基于氣流屏障下的茶園低溫凍害防控研究

孫永明，雷禮文*，王永剛，黃尚書，余跑蘭，林小兵

（1. 江西省紅壤研究所，江西 南昌 330046；2. 婺源縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 婺源 333200）

茶葉是江西傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)，是茶區(qū)農(nóng)民脫貧致富、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要支柱性產(chǎn)業(yè)［1－5］，更是策應(yīng)國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和江西綠色崛起戰(zhàn)略的重要舉措和有力抓手［6－7］。然而，隨著全球性氣候異常變化的影響［8－10］，江西茶區(qū)不斷受到雨雪、冰凍等極端低溫天氣的困擾和威脅［11－15］，據(jù)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示［16］：1950～2010年這60年中，江西發(fā)生大凍害天氣（＜-5℃）7次，幾乎每10年發(fā)生至少一次，極端最低氣溫贛北為-9～-15.8℃，贛中-6.6～-12.5℃，贛南-5.5～-7.1℃；一般凍害天氣（0℃～-5℃）平均3年左右發(fā)生一次。茶樹受凍后，輕則減產(chǎn)，重則死亡，常造成巨大損失，如2008年出現(xiàn)的大規(guī)模大范圍低溫冰雪天氣，僅婺源縣茶園受損面積就高達(dá)9萬畝，超過5成以上茶園受災(zāi)，尤其是新種茶園茶樹大面積受損，成活率不到50%，部分高山茶園及低山投產(chǎn)茶園春季名優(yōu)茶絕收，直接經(jīng)濟(jì)損失1.28億元。因此，開展茶園凍害減災(zāi)避災(zāi)、探索科學(xué)有效的防治措施是擺在全省各級(jí)茶葉科技工作者面前十分緊迫而現(xiàn)實(shí)的問題，對(duì)保障江西茶產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、維持茶農(nóng)穩(wěn)定收入、維護(hù)茶區(qū)社會(huì)和諧具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)茶樹凍害研究已有相關(guān)報(bào)道［17－21］，相繼明確了茶樹凍害成因、凍害機(jī)理，劃分了凍害等級(jí)以及提出了覆蓋、熏煙、噴水等防凍技術(shù)，為當(dāng)前茶園凍害防控提供了重要的理論和技術(shù)支撐，但關(guān)于氣流屏障技術(shù)研究鮮見報(bào)道，且絕大部分現(xiàn)有技術(shù)在實(shí)際操作過程中存在明顯的區(qū)域性和局限性，防控效果差。如冬季覆蓋稻草（野草）量難于收集；熏煙容易產(chǎn)生明火且污染環(huán)境；噴水量難于掌控，若中途停止，則比不噴水時(shí)更易發(fā)生凍害。為此本研究以阻礙冷空氣的平流運(yùn)動(dòng)以及與茶樹葉片的直接接觸為出發(fā)點(diǎn)，通過設(shè)置圍擋，比較不同處理溫度下，茶樹凍害發(fā)生差異，探討凍害影響各因子之間的關(guān)聯(lián)性、貢獻(xiàn)率，以期為茶園凍害減災(zāi)避災(zāi)提供新思路、新方法。

1 材料與方法

1.1 供試茶園

試驗(yàn)茶園位于江西省廬山市華林鎮(zhèn)共同村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°55′15″，北緯29°24′5″，海拔110 m，冬季平均氣溫15～18℃，極端最低氣溫-11℃。茶樹品種為迎霜，樹齡為3年。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，處理1：自然生長環(huán)境下未采取任何措施（對(duì)照）；處理2：在茶蓬四周按照長20 m、寬6 m、高1.5 m設(shè)置圍布（“穿衣”），圍布厚度為60 g·m-2；處理3：在茶蓬四周設(shè)置圍布，同時(shí)在茶蓬上方齊平圍布高度覆蓋一層白膜（“穿衣＋戴帽”）。白膜厚度為5 s（0.05 mm），透光率可達(dá)96%。圍布為無紡布，由進(jìn)口聚丙烯顆粒為原料制成。白膜和圍布均不影響茶樹的產(chǎn)量與品質(zhì)。每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積120 m2。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)及方法

溫度指標(biāo)：在每個(gè)處理茶園地上1.5 m處放置1臺(tái)溫度記錄儀（SSN-11E，深圳宇問加壹傳感系統(tǒng)有限公司），于2020年12月29日開始每隔0.5 h記錄一次溫度，直至2021年1月21日結(jié)束。日平均氣溫計(jì)算方法：將全天24 h內(nèi)監(jiān)測(cè)的氣溫相加后平均，日平均氣溫＝（t1＋t2＋……＋tn）/n；日較差計(jì)算方法：將全天24 h內(nèi)監(jiān)測(cè)的最高氣溫減最低氣溫，日較差＝t最高－t最低；日低溫持續(xù)時(shí)間計(jì)算方法：將全天24 h內(nèi)氣溫≤0℃的時(shí)間相加，日低溫持續(xù)時(shí)間＝h1＋h2＋……＋hn；日負(fù)積溫計(jì)算方法：將全天24 h內(nèi)氣溫≤0℃的溫度相加，日負(fù)積溫＝t1＋t2＋……＋tn。

