鲁东沿海丘陵茶园防护林的小气候特征

鲁东沿海丘陵茶园防护林的小气候特征

植物生态学报 2014, 38 (11): 1205–1213 doi: 10.3724/SP.J.1258.2014.00116 Chinese Journal of Plant Ecology http://wendang.chazidian.com 鲁东沿海丘陵茶园防护林的小气候特征

杨 菲1 杨吉华1* 艾 钊1 张国庆1 胡建朋2

12山东农业大学林学院山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室, 山东泰安 271018; 山东新汇建设集团有限公司, 山东东营 257091

摘 要 近年来山东乳山茶业逐渐兴起, 但由于北方冬春季温度低和倒春寒频繁发生, 茶叶种植面积逐年减小。如何在低成本管理的基础上提高茶叶产量和品质, 成为乳山茶园管理的一大难题。以2007年春季采用水平梯田整地种植的茶园为试验区, 以梯田周围营造的4种网格(8 m × 80 m, 12 m × 80 m, 20 m × 80 m, 40 m × 80 m)茶园防护林为研究对象, 分别在2013年4月、8月和12月, 测定风速、空气温度、土壤温度、空气相对湿度及土壤相对湿度, 以纯茶园作为对照, 进行了小气候因子测定和分析。结果表明: (1) 4种防护林均能有效地降低茶园内风速, 调节气温、土壤温度和土壤相对湿度, 增加空气相对湿度, 为茶树生长提供适宜的生态环境; (2)由于区域水分通量和太阳辐射的季节变化, 4种防护林的小气候调节效应也表现出一定的季节性差异; (3)主成分分析结果表明, 4种茶园防护林中, 影响小气候因子的主要因素是气温和土壤温度, 其因子负荷量分别为–0.978和0.986, 但风速与气温呈极显著相关关系, 与土壤温度之间无显著线性关系, 因此, 风速也能间接地影响林内小气候;

(4) 8 m × 80 m的防护林对小气候的总体调节效应优于其他3种防护林。

关键词 湿度, 小气候, 北方茶园, 防护林, 温度, 风速

Microclimate characteristics in shelterbelt of tea garden in coastal hilly region of eastern Shandong, China

YANG Fei1, YANG Ji-Hua1*, AI Zhao1, ZHANG Guo-Qing1, and HU Jian-Peng2

1Shandong Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration, College of Forestry, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018, China; and 2Shandong Xinhui Construction Group Co. Ltd., Dongying, Shandong 257091, China

Abstract

Aims Over a year, Rushan tea is booming gradually, but due to the low temperature in winter and early spring, the areas for tea plantation has been decreasing year by year. Therefore, how to achieve a higher yield at lower cost has become a major issue in the test plantation area. The paper examined the characteristics of microclimate in four shelterbelt systems of tea garden in order to identify a suitable forest-tea system in the study area.

Methods The tea plantation studied was established in the spring of 2007 with terrace soil preparations, involv-ing four forest shelterbelt grid systems (i.e. 8 m × 80 m, 12 m × 80 m, 20 m × 80 m and 40 m × 80 m). The wind speed, air temperature, soil temperature, relative air humidity and relative soil moisture were measured in the four shelterbelt systems in April, August and December of 2013, with the tea plantation without shelterbelt as control. Important findings Firstly, the four shelterbelt systems all reduced wind speed effectively, increased air relative humidity, regulated air temperature, soil temperature and soil relative moisture, and improved ecological envi-ronment in favor of tea production. Secondly, due to the seasonal variations of regional water flux and solar radia-tion, the regulation effects of the four shelterbelt systems differed. Thirdly, the results of principal component analysis showed that, the main factors inducing different microclimate characteristics were the air temperature and soil temperature, with factor loads of –0.978 and 0.986, respectively. The wind speed and air temperature showed a highly significant correlation, but there was no significant linear relationship between wind speed and soil tem-perature, indicating that wind speed could affect the microclimate indirectly. Overall, the shelterbelt system of 8 m × 80 m is better than the other three systems in the effects of regulating microclimate.

