山東數(shù)字茶園建設(shè)現(xiàn)狀與展望

王林軍，王武闖，王梓清，田國強，畢彩虹，丁兆堂

1.威海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村事務(wù)服務(wù)中心，山東 威海 264200；2.山東科潤信息技術(shù)有限公司，山東 威海 264200；3.臨沂市果茶技術(shù)推廣服務(wù)中心，山東 臨沂 276000；4.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 青島 266109

山東茶葉栽植始于“南茶北引”。前期，在有選擇性地引進南方茶樹品種的同時，大量地采用了南方茶葉種植與管理的技術(shù)與經(jīng)驗。但山東茶區(qū)位于北緯35°0'—37°5'之間，整體上屬于茶樹次適生區(qū)，是我國露地茶樹栽培的最北端，存在諸如冬季低溫、春季干旱、土壤有機質(zhì)含量低、生態(tài)環(huán)境逆境多等問題，因此通過對山東茶產(chǎn)區(qū)的氣象、土壤、立地環(huán)境、病蟲為害、樹體生長發(fā)育、采摘與加工、產(chǎn)量與品質(zhì)等數(shù)據(jù)進行采集，通過算法等進行系統(tǒng)性的研究分析與歸納整理，尋求山東茶葉種植管理與品質(zhì)上的獨特點，可以更好地克服不利因素、發(fā)揮優(yōu)勢特長，因地施策，助推茶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 山東數(shù)字茶園建設(shè)現(xiàn)狀

數(shù)字茶園就是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在茶葉園區(qū)布設(shè)相應(yīng)的各類傳感器，實時在線采集相應(yīng)數(shù)據(jù)的茶園。通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對茶園內(nèi)的氣象環(huán)境、土壤環(huán)境、茶葉生理和霜凍災(zāi)害等因素進行全維度、高密度和高粒度的大數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，對茶葉種植、加工、倉儲、流通環(huán)節(jié)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)測和可視自動化管理，為茶葉精準(zhǔn)化栽培管理提供數(shù)據(jù)支撐[1]。同時，根據(jù)茶葉生長環(huán)境的實時監(jiān)測情況，通過物聯(lián)網(wǎng)無線控制網(wǎng)絡(luò)及時地對茶葉整個生命周期實施精準(zhǔn)化和智能化的管理和控制。

近年來，山東省茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系團隊在茶園機械化、數(shù)字化、智能化發(fā)展上逐步加大謀篇布局的力度。2019年啟動了數(shù)字茶園試點建設(shè)，在威海、青島、臨沂等8 處不同立地地域內(nèi)選擇有代表性茶園進行試點，在試點茶園內(nèi)均布設(shè)了氣象傳感器，用于采集溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度、風(fēng)力、風(fēng)向、雨量等數(shù)據(jù)；布設(shè)有土壤傳感器，用于采集茶樹根部不同深度土壤溫度、含水量、pH值、氮磷鉀等養(yǎng)分含量等相關(guān)數(shù)據(jù)；布設(shè)自動化抓拍相機，用于拍攝茶葉生長發(fā)育動態(tài)過程及相關(guān)數(shù)據(jù)，也用于采集病蟲害發(fā)生時間節(jié)點、為害特點及規(guī)律；建設(shè)安裝高清槍型攝像機和360°高清球型攝像機，用于對茶園環(huán)境進行實時監(jiān)控，視頻信號可以實時顯示茶葉生長畫面和園區(qū)的相關(guān)情況，方便園區(qū)管理者隨時隨地進行遠(yuǎn)程查看和操控。在部分茶園內(nèi)，還建設(shè)了晚霜凍害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，用于已建滴灌設(shè)施的園區(qū)內(nèi)加裝微噴系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制園區(qū)內(nèi)的空氣濕度、光照強度和溫度；建立山東茶葉品質(zhì)指數(shù)，把茶園緯度、海拔、空氣溫濕度、光照等相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)與茶葉品質(zhì)數(shù)據(jù)等進行關(guān)聯(lián)，研究影響茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵因素，從而針對性地對相關(guān)因素進行干預(yù)，更好地指導(dǎo)高品質(zhì)茶葉生產(chǎn)。目前，在山東省茶園開展了如下數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝和相關(guān)應(yīng)用模型的構(gòu)建等初步探索。

