地表覆盖对茶树冻害及茶园地温时空变化的影响

余跑兰，孙永明，吴 艳，肖小军，林小兵，周 莺，汪海鸿

（1. 江西省红壤研究所，江西 南昌 330046；2. 婺源县蚺城街道办事处农业综合服务站，江西 婺源 333200）

江西省是我国江南茶叶主产区，2019 年全省茶园面积为10.99 万hm2，干毛茶总产量7.34 万t，茶叶综合产值为66.39 亿元[1]，茶叶成为茶农增收、乡村振兴的重要支柱产业。茶树是一种喜温、喜湿、喜荫的亚热带常绿植物，最适生长温度为20～25 ℃[2]。然而，随着全球气候变化加剧，极端天气频繁发生，据统计，1961—2016 年江西省12 月至翌年2 月最低气温≤-5 ℃的年发生天数平均为0.9 d，天数最高为4.8 d[3]。冬季极端低温给茶树越冬带来严重的影响，轻则减产，重则死亡，常造成严重的损失[4]。因此，开展茶园越冬期低温冻害研究，对于保障江西茶产业健康持续发展至关重要。

土壤温度直接影响茶树根系的发育，其与茶树的生长发育极为密切，相关性甚至超过气温[5]，因此提高土壤温度有利于茶树安全越冬。地表覆盖能减少地表与大气的热交换，缓冲土壤温度变化，提高土壤地表最低温度，是目前茶园预防冻害的主要措施之一。程建萍等[6]研究认为，覆盖无纺布可以调节土壤温度，减少温度日较差；夏季覆盖黑膜、无纺布和稻草均可显著降低土壤温度，减少温度日较差。杨书运等[7]通过连续观测覆盖层表面及其对应的地面温度，发现冬季地表覆盖2 种厚度的稻草和地膜均能提高地表最低温度。目前地表覆盖对茶树小气候的影响研究主要集中在夏季保水降温[8-10]、早春萌芽期霜冻防治[11-14]等方面，且更多关注的是土壤地表温度对茶树相关方面的影响，对于越冬期低温胁迫下，地表覆盖对茶园地温时空变化的影响研究较少。因此，采用白膜、防草布、稻草3 种材料进行地表覆盖，开展越冬期不同覆盖材料对茶园地温变化以及茶树冻害的影响研究，比较不同材料覆盖对土壤极端温度、日较差、茶树受冻率的影响，为茶园防冻提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验茶园和时间

试验在庐山市华林镇共同村茶园基地（29°24′5″N、115°55′15″E，海拔110 m）进行。供试茶树树龄为3 a，茶树品种为迎霜。根据庐山市天气预报，2020 年12 月29 日开始大幅度降温，最低温度为-5 ℃，因此，于12月27—28日布置不同材料地表覆盖试验，并在每个处理茶园地表（0 cm），地下10、20、30 cm 以及地表1.5 m 高处分别放置1 根温度记录仪（SSN-11E，深圳宇问加壹传感系统有限公司）。温度记录从2020 年12 月29 日至2021 年1 月19 日，地表覆盖于2021 年2 月21 日结束。试验期间出现2 段持续低温时间（＜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，低温幅度为-6.1～-1.1 ℃。

1.2 试验方法

试验设置4个处理，处理1为对照（CK），即地表不覆盖；处理2为地表覆白膜，白膜厚度为0.05 mm，4 层覆盖；处理3 为地表覆稻草，厚度约7 cm；处理4为地表覆防草布（厚度60 g/m2），双层覆盖。各处理直接覆盖在茶树根部和根部附近的行间，覆盖宽度为1.5 m，采用随机区组排列，每个小区为6 m（4行茶树）×25 m，3次重复，共12个小区。

1.3 试验调查

试验期间每隔0.5 h记录一次温度，记录各处理不同深度土壤的温度变化。冻害过后于2021年1月21 日对每个小区随机取3 丛茶树（枝条数30 根以上）进行受冻率调查，调查出现变色、枯焦或脱落的受冻叶片数和3丛茶树所有的叶片数，计算受冻率。

1.4 统计分析

用OriginPro 8.1和Excel 2017进行制表和绘图，采用DPS 对各处理进行方差分析，图表中的数据采用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 地表覆盖对茶园不同深度土壤日最低温度、最高温度及日较差的影响

