地表覆蓋對(duì)茶樹凍害及茶園地溫時(shí)空變化的影響

余跑蘭，孫永明，吳 艷，肖小軍，林小兵，周 鶯，汪海鴻

（1. 江西省紅壤研究所，江西 南昌 330046；2. 婺源縣蚺城街道辦事處農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，江西 婺源 333200）

江西省是我國(guó)江南茶葉主產(chǎn)區(qū)，2019 年全省茶園面積為10.99 萬(wàn)hm2，干毛茶總產(chǎn)量7.34 萬(wàn)t，茶葉綜合產(chǎn)值為66.39 億元[1]，茶葉成為茶農(nóng)增收、鄉(xiāng)村振興的重要支柱產(chǎn)業(yè)。茶樹是一種喜溫、喜濕、喜蔭的亞熱帶常綠植物，最適生長(zhǎng)溫度為20～25 ℃[2]。然而，隨著全球氣候變化加劇，極端天氣頻繁發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1961—2016 年江西省12 月至翌年2 月最低氣溫≤-5 ℃的年發(fā)生天數(shù)平均為0.9 d，天數(shù)最高為4.8 d[3]。冬季極端低溫給茶樹越冬帶來(lái)嚴(yán)重的影響，輕則減產(chǎn)，重則死亡，常造成嚴(yán)重的損失[4]。因此，開(kāi)展茶園越冬期低溫凍害研究，對(duì)于保障江西茶產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

土壤溫度直接影響茶樹根系的發(fā)育，其與茶樹的生長(zhǎng)發(fā)育極為密切，相關(guān)性甚至超過(guò)氣溫[5]，因此提高土壤溫度有利于茶樹安全越冬。地表覆蓋能減少地表與大氣的熱交換，緩沖土壤溫度變化，提高土壤地表最低溫度，是目前茶園預(yù)防凍害的主要措施之一。程建萍等[6]研究認(rèn)為，覆蓋無(wú)紡布可以調(diào)節(jié)土壤溫度，減少溫度日較差；夏季覆蓋黑膜、無(wú)紡布和稻草均可顯著降低土壤溫度，減少溫度日較差。楊書運(yùn)等[7]通過(guò)連續(xù)觀測(cè)覆蓋層表面及其對(duì)應(yīng)的地面溫度，發(fā)現(xiàn)冬季地表覆蓋2 種厚度的稻草和地膜均能提高地表最低溫度。目前地表覆蓋對(duì)茶樹小氣候的影響研究主要集中在夏季保水降溫[8-10]、早春萌芽期霜凍防治[11-14]等方面，且更多關(guān)注的是土壤地表溫度對(duì)茶樹相關(guān)方面的影響，對(duì)于越冬期低溫脅迫下，地表覆蓋對(duì)茶園地溫時(shí)空變化的影響研究較少。因此，采用白膜、防草布、稻草3 種材料進(jìn)行地表覆蓋，開(kāi)展越冬期不同覆蓋材料對(duì)茶園地溫變化以及茶樹凍害的影響研究，比較不同材料覆蓋對(duì)土壤極端溫度、日較差、茶樹受凍率的影響，為茶園防凍提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)茶園和時(shí)間

試驗(yàn)在廬山市華林鎮(zhèn)共同村茶園基地（29°24′5″N、115°55′15″E，海拔110 m）進(jìn)行。供試茶樹樹齡為3 a，茶樹品種為迎霜。根據(jù)廬山市天氣預(yù)報(bào)，2020 年12 月29 日開(kāi)始大幅度降溫，最低溫度為-5 ℃，因此，于12月27—28日布置不同材料地表覆蓋試驗(yàn)，并在每個(gè)處理茶園地表（0 cm），地下10、20、30 cm 以及地表1.5 m 高處分別放置1 根溫度記錄儀（SSN-11E，深圳宇問(wèn)加壹傳感系統(tǒng)有限公司）。溫度記錄從2020 年12 月29 日至2021 年1 月19 日，地表覆蓋于2021 年2 月21 日結(jié)束。試驗(yàn)期間出現(xiàn)2 段持續(xù)低溫時(shí)間（＜0 ℃），一段是2020 年12 月30日—2021 年1 月2 日，另一段是2021 年1 月7—13日，低溫幅度為-6.1～-1.1 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，處理1為對(duì)照（CK），即地表不覆蓋；處理2為地表覆白膜，白膜厚度為0.05 mm，4 層覆蓋；處理3 為地表覆稻草，厚度約7 cm；處理4為地表覆防草布（厚度60 g/m2），雙層覆蓋。各處理直接覆蓋在茶樹根部和根部附近的行間，覆蓋寬度為1.5 m，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)小區(qū)為6 m（4行茶樹）×25 m，3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。