Key words humidity, microclimate, northern tea garden, protection forest, temperature, wind speed

我国现有名茶多产于南方湿润地区, 但随着茶

园管理技术的不断提高, 威海绿茶业逐渐兴起。威

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收稿日期Received: 2014-05-22 接受日期Accepted: 2014-08-29

* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: jhyang@http://wendang.chazidian.com) 海绿茶多产于乳山丘陵地区, 乳山茶之所以有着上乘的品质, 关键在于北方的昼夜温差大, 茶叶生长

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期长, 茶多酚、氨基酸等健康物质的含量高于南方茶, 另外, 乳山丘陵地区的灌溉用水、大气质量等均符合无公害茶叶生产标准, 这都为茶叶优质化提供了最佳条件(段永春等, 2010; 滕怀泽等, 2012)。但同时, 乳山茶业也受到北方自然气候的限制, 北方严冬季节茶树易被冻死, 早春低温干燥、倒春寒频繁, 导致春梢发芽迟、芽叶细小易干枯, 而大棚越冬防寒投资管理成本高, 致使茶园面积逐年萎缩, 这也是乳山茶业发展数十年, 至今还没有形成规模的主要原因(朱秀红等, 2012)。如何提高乳山茶产量、降低管理成本, 成为乳山茶业面临的一大难题。

关于农田防护林的研究较为深入, 研究结果得到了广泛的推广应用。防护林能减弱林带背风面的风速, 可在一定的范围内缓冲空气温度和土壤温度, 对冻害、高温灼伤等起到减缓作用。防护林对风速的减弱作用能影响土壤蒸发和植物蒸腾, 因而空气湿度和土壤湿度也会受到影响(曹新孙, 1983)。防护林体系对水文状况也有重要的影响, 能为作物生长提供良好的温度、湿度、风速等气候条件(姜凤岐等, 2003)。茶园防护林的布设既可改善影响茶树生长的气候条件, 又能提高茶叶的产量和品质(黄寿波等, 1994; 彭方仁等, 2001; 范志平等, 2002; 叶晶等, 2013; 孔东升等, 2014)。但目前的研究(张一平和刘洋, 2005; 刘志龙等, 2009; 王广铭, 2012; 叶晶等, 2013)尚未对北方茶园防护林的合理配置提出较为系统、全面的解决方案。本研究以山东省乳山市徐家镇东峒岭村沿海小流域的4种网格面积茶园防护林为研究对象, 研究不同网格防护林对茶园小气候影响的差异性, 系统阐述了防护林对茶园小气候的作用, 以选择最适宜当地茶园的防护林网格面积, 通过合理地营建防护林提高茶叶产量和品质, 为推动乳山茶的大面积种植提供参考。

1 试验地概况

研究区位于山东省乳山市徐家镇东峒岭村沿海小流域, 地理位置121.66° E, 36.94° N, 流域总面积67.97 km2, 海拔高度在5–350 m之间, 属鲁东低山丘陵区。土壤属砂壤土, pH值6.3, 酸性土壤, 平均土层厚度50 cm, 土壤肥沃。属暖温带亚湿润季节型大陆性气候, 四季变化和季风变化都较明显。春季温差较大, 夏季高温多雨, 秋季凉爽干燥, 冬季霜雪寒冷。年平均气温11.6 ℃, 极端最高气温36.7 ℃, 极

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端最低气温–20.3 ℃。年降水量838.9 mm, 平均空气相对湿度72%, 平均日照时数2669 h, 年无霜期平均为204天, 冰冻期70天, 平均风速3.1 m·s–1, 平均大风天数36.7天·年–1。

2 材料和方法

2.1 试验设计

从小流域中选取南坡坡位中下部(海拔50–100 m)、土层厚度50–80 cm、坡度5°–15°、立地条件较好的区域, 于2007年春季采用窄幅水平梯田整地种植茶树, 栽植密度为60600株·hm–2, 在梯田上分别布设网格面积为8 m × 80 m、12 m × 80 m、20 m × 80 m、40 m × 80 m的防护林(即4种网格防护林的主林带长分别为8 m、12 m、20 m、40 m, 副林带长均为80 m), 分别标记为I、II、III、IV。由于试验区域处于山前风口位置, 常年以东南风和西南风为主, 因此, 在南北方向营造紧密结构主林带, 沿梯田地堰营造副林带, 主林带与副林带垂直。图1为8 m × 80 m防护林的配置图, 其他3种防护林除主林带长度分别为12 m、20 m、40 m外, 其他配置均与图中所示配置相同。

图1 茶园防护林配置图。, 黑松。, 龙柏。, 蜀桧。

, 樱桃。观测点。

Fig. 1

A configuration diagram of shelterbelt of tea garden. ,

Pinus thunbergii; ,

Sabina chinensis; , Sabina ko-

marovii; , Cerasus pseudocerasus; , observation points.

