土壤肥力状况制约着每个农业作物的安全可持续发展,通过利用土壤肥力的变化特征可为土壤资源和合理施肥提供有效的科学依据[1]。作为世界三大饮料作物的咖啡,在中国的新兴特色农业中,扮演着举足轻重的地位。随着时代的不断演替与更新,土壤肥力随着土地的利用方式、施肥水平和管理措施不断发生变化,不同的海拔、土壤类型、气候和生物等因素,致使同一地区不同的区域土壤肥力状况存在较大差异。随着我国劳动力不断向城市转移,农村的剩余劳动力较为稀缺,咖啡的种植、采摘过程以及后期的加工处理都亟需劳动力。
我国从20世纪30年代就开始在全国进行第二次土壤普查,但与上次土壤普查已有30年之隔,目前海拔与土壤肥力的相关性研究已有诸多报道,取得丰富成果,地形、植被结构、温度、水分和光照等环境因子随着海拔的上升表现出一定的规律性,但由于研究的作物、区域差异,所得出的结论也不尽相同。焦润安等[2]对陇南白龙江流域油橄榄园土壤肥力研究指出土壤肥力总体呈现了随海拔升高而降低的趋势,华北山区海拔越低土壤有效磷含量越高[3],武夷山、庐山茶园和纳板河自然保护区土壤有机质含量随海拔高度升高而升高[4,5],薛沛沛等[6]对大岗山不同海拔毛竹林土壤肥力研究也指出海拔与土壤肥力呈正相关关系。云南省的普洱、临沧、德宏、保山、文山和怒江作为小粒咖啡的主产区,每个产区的海拔不一,随之的土壤肥力也各不相同。随着近年来我国对咖啡行业的不断重视,小粒咖啡的种植面积和产量不断上升,化肥施用量也随之升高,有机肥摄入量却不断萎缩,导致土壤理化性质不断发生改变,土壤质量降低。
本文通过对云南咖啡地土壤样品的测定、数据分析统计,明确小粒咖啡土壤肥力现状,并与全国第二次土壤普查的结果比较,得出土壤肥力的变化特征,为咖啡地合理施肥、促进土壤养分平衡提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
云南省西南部的普洱、临沧、怒江,西部的德宏、保山以及东南部的文山都属于云南的热区,同时是生产小粒咖啡的黄金地带,拥有着得天独厚的自然条件优势：位于北纬21~25°的亚热带气候,年均气温15~25 ℃,海拔500~2000 m（高海拔促进咖啡优良品质的形成）,年平均降雨量丰沛700~1800 m,雨热同期,日照充足（促进咖啡生长）,昼夜温差大（15~20 ℃,利于咖啡养分积累）,干湿分明（利于咖啡采收）,基本全年无霜（咖啡为喜热作物,不耐寒）,成为孕育优质咖啡的温床。普洱、临沧、德宏和保山并称云南小粒咖啡的四大核心主产区。截至目前,云南全省的小粒咖啡种植面积达11.8万hm2,年产量13.9万t。根据小粒咖啡主产区每个采样点的海拔高度,划分为3个海拔梯度,分别为低海拔（500~1000 m）地区、中海拔（1000~1500 m）地区和高海拔（>1500 m）地区。
1.2 土样采集与分析
表1 小粒咖啡不同海拔土壤采样点分布Tab. 1 Distribution of C. arabica soil samples in different altitude areas in Yunnan |
| 海拔 Altitude/m | 市、自治州 City | 县、区 County |
|---|---|---|
| 500~1000 | 临沧Lincang(13) | 沧源县Cangyuan(1),耿马县Gengma(1),临翔区Linxiang(2),双江县 Shuangjiang(2),永德县Yongde(4),镇康县Zhenkang(3) |
| 普洱Puer(33) | 景谷县Jinggu(9),澜沧县Lancang(6),孟连县Menglian(10),思茅区Simao(3), 西盟县Ximeng(5) | |
| 保山Baoshan(32) | 龙陵Longling(9),隆阳区Longyang(23) | |
| 怒江Nujiang(4) | 泸水县Lushui(4) | |
| 德宏Dehong(16) | 芒市Mangshi(5),盈江县Yinjiang(11) | |
| 1000~1500 | 临沧Lincang(116) | 沧源县Cangyuan(11),耿马县Gengma(11),临翔区Linxiang(6),双江县 Shuangjiang(10),永德县Yongde(18),云县Yunxian(39),镇康县Zhenkang(21) |