1.3 試驗(yàn)調(diào)查

試驗(yàn)期間每隔0.5 h記錄一次溫度，記錄各處理不同深度土壤的溫度變化。凍害過(guò)后于2021年1月21 日對(duì)每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3 叢茶樹（枝條數(shù)30 根以上）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3叢茶樹所有的葉片數(shù)，計(jì)算受凍率。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用OriginPro 8.1和Excel 2017進(jìn)行制表和繪圖，采用DPS 對(duì)各處理進(jìn)行方差分析，圖表中的數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表覆蓋對(duì)茶園不同深度土壤日最低溫度、最高溫度及日較差的影響

2.1.1 最低溫度的變化 由圖1 得出，試驗(yàn)期間茶園覆白膜、稻草、防草布處理的地表日最低溫度變化幅度分別為0.3～8.2 ℃、-0.3～7.2 ℃、-2.3～6.2 ℃，較CK（-4.2～6.1 ℃）分別提高1.5～5.0 ℃、1.0～3.9 ℃、0.1～2.0 ℃，極端最低溫度分別較CK 提高4.5、3.9、1.9 ℃；整個(gè)過(guò)程中覆白膜、稻草、防草布處理的地表最低溫度平均值分別為4.1、3.8、2.1 ℃，較CK（1.2 ℃）分別提高2.9、2.6、0.9 ℃，表明地表覆蓋后能起到明顯的增溫效果，增溫效果表現(xiàn)為覆白膜＞覆稻草＞覆防草布。

圖1 不同覆蓋處理對(duì)茶園不同深度土壤日最低溫度的影響Fig.1 Effect of different mulching treatments on daily minimum temperature of soli at different depths in tea plantation

茶園覆蓋對(duì)地下土壤最低溫度的影響表現(xiàn)為，覆蓋白膜和防草布后地下10、20、30 cm 土壤平均最低溫度均有所提高。覆白膜處理較CK分別提高1.0、1.1、1.3 ℃；覆防草布處理較CK 分別提高0.4、0.3、0.4 ℃；覆稻草處理較CK增溫不明顯甚至略有降低，地下20、30 cm 土壤日最低溫度較CK 分別降低0.1、0.6 ℃。隨著土壤深度增加，平均最低溫度增加，覆白膜處理地表和地下10、20、30 cm 土壤平均最低溫度比CK分別高出242.2%和16.8%、14.3%、15.9%，覆防草布處理地表和地下10、20、30 cm 土壤平均最低溫度比CK分別高75.3%和6.6%、4.7%、4.6%，覆稻草處理地表和地下10、20、30 cm土壤平均最低溫度比CK分別高217.1%和1.3%、-1.2%、-7.3%?？梢?jiàn)，覆蓋增溫效果主要表現(xiàn)在地表。

2.1.2 最高溫度和日較差的變化 由表1可知，3種覆蓋材料對(duì)茶園土壤平均最高溫度的影響表現(xiàn)為覆稻草降低土壤最高溫度，較CK降低1.4～7.7 ℃；覆白膜提高土壤最高溫度，較CK提高1.0～4.7 ℃；覆防草布使地表最高溫度較CK 提高6.7 ℃，使地下最高溫度較CK降低0.1～0.3 ℃。覆稻草處理地表平均最高溫度和地下平均最高溫度相差不大，差值僅為1.2～1.6 ℃；其他處理地表平均最高溫度高于地下平均最高溫度，其中，覆防草布處理差值為13.1～14.4 ℃，覆白膜處理差值為7.7～11.2 ℃，CK 差值為6.3～7.5 ℃。

表1 不同覆蓋處理對(duì)茶園不同深度土壤最高溫度與日較差的影響Tab.1 Effect of different mulching treatments on maximum temperature and daily range of soil at different depths in tea plantation

