保水剂和氮肥对小粒咖啡生长及水分利用的互作效应

耿宏焯　刘小刚　钟原　杨启良　施卫省

摘 要 小粒咖啡生产经常受到季节性干旱和土壤营养不足的制约。为探讨小粒咖啡节水抗旱和水肥资源高效利用模式，采用3个保水剂水平和3个施氮水平，研究了保水剂和氮肥对小粒咖啡苗木生长及水分利用的影响。结果表明：低氮、低保处理可以获得小粒咖啡苗木的最大生长量（株高、茎粗及叶面积）。和对照（无氮处理）相比，低氮可使干物质累积量提高24.10%，而高氮减少干物质累积11.95%。和无保水剂处理相比，低保水剂提高干物质累积11.53%，而高保水剂抑制干物质累积8.65%。此外氮肥和保水剂能不同程度地降低日蒸散量，提高水分利用效率；施氮和保水剂可分别提高小粒咖啡水分利用效率2.72%～35.37%和8.48%～20.24%。小粒咖啡氮素累积量随着施氮量增加先增后降。过高水平保水剂和氮肥都会对小粒咖啡的苗木生长产生明显的抑制作用，而低氮低保处理可同时提高干物质累积和水分利用效率。

关键词 保水剂；氮肥；交互效应；水分利用；小粒咖啡

中图分类号 S571.2 文献标识码 A

中国是亚洲地区咖啡的主产国之一，主产区在云南。云南生产的小粒咖啡以“浓而不苦，香而不烈，略带果酸味”闻名于世。云南小粒咖啡的生产区水热矛盾突出，季节性干旱频发，土壤退化且蓄水保肥差，产量和品质得不到保证[1-2]。研究小粒咖啡水肥资源高效利用具有重要的现实意义。

保水剂作为一种化学调控节水措施，在节水农业和生态环境恢复中得到了广泛应用。研究表明，保水剂在吸水膨胀的同时还可以吸持肥料，防止养分流失，起到保水保肥的作用；并且施用保水剂会明显的改变土壤的水肥条件，对作物生长、发育及水肥吸收利用产生明显影响[3-5]。保水剂作为节水农业有效的技术措施，已广泛应用于果树、花卉和主要粮食作物上[6-12]，而保水剂对小粒咖啡的节水效应等方面研究较少。氮素是小粒咖啡最主要的营养元素之一。蔡志全等[7]研究表明，氮的缺乏对小粒咖啡生长、光合特性和产量的影响最大，其次为钾，而磷的影响相对较小。国外学者利用15N标记的方法研究咖啡植株各部分对氮的吸收利用，从而评估氮肥农学利用效率。但这种方法由于取样手段、检测水平的限制，研究结果存在较大误差[13]。前人研究表明，保水剂和氮肥合理结合施用可以提高不同阶段马铃薯叶片的光合速率，增加花期生物积累量，延长茎叶生育期，提高马铃薯块茎的产量[14]，同时显著提高小麦的千粒重、产量及水分生产效率[15]。保水剂和氮肥的耦合效应研究集中在大田作物上，对林果研究较少。

本文通过研究不同保水剂和氮肥水平对小粒咖啡生长动态、干物质累积、氮素累积和水分利用效率的交互效应，以期为小粒咖啡苗木的节水抗旱和水氮资源高效利用提供实践参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2012年4月至11月在昆明理工大学现代农业工程学院智能温室内完成，温度为12～35 ℃，湿度为50%～85%，无遮荫。4 月12日将小粒咖啡苗木移栽至上底直径30 cm，下底直径22.5 cm，高30 cm 的生长盆中，盆底均匀分布着直径为1 cm 的5 个小孔以提供良好的通气条件。供试土壤为燥红壤土，田间持水量（θF）为24.3%，有机质质量分数为13.12 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷0.68 g/kg、全钾13.9 g/kg。每盆只栽1 株，桶中装土14 kg，装土前将其自然风干过5 mm 筛，其装土体积质量为1.2 g/cm3，移栽后浇水至田间持水量。土表面铺0.5 cm 厚的蛭石阻止因灌水导致土壤板结。保水剂为北京希涛技术开发有限公司提供，主要成分为丙烯酰胺。