1.1 茶園數(shù)據(jù)采集

茶樹生長發(fā)育需要適當(dāng)?shù)墓庹铡囟取穸鹊拳h(huán)境條件，茶葉最優(yōu)品質(zhì)也只有在特定的區(qū)域環(huán)境和立地條件才能實現(xiàn)，同時加工技術(shù)和溫度、時間等參數(shù)也直接影響茶葉產(chǎn)品品質(zhì)。采用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在茶葉園區(qū)布設(shè)相應(yīng)的各類傳感器，可實時在線采集到茶樹生長環(huán)境的各項信息數(shù)據(jù)，并在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

1.1.1 全維度氣象環(huán)境監(jiān)測

用于監(jiān)測茶樹生長環(huán)境，包括空氣溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽光照強度、二氧化碳濃度、大氣壓、降雨量等環(huán)境信息，可以精準(zhǔn)監(jiān)測當(dāng)?shù)貙崟r氣象數(shù)據(jù)、預(yù)報本地小范圍氣象環(huán)境，為預(yù)測茶樹生長環(huán)境、自然災(zāi)害發(fā)生、病蟲害防治模型的開發(fā)和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持（圖1），并可隨時對歷史數(shù)據(jù)進行查找與分析。

圖1 在威海、青島、臨沂等地建成的茶園全維度氣象環(huán)境監(jiān)測站

1.1.2 土壤環(huán)境監(jiān)測

在茶園選擇適當(dāng)密度的土壤環(huán)境監(jiān)測點通過布設(shè)相應(yīng)的傳感器，可以監(jiān)測不同土壤層的土壤溫度、水分、pH值、電導(dǎo)率等，通過精準(zhǔn)監(jiān)測來為茶園管理提供施肥灌水依據(jù)（圖2）。

圖2 茶園內(nèi)土壤環(huán)境監(jiān)測傳感器及采集到的數(shù)據(jù)動態(tài)圖

1.1.3 茶葉生理監(jiān)測

在茶園選取生理監(jiān)測點，可通過布設(shè)茶葉定時抓拍設(shè)備，對茶園定時拍照，對照片顯示的信息進行研究來實現(xiàn)茶葉的生理監(jiān)測和病蟲發(fā)生情況監(jiān)測。

1.2 茶園數(shù)據(jù)處理

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過對茶區(qū)各種環(huán)境的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)實時在線監(jiān)測，所有設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)通過無線自動傳輸發(fā)送至云平臺，云平臺通過對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和應(yīng)用，自動執(zhí)行不同運算模式如病蟲害模型、水平衡應(yīng)用模型及本地小范圍作物生長環(huán)境精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報，相關(guān)結(jié)果將以圖形和表格形式呈現(xiàn)。

1.2.1 水平衡應(yīng)用模型

根據(jù)用戶對于土壤持水量、凋萎點、最大消耗量和補灌點的設(shè)定，結(jié)合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)展示土壤水分曲線，指導(dǎo)用戶在一個合理的范圍內(nèi)進行灌溉，有助于制定更佳的水肥方案。

1.2.2 病蟲害應(yīng)用模型

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)，為用戶計算和展現(xiàn)病蟲害圖形，精準(zhǔn)預(yù)測病蟲害發(fā)生時間和為害程度，指導(dǎo)用戶提前采取措施進行有效防治，以達(dá)到綠色防控的目的[2]。

1.3 水肥精準(zhǔn)控制

通過在茶園內(nèi)安裝無線傳感網(wǎng)絡(luò)和全面鋪設(shè)微噴灌水肥一體化系統(tǒng)，基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和作物生長模型實現(xiàn)對茶園的精準(zhǔn)水肥一體化智能控制（圖3）。

圖3 茶園水肥一體化的精準(zhǔn)控制與應(yīng)用

1.4 微噴霧化系統(tǒng)

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)在線監(jiān)測，有效監(jiān)測茶樹生長環(huán)境，通過物聯(lián)網(wǎng)智能霧化系統(tǒng)實現(xiàn)茶樹生長小環(huán)境的智能化控制和管理。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過精準(zhǔn)在線監(jiān)測茶葉生長環(huán)境（空氣溫濕度、土壤溫濕度、茶葉葉面溫濕度等）數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確及時地開啟關(guān)閉微噴霧化系統(tǒng)，來改善茶樹生長的微環(huán)境，調(diào)控茶園空氣溫、濕度。