隨著土壤深度增加，平均日較差呈下降趨勢(shì)，且地表明顯大于地下。各處理不同深度平均日較差均表現(xiàn)為覆稻草最小，其中地表平均日較差表現(xiàn)為覆防草布＞覆白膜＞CK＞覆稻草，地下10、20 cm 平均日較差表現(xiàn)為覆白膜＞CK＞覆防草布＞覆稻草，地下30 cm 平均日較差表現(xiàn)為CK＞覆白膜＞覆防草布＞覆稻草。綜上所述，覆蓋稻草更有利于降低土壤最高溫度，維持土壤溫度穩(wěn)定性。

2.2 地表覆蓋對(duì)茶園土壤小時(shí)溫度的影響

由圖2 可見(jiàn)，對(duì)于表層土壤，CK 最先在13：30達(dá)到溫度峰值，其他處理峰值延遲0.5～1.5 h，各處理最低值主要出現(xiàn)在7:00—7:30。在20:00—7:00低溫階段，各處理溫度高低為覆白膜＞覆稻草＞覆防草布＞CK，覆蓋處理均能提高地表溫度。在12:00—15:30 高溫階段，各處理溫度高低為覆防草布＞覆白膜＞CK＞覆稻草，覆稻草降低地表溫度，較CK 最多可降低8.5 ℃，表現(xiàn)降溫作用，而覆白膜和覆防草布處理則高于CK，表現(xiàn)增溫作用。

圖2 茶園不同覆蓋處理不同深度土壤溫度小時(shí)變化Fig.2 Hour variation of soil temperature at different depths under different mulching treatments in tea plantation

對(duì)于地下土壤，不同時(shí)刻均表現(xiàn)為覆白膜增溫，覆稻草降溫，但覆防草布規(guī)律不明顯。同時(shí)，隨著土層深度增加，土壤溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后，土壤深度每增加10 cm，各處理峰值滯后1.0～3.5 h，平均滯后2 h，最低值滯后0.5～3.0 h，平均滯后1.5 h。

不同時(shí)刻覆稻草處理土壤溫度變化幅度最小，極差為0.6～4.9 ℃，而CK、覆防草布處理、覆白膜處理不同時(shí)刻土壤溫度極差分別為1.3～14.7 ℃、0.9～20.6 ℃、1.1～17.2 ℃。表層土壤溫度變化較大，各處理不同時(shí)刻土壤溫度極差為4.9～20.6 ℃；地下土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定，地下10、20、30 cm 各處理不同時(shí)刻土壤溫度極差分別為1.6～7.0 ℃、0.6～2.9 ℃和0.5～1.3 ℃，表明地下土壤溫度變化與表層土壤相比趨于平緩，土壤深度增加則地溫變化趨于平緩。

2.3 地表覆蓋對(duì)茶樹凍害的影響

茶園地表覆蓋后對(duì)減輕茶樹受凍有一定的積極作用，圖3 顯示，雖然4 個(gè)處理茶樹均發(fā)生凍害，但地表覆蓋處理的茶樹受凍率均低于未覆蓋處理（CK），具體表現(xiàn)為CK＞覆防草布＞覆稻草＞覆白膜。覆白膜處理茶樹受凍率顯著低于其他處理（P＜0.05），覆稻草處理茶樹受凍率顯著低于覆防草布處理和CK，而覆防草布處理與CK 的茶樹受凍率差異不顯著。根據(jù)DBSS/T 2559—2020《茶樹越冬期凍害等級(jí)劃分指南》[15]中茶樹受凍程度和等級(jí)劃分，CK 受凍率為20.6%，屬于中度凍害，凍害等級(jí)為四級(jí)，其他處理受凍率小于20.0%，屬于輕度凍害，凍害等級(jí)為五級(jí)。

圖3 不同覆蓋處理的茶樹受凍率Fig.3 Freezing rate of tea plant under different mulching treatments

2.4 地表最低溫度、低溫持續(xù)時(shí)間、日較差與茶樹受凍率的相關(guān)性分析

將茶樹受凍率與2 個(gè)低溫階段地表的最低溫度、日較差、低溫持續(xù)時(shí)間進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），茶樹受凍率與地表平均最低溫度和＜0 ℃最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間均呈顯著相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別為-0.953 和0.973，與地表＜4 ℃最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.999，表現(xiàn)為地表平均最低溫度越低，低溫（＜0 ℃或＜4 ℃）持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，茶樹受凍率越高。茶樹受凍率與地表極端最低溫度、平均日較差、最大日較差、＜0 ℃平均持續(xù)時(shí)間和＜4 ℃平均持續(xù)時(shí)間相關(guān)性不顯著。