1.2 试验设计

试验设保水剂和氮肥2因素，3个保水剂水平分别为0（无保）、1（低保）[3]和2 kg/m3（高保）。3个施氮水平分别为0 g N/kg风干土（无氮）、 0.2 g N/kg风干土（低氮）和0.40 g N/kg风干土（高氮），氮肥形式为尿素（分析纯）。共9个处理，每个处理3 次重复。保水剂、基肥（60%的氮肥）和磷酸二氢钾（分析纯，0.5 g/kg风干土）装土时均匀拌入，追肥（40%的氮肥）在5月26日溶入水中灌入。所有处理土壤含水率控制在（75%～90%）θF，当含水量降至或接近该处理水分下限即进行灌水，灌水至水分控制上限。称重法控制土壤水分含量。

1.3 测定项目

植株各器官生物量均于2012年11 月11日获取，保持105 ℃杀青30 min 后调温至80 ℃在烘箱中烘至恒质量，用天平测定干物质质量。6月4日开始测量株高、茎粗，大约1个月测定一次，共测定5次。株高、茎粗和叶面积分别采用毫米刻度尺、游标卡尺和直接称重换算法。蒸散量日变化采用称重法测定。水量平衡方程计算总耗水量。水分利用效率为总干物质质量和总耗水量的比值。植株样品经烘干、粉碎过筛后，用浓H2SO4法消煮，用凯氏法测定氮素含量[16]。氮素累积总量为植株各器官氮素含量与其干物质量的乘积之和。

1.4 数据分析及处理方法

采用Microsoft Excel 2003 软件处理数据和制图，用SAS 统计软件的ANOVA 和Duncan法（p=0.05）对数据进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 保水剂和氮肥对小粒咖啡苗木生长的交互作用

图1、2、3和4分别表示不同氮肥和保水剂对小粒咖啡株高、茎粗、叶面积和根冠比的影响。各指标仅对最后一次取样统计分析。结果表明，保水剂、施氮量对株高、茎粗和叶面积影响显著，保水剂和施氮量的交互作用对株高的影响显著，保水剂对根冠比影响显著（p<0.05）（表1）。

和无氮处理相比，低氮增加叶面积19.18%（图3），而对增加株高（图1）和茎粗（图2）不明显。而高氮降低株高、茎粗和叶面积分别为9.18%、5.01%和7.54%。和无保处理相比，低保增加株高、茎粗和叶面积分别为8.75%、7.69%和19.32%，高保降低株高、茎粗和叶面积分别为7.62%、6.65%和12.48%。和无氮无保处理（CK）相比，低氮高保、高氮无保和高氮高保分别抑制株高9.67%、8.77%和15.19%。其中低氮低保处理的株高最大，为对照（CK）处理的1.15倍。结果表明：氮肥和保水剂水平较低时促进小粒咖啡生长，而施氮量或保水剂过多，反而对生长有抑制作用。低氮低保组合能获得较大的株高、茎粗和叶面积。

统计分析表明（表1），保水剂对根冠比影响显著（p<0.05）。和无保处理相比，低保处理增加根冠比7.63%，而高保处理则降低根冠比不明显。其中低氮低保处理的根冠比最大，是其余处理的1.07～1.69倍。表明低保处理显著增加根冠比，有利于土壤水肥的吸收，这和低保处理的生长较旺和干物质累积最大（见2.3）相一致。

2.2 保水剂和氮肥对小粒咖啡苗木蒸散耗水的交互作用

不同处理的小粒咖啡蒸散量日变化如图5所示。其中8：00～10：00点的蒸散量最小，占日蒸散量的10.11%～13.73%；而14：00～16：00的蒸散量最大，占日蒸散量的25.82%～30.82%。统计表明（表1），保水剂和施氮量对日蒸散量影响显著（p<0.05），而其交互作用对其影响不显著（p>0.05）。和无氮处理相比，低氮和高氮减小日蒸散量15.47%和23.43%；和无保处理相比，低保和高保处理减小日蒸散量13.23%和23.75%。其中CK处理的日蒸散量最大，分别为低氮高保和高氮高保的1.57和1.59倍。结果也说明，施氮能够减少日蒸散量，达到了以肥调水，提高水分利用的效果；随着保水剂的增加，日蒸散量显著减少。可能主要有2个方面的原因：保水剂能促进团粒结构形成，降低土壤容重，提高持水率和水分利用效率，可明显抑制土壤表面的水分蒸发；高保处理明显抑制了小粒咖啡的生长，从而降低了生长耗水。低保处理不但能促进小粒咖啡的生长，也降低了蒸散耗水，有利于提高水分利用效率。

