咖啡果皮不同堆沤处理养分含量及其对咖啡植株生长的影响

赵青云; 普浩杰; 王秋晶; 董云萍; 林兴军; 孙燕; 龙宇宙

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.001

热带作物学报 >

2020 , Vol. 41 >Issue 4: 633 - 639

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.001

作物栽培与营养、遗传育种

咖啡果皮不同堆沤处理养分含量及其对咖啡植株生长的影响

赵青云 ¹^,² ,
普浩杰 ³ ,
王秋晶 ³ ,
董云萍 ¹^,² ,
林兴军 ¹^,² ,
孙燕 ¹^,² ,
龙宇宙 ^,¹^,²^,^*

展开

1. 中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571533
2. 海南省热带香辛饮料遗传改良与品质调控重点实验室,海南万宁 571533
3. 云南农业大学热带作物学院,云南普洱 665000

* 龙宇宙,E-mail： lyzh28007@163.com。

赵青云（1983—）,女,博士,副研究员,研究方向：土壤微生物与肥料。

收稿日期: 2019-08-01

要求修回日期: 2019-08-21

网络出版日期: 2020-05-09

基金资助

中国热带农业科学院基本科研业务费专项(1630142017002)

国家重点研发计划项目(2018YFD0201108-1)

版权

收起

Nutrient Content of Coffee Peel with Different Composting Treatments and Its Effects on Coffee Plant Growth

ZHAO Qingyun ¹^,² ,
PU Haojie ³ ,
WANG Qiujing ³ ,
DONG Yunping ¹^,² ,
LIN Xingjun ¹^,² ,
SUN Yan ¹^,² ,
LONG Yuzhou ^,¹^,²^,^*

Expand

1. Spice and Beverage Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wanning, Hainan 571533, China
2. Hainan Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical Spice and Beverage Crops, Wanning, Hainan 571533, China
3. Tropical Crops College, Yunnan Agricultural University, Pu'er, Yunnan 665000, China

* LONG Yuzhou,E-mail： lyzh28007@163.com。

Received date: 2019-08-01

Request revised date: 2019-08-21

Online published: 2020-05-09

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

Fold

摘要

咖啡果皮中矿质养分含量较高,可作为潜在的有机肥源用于农业生产,但果皮直接还田会抑制咖啡幼苗生长,需腐熟后还田。本研究设置咖啡果皮、咖啡果皮添加纤维素酶和果胶酶、粉碎咖啡果皮、粉碎咖啡果皮添加纤维素酶和果胶酶4个堆沤处理,研究不同堆沤处理的养分含量及对咖啡植株生长的影响,以期为果皮的肥料化利用提供依据。室内检测试验结果表明：咖啡果皮粉碎或粉碎后添加纤维素酶和果胶酶堆沤处理对果皮养分含量无显著影响,但果皮粉碎后添加酶的处理有机质含量与果皮直接堆沤腐熟相比下降7.90%。温室盆栽试验显示：施用不同堆沤腐熟处理后的咖啡果皮均可显著促进咖啡幼苗生长,提高叶片光合速率、叶绿素含量和氮平衡指数,但促生效果有差异。与对照相比,施用腐熟果皮添加纤维素酶和果胶酶的处理,植株生物量、叶片光合速率、叶绿素含量及氮平衡指数分别增加了50%以上,促生效果最好。因此,建议生产上采用果皮粉碎后添加一定比例的纤维素酶和果胶酶堆沤,以利于作物生长。

关键词： 咖啡果皮; 纤维素酶; 果胶酶; 堆肥; 咖啡生长

本文引用格式

赵青云 , 普浩杰 , 王秋晶 , 董云萍 , 林兴军 , 孙燕 , 龙宇宙 . 咖啡果皮不同堆沤处理养分含量及其对咖啡植株生长的影响[J]. 热带作物学报, 2020 , 41(4) : 633 -639 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.001

Abstract

Coffee peel can be used as a potential organic fertilizer source for agricultural production, but the application of the coffee peel not rotten can inhibit the growth of coffee seedlings. Coffee peel and shattered coffee peel rotten with nothing or cellulase and pectinase were carried out to investigate the effects of different treatments on the coffee peel nutrient content and plant growth, and to provide basis for coffee peel fertilizer utilization. The results of laboratory tests showed that there was no significant difference on the nutrient content of coffee peel among the treatments, whereas the organic matter in the shattered coffee peel treated with cellulase and pectinase decreased by 7.90% compared with the coffee peel treated with no enzymes. Greenhouse pot experiments showed that the application of well-rotten coffee peel could significantly promote the growth of coffee seedlings, increase the leaf photosynthetic rate, chlorophyll content and nitrogen balance index. The application of shattered coffee peel treated with cellulase and pectinase increased the biomass production of coffee plant, leaf photosynthetic rate, chlorophyll content and nitrogen balance index over 50% compared with the control. Conclusively, shattered coffee peel treated with cellulase and pectinase was suggested to be used to promote the growth of coffee plants.

