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        茶園生境智慧管控技術(shù)助推廣東茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展

        2020-11-20 05:34:34陳義勇黎健龍劉嘉裕唐勁馳
        廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:生境茶樹茶園

        陳義勇,黎健龍,周 波,唐 顥,劉嘉裕,唐勁馳

        (廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所/廣東省茶樹資源創(chuàng)新利用重點實驗室,廣東 廣州 510640)

        茶樹是多年生木本植物,我國是最早發(fā)現(xiàn)和利用茶葉的國家,人工栽培茶樹已有3 000多年的歷史。近年來,我國茶園面積不斷擴大,茶樹資源和茶類也越來越豐富,茶產(chǎn)業(yè)一直呈持續(xù)增長勢頭,目前已成為世界茶葉大國,但還不是世界茶葉強國[1]。茶園科學(xué)管理問題一直以來影響著我國茶產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展,不少茶企注重茶樹的種植,但缺乏科學(xué)管理的意識,茶園管理粗放,化肥和農(nóng)藥的大量使用造成茶園土壤嚴重破壞,病蟲害防控難度加大。改變傳統(tǒng)的以化學(xué)肥料、化學(xué)農(nóng)藥為支撐的環(huán)境負荷型茶葉生產(chǎn)模式,以生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)的新理念對茶園進行科學(xué)管控是促進茶產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]??茖W(xué)地利用茶園有機生物培肥技術(shù)和茶園生境管控技術(shù),可有效改良茶園土壤理化性狀,增強茶園病蟲害天敵控害能力,達到了減肥、減藥的效果[3-5]。茶園智能化生產(chǎn)與信息化管理是新時期茶產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級,提高茶葉生產(chǎn)效率的趨勢[6]。自然氣象條件對茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量有重要影響,極端天氣會造成茶葉產(chǎn)量驟減,品質(zhì)降低。對茶園環(huán)境進行實時監(jiān)測,預(yù)測預(yù)警氣象災(zāi)害的發(fā)生,能很大程度減少茶農(nóng)的經(jīng)濟損失。目前國內(nèi)已研究開發(fā)了較多的茶園氣象監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和方法,例如,何敏[7]針對倒春寒引起的茶葉凍害,開發(fā)了茶園環(huán)境實時監(jiān)測與防凍預(yù)警系統(tǒng);楊志勇等[8]設(shè)計了一套監(jiān)測茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些技術(shù)的研發(fā)提高了茶農(nóng)對自然災(zāi)害的應(yīng)對能力,減少了茶農(nóng)的經(jīng)濟損失,提高了茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起,茶葉生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都能得到精細的監(jiān)管。冷波等[9]采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對茶葉生長過程中環(huán)境因素,病蟲害發(fā)生情況等信息進行采集,建立茶葉生長信息庫,及時對病蟲害的暴發(fā)進行預(yù)警,提前做好防疫工作,避免了茶園病蟲害的大面積發(fā)生。近幾年,水肥一體化技術(shù)也逐步在茶園中得到應(yīng)用,有效解決了缺水問題,茶園管理實現(xiàn)了精準灌溉、精準施肥,灌溉水利用率得到充分提高[10]。面對全國茶產(chǎn)業(yè)向智能化生態(tài)茶園發(fā)展的趨勢,廣東省根據(jù)本省的茶產(chǎn)業(yè)特征和區(qū)域優(yōu)勢,集成了一套以生態(tài)茶園建設(shè)為核心的茶園生境智慧管控技術(shù),該技術(shù)在廣東省內(nèi)應(yīng)用推廣,實現(xiàn)了傳統(tǒng)茶園粗放式管理向智慧精準管控的轉(zhuǎn)型,提升了茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì),推進了廣東茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。

        1 廣東茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

        廣東省產(chǎn)茶歷史悠久,是全國著名的茶葉生產(chǎn)、消費和出口大省,在我國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。2019年廣東省茶園面積6.67萬hm2,占全國茶園總面積的2.1%;茶葉產(chǎn)量10.35萬t,占全國總產(chǎn)量的3.7%。廣東茶區(qū)自然條件優(yōu)越,擁有大量的野生茶樹種質(zhì)資源和豐富的地方品種,省內(nèi)大部分地區(qū)都有茶葉生產(chǎn),各茶葉產(chǎn)區(qū)區(qū)域特色明顯,粵東是以單叢為主的烏龍茶產(chǎn)區(qū),粵西是大葉種紅茶和綠茶產(chǎn)區(qū),粵北是以“英德紅茶”為主的紅茶產(chǎn)區(qū)[11]。

