其除草性能优于小型手扶式除草机，且施肥效果良好。四川省农业机械研究设计院程方平等[9]设计了手扶式茶园除草机，其结构示意图如图3所示，主要由除草轮、减速箱、挡泥板、前扶手架、发动机、离合器等构成。茶园田间试验表明使用刀片偏角为70°的除草轮，可有效防止缠草，且除草率达90%以上，在行距1.5 m茶园中作业效率可达972 m2/h。同时在理论研究方面，徐良等[10]对茶园中耕机械缠草机理进行研究，其对杂草缠绕力学特性进行分析和计算,建立了缠绕力数学模型,计算各因子产生的缠绕力,通过对比实际缠绕力测试值,验证力数学模型的正确性,从而得出减少缠草或防缠草的措施和方法。此外，贵州省山地农业机械研究所张宁洁等[11]发明了一种茶园除草机，该机由机架、滚轮、除草刀、电机、药箱等构成，其机械割草的同时还可进行喷药作业，以防止被割杂草重生。张亚楠[12]发明了茶园自走式除草机，其由前机架、后机架、行走轮、把手、发动机、变速箱、除草刀等组成，该机可实现沿茶行自主行走除草作业，大大降低了中耕作业人工劳动强度。

图1 IS-30-1KM型松土除草机

图2 自走式茶园微耕机

图3 手扶式茶园除草机示意图

总结分析我国茶园中耕除草技术与装备，近年来发展速度较快，大量机型投入到茶园生产中代替人工作业，尤其是防缠绕式除草部件的研制与推广，有效的提高了茶园除草的作业效率和质量，解决了茶园机械化除草无法连续化作业的难题。但现有研究以改进和仿制国外机型为主，缺乏原创性设计，同时对防缠绕减阻作业部件的理论研究不足，导致作业部件的可靠性较低。

2.2.2 振动减阻耕作技术

耕作是茶园中耕管理重要环节，我国茶园大多分布在南方山区丘陵地带，其土壤为偏酸性的黄土，粘性较大，传统中耕机作业切削阻力大、能耗高等问题突出，振动降阻技术是通过设计振动系统，利用机器自激或主动振动，使得作业时刀具与土壤柔性作用，一部分土壤阻力转换为机器的势能，从而降低机器的作业阻力，减少能耗。

浙江工业大学蒋建东等[13]针对南方丘陵地区茶园板结土壤环境，设计了振动型茶园微耕装置，其结构示意图如图4所示。其通过设计凸轮轴、弹簧、推杆等机构，使得微耕机作业时，刀片振动柔性切割土壤，一部分土壤阻力做功转换为弹簧的弹性势能，从而达到减阻降耗的目的，该机构设计巧妙，仿真结果表明相较于传统微耕机，其作业功耗下降近了30%。西南大学李云伍等[14]针对丘陵山地长期浅耕带来的土壤板结、蓄水保墒能力下降等问题，研制了低功耗小型立轴式深耕机分段螺旋刀具(图5)，该刀具由立轴刀盘与沿其圆周方向均布的3把分段非连续螺旋型刀片组成，其基于立式铣削，具有上翻、下松的作业特征，仿真结果表明相对于传统立式直角旋耕刀片，分段螺旋刀片具有明显的上翻下松效果，切削阻力降低了37.5%，切削阻力波动范围平均值降低了60.6%，功率消耗降低了47.6%。福建农林大学谢宇等[15]发明了一种振动式茶园松土机，其在车架与旋耕架之间设置弹簧，使机器作业时松土刀柔性切割土壤，从而降低其切削阻力，降低机器功耗。陈家东[16]发明了一种茶园耕地松土除草机，其通过在机器底部两侧设置缓冲杆有效减小装置作业时，由于地表不平，机器出现颠簸而影响作业质量等问题。张翔等[17]发明了一种摆动犁式茶园松土机及其工作方法，其采用手扶拖拉机带动松土装置进行作业，松土装置由偏心凸轮、推杆、犁刀等组成，优点是利用简单的凸轮推杆机构实现两个松土犁刀的一前一后摆动，从而实现松土、除草等作业，有效提高了作业效率。