Key words： coffee peel; cellulase; pectinase; compost; growth of coffee plant

咖啡属于茜草科（Rubiaceae）咖啡属（Coffea）多年生常绿灌木或小乔木。咖啡、茶、可可为世界3大饮料,咖啡的产量、经济价值和消费量均居世界3大饮料之首^[1]。在我国云南、海南、广东和广西等热带亚热带地区广泛种植。随着人们生活水平的提高,对咖啡的消费量也逐年增加,已成为边疆地区农民脱贫增收的主要经济来源之一。

我国咖啡种植面积超过12万hm²,咖啡生豆产量达17万t^[2],咖啡鲜果加工过程中会产生20多万吨的果皮。咖啡鲜果由果皮、果胶、种壳、种皮（也称银皮）和种子构成,在加工过程中会产生果皮、种壳等副产物。其副产物富含粗纤维、粗蛋白和各种矿物质成分^[3]。Santos等^[4]研究表明,咖啡果皮可用作覆盖在土壤表面的覆盖物,从而起到抑制杂草生长的作用。李逢雨等^[5]研究表明,秸秆中含有供作物生长的氮、磷、钾、硫、钙、镁等营养元素。咖啡果皮中氮、磷、钾、镁和钙等养分含量较高,可作为一种潜在的肥料归还土壤^[6,7,8,9,10]。部分农户将加工后的副产物直接丢弃,造成资源浪费和环境污染^[11];另外一些农户或企业将加工副产物直接还田,导致土壤pH降低,影响咖啡幼苗生长^[12]。目前,国内外关于作物秸秆肥料化利用的报道较多,但鲜有咖啡果皮肥料化利用的文献报道。黄婷苗等^[13]研究表明,在同一氮水平下,秸秆还田会使小麦粒数增加,是提高产量的重要原因。徐智等^[14]研究指出,施用西番莲果渣有机肥能够有效促进西番莲的纵向和横向径生长,促进西番莲果实生长发育,提高西番莲产量。陈向明^[15]研究表明,适宜浓度的山核桃外果皮醌溶液可以减轻光合作用的光抑制,缩短光合作用的午休时间,修复光损伤的叶绿素,较好地改善液泡,提高光合效率。

本研究拟通过研究不同堆沤处理对咖啡果皮养分含量及施用堆沤腐熟咖啡果皮对咖啡植株生物量及生理指标等的影响,明确咖啡果皮堆沤腐熟对养分含量及施用腐熟咖啡果皮对咖啡植株生长的影响,以期为果皮的肥料化利用提供前期参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试咖啡果皮：取咖啡鲜果初加工后的果皮,部分粉碎,部分不粉碎,湿度调节至50%~55%,设置粉碎果皮、未粉碎果皮、粉碎果皮+纤维素酶+果胶酶、未粉碎果皮+纤维素酶+果胶酶共4个不同的堆沤处理,置于阴凉处堆沤至腐熟备用。

供试咖啡品种为罗布斯塔中粒种咖啡（Coffea canephora Pierre）,咖啡种子经40 ℃清水浸泡24 h^[16],再使用50%的多菌灵可湿性粉剂稀释500倍液浸泡30 min,播种于多菌灵消毒处理过的沙床上,待长出2片真叶时挑选长势一致的幼苗备用。