        近年來,茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主要舉措之一,可直接推動第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也是促進農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的有效舉措,已受到越來越多地方政府的高度重視,全省大力推進茶葉產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園和茶葉特色村鎮(zhèn)建設(shè)。而生態(tài)茶園建設(shè)是促進茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,生態(tài)茶園建設(shè)更被寫入了省政府有關(guān)推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革實施方案(粵府〔2017〕118號)中,明確指出 “以全產(chǎn)業(yè)鏈的理念發(fā)展茶葉等優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè),擴大茶葉種植面積,大力發(fā)展嶺南紅茶和高山綠茶,打造100個生態(tài)茶園” ,把生態(tài)茶園建設(shè)作為推進廣東省供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鄉(xiāng)村振興的頭等大事。

        生態(tài)茶園是指運用生態(tài)學(xué)原理,以茶樹為核心,因地制宜配置生物種類,綜合利用光、熱、水、土、氣等生態(tài)條件進行茶葉生產(chǎn),并采用生態(tài)調(diào)控等綠色防控技術(shù)進行病蟲害防控,而且環(huán)境優(yōu)美,茶葉安全優(yōu)質(zhì),生態(tài)產(chǎn)品綜合供給能力強的茶園[12]。建設(shè)生態(tài)茶園必須解決兩個問題:一是由于茶園長期偏施化肥,使得肥料利用率低、土壤退化(有機質(zhì)缺乏、酸化、板結(jié)、微生態(tài)遭破壞)。根據(jù)近年來全省茶園土壤檢測數(shù)據(jù)(檢測樣品數(shù)278個),土壤呈酸化趨勢的占 45.6%~39.6%(pH≤4.0),茶園土壤有機質(zhì)偏低至極缺乏占62.3%~68.9%,茶園土壤養(yǎng)分極不平衡[12]。二是不合理使用農(nóng)藥,造成病蟲害抗藥性增強,生態(tài)環(huán)境的自然控害能力被削弱,從而導(dǎo)致茶葉產(chǎn)量損失、茶葉品質(zhì)下降和農(nóng)殘超標隱患。因此,生態(tài)茶園建設(shè)必須拓展土壤培肥和病蟲害防治新途徑,最終目標是恢復(fù)茶園土壤的可持續(xù)利用,不依賴化學(xué)防治而達到對病蟲害的有效控制。

        在日常茶園管理中,傳統(tǒng)茶園管理技術(shù)往往方式較單一,管理粗放、建設(shè)落后,茶園生態(tài)系統(tǒng)較簡單,抗風(fēng)險能力弱,茶園病蟲害頻發(fā),制約了茶樹的生長與茶葉品質(zhì)的提升。目前,廣東茶園管理大多采用傳統(tǒng)茶園管理技術(shù),為進一步促進廣東茶葉產(chǎn)業(yè)升級,要打破傳統(tǒng)的管理技術(shù)束縛,根據(jù)廣東茶業(yè)的資源和區(qū)域優(yōu)勢,依靠科技創(chuàng)新,提升茶園管理水平,應(yīng)用先進可行的管理技術(shù),打造高標準生態(tài)茶園建設(shè),促進廣東茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。茶園生境智慧管控技術(shù)是以生態(tài)茶園建設(shè)為出發(fā)點,通過先進可行的管理技術(shù)指導(dǎo)常規(guī)茶園向生態(tài)茶園轉(zhuǎn)型升級,為茶樹生長創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。

        2 茶園生境智慧管控技術(shù)建立與發(fā)展

        在推動生態(tài)茶園建設(shè)的過程中,需要執(zhí)行良好技術(shù)規(guī)范和采取相應(yīng)的技術(shù)措施。通過長期的實踐和探索,立足生態(tài)茶園建設(shè),建立了一套適合廣東生態(tài)茶園發(fā)展的茶園生境智慧管控技術(shù)。茶園生境智慧管控技術(shù)是通過對茶園生態(tài)環(huán)境智能化感知、預(yù)警、分析、專家在線指導(dǎo)等多種智能方式,為茶葉生產(chǎn)提供一系列的精準化種植、可視化管理、智能化決策等。茶園智慧管控與傳統(tǒng)茶園管理最大的區(qū)別在于,智慧管控利用了高新技術(shù)和科學(xué)管理換取對自然資源最大化節(jié)約利用,它依附于信息技術(shù)的支撐,強調(diào)時間、空間的不同,以定時、定位、定量三定位推行出一整套現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)操作與管理的綜合體系。隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展,智慧茶園也將是目前生態(tài)茶園的發(fā)展趨勢[13]。