图4 振动型茶园微耕机示意图

在理论研究方面，丁文芹等[18]研究了不同耕作方式对土壤物理性状的影响，其研究结果表明：与免耕相比，螺旋式施肥机作业后，土壤紧实度、土壤容重、孔隙度改善效果较为明显。农业农村部南京农业机械化研究所李坤等[19]在土槽试验台中对低地隙茶园管理机齿耕与旋耕作业性能进行试验分析，其分别从耕深、碎土率、功耗等三个方面的进行试验，结果表明:相比旋耕，齿耕耕得更深，但其碎土率低、功耗较高。韩余等[20]对针式仿生耕作机的响应频率进行分析，其运用有限元分析软件MSC Nastran对仿生耕齿进行静力学分析、频率响应分析与正则约束模态分析，结果表明其仿生齿设计满足强度和刚度要求，各阶模态远大于激振频率，振动效果良好。

图5 螺旋刀具及刀片示意图

茶园耕作是茶园管理的关键环节，我国关于茶园振动减阻耕作技术的研究尚处于起步阶段，大多数机型还处于实验室阶段，距离投入实际生产使用还有很长一段路要走。

2.2.3 螺旋开沟技术

传统的中耕开沟施肥技术是用圆盘式或链式开沟机在茶行开一条深沟，然后撒肥、覆土作业。但圆盘式或链式开沟机体积较大，更适合果园开沟作业，不适合相对狭窄的茶行，针对茶行开沟要求，螺旋开沟施肥技术应运而生，近年来受到学者们的重视和青睐。

螺旋开沟技术是利用螺旋机构旋切土壤的同时将土壤提升抛向一侧，完成开沟作业。王少伟等[21]对果园开沟机倾斜螺旋式开沟部件进行优化设计，其主要对开沟部件的螺旋叶片、开沟刀片进行优化设计，同时制备样机进行了田间试验，结果表明与现有开沟机相比，其优化后的开沟装置作业功耗降低了22%，沟深稳定系数提高了7.2%～8.5%。肖宏儒等[5]设计了2FY-40型螺旋施肥机(图6)，其通过立式螺旋机构进行开沟作业，然后由外槽轮式排肥器将肥料排出，完成施肥作业。其施肥深度可达35 cm，施肥宽度达到41 cm，实际作业测得其施肥均匀性较好，肥料颗粒集中在垂直方向25 cm处。

针对开沟施肥作业功耗较大等问题，刘大为等[22]对1K-50型果园开沟机开沟部件功耗影响因素开展研究，建立了开沟部件切土、运土、抛土力学模型，建立了开沟部件功耗与整机工作参数、刀辊结构参数以及土壤力学性能之间的函数关系，得到影响开沟部件功率消耗的因素主次顺序为刀辊型式、前进速度、刀辊转速、开沟深度，采用最优组合进行土槽试验，结果表明其开沟深度为0.15 m，测得此时开沟部件平均功耗值约为1.22 kW，小于传统开沟机功耗，满足设计要求。同时在开沟机抛土研究方面，何彬涛等[23]基于EDEM软件对开沟机导流装置性能进行仿真分析，以刀盘转速、曲面相对开沟刀的距离、曲面倾斜角度为试验因素，以抛撒土壤的角速度为试验指标进行虚拟试验研究，结果表明对抛撒土壤角速度影响依次为刀盘转速、曲面倾斜角度、曲面相对开沟刀的距离，最优组合为刀盘转速130 r/min，曲面相对开沟刀的距离为42°，曲面相对开沟刀的距离40 mm。