1.2 方法

1.2.1 试验设计供试土壤为沙壤土,采自未种植过咖啡的次生林,养分含量为：全氮0.59 g/kg、速效磷21.00 mg/kg、速效钾52.19 mg/kg、有机质17.43 g/kg、pH 6.5。试验共设5个处理：（1）对照（空白,不施用咖啡果皮）;（2）果皮（施用未粉碎的腐熟咖啡果皮）;（3）粉碎果皮（施用粉碎的腐熟咖啡果皮）;（4）粉碎果皮+酶（施用经纤维素酶和果胶酶分解腐熟后的粉碎咖啡果皮）;（5）果皮+酶（施用经纤维素酶和果胶酶分解腐熟后的未粉碎咖啡果皮）。每处理重复10盆,每盆装土3 kg,果皮施用量为土壤的5%（质量比）,即150 g/盆。每盆栽种1株长势一致的咖啡幼苗,置于温室大棚。根据气温和土壤湿度情况,每天适当浇水。本盆栽试验于2018年3—9月在中国热带农业科学院香料饮料研究所温室大棚内进行,整个试验周期内不施用其他肥料。

1.2.2 测定指标及方法（1）咖啡果皮养分含量测定。咖啡果皮有机质、全氮、速效磷、速效钾、钙、镁、铁、锰、铜、锌含量分别采用重铬酸钾加热法、火焰燃烧法、紫外可见分光光度计法、火焰分光光度计法和原子吸收分光光度计法等测定^[17]。

（2）咖啡植株生物量及根系生长参数测定。将移栽6个月的咖啡幼苗盆钵轻轻倒扣,用自来水清洗根系。植株带回实验室用吸水纸擦干。剪取根系,分别测定植株地上部、地下部鲜重。用EPSON V700根系扫描仪扫描根系,WINRhizo软件分析根系生长参数。地上部和地下部分别装入牛皮纸袋中,置于烘箱,105 ℃杀青30 min,然后75 ℃烘至恒重,测定干重。

（3）植株生理指标测定。用Li-6400便携式光合仪测定咖啡植株叶片光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度,叶绿素仪测定植株叶片叶绿素含量,氮平衡仪测定植株叶片氮平衡指数。

1.3 数据处理

数据采用SPSS软件（SPSS 20.0）进行ANOVA方差分析和多重比较（LSD,P≤0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同堆沤处理对咖啡果皮养分含量的影响

从表1可看出,不同堆沤处理对咖啡果皮全氮、速效钾、钙、镁、锰等养分含量无显著性影响。添加纤维素酶和果胶酶堆沤的处理,咖啡果皮有机质含量低于不加酶的处理。果皮直接堆沤与粉碎后堆沤相比,除微量元素铁、铜、锌,其他养分含量均无显著性变化。

表1 不同堆沤处理下咖啡果皮养分含量

Tab. 1 Coffee peel nutrient content under different treatments

养分含量 Nutrient contents	粉碎果皮+酶 Shattered coffee peel rotted with enzymes	果皮 Coffee peel	粉碎果皮 Shattered coffee peel	果皮+酶 Coffee peel rotted with enzymes
有机质/%	85.23±3.37^b	92.54±4.82^a	90.66±3.98^a	86.47±4.91^ab
全氮/(mg·g^-1)	15.17±0.26^a	15.15±1.44^a	14.75±0.50^a	13.31±0.98^a
速效磷/(mg·g^-1)	4.18±0.30^b	4.77±0.37^a	4.80±0.30^a	4.07±0.15^b
速效钾/(mg·g^-1)	46.45±4.62^a	49.99±4.16^a	47.57±2.98^a	46.43±5.41^a
钙/(mg·g^-1)	10.32±0.73^a	11.92±1.37^a	10.66±0.66^a	9.45±0.81^a
镁/(mg·g^-1)	10.70±1.00^a	10.55±1.83^a	9.93±0.45^a	10.85±0.66^a
锰/(mg·g^-1)	0.90±0.14^a	0.87±0.07^a	0.98±0.01^a	1.07±0.29^a
铜/(mg·g^-1)	0.136±0.007^a	0.129±0.001^b	0.135±0.003^a	0.107±0.009^c
锌/(mg·g^-1)	0.230±0.008^a	0.190±0.004^b	0.250±0.016^a	0.220±0.027^a
铁/(mg·g^-1)	9.10±0.28^b	9.46±0.08^a	8.96±0.15^b	8.95±0.42^b

Note: Shattered coffee peel treated with enzymes: Shattered coffee peel with cellulase and pectinase; Coffee peel: Coffee peel without enzymes; Shattered coffee peel: Shattered coffee peel without enzymes; Coffee peel with enzymes: Coffee peel with cellulase and pectinase. Data were expressed as mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).

