绿色植物通过叶片中的叶绿体吸收光能，同化二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧的过程。茶树光合作用形成的有机物质主要是碳水化合物。当光强或CO₂浓度高于补偿点时，才能累积干物质。茶树的干物质中有90～95%是有机物质，如糖类、脂肪、蛋白质、核酸、氨基酸、茶氨酸、茶多酚和咖啡碱等等，它们基本上是从光合产物衍生的。而干物质中有5～10%是由土壤及肥料提供的无机物。茶树属C₃植物。光合作用是茶树的能量和物质来源，并受内外因素的影响。

据罗伯茨等（1978年）用¹⁴C₂和红外线CO₂分析仪研究，茶树光合作用最初产物是3-磷酸甘油酸和磷酸糖类，即按照卡尔文循环进行的。茶树净光合速率随氧浓度增加而降低，光呼吸速率升高；氧浓度降低光呼吸速率降低，净光合速率增高（见表）。茶树光合作用CO₂补偿点亦随氧浓度的增加而提高：叶片在21%的氧浓度下，CO₂补偿点为60±4vpm；将氧浓度降低到2%，CO₂补偿点则降至39±7vpm；增加氧浓度至55%，CO₂补偿点上升到129±6vpm。因此，茶树属于C₃植物。C₃植物光呼吸速率高，CO₂补偿点高，净光合速率低，产量也低。茶树光合作用强弱可用真正光合强度或净光合速率表示。真正光合强度等于净光合速率加呼吸速率。茶树净光合速率的变化幅度约为3.6～30毫克CO₂/分米²·时。

茶树叶片的光合和光呼吸速率表（毫克CO₂/分米²·时）

茶树净光合速率因品种、年龄和生育期的不同而有差异。据测，龙井种高于鸠坑种（庄雪岚，1962年），高桥中叶种与引进的云南大叶种、紫阳槠叶种比较，以云南大叶种净光合速率为最高（湖南），浙农12号高于福鼎大白茶（刘祖生，1981年），薮北种高于朝霞种（酒井慎介，1959年），无性系柯尔希达高于杂种16号（伊·斯·沙·基洛夫等，1980年），梅占茶高于龙井43，龙井43高于黄叶早（王立，1982年）。壮龄茶树净光合速率大于幼龄和老龄茶树。茶树叶片初展时，净光合速率很低，随叶片生长，净光合速率提高，叶片定型时，净光合速率最高，维持一段时期后，随叶片衰老，净光合速率下降。向阳叶比向阴叶光合能力高，上层叶比下层叶高。春叶在6～11月份光合速率较强，11月份以后下降，夏秋叶直至12月份光合速率仍较高，休眠期下降，翌年3～4月份又提高，随后逐渐降低。在新梢中，以成熟新梢（出现驻芽）中部叶片净光合速率为最高。

茶树光合作用对环境因子有一定的适宜范围，因不同品种、采摘和修剪等技术措施而有差异。①光强度：光是光合作用的能量来源。光与光合作用的关系存在着光饱和点和光补偿点。茶树单叶光饱和点低于茶树个体，茶树群体光饱和点最高。幼龄茶树光饱和点在夏秋季约0.5卡/厘米²·分，冬季为0.4卡/厘米²·分，光补偿点约0.003卡/厘米²·分。成龄茶树因生育期而有差异。各季新梢萌发生长初期，光饱和点为0.5卡/厘米²·分，随芽梢生长，光饱和点渐增至0.7卡/厘米²·分，至采摘前光饱和点达1卡/厘米²·分，采摘后，光饱和点降至0.5卡/厘米²·分，修剪后，光饱和点低，光补偿高。光质也影响茶树光合作用。以青绿光为最差。在红光下，光合产物以糖类较多，在蓝紫光下，其光合产物中氨基酸，蛋白质较多。②温度：温度影响光合作用的暗反应。阿萨姆大叶种叶温在20～35℃范围内，光合作用较强，叶温高于35℃时，净光合速率急剧下降，到39～42℃时，就没有净光合作用；中、小叶种茶树在气温10～35℃范围内，光合作用以20～35℃时较强，超过35℃，净光合速率反而下降。当光强度在04卡/厘米²·分以上时，幼龄茶树光合适宜的气温范围为20～28℃，成龄茶树为25～35℃，25～30℃为茶树光合最适温。增加CO₂浓度、提高光强，则光合最适温也提高。生长季节，茶树光合最适温高；冬季则低。③CO₂浓度：CO₂是光合作用原料之一。CO₂与光合作用的关系，既有CO₂饱和点，也有CO₂补偿点。在光照较强，水分和温度适宜时，只要茶树处于光合作用旺盛状态，空气中0.03%CO₂浓度常是光合作用的限制因素。增加CO₂浓度，光饱和点提高，光合最适温也提高，促进光合作用。但在弱光下，增加CO₂浓度和提高温度并不能提高光合作用。因为暗反应受到促进，光反应受到限制。茶树CO₂饱和点约为1300ppm，CO₂补偿点为60±4vpm。④矿质营养：营养元素直接或间接影响茶树光合作用。氮、镁、铁、锰等是叶绿素合成必需的，磷、钾参加糖代谢，磷参与光合作用中间产物的转变和能量传递，钾促进气孔张开。在氮、磷、钾三要素中，以氮对光合作用的促进效果最大。在氮肥中，又以铵态氮最优。⑤水分：水分是光合作用原料之一。茶树供水不足，光合作用降低。水分缺乏，气孔开度缩小，增加气孔阻力，限制CO₂进入气孔；叶肉淀粉水解加强，光合产物运输受阻，都会引起光合速率下降。灌溉可以提高茶树光合速率，增加茶叶产量，提高茶叶品质。各种环境因子对光合作用的影响是综合的，茶树光合日变化和季节变化受内外因素的综合影响。光合日变化有单峰曲线，也有双峰曲线（中午下降现象）以及中午前后出现极不规则的波动曲线。在一年中，3月份以后随气温上升，日照增强，光合速率逐月递增，以7～9月份光合速率为最高，冬季下降到光合速率最强季节的30%左右。