2.3 保水剂和氮肥对小粒咖啡苗木干物质累积和水分利用效率的交互作用

保水剂和施氮量对小粒咖啡总干物质量影响显著（p<0.05）（表1）。和无氮处理相比，低氮可提高总干物质量24.10%，高氮则减小总干物质量11.95%（图6）。和无保处理相比，低保提高总干物质量11.53%，而高保抑制总干物质量8.65%。和CK相比，除高氮高保、高氮无保和无氮高保处理的总干物质量有所减小外，其余处理的总干物质量都有不同程度的增加。其中低氮低保处理的总干物质量最大，分别是高氮高保、无氮高保处理的1.66和1.48倍。这表明高保处理不利于小粒咖啡的生长和干物质累积。

保水剂、施氮量及其交互作用对水分利用效率影响显著（p<0.05）（表1）。和无氮处理相比，低氮、高氮分别提高水分利用效率35.37%和2.72%（图6）；和无保相比，低保、高保分别提高水分利用效率20.24%和8.48%。和CK相比，其余处理的水分利用效率都有不同程度的提高，增幅为13.61%～77.54%，其中低氮低保处理的水分利用效率最高，为CK处理的1.78倍。结果表明：氮肥和保水剂都不同程度的提高了水分利用效率。

2.4 保水剂和氮肥对小粒咖啡苗木氮素累积的交互作用

施氮量对植株氮素累积影响显著（p<0.05）（表1）。和无氮处理相比，低氮、高氮分别提高氮素累积量的1.27和0.58倍（图7）。与CK相比，高氮高保、高氮低保、高氮无保、低氮高保、低氮低保、低氮无保、无氮高保和无氮低保分别增加氮素累积69.66%、89.09%、80.90%、152.71%、176.24%、146.92%、5.65%和35.41%。表明低氮低保处理不但能提高干物质累积，同时提高氮素累积。这说明低氮低保处理可能有利于提高氮素利用效率。

3 讨论

本研究结果表明，低保处理的小粒咖啡的生长量、干物质累积量及根冠比达到峰值。综合研究结果来看，低保处理能促进小粒咖啡的生长、干物质累积和根冠比，而高保处理可能会对植株生长产生不利的影响。前人在粮食作物上的多数研究也发现适宜的用量才能增产[17]，但也有玉米生物量与产量随保水剂用量增大而增加的报道[18]。这可能与保水剂类型与施用量、作物种类等有关。

高保处理对小粒咖啡生长和干物质积累起到明显地抑制作用。这可能是由于保水剂增加了土壤的毛管孔隙度，降低了燥红壤土中充满空气的孔隙度[19]，导致通气状况不良，根区呼吸和有机质分解减慢。而植株生长要求土壤有较好的通气条件。有研究表明，保水剂含量增加会明显提高喷播基质的总孔隙度和毛管孔隙度及其持水与供水能力。但随着保水剂含量增加，基质的非毛管孔隙度呈现下降趋势，尤其当保水剂含量超过0.3%以后会明显减小，从而会降低基质的透水和通气性能。因此，基质中保水剂的含量应控制在0.3%以下为宜[20]。本研究发现，当基质中的保水剂含量为2 kg/m3时，对小粒咖啡的生长产生明显抑制作用。保水剂的适宜用量估计还与基质及作物的生理特性有关。

研究表明，保水剂在大量吸水的同时，对肥料分子或者离子也有吸持作用。保水剂作为养分载体和调节器，在保持植物茁壮生长的同时，还能减少肥料损失[21]。本研究表明，适量单施氮肥或保水剂可以促进小粒咖啡的生长和水分利用效率的提高，而适量氮肥和保水剂配施更能促进生长和水分利用效率，氮肥和保水剂表现出较好的协同和叠加效应，这与孟晓瑜等[22]的研究结果基本一致。本试验结果表明，低氮低保处理不但能够促进小粒咖啡的生长、干物质累积和植株氮素累积，还能够获得最大的水分利用效率。而高氮高保处理中，氮肥和保水剂表现出拮抗作用。

4 结论

低氮、低保处理能使小粒咖啡苗木的生长量达到最大。低氮和低保分别提高总干物质量24.10%和11.53%，而高氮和高保分别降低总干物质量11.95%和8.65%。氮肥和保水剂能不同程度提高水分利用效率。施用保水剂提高水分利用效率8.48%～20.24%。植株氮素累积量随着施氮量先增后减。从促进小粒咖啡生长和水氮资源高效利用的角度考虑，低氮低保处理为最优试验组合。

参考文献

[1] Xiong Donghong， Yan Dongchun， Long Yi， et al. Simulation of morphological development of soil cracks in Yuanmou Dry-hot Valley region， Southwest[J]. China Chinese Geographical Science， 2010， 20（2）： 112-122.