        茶園生境智慧管理技術(shù)是從整個茶園的生態(tài)環(huán)境大局出發(fā),著眼營造茶園生態(tài)適宜小氣候,以達到綠色優(yōu)質(zhì)的目標。該技術(shù)主要包含茶園土壤生態(tài)調(diào)控技術(shù)、茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)、茶園病蟲害監(jiān)測預(yù)警與生態(tài)防控技術(shù)、茶園生境環(huán)境信息自動化感知技術(shù)、茶園水分智慧管控技術(shù)以及茶園生境智慧管控專家服務(wù)系統(tǒng)。茶園生境智慧管控技術(shù)的應(yīng)用一方面增加了茶園物種多樣性,提高茶園整體對病蟲害的防控能力,可很大程度減少化學(xué)農(nóng)藥的使用,提升茶葉產(chǎn)品的安全性;另一方面,茶園的實時監(jiān)控預(yù)警、智能化的水肥調(diào)控、智慧茶園專家在線服務(wù)等都能為茶葉品質(zhì)的提升提供保障,提高茶園管理的效率。茶園生境智慧管控技術(shù)將成為廣東省生態(tài)茶園建設(shè)、促進茶產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的重要內(nèi)容。

        2.1 茶園土壤生態(tài)調(diào)控技術(shù)

        廣東茶區(qū)土壤普遍因偏施化肥,養(yǎng)分失衡造成土壤退化(酸化、板結(jié)、微生態(tài)失衡),從而導(dǎo)致施肥效率低、茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)下降等嚴重問題。針對這一現(xiàn)狀,創(chuàng)造性地利用土壤工程生物——蚯蚓,研究建立了茶園土壤生態(tài)調(diào)控(蚯蚓有機培肥)技術(shù)。示范應(yīng)用的效果表明,碳氮比為21.8~24.9的牛糞和稻稈組合適宜蚯蚓生長,碳氮比為28.9的組合適宜蚯蚓繁殖。與常規(guī)施肥模式相比,該技術(shù)有效促進土壤陽離子吸附能力的增強,提高土壤養(yǎng)分含量,其中有機碳含量增加70%;顯著提高土壤呼吸速率和改善土壤生物學(xué)性質(zhì),增加土壤生物團聚體;顯著改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤酶活性和微生態(tài)環(huán)境,恢復(fù)土壤可持續(xù)培肥能力,使肥效提高8.6%,大幅減少化肥施用,茶葉產(chǎn)量穩(wěn)定增加15.2%~23.5%,顯著改善茶葉品質(zhì)[3,14],特別是提高夏茶的醇類、醛類、酯類等香氣物質(zhì)含量。

        2.2 茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)

        針對廣東茶區(qū)茶園種植模式普遍單一的現(xiàn)狀,立足于生態(tài)茶園理念,創(chuàng)造性地提出茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù),綜合評估茶園間作物種對茶樹生長環(huán)境、茶園土壤理化性狀、茶園病蟲草害發(fā)生以及茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)等的影響,應(yīng)用生態(tài)農(nóng)業(yè)模式配置調(diào)控技術(shù)與耕作栽培學(xué)原理和方法,建立以茶樹為主體,多種作物相結(jié)合、多物種共存、多層次配置、多時序組合、物質(zhì)多級循環(huán)利用,克服茶園生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和不穩(wěn)定性,形成復(fù)合間作生態(tài)栽培模式技術(shù)體系[15-17]。茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)以生物多樣性保護為中心,合理種植綠肥、遮陰樹以及行間地面上鋪草等措施,可顯著提高天敵蜘蛛多樣性,同時不影響茶葉生物量,為今后優(yōu)質(zhì)生態(tài)茶園建設(shè)提供了重要參數(shù)。實施茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)后,首次發(fā)現(xiàn)廣東茶區(qū)天敵蜘蛛新紀錄17個,豐富了廣東地區(qū)蜘蛛種群數(shù)目的多樣性;在國際上首次報道1個蜘蛛新種——巨蟹蛛。茶園生態(tài)位配置與管控技術(shù)充分發(fā)揮了天敵自然調(diào)控作用,為實現(xiàn)茶園害蟲綠色防控奠定了基礎(chǔ)。

        2.2.1 幼齡茶園間作磷高效利用大豆的技術(shù) 針對華南茶區(qū)土壤普遍低磷的特性,篩選出兩個磷高效大豆品種“華春2號”“華夏3號”與幼齡茶樹間作,克服了傳統(tǒng)茶豆間作模式需要大量補充磷肥的缺點。該技術(shù)顯著緩解土壤酸化,土壤有機質(zhì)、速效氮含量比對照分別提高8.3%~10.0%和17 mg/kg,茶小綠葉蟬的數(shù)量及其危害茶樹葉片數(shù)顯著降低,蜘蛛數(shù)量明顯增加,雜草減少[18]。