图6 2FY-40型螺旋施肥机

随着我国茶园生产全程机械化整体进程的不断推进，螺旋开沟技术将会得到大量的应用和推广，但目前的研究仍然不够成熟，抛土效果不好、作业能耗较高等问题仍然比较突出。

2.2.4 精准施肥技术

施肥是茶园中耕管理的一项重要工序，目前国内关于茶园施肥机械研究相对较少，大多是针对果园或大田的，缺少茶园专用施肥设备，国内茶园中仍然广泛采用大田用施肥装置进行施肥作业[24]。精准施肥即利用自动化控制技术实现肥料精准定量、定位排施。李明等[25]设计了茶园遥控式静电喷药施肥机，其遥控系统可精准的调节施肥量，一次性完成浅施肥和覆土作业。杨叶成[26]分析了离心撒肥装置工作过程，测得了肥料颗粒的碰撞恢复系数、密度、三轴尺寸等物理参数，基于EDEM软件对撒肥过程中肥料颗粒运动轨迹进行分析和优化(如图7)，仿真结果表明撒肥过程中肥料颗粒分布的纵向均匀性较好，横向均匀性较差，装置的下料口对肥料颗粒运动起到一定缓冲作用。戴有华等[27]设计了一种深松施肥装置，该机可一次开4条深沟、施入有机肥及覆土等作业，并对机器的主要受力部件进行有限元分析，得出了结构优化的依据。钱生越等[28]发明了用于茶园的开沟施肥覆土机，其作业效率较高，可在茶园狭窄空间内一次性完成开沟、施肥和覆土作业。湖南农业大学李明等[29]发明了一种茶园多功能可调开沟施肥机，该机由机架、开沟器、施肥装置和支撑机构等组成，具有除草，茶园浅、深施肥和开沟组合功能，实用性较好。

图7 撒肥装置仿真效果图

总结国内关于茶园中耕管理除草、松土、开沟施肥等作业环节关键技术与装备的研究，目前尚处在起步阶段，以部件结构设计和机器性能试验居多，缺少关于机器作业机理理论方面的研究，且缺少针对性设计，很多机型是从果园中耕机改造而来，其并不适合在行距较窄的茶园作业。

3 国外茶园中耕管理机械研究现状

国外主要茶叶大国有日本、印度、越南、斯里兰卡等，其中日本的茶叶生产机械化程度最高，其国内大多是种植模式统一的现代化茶园，更适合机械化作业，因此日本也是世界上唯一一个实现茶叶生产全程机械化的国家，也是茶叶单产值最高的国家，引领者国际茶叶机械化发展方向。

纵观世界茶叶机械化发展史，前苏联是最早研究茶园管理机械的国家。其国家级的山地拖拉机研究所于20世纪30年代就已成立，设计研究了多种中小型的茶园施肥机、耕耘机。其次，日本对于茶园中耕管理机研制起步也较早，在20世纪50年代左右，其茶园管理作业中开始使用小型手扶式拖拉机，随后乘用型多功能田间管理机代替小型机械，其采用履带液压式驱动装置，可通过更换机具完成耕作、除草、施肥等作业，具有效率高、适应强等优点，比较有代表性的机型有松元机工株式会社研发的MCF-2型茶园中耕施肥机，该机采用履带式行走底盘，配备卧式旋耕机，通过尾部限深轮可调节耕作深度，同时在机器上部装有肥料箱，可一次性完成开沟、施肥、覆土作业。由于日本茶园分布集中，且其种植模式统一，因此日本的茶园管理机多为跨行的大型多功能作业机，目前由于茶园分布地理环境及种植农艺的不同，其机型还难以在国内大面积推广使用。意大利、德国、西班牙等欧洲国家于20世纪90年代起开始研究微耕机，其中有代表性的如西班牙研发的MAS5型微耕机，其由内燃机提供动力，将旋耕刀安装在机器前轮上，利用刀切削土壤的反作用力推动机器前进。

国外由于其茶园种植和生产作业模式与国内不同，其茶园管理技术发展上与国内有较大不同，具体如表1所示。

表1 国内外茶园中耕管理技术对比

4 存在问题

纵观国内外茶园机械的发展过程，结合国内现状，茶园中耕管理机械化是实现茶叶生产全程机械化的关键环节。近年来，随着我国经济水平的不断提高和工业化进程的推进，在茶叶加工、包装等后处理机械的研究方面取得了突破性的进展，但我国茶园机械化水平仍然较低，目前，我国茶园中耕管理机械的存在以下几个问题。