试验区位于沿海丘陵地带, 冬季和早春风速大、气温低, 冬季茶树易受冻害, 为此, 营造的茶园防护林以常绿的龙柏(Sabina chinensis)、蜀桧(Sabina komarovii)、黑松(Pinus thunbergii)为主要树种, 以落叶树种樱桃(Cerasus pseudocerasus)为伴生树种。主林带4行, 其中黑松、龙柏、蜀桧、樱桃各1行, 林带宽12 m, 株行距1.5 m × 3.0 m, 树龄7年, 4个树种的平均树高分别为: 黑松4.1 m, 龙柏4.2 m, 蜀桧4.9 m, 樱桃3.8 m, 平均胸径分别为: 黑松6.7

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cm, 龙柏7.1 cm, 蜀桧8.8 cm, 樱桃5.7 cm, 林带疏透度为9%, 透风系数为0.23, 属紧密结构林带。副林带1行, 林带宽3 m, 株距1.5 m, 树种为黑松, 树龄7年, 平均树高3.8 m, 平均胸径6.4 cm, 疏透度为36%, 林带透风系数为0.42, 属稀疏结构林带。 2.2 试验方法

2.2.1 测点布设及测定方法

在林网内垂直于主林带方向均匀布设5个观测点, 观测点的布设如图1所示, 等距分布在林网内。以无林网, 但耕作技术、抚育管理技术等相同的梯田茶园为对照地, 在观测点与对照点同时进行各指标参数观测, 以5个观测点的平均值作为测定结果。

采用目测法测定各林网的林带疏透度; 采用轻便三杯风向风速仪(DEM-6, 上海隆拓仪器设备厂, 上海)测定各林带背风林缘1 m处的冠层中部、树高1/2处和离地表1 m处3个高度的平均风速, 与对照茶园相同高度处3个风速平均值的比值, 即为林带透风系数。

分别在2013年4月、8月和12月选择晴朗天气进行设点观测, 6:00至18:00点每2 h观测一次, 观测项目有风速、空气温度、土壤温度、空气相对湿度和土壤相对湿度。风速用轻便三杯风向风速仪(DEM-6, 上海隆拓仪器设备厂, 上海)测定, 测定高度1.5 m, 记录1 min的平均风速, 测量3次, 取平均值; 空气温度用通风干湿表(DHM2, 天津市凯隆达仪器仪表有限公司, 天津)观测, 观测高度1.5 m, 测量3次, 取平均值; 用土壤温度表和曲管温度计测定0、5、10、15和20 cm深处的土壤温度, 计算0–20 cm深处土壤温度的平均值; 采用ST-DHM2型通风

干湿表对距地表1.5 m处的空气相对湿度进行定位观测, 测量3次, 取平均值; 利用烘干法, 对0–5 cm、5–10 cm、10–15 cm、15–20 cm深处的土壤含水量进行定位观测, 计算0–20 cm深处的土壤含水量及田间持水量, 土壤含水量与田间持水量的比值, 即为土壤相对湿度。 2.2.2 数据处理方法

防风效能E的计算: E = (u0 – ux) / u0 × 100%, 其中, E表示防护林内的平均风速比对照茶园减少的百分数, 即防风效能; ux为茶园防护林内的平均风速; u0为同一高度对照茶园的平均风速。

用Excel 2003进行初步整理, 分析野外调查数据和气象数据, 并绘制相关图表, SPSS 17.0进行相关分析和单因素方差分析, 用Duncan法进行多重比较, 显著性水平为0.05; 风速、气温、土壤温度、空气相对湿度和土壤相对湿度均取3个测定时期的平均值, 将数据进行标准化(余新晓等, 2010)处理后, 用SPSS 17.0进行主成分分析。

3 结果和分析

3.1 茶园防护林网的防风效应

防护林有减弱风速的作用, 当气流通过林带时, 由于枝叶摩擦而消耗一部分动能, 此外, 穿过林带的气流在背风林缘处形成湍流, 气流摩擦又消耗部分动能(范志平等, 2002)。山东茶区的冻害多是由大风降温引起的(朱秀红等, 2012), 因此, 风速的降低对茶树生长极为有利。4月、8月和12月, 纯茶园的风速分别为4.77、3.67和4.10 m·s–1, 由图2可知, 4种

图2 茶园防护林防风效能(平均值±标准误差)。I, 8 m × 80 m; II, 12 m × 80 m; III, 20 m × 80 m; IV, 40 m × 80 m。不同的小写字母表示不同网格之间的差异显著(p < 0.05); 不同的大写字母表示不同月份之间的差异显著(p < 0.05)。 Fig. 2 Wind-break potencies of shelterbelt of tea gardens (mean ± SE). I, 8 m × 80 m; II, 12 m × 80 m; III, 20 m × 80 m; IV, 40 m × 80 m. Different lowercase letters indicate significant differences among shelterbelt of tea gardens (p < 0.05); different capital letters indicate significant differences among months of measurements (p < 0.05).

