油茶油脂转化期树干茎流特征与气象因子的关系研究

蔡 哲，郭瑞鸽，左继林，刘文英

（1.江西省农业气象中心，南昌 330096；2.江西省林业科学院，南昌 330013）

油茶（Camellia oleifera）属山茶科（Theaceae）山茶属（Camellia）植物，是中国特有的木本食用油料树种，主要分布在淮河、长江以南的低山丘陵地带，作为世界四大木本油料作物之一，具有较高的经济、生态、社会综合效益［1］。近年来，油茶产业在中国南方得到了较大力度的推广，种植区域面积、栽培管理技术都得到了大幅度的提升。

研究表明，不同地区、不同树种的树干茎流速率的影响因素存在差异，枣树茎流主要受空气温度的影响［2］，滇山茶茎流与温度和相对湿度相关性最好［3］，影响苹果树树干茎流变化的关键因子是太阳辐射、水汽压差［4］，大叶相思树茎流速率与太阳辐射和大气温度具有显著正相关［5］。大气温度和太阳辐射是影响平欧杂种榛茎流的主要环境因子［6］。以往油茶茎流的研究中，陈志钢等［7］分析了油茶春梢生长期的茎流变化情况，发现总辐射、光合有效辐射、气温对茎流的相关系数极高，空气相对湿度与茎流有较高的负相关。

油脂转化期是油茶品质形成的关键时段［8，9］，对其产量与果实含油率均有显著的影响［10，11］，采取防旱保墒措施，减小不利气象要素的影响以提高油茶收益是目前研究的重点之一［12-14］。认识和准确掌握油茶成林期果实油脂转化过程中树体枝干茎流的变化规律，明确影响油茶树干茎流量的关键气象因素，对估算蒸腾作用耗水量、确定水分承载力、科学合理地制定油茶高产丰产栽培的有效管理措施具有重要的指导意义。

1 研究区域概况

观测点位于江西省鄱阳县游城镇的江西德义 源 生 态 农 业 发 展 有 限 公 司 基 地，116°48＇0″E、29°10＇25″N，海拔83 m，属中亚热带湿润季风气候。年平均气温17.4℃，年均降水量1 550 mm，年均相对湿度80%，无霜期285 d，年均日照2 074 h，>10℃积温为5 122.2℃。受季风影响，降水季节分布不均，降水集中期在每年4—6月。种植土壤均为红壤，缓坡地形，是油茶的适生区。试验林于2012年3月采用2年生裸根苗种植，种植密度均为2 m×3 m。

2 研究方法

2.1 液流观测

采用德国Ecomatik公司生产的SF-G植物茎流传感器测定油茶树干茎流。在油茶林中央选择长势良好、树势一致、无病虫害的8株油茶树作为观测对象。在每株油茶树树干垂直地面0.20～0.25 m处，去除老化树皮，安装SF-G茎流传感器，在探针外部包裹铝膜避免外部环境对测量数据的干扰。自2019年8月1日至2019年11月1日对油 茶树的 茎流进行连续观测，观测时间步长为10 min，最终所采用的茎流数据为8棵树的平均值，并换算为1 h时间间隔，与气象观测同步。

2.2 气象观测

本研究中的气象数据来自鄱阳县气象局自动气象观测站，包括平均气温（℃）、降水量（mm）、太阳辐射（W/m2）、相对湿度（%）、风速（m/s）5个气象要素，时间间隔为1 h，在此基础上根据以下公式计算饱和水汽压差（VPD，hPa）用于评价大气中水分状况［15］。整理鄱阳县逐日天气现象观测记录，包括晴天、多云、阴天、雨天4种。

式中，T为平均气温（℃）；RH为相对湿度（%）；常数a、b分别为0.611、17.27 kPa，c为237.3℃。

2.3 数据处理

油茶茎流速率的计算利用仪器测量温差，根据修正公式计算［16］。

式中，ΔTC为修正后的温差；ΔT为垂直探针1、探针2之间的温差，ΔTR1与ΔTR2分别为探针1与探针2之间、探针1与探针3之间的温差。茎流密度计算公式如下。

式中，V为单位边材面积上的茎流密度［mL/（cm2·min）］；ΔTCmax为当日最大的ΔTC。

茎流速率计算公式如下。

式中，F为茎流速率（mL/min）；A为树干面积（cm2），由树干半径求得。

3 结果与分析

3.1 油茶各月茎流速率的日变化特征

将观测过程的茎流速率按照观测月份分别求各月的日平均值，绘制了各月的日均茎流速率变化曲线（图1）。油茶树干的日茎流速率变化曲线在各月较为一致，有明显的昼夜变化规律，均呈倒“U”形单峰曲线，随着日出而上升，日落而降低。液流启动时间大约从6：00开始，8月略早，9、10月由于日出时间延迟，液流启动时间略有滞后。7：00—10：00迅速加快，8月增速最快，10月增速最慢。各月的日均流速在10：00以后缓慢增长。在12：00、13：00左右达到峰值，两峰值接近但稍有不同，8月最大，9、10月逐渐降低。随后缓慢降低，从16：00开始快速下降，3个月的日均流速在20：00以后逐步降到最低值，21：00以后逐步趋于0。