        2.2.2 成齡茶樹間作景觀樹的技術(shù) 該技術(shù)創(chuàng)新了生態(tài)茶園種植模式,顯著增加了茶園生物多樣性,使茶園生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)控能力逐步恢復(fù),將病蟲草害的為害控制在經(jīng)濟損害閾值以內(nèi),為實現(xiàn)對茶園病蟲害的生態(tài)調(diào)控提供了有效途徑,建立了以生物多樣性為核心的生態(tài)防控技術(shù)體系,茶園節(jié)肢動物多樣性增加23.3%~29.8%,茶小綠葉蟬的發(fā)生數(shù)量減少10.8%~53.9%[19-20],實現(xiàn)了茶園生態(tài)優(yōu)化和茶葉質(zhì)量穩(wěn)定提升的雙重效應(yīng)。

        該技術(shù)以有效控制病蟲害的發(fā)生為害為目標,在較大的空間和時間尺度上考慮茶園生態(tài)系統(tǒng)的空間格局和生態(tài)過程,發(fā)現(xiàn)不同景觀斑塊的結(jié)構(gòu)對茶園生物群落多樣性、物種豐富度有較大影響,特別是人類活動干擾頻繁、道路廊道多、種植的景觀樹少等因素能顯著降低茶園節(jié)肢動物群落的多樣性。此外,從茶園生境小尺度范圍內(nèi)探索多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能,在茶園周邊進行有效生境管理,構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜、植物相對豐富的生境緩沖帶,種植多種景觀樹,能增加天敵群落多樣性,發(fā)揮天敵對害蟲茶小綠葉蟬的自然控制作用。

        2.3 茶園病蟲害監(jiān)測預(yù)警與生態(tài)防控技術(shù)

        華南茶區(qū)茶園主要病害蟲發(fā)生的情況是常發(fā)性病蟲為害加重,如茶小綠葉蟬、茶尺蠖、螨類和黑刺粉虱,為害逐年加重,給茶區(qū)造成較大的損失,也增加很多安全隱患[21-22]。茶園病蟲害監(jiān)測技術(shù)是將植物化學(xué)保護、農(nóng)藥學(xué)、農(nóng)藥毒理學(xué)、作物栽培學(xué)、航天航空遙感影像處理、計算機視覺、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等集成,實現(xiàn)對病蟲害的遠程診斷與鑒定以及病蟲害測報信息發(fā)布、綜合防治方法檢索、專家視頻診斷、歷史資料查詢等功能。主要操作手段是通過搭建、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)攝像頭,對茶田進行圖像、視頻監(jiān)控,利用機器視覺等技術(shù)實現(xiàn)對茶葉常見病蟲害識別等(圖1、圖2)。利用無人機對發(fā)生過病蟲害的茶葉產(chǎn)區(qū)進行數(shù)據(jù)采集,再通過分析受害的茶葉光譜特征變化,定量危害程度,預(yù)警后期的病蟲害發(fā)生情況。

        圖1 茶園病蟲害智能識別Fig. 1 Intelligent identification of pests and diseases in tea garden

        圖2 茶園害蟲監(jiān)測預(yù)警平臺模型Fig. 2 Model of pest monitoring and early warning platform for tea garden

        以茶小綠葉蟬為例,茶園害蟲監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)利用3月蟲口數(shù)(667 m2蟲量)、上年12月至2月份最低氣溫和2月份平均氣溫組成的三因子,組建測報專家經(jīng)驗?zāi)P蛿?shù)據(jù)庫對茶小綠葉蟬的發(fā)生情況進行預(yù)測。監(jiān)測預(yù)警結(jié)果顯示,茶小綠葉蟬第一峰發(fā)生趨勢為重發(fā)生,近4年預(yù)測準確率為90%,與田間發(fā)生動態(tài)相似?;趯Χ喾N病蟲害的準確預(yù)測,創(chuàng)建了“廣東茶園主要害蟲監(jiān)測預(yù)警信息咨詢服務(wù)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù),專家系統(tǒng)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等將茶葉生產(chǎn)中主要病蟲害的調(diào)查(數(shù)據(jù)采集)、數(shù)據(jù)傳輸與管理、預(yù)測預(yù)報及預(yù)報和防治信息發(fā)布等功能集于一體。建立茶園害蟲監(jiān)測預(yù)警平臺,使茶農(nóng)和生產(chǎn)者能夠很好地把握害蟲發(fā)生的關(guān)鍵時期(如茶小綠葉蟬的百葉蟲口數(shù)控制在10左右,此時茶小綠葉蟬未大暴發(fā),不會影響茶葉產(chǎn)量,茶小綠葉蟬適度的叮咬還能提升茶葉香氣。但蟲口數(shù)高于此值時需要及時采摘或有效防控),適時進行采摘,并結(jié)合生境管理技術(shù),實現(xiàn)對茶園的精確管理,實現(xiàn)提高經(jīng)濟效益的目的。