2.1.1 最低温度的变化 由图1 得出，试验期间茶园覆白膜、稻草、防草布处理的地表日最低温度变化幅度分别为0.3～8.2 ℃、-0.3～7.2 ℃、-2.3～6.2 ℃，较CK（-4.2～6.1 ℃）分别提高1.5～5.0 ℃、1.0～3.9 ℃、0.1～2.0 ℃，极端最低温度分别较CK 提高4.5、3.9、1.9 ℃；整个过程中覆白膜、稻草、防草布处理的地表最低温度平均值分别为4.1、3.8、2.1 ℃，较CK（1.2 ℃）分别提高2.9、2.6、0.9 ℃，表明地表覆盖后能起到明显的增温效果，增温效果表现为覆白膜＞覆稻草＞覆防草布。

图1 不同覆盖处理对茶园不同深度土壤日最低温度的影响Fig.1 Effect of different mulching treatments on daily minimum temperature of soli at different depths in tea plantation

茶园覆盖对地下土壤最低温度的影响表现为，覆盖白膜和防草布后地下10、20、30 cm 土壤平均最低温度均有所提高。覆白膜处理较CK分别提高1.0、1.1、1.3 ℃；覆防草布处理较CK 分别提高0.4、0.3、0.4 ℃；覆稻草处理较CK增温不明显甚至略有降低，地下20、30 cm 土壤日最低温度较CK 分别降低0.1、0.6 ℃。随着土壤深度增加，平均最低温度增加，覆白膜处理地表和地下10、20、30 cm 土壤平均最低温度比CK分别高出242.2%和16.8%、14.3%、15.9%，覆防草布处理地表和地下10、20、30 cm 土壤平均最低温度比CK分别高75.3%和6.6%、4.7%、4.6%，覆稻草处理地表和地下10、20、30 cm土壤平均最低温度比CK分别高217.1%和1.3%、-1.2%、-7.3%。可见，覆盖增温效果主要表现在地表。

2.1.2 最高温度和日较差的变化 由表1可知，3种覆盖材料对茶园土壤平均最高温度的影响表现为覆稻草降低土壤最高温度，较CK降低1.4～7.7 ℃；覆白膜提高土壤最高温度，较CK提高1.0～4.7 ℃；覆防草布使地表最高温度较CK 提高6.7 ℃，使地下最高温度较CK降低0.1～0.3 ℃。覆稻草处理地表平均最高温度和地下平均最高温度相差不大，差值仅为1.2～1.6 ℃；其他处理地表平均最高温度高于地下平均最高温度，其中，覆防草布处理差值为13.1～14.4 ℃，覆白膜处理差值为7.7～11.2 ℃，CK 差值为6.3～7.5 ℃。

表1 不同覆盖处理对茶园不同深度土壤最高温度与日较差的影响Tab.1 Effect of different mulching treatments on maximum temperature and daily range of soil at different depths in tea plantation

随着土壤深度增加，平均日较差呈下降趋势，且地表明显大于地下。各处理不同深度平均日较差均表现为覆稻草最小，其中地表平均日较差表现为覆防草布＞覆白膜＞CK＞覆稻草，地下10、20 cm 平均日较差表现为覆白膜＞CK＞覆防草布＞覆稻草，地下30 cm 平均日较差表现为CK＞覆白膜＞覆防草布＞覆稻草。综上所述，覆盖稻草更有利于降低土壤最高温度，维持土壤温度稳定性。

2.2 地表覆盖对茶园土壤小时温度的影响

由图2 可见，对于表层土壤，CK 最先在13：30达到温度峰值，其他处理峰值延迟0.5～1.5 h，各处理最低值主要出现在7:00—7:30。在20:00—7:00低温阶段，各处理温度高低为覆白膜＞覆稻草＞覆防草布＞CK，覆盖处理均能提高地表温度。在12:00—15:30 高温阶段，各处理温度高低为覆防草布＞覆白膜＞CK＞覆稻草，覆稻草降低地表温度，较CK 最多可降低8.5 ℃，表现降温作用，而覆白膜和覆防草布处理则高于CK，表现增温作用。

图2 茶园不同覆盖处理不同深度土壤温度小时变化Fig.2 Hour variation of soil temperature at different depths under different mulching treatments in tea plantation

对于地下土壤，不同时刻均表现为覆白膜增温，覆稻草降温，但覆防草布规律不明显。同时，随着土层深度增加，土壤温度峰值出现的时间延后，土壤深度每增加10 cm，各处理峰值滞后1.0～3.5 h，平均滞后2 h，最低值滞后0.5～3.0 h，平均滞后1.5 h。