物聯(lián)網(wǎng)能夠精準(zhǔn)在線監(jiān)測茶園的太陽全輻射和有效光合輻射，可以根據(jù)監(jiān)測的光照強度自動開啟和關(guān)閉霧化系統(tǒng)，有效避免強日照對茶葉造成灼燒。

物聯(lián)網(wǎng)霧化可以實現(xiàn)葉面肥、農(nóng)藥、生長調(diào)理劑等自動噴灑，高壓霧化使藥劑分布均勻，可在每棵樹上四面噴藥，充分地把藥噴在茶葉的正反面，減少藥物的流失，有效提高利用率，節(jié)約成本。

微噴霧化系統(tǒng)可以充分利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，創(chuàng)造有利茶樹生長的小環(huán)境，實現(xiàn)茶樹栽培或苗木繁育等管理中的水肥藥一體化精準(zhǔn)管理和自動化控制，提高茶葉品質(zhì)。

1.5 霜凍災(zāi)害預(yù)警

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測可以精準(zhǔn)在線監(jiān)測空氣梯度溫濕度、茶葉冠層葉片溫濕度，地面溫濕度等，采集的數(shù)據(jù)依據(jù)霜凍模型自動執(zhí)行相應(yīng)的運算，可以準(zhǔn)確分辨霜凍的類型，準(zhǔn)確預(yù)測霜凍來臨時間、范圍、類型、方向。利用云平臺可以自動做出相應(yīng)的開啟關(guān)閉防霜凍系統(tǒng)行為，通過物聯(lián)網(wǎng)智能霧化防霜凍系統(tǒng)，有效避免霜凍帶來的災(zāi)害。

1.6 茶葉品質(zhì)監(jiān)測

通過在茶園建立的產(chǎn)地微氣象站收集大量數(shù)據(jù)，研究分析包括大氣壓強、空氣溫度與濕度、太陽光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度等影響茶樹生長的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并以此建立茶葉氣象品質(zhì)模型。

依托區(qū)位、環(huán)境、氣象、土壤等采集的歷史數(shù)據(jù)，形成茶葉品質(zhì)因素分析可視化報告，為數(shù)字茶葉——高品質(zhì)“特色地方茶”提供可靠的數(shù)字化支撐。

1.7 生產(chǎn)可追溯

茶葉質(zhì)量安全，不僅是消費者“舌尖上的安全”的客觀需要，也是提升茶葉品質(zhì)、打造茶葉品牌的必然要求。保障茶葉質(zhì)量安全，關(guān)鍵在于源頭治理、全程追溯。山東省率先發(fā)布了省地方標(biāo)準(zhǔn)《茶葉質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)建設(shè)要求》（DB37/T 3970—2020）。通過數(shù)字茶園建設(shè)，把環(huán)境數(shù)據(jù)、水肥控制數(shù)據(jù)、霜凍數(shù)據(jù)、茶葉品質(zhì)數(shù)據(jù)與茶葉追溯數(shù)據(jù)打通，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)上的互聯(lián)互通，有效破除“數(shù)據(jù)煙囪”“信息孤島”的發(fā)生。通過茶葉追溯系統(tǒng)，基地可以為每個地塊、每個農(nóng)事操作、每個采摘周期、每個加工過程、每個工人都編制身份，通過追溯寶等方式串聯(lián)起從氣象環(huán)境、土壤環(huán)境、投入品、采摘等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)茶園生產(chǎn)可追溯。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(chǎn)的整個過程。

2 主要經(jīng)驗和突出問題

自2019年威海建設(shè)第一處數(shù)字茶園起，至今山東累計已建成8 處。在建設(shè)數(shù)量、技術(shù)水平與運行質(zhì)量上都取得了突破性進展，相關(guān)設(shè)備質(zhì)量和數(shù)據(jù)、軟件分析基本滿足用戶需要。在數(shù)字茶園建設(shè)中取得一定經(jīng)驗的同時，也遇到了一些問題。