        2.4 茶園生境環(huán)境信息自動化感知技術(shù)

        2.4.1 茶園氣象監(jiān)測系統(tǒng) (1)實時氣象。茶園氣象監(jiān)測系統(tǒng)可以選擇茶園具體區(qū)域或地塊,顯示實時溫度、濕度、風(fēng)級和積溫數(shù)據(jù)信息,并提供區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、降水等區(qū)域?qū)n}數(shù)據(jù),展示全局氣象分布(圖3)。

        圖3 茶園氣象站Fig. 3 Weather station in tea garden

        (2)氣象預(yù)報。主要對茶園集中種植區(qū)域降水、均溫、相對濕度的氣象信息進行7~14 d趨勢和具體數(shù)值預(yù)測,并且平均12 h更新1次。

        (3)歷史氣象。關(guān)于歷史氣象對比分析方面,可以查看當(dāng)前積溫、累積降水、溫度等歷史多年對比分析數(shù)據(jù),用于分析對比今年長勢與歷年長勢和產(chǎn)量之間的相關(guān)關(guān)系,對生產(chǎn)實際指導(dǎo)提供輔助決策意見。

        2.4.2 茶園土壤監(jiān)測系統(tǒng) 茶園土壤監(jiān)測系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)無線傳輸和數(shù)據(jù)分析評估功能,在茶園范圍內(nèi)配置多點無線土壤墑情監(jiān)測主機和土壤溫度、水分、電導(dǎo)率、土壤水勢等多種傳感器(圖4),構(gòu)建多點無線土壤墑情原位監(jiān)測系統(tǒng),集成智能監(jiān)控-水肥一體化管理技術(shù),構(gòu)建茶園精準灌溉、施肥系統(tǒng),可以最大程度地優(yōu)化灌溉、施肥和害蟲綜合治理(IPM)決策。

        圖4 土壤參數(shù)監(jiān)測節(jié)點Fig. 4 Soil parameter monitoring node

        2.4.3 茶葉長勢監(jiān)測 利用多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),反演植被指數(shù),對茶葉的生長趨勢進行不間斷觀察,獲得茶葉長勢的綜合評估,最終以平臺可視化的形式為茶農(nóng)和管理者提供各地塊茶葉的生長狀況,便于對茶葉的生長過程進行管理和監(jiān)控(圖5)[23]。

        圖5 茶樹長勢監(jiān)測示意圖Fig. 5 Diagram of tea tree growth monitoring

        2.5 茶園水分智慧管控技術(shù)

        根據(jù)茶園土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果,針對茶樹需肥特性,以及當(dāng)前茶園管理人工缺乏的現(xiàn)狀,研究集成了一系列輕簡化水肥管控模式,主要包括:(1)水肥一體化模式,主要以水溶肥為主,采用滴灌系統(tǒng),精確控制肥料用量和施肥時間。(2)新型肥料模式,采用了控釋肥、功能性肥料等結(jié)合茶樹養(yǎng)分需求規(guī)律,調(diào)控養(yǎng)分施用量[24]。(3)專用肥模式,針對廣東茶園土壤區(qū)域性養(yǎng)分特征,結(jié)合特定區(qū)域樹種對養(yǎng)分需求的特點。按照“調(diào)大肥-補中肥-慎微肥”的方針,開發(fā)了茶葉專用長效肥[25]。(4)有機替代模式,采用適量有機肥分批分次替代部分(20%~40%)化肥[26-27]。(5)酸化改良模式,針對酸化嚴重的茶園(pH<3.0)施用適量對茶樹生長無害的土壤調(diào)理劑,并配合適量有機肥,適當(dāng)改良土壤酸化狀況[25]。茶園水肥精準管控技術(shù)是根據(jù)茶樹需肥規(guī)律、土壤供肥性能針對不同區(qū)域、不同土壤和不同類型茶園的茶樹對水肥進行精準管控。茶園有機肥替代技術(shù)的實施全面推廣了生物有機肥和復(fù)合微生物肥料的施用,達到少施化肥甚至不施化肥的目的。茶園水肥精準管控技術(shù)在茶園中應(yīng)用不僅可以提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì),同時對土壤理化性狀起到一定的改良作用,在廣東茶園有較好的應(yīng)用前景。

        2.6 茶園生境智慧管控專家服務(wù)系統(tǒng)