注：粉碎果皮+酶：果皮粉碎后添加纤维素酶和果胶酶堆沤腐熟;果皮：果皮直接堆沤腐熟;粉碎果皮：果皮粉碎后直接堆沤腐熟;果皮+酶：果皮添加纤维素酶和果胶酶堆沤腐熟。图中数据为3个重复的平均值±标准偏差,不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

2.2 施用堆沤腐熟果皮对咖啡植株生物量的影响

由图1可知,施用经不同处理后的咖啡果皮均可显著促进咖啡植株生长。施用果皮、果皮+酶、粉碎果皮、粉碎果皮+酶的处理,咖啡植株地上部鲜重分别是对照的2.2、2.5、2.6和2.7倍。地上部鲜重和干重呈相似的趋势。施用腐熟果皮的处理,植株根系鲜重与对照相比增加0.8~2.6倍,根系干重增加0.5~2.5倍。其中,施用粉碎果皮+酶的处理,咖啡植株地上部鲜重、干重,地下部鲜重、干重分别比对照增加了1.8、2.0、1.6和1.5倍,对咖啡植株的促生效果最好。

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图1 施用不同腐熟咖啡果皮下的咖啡植株生物量

对照：不施用果皮;粉碎果皮+酶：施用5%经纤维素酶和果胶酶分解腐熟后的粉碎果皮;果皮：施用5%腐熟果皮;粉碎果皮：施用5%腐熟的粉碎果皮;果皮+酶：施用5%经纤维素酶和果胶酶分解腐熟的果皮。不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

Fig. 1 Coffee plant biomass production under different treatments

CK: Soil untreated; Shattered coffee peel rotted with enzymes: Application of 5% shattered coffee peel with cellulase and pectinase; Coffee peel: Application of 5% treated coffee peel; Shattered coffee peel: Application of 5% treated shattered coffee peel; Coffee peel rotted with enzymes: Application of 5% coffee peel treated with cellulase and pectinase. Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).

2.3 施用堆沤腐熟咖啡果皮对咖啡植株根系生长参数的影响

由图2A可看出,施用粉碎果皮+酶处理的总根长显著高于其他处理,果皮、粉碎果皮、果皮+酶3个处理的总根长呈逐级递增趋势,且均显著高于对照处理。施用粉碎果皮+酶、果皮、粉碎果皮、果皮+酶的咖啡苗总根长分别是对照的3.0、1.8、2.0和2.2倍。施用粉碎果皮+酶的处理根系表面积显著高于其他处理,粉碎果皮、果皮+酶2个处理的根系表面积差异不显著,但均显著高于对照和添加果皮处理（图2B）。由图2C表明,对照处理的根系直径最长,处理粉碎果皮+酶与果皮不显著。处理粉碎果皮与果皮+酶也不显著,但均显著大于粉碎果皮+酶和果皮的处理。由图2D可看出,施用粉碎果皮+酶的咖啡根系总体积最大,与粉碎果皮+酶处理相比,对照、果皮、粉碎果皮、果皮+酶分别降低了53.5%、42.9%、24.5%、17.5%。由此可见,施用5%粉碎咖啡果皮+酶的处理,总根长、根系表面积和总体积最大,根系直径最小,须根最多。

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图2 施用不同腐熟咖啡果皮下的咖啡植株根系生长参数

Fig. 2 Root growth parameters of coffee plant under different treatments

CK: Control (soil untreated); Shattered coffee peel rotted with enzymes: Application of 5% shattered coffee peel with cellulase and pectinase; Coffee peel: Application of 5% treated coffee peel; Shattered coffee peel: Application of 5% treated shattered coffee peel; Coffee peel rotted with enzymes: Application of 5% coffee peel treated with cellulase and pectinase. Different lowercase letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).