受凍率指標(biāo)：分別于2021年1月5日（第一波寒潮結(jié)束）、1月14日（第二波寒潮結(jié)束）、1月21日（氣溫回暖）3次對(duì)各個(gè)處理茶樹受凍率進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查方法隨機(jī)取3棵茶樹進(jìn)行受凍率調(diào)查，調(diào)查出現(xiàn)變色、枯焦或脫落的受凍葉片數(shù)和整個(gè)樣方內(nèi)所有的葉片數(shù)，受凍率＝∑n /∑N。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)，采用OriginPro8.1進(jìn)行制表和繪圖，采用DPS軟件進(jìn)行相關(guān)性、顯著性及主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理溫度變化

2.1.1 日低溫

由圖1可見，試驗(yàn)期間各處理日出現(xiàn)低溫（≤0℃）天數(shù)分別為：對(duì)照13 d，圍布1 d，圍布＋膜10 d，與對(duì)照相比，圍布、圍布＋膜處理發(fā)生天數(shù)分別減少1 d和3 d；各處理日出現(xiàn)低溫（≤0℃）時(shí)間累加分別為：對(duì)照93.5 h，圍布84 h，圍布＋膜77.5 h，與對(duì)照相比，圍布、圍布＋膜處理持續(xù)時(shí)間分別減少9.5 h和16 h，降幅10.16%～17.11%；各處理日出現(xiàn)低溫（≤0℃）溫度累加分別為：對(duì)照-431.9℃，圍布-407.2℃，圍布＋膜-344.5℃，與對(duì)照相比，圍布、圍布＋膜處理負(fù)積溫下降24.7℃和87.4℃，降幅5.72%～20.23%。綜上所述，圍擋可以有效減少低溫（≤0℃）發(fā)生天數(shù)、持續(xù)時(shí)間以及負(fù)積溫。

圖1 不同處理對(duì)日最低溫、日出現(xiàn)低溫時(shí)間累加和日出現(xiàn)低溫溫度累加的影響Fig. 1 Effects of treatments on lowest daily temperature and accumulation and duration of subfreezing temperature surrounding tea bushes

2.1.2 日均溫和日較差

由圖2可知，各圍擋措施均能有效降低地上1.5 m日均溫和日較差，試驗(yàn)期間圍布和圍布＋膜日均溫平均值為5.92℃和5.99℃，與對(duì)照日均溫（6.60℃）相比，圍布和圍布＋膜處理分別降低了0.68℃和0.61℃，降幅9.24%～10.30%；圍布和圍布＋膜日較差平均值為13.53℃和12.52℃，與對(duì)照日較差（15.39℃）相比，圍布和圍布＋膜處理分別降低了1.86℃和2.87℃，降幅12.08%～18.64%，可見圍擋措施可以減小空氣溫度的波動(dòng)范圍，更有利于保持空氣溫度的穩(wěn)定性。

圖2 不同處理對(duì)日均溫和日較差的影響Fig. 2 Effects of treatments on average and fluctuation range of daily temperature

2.2 不同處理凍害差異

根據(jù)茶樹受凍調(diào)查（圖3）結(jié)果顯示，3個(gè)不同調(diào)查時(shí)期各處理茶樹均不同程度的發(fā)生凍害，茶樹受凍率均表現(xiàn)為：對(duì)照＞圍布＞圍布＋膜。其中1月5日，與對(duì)照的茶樹受凍率（11.61%）相比，圍布和圍布＋膜處理茶樹受凍率分別下降了2.11%～3.38%；1月14日，與對(duì)照的茶樹受凍率（25.36%）相比，圍布和圍布＋膜處理茶樹受凍率分別降低了3.45%～7.05%；1月21日，與對(duì)照的茶樹受凍率（26.55%）相比，圍布和圍布＋膜處理茶樹受凍率分別降低了4.37%～8.08%。方差分析表現(xiàn)為圍布＋膜處理茶樹受凍率顯著低于對(duì)照（P＜0.05），而圍布與對(duì)照處理的茶樹受凍率差異不顯著。由此可見，圍擋對(duì)減輕茶樹受凍有一定的積極作用。