| 文山Wenshan(81) | 广南县Guangnan(21),麻栗坡Malipo(60) | |
| 普洱Puer(181) | 江城县Jiangcheng(11),景东县Jingdong(12),景谷县Jinggu(15),澜沧县 Lancang(18),孟连县Menglian(26),墨江县Mojiang(11),宁洱县Ninger(24), 思茅区Simao(33),西盟县Ximeng(19),镇沅县Zhenyuan(12) | |
| 保山Baoshan(62) | 龙陵Longling(27),隆阳区Longyang(35) | |
| 怒江Nujiang(20) | 泸水县Lushui(20) | |
| 德宏Dehong(90) | 芒市Mangshi(31),盈江县Yingjiang(59) | |
| >1500 | 普洱Puer(2) | 江城县Jiangcheng(1),墨江县Mojiang(1) |
| 临沧Lincang(27) | 临翔区Linxiang(4),永德县Yongde(14),云县Yunxian(9) | |
| 保山Baoshan(2) | 隆阳区Longyang(2) | |
| 文山Wenshan(3) | 麻栗坡Malipo(3) | |
| 德宏Dehong(2) | 盈江县Yingjiang(2) |
采用2.5:1水土比,pH计测定土壤pH;重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质（OM）;1.0 mol/L NaOH碱解扩散法测定土壤碱解氮（AN）;0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提-比色法测定土壤有效磷（AP）;1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾（AK）[8]。
1.3 数据分析
采用Excel软件和SPSS软件进行数据整理与分析。土壤养分分级按照全国第二次土壤普查[9]时指定的标准,利于二者间的分析比较。
2 结果与分析
2.1 土壤pH分析
图1 小粒咖啡不同海拔土壤pH的分布情况A：主产区;B：低海拔地区;C：中海拔地区;D：高海拔地区。 Fig. 1 Distribution of pH in C. arabica soils in different altitude regions in Yunnan A: Total regions; B: Low altitude regions; C: Middle altitude regions; D: High altitude regions. |
表2 小粒咖啡不同海拔土壤肥力的描述性统计Tab. 2 Descriptive statistics of nutrients contents in C. arabica soils in different altitude areas in Yunnan |
| 肥力指标 Fertility index | 统计项目 Statistical item | 海拔 Altitude/m | 主产区 Main production areas | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 500~1000 | 1000~1500 | >1500 | |||
| pH | 变幅 Range | 4.49~8.11 | 4.21~7.89 | 4.40~5.28 | 4.21~8.11 |
| 均值 Mean | 6.36a | 5.41b | 5.02c | 5.53 | |
| 变异系数 CV/% | 13.69 | 12.05 | 4.66 | 13.75 | |
| 样本数 No. of samples | 98 | 550 | 36 | 684 | |
| 有机质 Organic matter/(g·kg-1) | 变幅 Range | 6.95~64.92 | 4.32~79.63 | 12.12~65.60 | 4.32~79.63 |