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网格面积的茶园防护林均有一定的防风效能, 且在3个测定时期防风效能的差异表现出相同的规律, 其中I减小风速的效果最为显著, 而II、III之间无显著差异, IV的防风效果较差。因此从防风效能来看, 防护林I具有一定的优越性。

在4月和12月, I、II防护林的防风效能无显著差异, 且4月和12月的防风效能均显著大于8月的防风效能; 而III、IV防护林12月的防风效能显著大于4月和8月的, 且4月和8月的防风效能之间无显著差异。总体看来, 4种不同面积防护林的防风效能在12月时均较高, 分别为26.74%、26.19%、26.02%、25.44%; 8月最小, 分别为24.85%、23.81%、23.54%、22.42%; 4月份分别为26.98%、25.23%、23.35%、22.15%, 此现象可能与防护树种和风向有关, 12月林带走向与主害风方向垂直, 且针叶树种在冬季具有较高的防护效应。 3.2 茶园防护林网的温度效应 3.2.1 茶园防护林网对空气温度的影响

气温关系到茶叶的生长周期、生长量及品质, 4月、8月和12月, 纯茶园的气温分别为10.03、24.47和–1.37 ℃, 由图3可知, 不同网格面积对气温的调节作用以I为最大, IV最小。4月气温与对照相比分别增加1.52、1.51、1.49和1.47 ℃; 12月气温与对照相比分别增加1.46、1.44、1.44和1.43 ℃; 8月气温分别比对照减少了2.50、2.35、2.26和2.10 ℃, 说明不同网格茶园防护林对气温均有一定的调节作用。冬春季林带的存在使茶园内空气温度升高, 这种效应不仅对茶树根系的提前萌动有益, 而且能够防止倒春寒及冻害对茶树的伤害; 在夏季, 防护林的遮阴

作用有效地避免了高温、高光强对茶树的不利影响。所以防护林使茶园微环境向着适宜茶树生长的温度范围发展, 满足了茶树喜温暖的生长特征。

8月, I和II的气温降低值之间无显著差异, 但二者均与III和IV有显著差异; 在4月和12月时, 防护林I均与其他3种防护林之间差异显著, 4月时II和III的气温调节效应差异不显著, 12月时, II、III和IV防护林温度调节效应差异也不显著, 由此可知: 网格面积较小(I和II)的防护林对气温的调节作用更为明显。总之, 4种防护林, 8月份对气温的调节效应较大, 而12月份对气温的调节效应总体较小, 这是由于气温与风速有直接关系, 8月份林带的防风效能较差, 强烈的气流运动使林内气温降低, 加之, 8月份正值植物生长茂盛期, 林带的遮阴作用使气温明显下降。 3.2.2 茶园防护林网对土壤温度的影响

4月、8月和12月, 纯茶园的土壤温度分别为13.33、25.43和1.90 ℃, 将不同网格面积茶园防护林0–20 cm土层内的土壤温度与对照进行比较(图4)发现, 4月和12月茶园防护林内土壤温度与对照相比均有所增加, 8月份林内土壤温度有一定的降低, 其中, 0.98、0.90和0.72 4月份土壤温度增加值分别为1.13、

℃, 12月份土壤温度增加值分别为0.97、0.82、0.74和0.58 ℃, 8月份土壤温度降低值分别为1.13、1.03、0.85和0.71 ℃。土壤温度通过影响根系的生长直接影响茶树的生长、茶叶产量和品质, 土壤温度过高或过低, 对茶树根系生长都是不利的, 因此, 茶园防护林在冬春季提高土壤温度、夏季降低土壤温度的效应, 使茶树根际土壤温度维持在茶树适宜生长的范围内, 有利于茶树生长及茶叶品质的提升(肖

图3 茶园防护林空气温度调节效应(平均值±标准误差)。I, 8 m × 80 m; II, 12 m × 80 m; III, 20 m × 80 m; IV, 40 m × 80 m。不同的小写字母表示不同网格之间的差异显著(p < 0.05)。

Fig. 3 Regulation effects of air temperature in shelterbelt of tea gardens (mean ± SE). I, 8 m × 80 m; II, 12 m × 80 m; III, 20 m × 80 m; IV, 40 m × 80 m. Different lowercase letters indicate significant differences among shelterbelt of tea gardens (p < 0.05).