2.1 主要經(jīng)驗

2.1.1 數(shù)字茶園建設(shè)要科學(xué)規(guī)劃，有序推進

在數(shù)字茶園建設(shè)中要有目標(biāo)導(dǎo)向，數(shù)字茶園的硬件建設(shè)只是開端，后續(xù)對茶園相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、挖掘和分析，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合茶樹生長管理進行的數(shù)據(jù)模型的建立和完善，才是數(shù)字茶園的關(guān)鍵所在。因此數(shù)字茶園的建設(shè)需要有相對清晰的目標(biāo)和路線圖，并在此基礎(chǔ)上分步推進和實現(xiàn)。

2.1.2 科學(xué)設(shè)置數(shù)字采集硬件的安裝位置

數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，因此數(shù)據(jù)的真實性、可靠性和準(zhǔn)確性是關(guān)鍵。為此，數(shù)據(jù)采集終端的安裝部署要根據(jù)茶園實際情況靈活確定，盡可能地安裝部署到茶園中部等關(guān)鍵位置上，空氣的溫、濕度等探頭宜與茶樹冠層相近；雨量傳感器略高于茶樹冠層，可減少因落葉帶來的計量不準(zhǔn)以及減少終端設(shè)備維護的成本；土壤傳感器安裝應(yīng)貼近茶行處，以減少對茶園田間作業(yè)的影響，同時選擇設(shè)置地下不同深度進行數(shù)據(jù)采集，用以研究北方茶園冬季采取不同方式越冬對茶樹根部溫度的影響。通過針對這些采集到的數(shù)據(jù)與茶樹生產(chǎn)狀況、茶葉產(chǎn)量與品質(zhì)等進行相應(yīng)研究，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，采取必要干預(yù)手段來改善和調(diào)節(jié)茶園環(huán)境。

2.1.3 數(shù)字茶園建設(shè)應(yīng)滿足茶園主體需求

要充分做好調(diào)研，了解和尊重園區(qū)主體主導(dǎo)性的實際需求，建設(shè)數(shù)字茶園要與園區(qū)主體的生產(chǎn)經(jīng)營相融合，以解決生產(chǎn)上的實際需求，以技術(shù)和模式創(chuàng)新來實現(xiàn)數(shù)字茶園建設(shè)的目標(biāo)。

2.1.4 充分應(yīng)用數(shù)據(jù)開展茶葉氣候品質(zhì)指數(shù)研究

山東茶產(chǎn)區(qū)的高緯度，山東半島獨特的溫帶海洋性氣候，孕育了山東茶葉獨特的內(nèi)在品質(zhì)和外形特點。通過在茶園建設(shè)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端，采集相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)與茶葉加工及品質(zhì)相關(guān)聯(lián)進行研究，找出山東茶氣候品質(zhì)指數(shù)規(guī)律，構(gòu)建茶葉氣候品質(zhì)數(shù)字孿生模型，有助于人工干預(yù)茶園小氣候，有利于生產(chǎn)高品質(zhì)茶葉。

2.2 主要問題

2.2.1 對數(shù)字茶園建設(shè)的認(rèn)識不足

大多數(shù)人對數(shù)字茶園的定義、設(shè)施裝備、運行模式和成果運用等都較為陌生。部分工作人員受科學(xué)文化素質(zhì)制約，接受新技術(shù)、新知識的難度大，對數(shù)字茶園設(shè)備缺乏必要的管理與保護，系統(tǒng)性地綜合運用數(shù)字化成果的主動性不高。部分基地甚至無人會正確地操控、調(diào)取使用相關(guān)設(shè)備，數(shù)字茶園建設(shè)停留在表面，設(shè)備安裝建設(shè)后沒有發(fā)揮作用。

2.2.2 園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施短板的制約

制約數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和客觀條件依然存在，一方面，大部分茶園規(guī)模小而散，地勢、種植環(huán)境復(fù)雜，道路崎嶇，制約茶園機械化、數(shù)字化的發(fā)展；另一方面，由于生態(tài)茶園一般遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)和村莊，電力和通信網(wǎng)絡(luò)不夠完善等，也影響了數(shù)字茶園建設(shè)；再者，當(dāng)遭遇到影響太陽能發(fā)電的極端天氣，也會影響氣象和土壤傳感器的工作。