图1 不同月份日均茎流速率变化曲线

油茶的各月日均茎流速率均呈现单峰曲线形式，白天日出后叶片的蒸腾作用开始，液流开始增加，在午间达到最大后开始逐步降低，随着日落临近，光照强度逐步减小，叶片内外水汽压差减小，茎流速率逐步降低，进入夜间以后，由于根压，使得茎流趋近于0但没有完全停止。

3.2 不同天气状况下油茶油脂转化期茎流速率的变化规律

根据鄱阳县气象局的天气现象观测记录，按照晴天、多云、阴天、雨天4种天气状况，绘制了观测时段内的平均逐小时茎流速率日变化曲线（图2）。不同天气状况下，油茶茎流速率的日变化曲线（规律）基本一致，均呈倒“U”形的单峰曲线，但有明显的昼夜变化，峰值大小明显不同；油茶液流启动时间、夜间液流趋于稳定的时间大体相同。晴天、多云天气状况下，油茶茎流速率的日变化趋势较为接近，雨天茎流速率略低于晴天与多云，但阴天茎流速率明显低于前三者。阴天的茎流速率明显低于多云与晴天，反映了太阳辐射是控制油茶茎流速率的主要因子。雨天的茎流速率略低于晴天、多云，主要是因为太阳辐射减少，降雨导致空气湿度增加与蒸腾作用的降低，茎流速率也有不同程度的下降，但由于南方地区的8—10月（油茶油脂转化期）的降雨局地性较强、持续时间短，尤其是在本试验的观测时段内，几次降雨过程都在1 h左右，最长的降雨时间为3 h，所以雨天的油茶树树干茎流速率仍然较高。

图2 不同天气状况下油茶茎流速率的逐小时变化规律

3.3 油茶油脂转化期茎流速率与气象因子的关系分析

基于对油茶树干茎流速率的92 d共计2 208 h的连续动态监测，对小时尺度下的茎流速率与气象因子进行相关性分析。如表1所示，在油脂转化期，油茶树干的小时平均茎流速率与平均气温、太阳辐射、VPD呈正相关，与降水量、风速、相对湿度呈负相关。其中，与过去1 h降水量的相关性不显著，与平均气温、风速、相对湿度、太阳辐射、VPD呈极显著相关。太阳辐射是油茶树干茎流的主导气象因子，相关系数达0.866，其次是VPD，相关系数为0.439，第三是平均气温，相关系数为0.354，茎流速率随着风速和相对湿度的增加而降低。由此可以得出结论，在气象因子中，对油茶茎流速率影响因子从大到小排序依次为太阳辐射、VPD、平均气温、相对湿度、风速、降水量。

表1 茎流速率与气象因子的相关系数

对比晴天、多云、阴天、雨天4种天气状况下，油茶茎流速率与平均气温、降水量、风速、相对湿度、太阳辐射、VPD之间的相关关系，可获得不同天气状况下各个气象因子与油茶茎流速率的关系，不同因子的相关系数见表2。除了雨天的降水量之外，不同天气状况下的各个因子均与油茶茎流速率表现为极显著相关。

表2 不同天气状况下茎流速率与气象因子的相关分析

结合不同天气状况分析发现，各气象因子与茎流速率的相关性与总体分析较为一致，但不同天气状况之间有所不同。晴天条件下，太阳辐射的影响最大，VPD、平均气温也表现为正相关。多云条件下，太阳辐射的影响最大，其次是VPD，再次为风速，与茎流速率呈负相关；阴天条件下，太阳辐射影响最大，其次为VPD、平均气温，风速和相对湿度与茎流速率呈负相关；雨天条件下，太阳辐射的变化对茎流速率影响最为显著，其次为VPD，相关系数较高，相对湿度和风速与茎流速率呈负相关，平均气温与茎流速率的相关性较低，降水量与茎流速率的相关性较低。