        智慧茶園是專為茶園管理人員打造的茶園智慧管理APP,用戶可以通過手機智能監(jiān)測茶園茶葉生長情況、茶園溫度、濕度、光強、氣壓等,幫助茶農(nóng)更好地對茶園進行管理,種出優(yōu)質(zhì)茶葉(圖6)。通過對茶園茶樹萌芽、生長、成熟、環(huán)境變化和病蟲害發(fā)生程度等情況的實時監(jiān)測,結(jié)合氣候變化規(guī)律,茶園管理者可以有針對性進行茶葉采收、病蟲害防治和水肥管理,為茶葉生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)提供有力技術(shù)支撐。

        圖6 智慧茶園APPFig. 6 Intelligent tea garden APP

        在茶葉生產(chǎn)中,病蟲害一直是茶樹種植過程中面臨的重要問題,病蟲害的發(fā)生引起茶葉品質(zhì)下降、茶園化學(xué)農(nóng)藥的使用使茶產(chǎn)品的安全性降低、環(huán)境惡化等問題。病蟲害的及時有效防治是保證茶樹正常生長發(fā)育獲得高產(chǎn)的重要因素。智慧茶園專家服務(wù)系統(tǒng)是基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),結(jié)合茶園茶樹種植實際情況開發(fā)的實時雙向?qū)<疫h程監(jiān)控咨詢診斷系統(tǒng),是智慧茶園APP的核心組成部分。該系統(tǒng)主要有以下幾個重要功能:(1)實時遠程技術(shù)咨詢。專家和茶農(nóng)可以通過網(wǎng)絡(luò)面對面交流,為茶農(nóng)提供實時的技術(shù)指導(dǎo)。(2)病蟲害遠程診斷。茶農(nóng)可以把田間病蟲害樣本實物通過圖片共享、文件共享等方式通過系統(tǒng)傳給專家,專家根據(jù)實際病癥予以診斷。(3)疫病遠程監(jiān)控。專家可以通過系統(tǒng)遠程登陸安裝在茶園的攝像頭并隨時查看茶樹生長情況,及時給予技術(shù)指導(dǎo)。(4)大范圍的信息發(fā)布。專家根據(jù)病蟲害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的提示以及病蟲害的發(fā)生規(guī)律,可通過智慧茶園專家服務(wù)系統(tǒng)大范圍地發(fā)布病蟲害防控信息。智慧茶園專家在線服務(wù)系統(tǒng)極大的提高茶園管理服務(wù)效率,節(jié)省培訓(xùn)費用,提升了科技轉(zhuǎn)化的服務(wù)能力。

        3 茶園生境智慧管控技術(shù)應(yīng)用實例與推廣效果

        廣東主要分為粵北、粵東、粵西3個茶區(qū),各茶區(qū)的主栽品種不同,并且氣候環(huán)境、土壤和植被也存在較大差異(圖7)。針對3個茶區(qū)各自主栽品種的特點,適當(dāng)調(diào)整茶園生境智慧管控技術(shù),以最大限度發(fā)揮地方茶樹品種的特色。

        圖7 茶園生境智慧管控技術(shù)在廣東省的應(yīng)用情況Fig. 7 Application of habitat intelligent management and control technologies in Guangdong Province

        3.1 茶園生境智慧管控提升粵北英紅九號紅茶品質(zhì)

        粵北茶區(qū)氣候?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,距離海洋相對較遠,海洋性暖濕氣流減弱,冬季受北方寒流的影響增強,夏季高溫多雨,茶園地勢平坦,光照較強。以英紅九號為代表的紅茶品種是該茶區(qū)的核心特色茶類,氨基酸和酚氨比是影響英紅九號夏秋茶品質(zhì)的關(guān)鍵因子,茶園遮陰能顯著增加氨基酸含量,提升夏秋茶的品質(zhì)[28]。因此,在粵北茶園生境智慧管控技術(shù)的應(yīng)用中,茶園氣候監(jiān)測配合遮陰樹種植改善茶園生態(tài)環(huán)境技術(shù)對英紅九號紅茶品質(zhì)提升起到了重要作用。遮陰樹品種選擇高大喬木,數(shù)量控制在每667 m2地8~10棵以上,并且配合行道樹木和景觀美化樹種。黎健龍等[29]研究發(fā)現(xiàn),茶園生境智慧管控技術(shù)在粵北茶區(qū)的應(yīng)用能顯著增加茶園節(jié)肢動物物種多樣性,茶樹病蟲害的天敵數(shù)量顯著增加,茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量也有明顯提高。

        3.2 茶園生境智慧管控提升粵東單叢茶品質(zhì)