2.2.3 相關(guān)專用設(shè)備和精準(zhǔn)識別軟件研發(fā)相對滯后

茶園中常見的害蟲多數(shù)蟲體較小，比如葉蟬、黑刺粉虱等，現(xiàn)有蟲情識別設(shè)備對其識別率很低，無法滿足生產(chǎn)需要；另一方面部分害蟲沒有飛遷或空中飛舞的習(xí)性，有部分只在夜間活動，常規(guī)誘捕方式很難采集到這些害蟲的相關(guān)數(shù)據(jù)。茶園內(nèi)害蟲的數(shù)字化采集與識別有待于研究提高。

2.2.4 數(shù)字茶園建設(shè)協(xié)同推動和扶持力度不足

數(shù)字茶園建設(shè)需要政府、科研院所、第三方服務(wù)商和茶企經(jīng)營者協(xié)同推動，當(dāng)前存在政府熱、企業(yè)積極性不高、科研精準(zhǔn)研究不足等現(xiàn)象，同時數(shù)字茶園建設(shè)投資大、見效慢、主體的應(yīng)用門檻較高且政策性資金的扶持力度不足等。

3 數(shù)字茶園的發(fā)展走向

隨著第四次工業(yè)革命的快速發(fā)展，人工智能、信息技術(shù)和多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正在進行深度融合，孕育出革命性的數(shù)字農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與精致農(nóng)業(yè)[3-5]。加快推動農(nóng)業(yè)進入機械化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化發(fā)展的新時代，數(shù)字化的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U大到茶葉全產(chǎn)業(yè)鏈。

3.1 數(shù)字技術(shù)將重構(gòu)產(chǎn)業(yè)新模式

近年來，以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等為代表的新一代數(shù)字技術(shù)正在與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加速融合，能夠有效地整合各類信息資源，全面重構(gòu)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、加工、銷售和服務(wù)新模式，推動產(chǎn)業(yè)邁上新臺階。

3.2 數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)全息化

數(shù)字技術(shù)讓經(jīng)營管理者對茶園、茶廠等相關(guān)信息的獲取更全面、及時、深入和主動。實時掌握影響茶樹生長發(fā)育和茶葉產(chǎn)量等的相關(guān)信息，更好地組織生產(chǎn)栽培管理；結(jié)合天氣預(yù)報等，可以對園區(qū)內(nèi)發(fā)生低溫凍害、晚霜害、澇害、干旱、日灼、病蟲害等災(zāi)害實現(xiàn)提前預(yù)警，并及時組織干預(yù)。根據(jù)茶葉在不同加工工藝過程的環(huán)境溫度、濕度、時長等數(shù)據(jù)，為調(diào)整加工提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。根據(jù)倉貯數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整并保持至適宜狀態(tài)，有效保障茶葉的品質(zhì)。在茶葉包裝上布設(shè)RFID或追溯二維碼等介質(zhì)，可以更完整地記載茶葉生產(chǎn)全過程信息，為茶葉的全程質(zhì)量追溯提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 數(shù)字技術(shù)構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)字模型

通過對各方面采集的實時數(shù)據(jù)及存儲的歷史數(shù)據(jù)進行匯總、挖掘、分析，構(gòu)建最佳數(shù)字孿生模型，通過數(shù)字孿生模型精準(zhǔn)調(diào)控茶園環(huán)境，精準(zhǔn)實現(xiàn)水肥供給，精準(zhǔn)有效地調(diào)控不同品類茶葉加工所需要的環(huán)境條件和工藝流程，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品品質(zhì)，滿足生產(chǎn)管理者和消費者的共同需求。

3.4 數(shù)字技術(shù)可實現(xiàn)產(chǎn)品信息可追溯與品牌打造

在茶葉全產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)上生成數(shù)字檔案，茶葉生產(chǎn)者、經(jīng)營者、消費者和監(jiān)管者等的相關(guān)主動行為和被動行為均會得到記錄。還可讓信息在茶葉生產(chǎn)者、經(jīng)營者、消費者和監(jiān)管者之間的傳遞更充分。通過多方數(shù)據(jù)互通、共治共享的模式，規(guī)范生產(chǎn)者、經(jīng)營者自律，推動監(jiān)管者高效監(jiān)管。通過全程數(shù)字化管控，讓消費者可獲取從茶園種植、加工全過程，獲取茶葉采摘、加工、包裝、倉儲、流通的全過程信息，提高消費者消費信心和品牌的知名度，實現(xiàn)多方互利共贏的模式，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。