圖3 不同處理對(duì)茶樹受凍率的影響Fig. 3 Effect of treatments on tea plant freeze-injury rate

2.3 凍害影響因子相關(guān)性分析

將茶樹受凍率與平均日最低溫度、極端日最低溫度、平均日溫度、平均日較差、日低溫（≤0℃）持續(xù)時(shí)間、日低溫積溫進(jìn)行相關(guān)性分析（表1），結(jié)果顯示：茶樹受凍率與平均日最低溫度、極端日最低溫度、平均日溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與日低溫持續(xù)時(shí)間、日低溫積溫呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與平均日較差不相關(guān)（P＞0.05）。

表1 茶樹受凍率相關(guān)性分析Table 1 Factors affecting plant freeze-injury

2.4 凍害影響因子主成分分析

為探明各凍害影響因子的貢獻(xiàn)率，對(duì)平均日最低溫度、極端日最低溫度、平均日溫度、平均日較差、日低溫（≤0℃）持續(xù)時(shí)間、日低溫積溫6個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示（表2）：在所有的主成分構(gòu)成中，第一主成分貢獻(xiàn)率最大，為89.69%，幾乎反映了全部信息。第1主成分主導(dǎo)因子為平均日最低溫度、平均日溫度、日低溫持續(xù)時(shí)間，他們的權(quán)重系數(shù)分別為0.4257、0.4254、0.4249。

表2 主成分分析各因子載荷量及貢獻(xiàn)率Table 2 Principal component analysis on load capacity and contribution rate

2.5 凍害影響代表因子閾值估算

按照主成分1中載荷量大小排序，剔除與載荷量最大因子存在相關(guān)性的指標(biāo)，最終選取平均日最低溫度1個(gè)代表因子，與茶樹受凍率進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果顯示：二者的關(guān)系可以用線性方程進(jìn)行描述（圖4），擬合方程為y＝-0.026x＋0.08,（n＝9，R2＝0.949）。根據(jù)茶樹低溫凍害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，凍害級(jí)別小于10%視為對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本無影響，由此計(jì)算10%凍害發(fā)生率的平均日最低溫度閾值為-0.77℃。

圖4 茶樹受凍率與平均日最低溫度線性擬合Fig. 4 Linear fitting between plant freeze-injury rate and average lowest daily temperature

3 討論與結(jié)論

通常情況下，氣溫在0℃以下，自由水在茶樹細(xì)胞間隙中形成冰晶，茶樹開始受凍［22］，且隨著低溫越低，持續(xù)時(shí)間越長，凍害發(fā)生就越重［23］。本研究充分證實(shí)了該觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)圍布、圍布＋膜措施可以有效減少低溫（≤0℃）發(fā)生天數(shù)、持續(xù)時(shí)間以及負(fù)積溫，從而起到減輕茶樹受凍的作用。究其原因，主要是圍布措施直接阻礙了冷空氣平流及垂直運(yùn)動(dòng)，削弱了冷空氣對(duì)茶樹的直接侵害。此外，當(dāng)空氣溫度驟降，近地面的水汽在茶樹植株表面凝結(jié)成白色結(jié)晶［24］，會(huì)發(fā)生霜凍。霜凍往往是降溫劇烈導(dǎo)致，以李亞春［25］等對(duì)蘇南茶區(qū)茶樹春霜凍害風(fēng)險(xiǎn)觸發(fā)臨界指標(biāo)2℃計(jì)算，試驗(yàn)區(qū)冬季溫度驟降13～16℃開始發(fā)生凍害，本研究結(jié)果與該觀點(diǎn)基本一致。研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)照日較差（15.39℃）相比，圍布和圍布＋膜處理分別降低了1.86℃和2.87℃，降幅12.08%～18.64%，其主要原因是形成了茶樹局部環(huán)境與外界大氣熱交換的屏障層，起到了溫度的調(diào)控作用。

茶樹凍害影響因素眾多［26－28］，從內(nèi)因來說，與品種、樹齡、生長勢(shì)及當(dāng)年枝條的成熟及休眠與否均有關(guān)聯(lián)；從外因來說，與氣象、地勢(shì)、坡向、水體、土壤、栽培管理等因素分不開，歸根結(jié)底冬季低溫是茶樹發(fā)生凍害的主要原因［29］，本研究揭示了平均日最低溫度、平均日溫度、日低溫持續(xù)時(shí)間是低溫凍害主導(dǎo)因子，貢獻(xiàn)率為89.69%；計(jì)算出10%凍害發(fā)生率的平均日最低溫度閾值為-0.77℃，為茶園凍害防控提供了重要的理論依據(jù)。本研究不足之處在于缺少茶園凍害與地形地勢(shì)、風(fēng)速風(fēng)向、茶樹品種樹齡以及栽培管理水平等關(guān)聯(lián)性研究，有待下一步探索。綜上所述，圍布＋膜是冬季茶區(qū)尤其是幼齡茶園值得推廣的凍害減災(zāi)避災(zāi)技術(shù)。