2.4 施用果皮对咖啡植株光合特性的影响

由图3A表明,施用不同堆沤处理后的果皮均可提高咖啡植株叶片光合速率,与对照相比,施用粉碎果皮+酶、果皮、粉碎果皮、果皮+酶的处理植株叶片光合速率分别增加50.01%、23.73%、34.95%、36.06%。对照处理的植株叶片气孔导度明显高于施用不同咖啡果皮的处理（图3B）。由图3C、3D可看出,施用果皮及粉碎果皮的处理,咖啡植株叶片胞间CO₂浓度和蒸腾速率无显著差异,但均低于其他处理。

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图3 施用不同腐熟咖啡果皮下的咖啡植株光合特性

Fig. 3 Photosynthetic characteristics of coffee plant under different treatments

2.5 施用果皮对咖啡植株叶片叶绿素含量和氮平衡指数的影响

施用不同堆沤处理后的果皮均可显著增加咖啡植株叶片叶绿素含量和氮平衡指数,其中施用粉碎果皮+酶的处理叶绿素含量和氮平衡指数最高,施用粉碎果皮、果皮及果皮+酶的处理间的差异不显著（图4）。与对照相比,施用不同堆沤处理后的果皮咖啡叶绿素含量增加0.49~0.80倍,氮平衡指数增加1.12~1.72倍。

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图4 施用不同腐熟咖啡果皮下的咖啡叶片叶绿素含量和氮平衡指数

Fig. 4 Chlorophyll content and nitrogen balance index of coffee plants under different treatments

3 讨论

3.1 不同堆沤处理对咖啡果皮养分含量的影响

本研究结果表明,咖啡果皮养分含量较高,不同堆沤处理对咖啡果皮全氮、速效钾、钙等矿质养分含量无显著影响。添加纤维素酶和果胶酶堆沤处理后有机质含量虽有降低,但仍达85%以上。全氮、速效钾含量分别在1.33%~1.52%和4.64%~5.00%之间,钙、镁、铁含量在0.90%~ 1.10%。其表明咖啡果皮经堆沤处理后对有机质及矿质养分含量影响较小,咖啡果皮可作为一种理想的有机肥源,经过堆沤腐熟后归还土壤。

3.2 施用咖啡果皮对咖啡植株生物量的影响

施用未经腐熟的咖啡果皮量超过5%会抑制咖啡幼苗的生长发育,降低土壤的pH,但会增加土壤中碱解氮、速效磷、速效钾等养分含量^[12]。本研究结果显示,施用经不同堆沤处理后的咖啡果皮对咖啡植株幼苗地下部、地上部生长均具有显著的促进作用,其可能是因为咖啡果皮堆沤后果皮中含有的对植物生长有抑制作用的酚类、黄酮类和咖啡因等自毒物质^[18]被微生物分解所致。另外,施用不同堆沤处理后的咖啡果皮对植株促生效果不同,以果皮粉碎后加纤维素酶和果胶酶的堆沤处理咖啡植株鲜、干重,总根长、根系表面积及根系总体积最大,但根系直径最小,其原因可能是粉碎果皮经纤维素酶和果胶酶分解后,减少了果胶等不利于植株生长的成分含量,增加了须根生长量。

3.3 施用咖啡果皮对咖啡植株生理指标的影响

植株生理特性是衡量植物生长发育状况的重要指标之一。光合作用是通过植物中的叶绿素来吸收阳光的能量,同化二氧化碳和水,释放氧气并形成有机物的过程^[19],同时也是形成干物质的主要途径。光照的强度会影响到植物光合作用的强弱,光合作用的强弱会影响到有机物的积累,因此,光照对植物生产力起着重要的决定性作用。叶绿素含量的多少也能反映植物光合作用能力的强弱。氮平衡指数也是反映植物长势的重要指标,可用来评估叶片氮素营养状况。国靖等^[20]研究指出,氮、磷、钾同施能够使土壤元素含量更均衡,促进银杏对营养元素的吸收,提高叶片光合作用效能。郑小琴等^[21]研究结果显示,配方施肥可显著提高薄壳山核桃叶片叶绿素含量以及光合作用能力。本研究中,施用不同堆沤处理后的果皮,咖啡植株光合速率、叶绿素含量和氮平衡指数表现出相似的变化趋势,与对照相比均显著增加,且以果皮粉碎添加纤维素酶和果胶酶堆沤的处理最高。其说明施用该处理的咖啡果皮可改善土壤养分状况,利于咖啡植株光合作用和物质累积,促进植物生长发育。

综上,咖啡果皮矿质养分含量丰富,经不同方式堆沤腐熟处理后对养分含量影响较小。施用堆沤腐熟的咖啡果皮可显著提高咖啡植株生物量,促进根系生长,增强叶片光合作用、叶绿素含量及氮平衡指数。腐熟的咖啡果皮可应用于咖啡种植生产中,以减少化肥施用量,促进咖啡的绿色高效种植。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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