        粵東茶區(qū)的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,是南亞熱帶和中亞熱帶氣候區(qū)的過渡地帶。受太平洋和山地的特定地形影響,夏日長,冬日短,全年氣溫高,雨水豐盈且集中。該茶區(qū)地形以山地為主,土地資源緊缺,茶園多建設(shè)在海拔較高、坡度較大的陡峭山坡地,多數(shù)以梯田的形式開墾茶園,并且梯面比較窄。特色茶樹品種為單叢茶,單叢茶以香氣著稱,因此,調(diào)控的重點為香氣,加強對病蟲害的控制及茶園水肥的管理是提升單叢茶品質(zhì)的關(guān)鍵[30-31]。茶園水肥精準管控技術(shù)在粵東低產(chǎn)茶園進行了應(yīng)用,如梅州五華,采用 “蚯蚓+功能菌+有機物料”的高效生物有機培肥模式進行培肥示范,示范區(qū)茶園土壤肥力狀況明顯提升,茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)都得到改善[32]。該技術(shù)的特點主要是符合茶樹養(yǎng)分需求,減少化肥用量,提升土壤質(zhì)量,并且操作簡單,省工省力。通過連續(xù)3年在省內(nèi)主要茶區(qū)的驗證結(jié)果表明,該技術(shù)可以減少化肥用量20%的基礎(chǔ)上,增加產(chǎn)量10%以上,同時可以顯著改善土壤質(zhì)量,提升茶葉品質(zhì)。另外,采用茶園病蟲害預(yù)警技術(shù),結(jié)合以生物多樣性為核心的生態(tài)防控技術(shù)體系,優(yōu)化茶園生態(tài)環(huán)境, 增強茶園生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)控能力,減少農(nóng)藥化肥使用[33]。

        3.3 茶園生境智慧管控提升粵西金萱茶品質(zhì)

        粵西茶區(qū)屬于熱帶北緣季風(fēng)氣候,終年受海洋氣候的調(diào)節(jié),冬無嚴寒,夏無酷暑,年平均氣溫在22.7~23.5 ℃,由北向南遞增,南北相差1.5 ℃。年平均雨量1 395.5~1 723.1 mm,年平均日照時數(shù)1 714.8~2 038.2 h。區(qū)域內(nèi)沒有高大的山脈,地形多為平原和臺地,主要土壤類型為赤紅壤、磚紅壤。該區(qū)域的主栽茶樹品種之一為金萱,金萱茶特有品質(zhì)成分的形成與茶小綠葉蟬的種群密度有重要的關(guān)系。因此在粵西茶區(qū)采用茶園生境智慧管控技術(shù)對茶小綠葉蟬種群的監(jiān)測與調(diào)控,同時兼顧遮陰樹等生態(tài)環(huán)境改良,控制茶小綠葉蟬的種群密度。通過茶園專家服務(wù)平臺及時發(fā)布蟲害發(fā)生信息,指導(dǎo)茶農(nóng)適時采摘茶青,使茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)同步提升。

        4 茶園生境智慧管控技術(shù)對廣東茶產(chǎn)業(yè)的推動作用

        4.1 提升夏秋茶品質(zhì),增加經(jīng)濟收益

        夏秋茶產(chǎn)量占全年總產(chǎn)量的60%以上,但因品質(zhì)差導(dǎo)致其價格遠低于春茶,嚴重制約了茶產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。廣東地處南亞熱帶,茶葉全年可采摘時間高達280 d以上,雖然在一定程度上增加了產(chǎn)量,但春茶的采摘時間僅占40 d,遠低于其他省份,大部分產(chǎn)量為經(jīng)濟效益較差的夏秋茶。此外,廣東茶區(qū)具有高溫多雨,紅壤、磚紅壤酸化明顯,土壤養(yǎng)分含量低,茶樹病蟲害多發(fā)等特點,茶園長期過量使用化肥農(nóng)藥,會造成茶園土壤性狀惡化和茶葉農(nóng)殘超標,并衍生出水體污染、茶葉質(zhì)量安全等問題。因此,推廣茶園生境智慧管控技術(shù),實現(xiàn)夏秋茶品質(zhì)和產(chǎn)量的安全定向改良和提升,對推動廣東生態(tài)茶園建設(shè)和茶產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