1) 农机农艺结合较少。我国茶园规模一般较小，且大多分布在山地丘陵地区，目前市场上的茶园中耕管理机大多体积和重量都较大，运输到山区茶园上较为困难，同时也难以在狭窄的茶行中灵活作业。我国茶园分布广泛，横跨南方十几个省份，不同的种植模式和土壤环境对中耕管理作业技术要求也不尽相同，如粘重土壤环境下，设计作业部件应着重考虑其脱草和减阻性能，普通中耕机难以达到作业要求。目前国内的机型大多通用化设计，并未考虑特殊环境下的作业。同时近年来有机肥代替化肥在全国茶园中得到了广泛的应用和推广，有机肥的施肥深度及施用量和普通化肥相比差距较大，当前普通的开沟施肥机难以满足其作业要求。

2) 缺乏高产高效机械化作业技术规章及国家政策支持。目前，国家的农业机械化政策和补贴更倾向于大宗作物，而如茶叶等特色经济作物的机械化生产缺少相关政策支持，这不利于如茶叶等特色作物的发展。

3) 作业性能及关键部件可靠性较低。目前国内机型大多是对国外现有机器的仿制，缺少关于机器作业机理的研究，技术沉淀不够，这直接导致其作业性能普遍较低，刀齿缠草、功耗较大等问题突出，同时由于材料及设计上的缺陷，导致机器的关键部件可靠性较低，易损坏，严重影响中耕机的工作效率和使用寿命，从而制约机器的推广。

4) 智能化程度较低。目前我国茶园管理机械智能化程度普遍较低，不能根据茶园实际作业情况，实现自动避障和精准在线配肥和施肥，难以满足现代农业精细化生产要求。

5 发展趋势建议与分析

目前，在国家大力发展可持续生态农业及全力推进机械化作业的背景下，结合我国茶园中耕管理机械研究和发展现状，从政府政策、宣传推广、技术研究等方面进行趋势分析并提出未来的发展建议：

1) 以政府为主导，构建完善的扶持政策。坚持以政府为主导，农民、茶企和社会共同参与，形成攻坚合力，统筹考虑土壤、肥料、水分等多种生产要素，促进农机农艺相结合，综合运用行政、经济、法律等多重手段推进茶园管理科学作业。完成相关补贴制度，加强施用有机肥料、配方肥料、缓释肥及配套机具的补贴力度，强制报废低性能、高污染的中耕机具，同时健全各项肥料管理制度，加强打击市场假冒伪劣产品，全面保证产业的健康稳定发展。

2) 创新发展现代化茶园中耕管理技术，推进新技术和装备的应用。为改善我国茶园中耕管理机械的作业性能，重点从结构、作业原理及智能化控制等方面开展深入研究。优化中耕管理机结构设计，重点对其关键作业部件如除草轮、开沟装置的结构进行深入研究，优化除草刀、开沟刀切刃曲线，以降低其切土阻力、防止缠草；优化排肥装置设计，实现变量精准在线配肥及施肥作业，提高施肥系统自动化及智能化水平，开展基于农业物联网的智慧精准施肥技术及配套装备研制，可结合节水灌溉技术，进行茶园水肥一体化耦合效应技术研究和探讨，同时借鉴大田施肥机相关技术，开展有机肥专用施肥装置的相关研究。

6 结语

我国是茶叶生产和消费大国，近年来，随着国家工业体系现代化和信息化的不断推进，茶园中耕作业机械得到了大力发展，一定程度缓解了茶园管理作业用工难的问题，但技术上仍不成熟，还存在农机农艺未有效融合、机器可靠性差、智能化程度低等问题。在国家大力发展绿色可持续农业的背景下，结合我国茶园地理分布及生产实际特点，提出了未来发展建议：以政府主导为主，完善相关补贴政策，加快茶园中耕管理机械现代化升级改造进程，同时完善相关技术研究，优化机器结构参数，提高其自动化、智能化作业水平。