表2 茶樹受凍率與地表最低溫度、日較差、低溫持續(xù)時(shí)間的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of freezing rate of tea plant with minimum temperature，daily range and duration of low temperature in surface

續(xù)表2 茶樹受凍率與地表最低溫度、日較差、低溫持續(xù)時(shí)間的相關(guān)性分析Tab.2（Continued） Correlation analysis of freezing rate of tea plant with minimum temperature，daily range and duration of low temperature in surface

3 結(jié)論與討論

地表覆蓋對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收轉(zhuǎn)化和土壤熱量傳導(dǎo)都有較大的影響，這是因?yàn)楦采w在地表可以形成一層土壤與大氣熱交換的障礙層，既可阻礙太陽(yáng)的直接輻射，還可有效減少地面反射長(zhǎng)波輻射，對(duì)土壤溫度具有明顯的調(diào)控作用[16]。本研究表明，覆蓋能提高茶園土壤表層的最低溫度，保溫效果表現(xiàn)為覆白膜＞覆稻草＞覆防草布，覆白膜的增溫效果優(yōu)于覆稻草。覆白膜能提高不同深度土壤的最低溫度和最高溫度，表現(xiàn)為增溫效果；覆稻草具有高溫時(shí)降溫和低溫時(shí)升溫的雙向調(diào)控作用，日較差最小，有利于維持土壤溫度的穩(wěn)定性；覆防草布降溫不如覆稻草，增溫不如白膜。這與前人研究認(rèn)為稻草覆蓋保溫效果優(yōu)于地膜覆蓋有些出入[17-18]，這可能跟地膜和稻草的覆蓋厚度以及天氣狀況等因素有關(guān)。白膜透光性強(qiáng)，太陽(yáng)輻射能直接透過(guò)白膜照射地面，而地膜上凝結(jié)露珠可阻礙部分地表反射的長(zhǎng)波輻射，吸收的熱能量大于散失的熱能量，所以具有增溫作用。稻草透光性差，覆稻草能減弱地表對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和減少土壤熱量的散失，白天高溫時(shí)覆蓋稻草的地面吸收熱輻射較裸地少，表現(xiàn)降溫，晚上低溫時(shí)散失的熱量比裸地少，表現(xiàn)保溫，從而減緩?fù)寥罍囟鹊纳舷虏▌?dòng)，保持土壤溫度穩(wěn)定，有利于茶樹的生長(zhǎng)發(fā)育。覆蓋防草布影響地面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和熱量的傳導(dǎo)，具有一定的保溫作用，這與有關(guān)學(xué)者認(rèn)為覆蓋防草布具有保溫效果的結(jié)果[19-21]基本一致。防草布是一種以聚丙烯為原料的合成材料，具有較多的細(xì)密孔眼，透水性和透光率較好，但阻擋地面接收太陽(yáng)輻射和土壤熱量散失的能力弱于稻草和白膜。

本研究表明，不同處理地表土壤溫度的變化幅度大于地下土壤，增溫效果主要體現(xiàn)在地表；且隨著土壤深度增加，最低溫度增加，最高溫度降低，地溫變化趨于平緩，峰值出現(xiàn)時(shí)間延后。彭晚霞等[5]和李毅等[22]也得出相同的結(jié)論。彭晚霞等[5]研究了稻草覆蓋與白三葉間作對(duì)茶園地溫時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的影響，結(jié)果表明，土層深度越大，地溫越低，且出現(xiàn)明顯的位相滯后現(xiàn)象，土層深度每增加5 cm，最高溫度出現(xiàn)時(shí)間滯后2 h。李毅等[22]對(duì)新疆奎屯地區(qū)某地寬地膜覆蓋下地溫場(chǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，表層地溫變化大于各深度地溫，而且沿土壤深度方向增加，地溫變化趨于平緩。這主要是由于太陽(yáng)輻射是地表增溫的熱源之一，土壤溫度與輻射密切相關(guān)，當(dāng)?shù)孛鎯糨椛錇檎担瑴囟壬?，反之則下降。地表作為太陽(yáng)輻射最直接的受體，受熱輻射影響最大，溫度變化最明顯。熱量從地表向地下傳遞，在通過(guò)土層時(shí)會(huì)被土壤吸收掉一部分，所以隨著深度加深，傳遞的熱量越少，溫度變化越小，同時(shí)熱量從地表傳到深層需要時(shí)間，導(dǎo)致深層土壤最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間比淺層土壤滯后。