不同时刻覆稻草处理土壤温度变化幅度最小，极差为0.6～4.9 ℃，而CK、覆防草布处理、覆白膜处理不同时刻土壤温度极差分别为1.3～14.7 ℃、0.9～20.6 ℃、1.1～17.2 ℃。表层土壤温度变化较大，各处理不同时刻土壤温度极差为4.9～20.6 ℃；地下土壤温度相对稳定，地下10、20、30 cm 各处理不同时刻土壤温度极差分别为1.6～7.0 ℃、0.6～2.9 ℃和0.5～1.3 ℃，表明地下土壤温度变化与表层土壤相比趋于平缓，土壤深度增加则地温变化趋于平缓。

2.3 地表覆盖对茶树冻害的影响

茶园地表覆盖后对减轻茶树受冻有一定的积极作用，图3 显示，虽然4 个处理茶树均发生冻害，但地表覆盖处理的茶树受冻率均低于未覆盖处理（CK），具体表现为CK＞覆防草布＞覆稻草＞覆白膜。覆白膜处理茶树受冻率显著低于其他处理（P＜0.05），覆稻草处理茶树受冻率显著低于覆防草布处理和CK，而覆防草布处理与CK 的茶树受冻率差异不显著。根据DBSS/T 2559—2020《茶树越冬期冻害等级划分指南》[15]中茶树受冻程度和等级划分，CK 受冻率为20.6%，属于中度冻害，冻害等级为四级，其他处理受冻率小于20.0%，属于轻度冻害，冻害等级为五级。

图3 不同覆盖处理的茶树受冻率Fig.3 Freezing rate of tea plant under different mulching treatments

2.4 地表最低温度、低温持续时间、日较差与茶树受冻率的相关性分析

将茶树受冻率与2 个低温阶段地表的最低温度、日较差、低温持续时间进行相关性分析（表2），茶树受冻率与地表平均最低温度和＜0 ℃最长持续时间均呈显著相关（P＜0.05），相关系数分别为-0.953 和0.973，与地表＜4 ℃最长持续时间呈极显著相关（P＜0.01），相关系数为0.999，表现为地表平均最低温度越低，低温（＜0 ℃或＜4 ℃）持续时间越长，茶树受冻率越高。茶树受冻率与地表极端最低温度、平均日较差、最大日较差、＜0 ℃平均持续时间和＜4 ℃平均持续时间相关性不显著。

表2 茶树受冻率与地表最低温度、日较差、低温持续时间的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of freezing rate of tea plant with minimum temperature，daily range and duration of low temperature in surface

续表2 茶树受冻率与地表最低温度、日较差、低温持续时间的相关性分析Tab.2（Continued） Correlation analysis of freezing rate of tea plant with minimum temperature，daily range and duration of low temperature in surface

3 结论与讨论

地表覆盖对太阳辐射的吸收转化和土壤热量传导都有较大的影响，这是因为覆盖在地表可以形成一层土壤与大气热交换的障碍层，既可阻碍太阳的直接辐射，还可有效减少地面反射长波辐射，对土壤温度具有明显的调控作用[16]。本研究表明，覆盖能提高茶园土壤表层的最低温度，保温效果表现为覆白膜＞覆稻草＞覆防草布，覆白膜的增温效果优于覆稻草。覆白膜能提高不同深度土壤的最低温度和最高温度，表现为增温效果；覆稻草具有高温时降温和低温时升温的双向调控作用，日较差最小，有利于维持土壤温度的稳定性；覆防草布降温不如覆稻草，增温不如白膜。这与前人研究认为稻草覆盖保温效果优于地膜覆盖有些出入[17-18]，这可能跟地膜和稻草的覆盖厚度以及天气状况等因素有关。白膜透光性强，太阳辐射能直接透过白膜照射地面，而地膜上凝结露珠可阻碍部分地表反射的长波辐射，吸收的热能量大于散失的热能量，所以具有增温作用。稻草透光性差，覆稻草能减弱地表对太阳辐射的吸收和减少土壤热量的散失，白天高温时覆盖稻草的地面吸收热辐射较裸地少，表现降温，晚上低温时散失的热量比裸地少，表现保温，从而减缓土壤温度的上下波动，保持土壤温度稳定，有利于茶树的生长发育。覆盖防草布影响地面对太阳辐射的吸收和热量的传导，具有一定的保温作用，这与有关学者认为覆盖防草布具有保温效果的结果[19-21]基本一致。防草布是一种以聚丙烯为原料的合成材料，具有较多的细密孔眼，透水性和透光率较好，但阻挡地面接收太阳辐射和土壤热量散失的能力弱于稻草和白膜。