[2] 蔡传涛， 蔡志全， 解继武， 等. 田间不同水肥管理下小粒咖啡的生长和光合特性[J]. 应用生态学报， 2004， 15（7）： 1 207-1 212.

[3] 黄占斌， 吴雪萍， 方 峰， 等. 干湿变化和保水剂对植物生长和水分利用效率的影响[J]. 应用与环境生物学报， 2002， 8（6）： 600-604.

[4] Islam M R， Mao Sishuai， Xue Xuzhang， et al. A lysimeter study of nitrate leaching， optimum fertilization rate and growth responses of corn（Zea mays L.）following soil amendment with water-saving super-absorbent polymer[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture， 2011， 91（11）： 1 990-1 997.

[5] 毛思帅， Robiul Islam M， 薛绪掌， 等. 保水剂和负压供水对玉米生理生长及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报， 2011， 27（7）： 82-88.

[6] 李海燕， 张 芮， 王福霞. 保水剂对注水播种玉米土壤水分运移及水分生产效率的影响[J]. 农业工程学报， 2011， 27（3）： 37-42.

[7] 蔡志全， 蔡传涛， 齐 欣， 等. 施肥对小粒咖啡生长、光合特性和产量的影响[J]. 应用生态学报， 2004， 15（9）： 1 561-1 564.

[8] 吴 娜， 赵宝平， 曾昭海， 等. 两种灌溉方式下保水剂用量对裸燕麦产量和品质的影响[J]. 作物学报， 2009， 35（8）： 1 552-1 557.

[9] 白文波， 王春艳， 李茂松， 等. 不同灌溉条件下保水剂对新疆棉花生长及产量的影响[J]. 农业工程学报， 2010， 26（10）： 69-76.

[10] 汪 勇， 汪 星， 汪有科， 等. 滴灌条件下不同保水剂在枣林坡地的应用效果研究[J]. 干旱地区农业研究， 2009， 27（3）： 78-83.

[11] 韩玉国， 杨培岭， 任树梅， 等. 保水剂对苹果节水及灌溉制度的影响研究[J]. 农业工程学报， 2006， 22（9）： 70-73.

[12] El-Hady O A， Wanas S A. Water and fertilizer use efficiency by cucumber grown under stress on sandy soil treated with acrylamide hydrogels[J]. Journal of Applied Sciences Research， 2006， 2（12）： 1 293-1 297.

[13] Tatiele A， Klaus R， Osny O， et al. The 15N isotope to evaluate fertilizer nitrogen absorption efficiency by the coffee plant[J]. Annals of the Brazilian Academy of Sciences， 2007， 79（4）： 767-776.

[14] 俞满源， 黄占斌， 方 锋， 等. 保水剂、 氮肥及其交互作用对马铃薯生长和产量的效应[J]. 干旱地区农业研究， 2003， 21（3）： 15-19.

[15] 杨永辉， 吴普特， 武继承， 等. 冬小麦光合特征及叶绿素含量对保水剂和氮肥的响[J]. 应用生态学报， 201， 22（1）： 79-85.

[16] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京： 中国农业出版社， 2000.

[17] 黄占斌， 张国桢， 李秧秧， 等. 保水剂特性测定及其在农业中的应用[J]. 农业工程学报， 2002， 18（1）： 22-26.

[18] 刘世亮， 寇太记， 介晓磊， 等. 保水剂对玉米生长和土壤养分转化供应的影响研究[J]. 河南农业大学学报， 2005， 39（2）： 140-145.

[19] Jafarzadeh S， Eghbal M， Jalalian A. Biological and mechanical stabilization of sand dunes using super-absorbent polymers and clay mulch in Ardestan area（Isfahan）[C]. Proceedings of International Conference on Human Impacts on Soil Quality Attributes， Isfahan， I. R. Iran： 2005（9）： 12-16.

[20] 王 丽， 张金池， 张小庆， 等. 土壤保水剂含量对喷播基质物理性质及抗冲性能的影响[J]. 水土保持学报， 2010， 24（2）： 79-82.

[21] 寇太记， 张雅莉， 马继红， 等. 保水剂施用对丹参物质形成与养分利用的影响[J]. 水土保持学报， 2011， 25（6）： 64-67.

[22] 孟晓瑜， 王朝辉， 李富翠， 等. 底墒和施氮量对渭北旱塬冬小麦产量与水分利用的影响[J]. 应用生态学报， 2012， 23（2）： 369-375.