最低溫度是導(dǎo)致茶樹凍害的主要?dú)庀笠蜃樱?dāng)大氣溫度下降到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致茶樹受凍。婁偉平等[23]指出，日最低溫度在-9～-7 ℃，迎霜等中抗寒性茶樹品種會(huì)發(fā)生輕度凍害。楊利霞等[24-25]利用漢中市42 a 的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分析茶樹凍害的溫度特征，以最低氣溫≤-8 ℃作為冬季茶樹凍害的指標(biāo)。雷玄肆等[26]結(jié)合1961—2019 年景德鎮(zhèn)氣象數(shù)據(jù)和茶葉生產(chǎn)實(shí)際情況，認(rèn)為冬季最低氣溫在-5 ℃時(shí)景德鎮(zhèn)茶樹會(huì)發(fā)生凍害。地表溫度與大氣溫度呈正相關(guān)，氣溫下降，地表溫度也會(huì)降低。覆蓋提高的是地表溫度，而不是氣溫，所以用地表溫度作為反映茶樹凍害的指標(biāo)更為合理。許映蓮等[27]研究了江蘇省晚霜凍時(shí)空演變特征和茶樹早春凍害分級(jí)，認(rèn)為用地面最低溫度＜0 ℃作為早春茶受低溫凍害的指標(biāo)更好。本研究表明，所有處理茶樹均發(fā)生凍害，茶樹受凍率與地表平均最低溫度、＜0 ℃最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間呈顯著相關(guān)，與地表＜4 ℃最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間呈極顯著相關(guān)，但與地表溫度日較差、地表極端最低溫度相關(guān)性不顯著。這主要是因?yàn)椴铇涫軆霾粌H與地表極端最低溫度、地表溫度日較差有關(guān)，還與地表平均最低溫度和低溫持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)[28]，盡管地表溫度日較差不夠大、極端最低溫度不夠低，但如果地表最低溫度一直維持較低水平，而且持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，即可使茶樹遭受凍害[29]。本試驗(yàn)期間，地表平均最低溫度為-2.2～-1.1 ℃，＜0 ℃持續(xù)時(shí)間CK最長(zhǎng)為12.5 h，＜4 ℃持續(xù)時(shí)間CK 最長(zhǎng)為34.5 h，而覆白膜處理地表溫度均在0 ℃以上，但＜4 ℃持續(xù)時(shí)間為7 d 且日持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為13.5 h，依然發(fā)生輕度凍害，因此，地面最低溫度＜0 ℃不是茶樹受凍的臨界溫度，但茶樹發(fā)生凍害的最低地表溫度臨界值以及低溫持續(xù)最短時(shí)間有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，白膜、稻草和防草布3種材料覆蓋地表后均能提高茶園地表最低溫度，減輕茶樹受凍程度，增溫效果表現(xiàn)為覆白膜＞覆稻草＞覆防草布。覆稻草具有高溫時(shí)降溫和低溫時(shí)增溫雙向調(diào)控作用，有利于維持土壤溫度的穩(wěn)定性，降溫效果最好；覆白膜能提高不同深度土壤最高溫度和最低溫度，增溫效果最好；防草布降溫不如稻草，增溫不如白膜。地溫時(shí)空變化主要體現(xiàn)在表層土壤，而地下土壤溫度變化趨于平緩；隨著土壤深度增加，最低溫度增加，最高溫度、日較差均降低，土壤溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間延后。茶樹受凍率與地表平均最低溫度和＜0 ℃最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間呈顯著相關(guān)，與地表＜4 ℃最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間呈極顯著相關(guān)，地表最低溫度＜0 ℃不是茶樹受凍的臨界溫度，當(dāng)茶園地表溫度在0～4 ℃，持續(xù)時(shí)間大于7 d 且日持續(xù)時(shí)間大于13.5 h，茶樹依然發(fā)生凍害。因此，從預(yù)防茶園低溫凍害考慮，覆蓋材料推薦使用白膜和稻草，從保持土壤溫度的穩(wěn)定性考慮，推薦使用稻草。