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图4 茶园防护林土壤温度调节效应(平均值±标准误差)。I, 8 m × 80 m; II, 12 m × 80 m; III, 20 m × 80 m; IV, 40 m × 80 m。不同的小写字母表示不同网格之间的差异显著(p < 0.05)。

Fig. 4 Regulation effects of soil temperature in shelterbelt of tea gardens (mean ± SE). I, 8 m × 80 m; II, 12 m × 80 m; III, 20 m × 80 m; IV, 40 m × 80 m. Different lowercase letters indicate significant differences among shelterbelt of tea gardens (p < 0.05).

润林等, 2006; 王广铭, 2012)。

在3个测定月份中, 土壤温度调节作用均表现为茶园防护林I的最好; IV的土壤温度调节作用显著低于其他防护林; 4月和12月时, II、III防护林的土壤温度调节值之间无显著差异, 但在8月份两者差异显著, 因此, 防护林I比II、III、IV的土壤温度调节效应好。土壤温度的变化受气温的影响, 故不同网格面积防护林的土壤温度月均值大小顺序与气温相似, 总体而言, 4种防护林的土壤温度调节效应以8月份的最好, 12月份的最差。 3.3 茶园防护林网的湿度效应

3.3.1 茶园防护林网对空气相对湿度的影响

防护林能降低林内风速, 改善林内气温, 从而提高空气湿度, 防护林内气流交换较弱, 空气中水分在林内停留的时间比较长, 因此防护林内空气相对湿度通常比旷野高(宗萍萍等, 2005)。4月、8月和12月纯茶园的空气相对湿度分别为48.67%、84.67%、67.00%, 将4种茶园防护林的空气相对湿度与对照相比, 结果如图5所示, 不同网格面积防护林的空气相对湿度均较对照茶园有所增加, 其中4月份空气相对湿度增加值分别为8.10%、7.97%、7.83%、7.54%, 8月份增加值分别为2.73%、2.52%、2.46%、2.23%, 12月份林内空气相对湿度增加值分别为4.53%、4.38%、4.24%、4.02%。防护林I的空气相对湿度调节效应除在4月份与II的无显著差异外, 在8月份和12月份均与其他3种防护林差异显著; 4月份和8月份II、III的空气相对湿度调节效应无显著差异; IV在4月份、8月份和12月份的空气相对湿度调节效应均显著小于其他3种防护林。空气相对

湿度有利于茶叶品质的提升, 因此防护林I能为高品质茶叶的生产提供良好的环境条件。

在不同的测定月份中, 空气相对湿度的调节效应差异显著, 表现为4月>12月>8月, 同时, 绝对温度也表现出相同的规律。4月和12月天气较干旱时, 林带对空气相对湿度的调节作用更明显, 能在空气干燥的冬春季给茶树生长提供有利的微环境。 3.3.2 茶园防护林网对土壤相对湿度的影响

4月、8月和12月, 纯茶园的土壤相对湿度分别为43.67%、83.67%、61.67%, 4种网格面积防护林0–20 cm土层内土壤相对湿度与对照相比(图6), 在4月和12月有所增加, 而8月份则有所降低, 其中, 4月份林内土壤相对湿度增加值分别为8.46%、8.27%、8.19%、8.11%, 12月份林内土壤相对湿度增加值分别为3.00%、2.78%、2.63%、2.36%, 8月份林内土壤相对湿度降低值分别为12.43%、12.35%、11.87%、11.55%。

防护林I的土壤相对湿度调节效应除在8月份与防护林II的无显著差异外, 在4月与12月均与其他3种防护林差异显著; 防护林II和III在4月和12月时无显著差异, 而在8月份时差异显著; 防护林IV除在4月份时与III无显著差异外, 8月和12月均显著小于其他3种防护林。因此网格面积较小的防护林具有较好的土壤相对湿度调节效应。综上所述, 防护林I的土壤相对湿度调节效应较好。

3.4 茶园防护林内小气候因子的主成分分析

4种茶园防护林小气候因子建立的标准化矩阵如表1所示, 主成分分析结果如表2所示。前两个主分量的累计贡献率已达到99.06%, 保留了足够的信

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