| 均值 Mean | 28.47c | 32.96b | 39.94a | 32.68 | |
| 变异系数 CV/% | 54.56 | 51.14 | 40.10 | 51.30 | |
| 样本数 No. of samples | 98 | 550 | 36 | 684 | |
| 碱解氮 Alkalystic N/(mg·kg-1) | 变幅 Range | 62.2~276.49 | 9.90~286.62 | 59.43~160.13 | 9.90~286.62 |
| 均值 Mean | 129.98a | 128.98a | 123.41b | 128.77 | |
| 变异系数 CV/% | 34.07 | 34.76 | 22.87 | 34.15 | |
| 样本数 No. of samples | 98 | 550 | 36 | 684 | |
| 有效磷 Available P/(mg·kg-1) | 变幅 Range | 1.69~62.12 | 0.49~92.06 | 1.38~83.26 | 0.49~92.06 |
| 均值 Mean | 11.32c | 18.51b | 21.28a | 18.01 | |
| 变异系数 CV/% | 100.31 | 96.57 | 94.24 | 97.20 | |
| 样本数 No. of samples | 98 | 550 | 36 | 684 | |
| 速效钾 Availabe K/(mg·kg-1) | 变幅 Range | 50.43~245.24 | 43.34~317.49 | 52.91~183.86 | 43.34~317.49 |
| 均值 Mean | 129.64b | 140.30a | 131.53b | 138.31 | |
| 变异系数 CV/% | 28.93 | 29.12 | 22.27 | 28.94 | |
| 样本数 No. of samples | 98 | 550 | 36 | 684 | |
Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant difference between treatments (P<0.05). | |
注：同行不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。 |
2.2 土壤的有机质含量分析
2.3 土壤的碱解氮含量分析
土壤碱解氮含量作为农业活动中衡量氮肥施用量的主要指标,其高低反映出土壤的短期供氮能力及作物的养分吸收状况。云南咖啡主产区的土壤碱解氮含量为9.90~286.62 mg/kg,呈正态分布（图3A）,平均为128.77 mg/kg,变异系数为34.15%, 属中等变异（表2）。云南咖啡主产区的土壤碱解氮,极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富水平的分布频率分别为2.19%、2.19%、13.45%、23.39%、29.68%和29.09%,3个海拔范围内的碱解氮含量依次为：低海拔≈中海拔>高海拔,高海拔与中低海拔间差异显著,整体呈现出随着海拔的升高碱解氮量逐渐降低的趋势。中海拔地区的碱解氮变幅最大,为9.90~286.62 g/kg,与整个产区的变幅一致。
2.4 土壤的有效磷含量分析
土壤有效磷能定量反映土壤对作物的当季供磷能力高低,对指导科学施肥具有积极意义。云南咖啡主产区土壤有效磷含量为0.49~92.06 mg/kg,呈正态分布（图4A）,平均为18.01 mg/kg,变异系数为97.20%,是咖啡土壤肥力中变异系数最高的指标（表2）。云南咖啡主产区的土壤有效磷含量极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富的分布频率分别为14.33%、10.53%、15.94%、29.82%、18.71%和10.67%,3个海拔范围内的有效磷含量依次为：高海拔>中海拔>低海拔,三者之间存在显著差异,随着海拔的升高有效磷含量逐渐升高。中海拔地区的有效磷变幅最大为0.49~92.06 mg/kg,与整个产区的变幅一致。
2.5 土壤的速效钾含量分析