        4.2 病蟲害生態(tài)防控,提高茶產(chǎn)品的安全性

        茶園生境智慧管控技術(shù)茶園生態(tài)系統(tǒng)的整體出發(fā),為生態(tài)茶園精準防控害蟲提供新途徑。通過對茶園生境管理長期的定位調(diào)查和室內(nèi)測試,結(jié)合連續(xù)3年的產(chǎn)量測定、茶小綠葉蟬控制調(diào)查、代謝物和轉(zhuǎn)錄組分析,結(jié)果顯示茶葉產(chǎn)量不但沒有減少,而且還能保持穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的趨勢,明顯改善茶葉滋味(茶多酚、兒茶素等物質(zhì)含量增加),香氣物質(zhì)(萜類化合物等物質(zhì))更加豐富,并且沒有檢測出任何化學(xué)農(nóng)藥殘留[11]。通過研究生境管理-天敵-害蟲-茶葉品質(zhì)間相互作用的生態(tài)學(xué)機制,研發(fā)和集成創(chuàng)新了生態(tài)茶園生境智慧管控系統(tǒng),強化生物多樣性增益控害效應(yīng),推進害蟲精準防控,實現(xiàn)了茶園的提質(zhì)增效。

        4.3 助力茶園機械化采摘,節(jié)約人力成本

        生態(tài)茶園的建設(shè)關(guān)鍵在于茶園綠色、可持續(xù)管理,但隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展和人口老齡化問題的加劇,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力短缺問題逐漸凸顯。茶葉生產(chǎn)作為一個勞動密集型產(chǎn)業(yè),田間管理和采摘對勞動力需求遠遠高于其他作物。如6.7 hm2茶園的施肥、修剪、除草等茶園管理每年約消耗150個人工(人·天),而茶青采收環(huán)節(jié)消耗更多,以日產(chǎn)300 kg干茶為例,每天需采茶工約60人??梢灶A(yù)見,未來10~20年,勞動力短缺將是嚴重制約茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題之一。

        茶園生境智慧管控技術(shù)采用無人機大面積遙感圖像與地面不間斷視頻監(jiān)測手段,對機采茶樹的年生長輪次、各輪次間的生長周期、生長特性(一致性、整齊度等)等進行大數(shù)據(jù)采集,采用深度學(xué)習(xí)或農(nóng)業(yè)認知計算技術(shù)進行分析與建模,以預(yù)測每輪次適采時期、產(chǎn)量及機采品質(zhì)等,為機采茶園精細化管理提供數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合茶園多源數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù),對機采茶園的長勢監(jiān)測與生長預(yù)測進行融合研發(fā),形成機采茶園的智慧管控體系,對茶園生長進行前期干預(yù),提升機采原料品質(zhì)。

        4.4 推進生態(tài)茶園建設(shè)

        茶園生境智慧管控技術(shù)的構(gòu)建改變茶園種植結(jié)構(gòu),強化生物多樣性增益控害的服務(wù)功能。核心技術(shù)“茶園高效安全生產(chǎn)技術(shù)”“生態(tài)茶園有機替代培肥關(guān)鍵技術(shù)”“廣東生態(tài)茶園建設(shè)與管理技術(shù)”“廣東茶區(qū)茶園農(nóng)藥減施增效技術(shù)”等在2014—2019年連續(xù)多次被廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳列為全省主推技術(shù)。2019年3月30日,陳宗懋院士到廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所英德基地詳細了解茶園病蟲害發(fā)生和綠色防控技術(shù)應(yīng)用情況后指出:廣東在2020年前實現(xiàn)生態(tài)茶園面積超30%是完全可以做到的。截至2019年12月,依據(jù)制定的團體標準《廣東生態(tài)茶園建設(shè)規(guī)范(T/GZBC 5—2018)》,全省生態(tài)茶園已認定28家。茶園生境智慧管控技術(shù)的集成與應(yīng)用促進我省生態(tài)茶園的建設(shè),對提升茶葉產(chǎn)量、品質(zhì)、質(zhì)量安全有積極的推動意義,有效推動廣東省茶產(chǎn)業(yè)的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革。

        5 展望

        面對全省乃至全國茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展向好的趨勢,生態(tài)茶園建設(shè)作為廣東茶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手,制定和應(yīng)用切實可行的措施和先進實用技術(shù)的需求越來越強烈。加快生態(tài)茶園建設(shè)是茶產(chǎn)業(yè)今后發(fā)展方向,茶園生境智慧管控技術(shù)是針對廣東主要茶區(qū)各自主栽品種的特點經(jīng)過長期實踐積累而成,可根據(jù)當(dāng)?shù)夭鑸@特點和差異進行多樣化模式應(yīng)用。茶園生境智慧管控技術(shù)作為廣東生態(tài)茶園建設(shè)的重要內(nèi)容和技術(shù)支撐,堅持生態(tài)效益優(yōu)先,是尊重自然、保護環(huán)境、因地制宜的必然選擇,其相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,能引領(lǐng)我省生態(tài)茶園的發(fā)展,促進廣東常規(guī)茶園轉(zhuǎn)化為生態(tài)茶園,提升產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,形成創(chuàng)新驅(qū)動、農(nóng)民增收、企業(yè)增效、社會收益的良性循環(huán)。

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