各气象因子中，太阳辐射与茎流速率的相关性最强，但不同天气状况下略有差异，雨天条件下，茎流速率与太阳辐射的关系最为明显，阴天最低。其次是VPD，在雨天对茎流速率影响最大，在多云天气状况下影响最小。平均气温在阴天对茎流速率影响最大，在多云天气下影响最小。在雨天条件下，相对湿度与茎流速率呈较强的负相关，其他天气状况下与茎流速率的相关系数较为接近。风速对茎流速率有一定影响，茎流速率随着风速增大而降低，最明显的是在多云天气状况下；降水量与茎流速率的关系不明显。

3.4 油茶树干茎流速率的气象因子回归模型

在油茶油脂转化期过程中的4种天气状况下，分别以茎流速率为因变量，平均气温、风速、相对湿度、太阳辐射、VPD为自变量进行回归，得到油茶茎流速率的回归方程，结果如表3所示。以上5个回归模型能够解释茎流速率的变化过程，均达到了极显著水平（P<0.01），相关性普遍较好，其中，阴天的茎流速率回归模型复相关系数最低，为0.603，其他模型的复相关系数均超过了0.700，雨天的茎流速率回归模型复相关系数最高，超过了0.900，拟合效果最好。

表3 不同天气条件下茎流速率与气象因子的回归模型

4 小结与讨论

本研究结果表明，油茶在油脂转化期的茎流速率有明显的昼夜变化规律，呈单峰形变化，不同月份的茎流速率、启动和结束时间、速率的最大值均有所不同，但差异不大，且均与太阳辐射有较为明显的关系，与枣树、苹果等物种相似［17-19］。这是由于秋季成林油茶正处于果实的油脂转化期，此时段的太阳辐射强，气温高，光合速率增加，树体需要大量水分维持生命活动［20］，茎流的变化活跃、持续时间长，茎流量较大，但与周玉燕等［21］、张洋等［22］的研究结论对比，茎流速率的启动时间、茎流速率峰值、峰形有所不同，这可能与物种差异、日照时间、立地条件的不同有关。不同生长阶段的油茶成林树干的茎流速率不同，8—10月的茎流速率逐月降低接近20%，8月下旬油茶成林开始进入油脂转化期，此阶段生殖生长处于旺盛期，到10月逐步停止，这与外界因素明显相关，8月温高光足，而到后期温度逐渐降低、太阳辐射强度逐渐减弱。

不同天气状况下，晴天、多云的油茶茎流速率变化趋势较为接近，雨天茎流速率略低于晴天与多云天，阴天茎流速率最低，阴天的茎流速率明显低于多云与晴天。池波等［23］、凡超等［24］的研究发现落叶松、荔枝的晴天茎流速率是单峰曲线，雨天是多峰曲线。本次观测中，雨天的茎流速率略低于晴天、多云，而且是相似的单峰曲线，主要原因是本次观测过程中，降雨持续时间短、局地性强、雨量小，降雨过程很快结束，没有持续性的阴雨天气，所以造成雨日的茎流速率仍然较高。

油茶油脂转化期茎流速率影响因子从大到小排序依次为太阳辐射、VPD、平均气温、相对湿度、风速、降水量。在不同天气状况分类下，各因子与茎流速率相关性大小也基本保持同样的排序，这与前人研究结果类似［25，26］。太阳辐射和VPD是控制植物茎流过程的主导因子，太阳辐射是影响叶片蒸腾作用的驱动因子，VPD是表征植物叶片气孔调控开启的变量，平均气温、相对湿度能够影响蒸腾速率，风速能够引起叶片气孔的开闭从而影响蒸腾速率，而较小的短时降水对叶片蒸腾速率影响不大，尤其是本研究中降水量偏小，难以构成对茎流速率的明显影响。

从晴天、多云、阴天、雨天4种天气状况下的油茶茎流速率与平均气温、降水量、风速、相对湿度、太阳辐射、VPD之间的相关关系可知，除了雨天的降水量因子之外，不同天气状况下的各个因子均与油茶茎流速率表现为极显著相关。构建的油茶茎流速率多元线性回归模型的复相关系数均在0.600以上，说明这些模型可以有效反映树干茎流速率对气象因子的响应特征，尤其是雨天、晴天2种天气状况的回归模型，复相关系数分别为0.909、0.798，能够较好模拟油茶油脂转化期的茎流速率。

本研究通过对油茶成林树干茎流速率特征及其影响因子的分析，发现了影响茎流速率的主要气象因子，建立了茎流速率与气象因子的回归模型，为油茶秋季防旱保墒的高效管理提供科学依据与理论基础。本试验仅对成林油茶果实油脂转化期的树体茎流量与天气因子影响进行了观测与分析，今后应继续对油茶成林阶段的花期、花芽分化期、果实膨大期的树体水分生理进行深入研究，为油茶盛果期林分高效水分管理提供生产依据。