本研究表明，不同处理地表土壤温度的变化幅度大于地下土壤，增温效果主要体现在地表；且随着土壤深度增加，最低温度增加，最高温度降低，地温变化趋于平缓，峰值出现时间延后。彭晚霞等[5]和李毅等[22]也得出相同的结论。彭晚霞等[5]研究了稻草覆盖与白三叶间作对茶园地温时空动态变化的影响，结果表明，土层深度越大，地温越低，且出现明显的位相滞后现象，土层深度每增加5 cm，最高温度出现时间滞后2 h。李毅等[22]对新疆奎屯地区某地宽地膜覆盖下地温场动态进行分析，结果表明，表层地温变化大于各深度地温，而且沿土壤深度方向增加，地温变化趋于平缓。这主要是由于太阳辐射是地表增温的热源之一，土壤温度与辐射密切相关，当地面净辐射为正值，温度升高，反之则下降。地表作为太阳辐射最直接的受体，受热辐射影响最大，温度变化最明显。热量从地表向地下传递，在通过土层时会被土壤吸收掉一部分，所以随着深度加深，传递的热量越少，温度变化越小，同时热量从地表传到深层需要时间，导致深层土壤最高温度和最低温度出现的时间比浅层土壤滞后。

最低温度是导致茶树冻害的主要气象因子，当大气温度下降到一定程度，就会导致茶树受冻。娄伟平等[23]指出，日最低温度在-9～-7 ℃，迎霜等中抗寒性茶树品种会发生轻度冻害。杨利霞等[24-25]利用汉中市42 a 的气象观测数据分析茶树冻害的温度特征，以最低气温≤-8 ℃作为冬季茶树冻害的指标。雷玄肆等[26]结合1961—2019 年景德镇气象数据和茶叶生产实际情况，认为冬季最低气温在-5 ℃时景德镇茶树会发生冻害。地表温度与大气温度呈正相关，气温下降，地表温度也会降低。覆盖提高的是地表温度，而不是气温，所以用地表温度作为反映茶树冻害的指标更为合理。许映莲等[27]研究了江苏省晚霜冻时空演变特征和茶树早春冻害分级，认为用地面最低温度＜0 ℃作为早春茶受低温冻害的指标更好。本研究表明，所有处理茶树均发生冻害，茶树受冻率与地表平均最低温度、＜0 ℃最长持续时间呈显著相关，与地表＜4 ℃最长持续时间呈极显著相关，但与地表温度日较差、地表极端最低温度相关性不显著。这主要是因为茶树受冻不仅与地表极端最低温度、地表温度日较差有关，还与地表平均最低温度和低温持续时间密切相关[28]，尽管地表温度日较差不够大、极端最低温度不够低，但如果地表最低温度一直维持较低水平，而且持续时间比较长，即可使茶树遭受冻害[29]。本试验期间，地表平均最低温度为-2.2～-1.1 ℃，＜0 ℃持续时间CK最长为12.5 h，＜4 ℃持续时间CK 最长为34.5 h，而覆白膜处理地表温度均在0 ℃以上，但＜4 ℃持续时间为7 d 且日持续时间最长为13.5 h，依然发生轻度冻害，因此，地面最低温度＜0 ℃不是茶树受冻的临界温度，但茶树发生冻害的最低地表温度临界值以及低温持续最短时间有待进一步研究。

综上所述，白膜、稻草和防草布3种材料覆盖地表后均能提高茶园地表最低温度，减轻茶树受冻程度，增温效果表现为覆白膜＞覆稻草＞覆防草布。覆稻草具有高温时降温和低温时增温双向调控作用，有利于维持土壤温度的稳定性，降温效果最好；覆白膜能提高不同深度土壤最高温度和最低温度，增温效果最好；防草布降温不如稻草，增温不如白膜。地温时空变化主要体现在表层土壤，而地下土壤温度变化趋于平缓；随着土壤深度增加，最低温度增加，最高温度、日较差均降低，土壤温度峰值出现时间延后。茶树受冻率与地表平均最低温度和＜0 ℃最长持续时间呈显著相关，与地表＜4 ℃最长持续时间呈极显著相关，地表最低温度＜0 ℃不是茶树受冻的临界温度，当茶园地表温度在0～4 ℃，持续时间大于7 d 且日持续时间大于13.5 h，茶树依然发生冻害。因此，从预防茶园低温冻害考虑，覆盖材料推荐使用白膜和稻草，从保持土壤温度的稳定性考虑，推荐使用稻草。