土壤的速效钾含量作为评价土壤对作物的当季供钾能力高低的重要指标,对指导农业生产活动中合理施用钾肥具有重要意义。云南咖啡主产区的土壤速效钾含量为43.34~317.49 mg/kg,呈正态分布（图5A）,平均为138.31 mg/kg,变异系数为28.94%,属较低变异（表2）。云南咖啡主产区的土壤速效钾含量极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富水平的分布频率分别为0.00%、0.29%、17.54%、46.49%、30.12%和5.56%,3个海拔范围内的速效钾含量依次为：中海拔>高海拔≈低海拔,中海拔与高低海拔间差异显著,随着海拔的升高速效钾含量先升高后降低。中海拔地区的速效钾变幅最大为43.34~317.49 mg/kg,与整个产区的变幅一致。
3 讨论
土壤酸碱度不仅影响土壤中的微生物活性,而且制约着土壤养分的形成、转化、吸收与利用,成为判别土壤肥力高低的主要指标之一[15]。30年内,土壤pH下降0.5个单位,主要原因是长期过量施用氮肥[16]。土壤酸化现象在高海拔地区比较显著,土壤过酸会影响咖啡对土壤养分的吸收与利用,阻碍根系生长,大量咖啡收获加速土壤矿物风化并过度消耗碱性矿物养分库,最终导致土壤pH不断降低[17]。可结合当地小气候特点进行相应的养分优化管理和种植调整[3],采用咖啡与橡胶、龙眼、牛油果、西番莲的复合种植模式,充分利用作物的空间分布特征。施用石灰石和生物炭混合改良剂、生物调理剂,土壤pH改善至5.0~5.5,土壤有机质、速效磷、碱解氮分别提高了25%~39%、38%~74%、7%~13%[18]。
土壤碱解氮是氮肥转化成作物可吸收利用的主要形式,其含量高低表征氮肥的丰缺和利用率状况。咖啡地的氮肥施用量匮乏,氮肥在分解过程中释放CO2和有机酸,CO2部分被植物吸收利用,部分溶解于土壤产生各种酸,加快土壤酸化进程,但促进难溶物质溶解,增加土壤的有效养分含量[15]。土壤有效磷缺乏导致植物的咖啡受到限制,过多则影响质量和品质的形成[20]。低海拔地区多为石灰性母质,所以磷养分贫瘠[15, 21]。小粒咖啡最适宜的氮磷钾配比为25:9:19,咖啡对肥料的需求量是氮肥最多,其次是钾肥,最少是磷肥。从生态友好型农业发展的角度看,土壤磷含量需要保持在既能保证咖啡的高产、稳产和优质,又能最大限度降低环境的污染破坏力[22]。土壤中的钾不会发生形态的转化,与易转化的氮和随雨水淋失易被土壤固定的磷不一致,因此能够真实反映咖啡地的施肥现状[15],可采用磷素衡量监控技术[23],提高磷肥的有效利用率。中、高海拔地区土壤质地较为黏重,土壤速效钾含量高[24]。咖啡对钾的需求量仅次于氮,但农民长期重施氮磷肥轻钾肥的习惯,导致消耗土壤中大量的钾素,同时得不到及时的补充。中国普遍存在钾肥缺乏现象,80%以上的钾素存于作物秸秆中,因此咖啡果皮、咖啡渣、修剪的枝干等发酵腐熟还田作为一种重要的速效钾资源,可有效增加土壤的有机质和速效养分含量[25,26]。因地制宜,坚持咖啡带走多少施用多少的原则,保证土壤养分的动态平衡。
4 结论
（1）目前小粒咖啡主产区的土壤pH平均为5.53,属酸性土壤;有机质平均含量为32.68 g/kg,属丰富水平;碱解氮平均含量为128.77 mg/kg,属丰富水平;有效磷平均含量为18.01 mg/kg,属中等水平;速效钾平均含量为138.31 mg/kg,属中等水平。
（2）土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量的主要分布范围为4.5~5.5、>40 g/kg、120~150 mg/kg、10~20 mg/kg和100~150 mg/kg,比例分别为55.12%、33.48%、29.68%、29.82%和46.49%;全国第二次土壤普查时的主要分布范围为5.5~6.5、>40 g/kg、>150 mg/kg、10~20 mg/kg和150~200 mg/kg,所占比例分别为44.91%、59.62%、58.14%、29.42%和62.23%。
（3）不同海拔高度比较,土壤pH和碱解氮含量表现为低海拔>中海拔>高海拔,有机质、有效磷含量表现为高海拔>中海拔>低海拔,速效钾含量表现为中海拔>高海拔≈低海拔地区。