基于根区土壤质量指数优化小粒种咖啡滴灌施肥方案

孙文艳，刘小刚，张文慧，李慧永，吴 朗，杨启良，熊国美

(昆明理工大学 食品科学与工程学院，云南 昆明 650500)

我国是亚洲咖啡的主产国之一，但水肥管理较为粗放，不仅导致水肥利用效率低下，还引发土壤营养失衡，破坏植物根系生长的微生态环境；因此，寻求可改善根系生长环境的水肥管理模式是我国咖啡生产上亟待解决的问题之一。

土壤养分是植物根系营养物质的来源，是土壤肥力的内部表征。微生物通过繁殖代谢形成各种菌落，完成对复杂有机物质的分解与矿化，是土壤物质循环的主要参与者。酶作为土壤生化反应过程的催化剂，活性高低直接影响能量转化的快慢，是衡量土壤质量的重要指标之一。其中，过氧化氢酶是一种氧化还原酶，可促进过氧化氢的分解，降低其对土壤的危害；磷酸酶通过裂解含磷有机物中的磷盐键，可加快有机物的矿化，提高土壤有机磷的生物有效性；脲酶是广泛存在于土壤中的一种水解类酶，可水解尿素，从而提高尿素的氮肥利用率。研究发现，土壤养分、微生物、酶在根系物质循环中的参与能力受外界水肥条件影响较大。水肥施用对土壤微生物和酶活的影响与水肥施用方式和施用量有关。与常规灌溉施肥相比，水肥一体化技术可保证肥料分布在土壤湿润体中，随水运移至根区土壤，减少养分的浪费。滴灌施肥通过控制水肥用量，改变肥液浓度，调整水肥扩散距离，可促进根区养分的补给和水肥的高效利用。与撒施相比，滴灌施肥可以保持良好的土壤水气状况，更有利于土壤微生物活动。研究发现，在番茄生产中，覆膜滴灌较常规滴灌更能降低水分迁移速率，增加表层土壤中的根长密度，增强土壤-根系的交互作用，提高土壤脲酶和磷酸酶活性。

前人关于滴灌施肥对咖啡生长影响的研究较多，但涉及其对咖啡种植土壤环境影响的报道较少。基于此，特设置不同的滴灌施肥处理，研究水肥一体模式对小粒种咖啡()土壤养分、微生物数量、酶活性的调控效应，及对土壤质量的综合影响，以期找到最有利于改善小粒种咖啡根系土壤状况的滴灌施肥方案，为小粒种咖啡的高效生态种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2017年2月—2018年12月在昆明理工大学农业与食品学院智能控制温室进行。温室内的种植槽长10 m，宽0.6 m，深0.8 m，间距0.8 m，底部铺设塑料薄膜，以防止外部水分渗透。温室内温度为12～35 ℃，相对湿度为50%～85%。

供试土壤为红褐土，土壤有机质含量5.05 g·kg，全氮含量0.87 g·kg，全磷含量0.68 g·kg，全钾含量13.9 g·kg，硝态氮含量57.5 mg·kg，速效磷含量12.6 mg·kg，速效钾含量85.5 mg·kg。

于2017-02-13选择长势一致的4 a生小粒种咖啡(卡蒂姆P7963)移栽于土槽中，每条土槽种植9株，共种植27株，株距1.0 m，行距0.8 m。采用地表滴灌施肥方式，在每棵咖啡树的根部附近毛管上安装1个压力补偿式滴头，单个滴头的流量为2 L·h，滴头距树基部两侧0.2 m，间距与树距相同。

1.2 试验方案

试验采用2因素3水平的完全组合设计，共9个处理。每个处理设置3个重复。供试2因素分别为灌水量和施肥量。设置的3个灌水量水平分别为1.2E(记为W)、1.0E(记为W)、0.8E(记为W)，其中，Ep为由内径20 cm蒸发皿测得的水面蒸发量。这3个灌水量处理均于2017-05-22开始灌水，之后每隔7 d灌水1次，至2018-09-12最后一次灌水结束，各处理所对应的单株总灌水量分别为190.63 L(W)、158.86 L(W)、132.90 L(W)。分别于2017-05-22、2017-09-06、2017-12-20、2018-02-29、2018-05-30、2018-08-15等量施入水溶肥(N、PO、KO各20%)，试验期间3个施肥量处理的单株总施肥量分别为190.8 g(F)、127.2 g(F)、63.6 g(F)。

1.3 指标测定

分别于2018-03-29、2018-06-30、2018-09-15进行取样分析。在距离咖啡树干10 cm处，用土钻取0～40 cm(每10 cm为一层)剖面土样用于土壤养分测定；另取0～15 cm剖面土样用于土壤微生物数量和土壤酶活性的测定。其中，土壤养分含量取4层土壤剖面测定值的平均值表征。

将取好的土样过2 mm筛，备用。用分光光度法测定土壤硝态氮含量，用钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，用火焰光度计法测定土壤速效钾含量。土壤细菌、真菌、放线菌数量分别采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏-孟加拉红培养基和改良高氏一号合成培养基测定。土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2016软件整理数据。用SPSS 25.0软件进行相关分析和方差分析(ANOVA)，对有显著(<0.05)差异的，采用Duncan法进行多重比较。用Origin 2019b软件制图，

土壤质量指数(SQI)采用隶属函数结合因子分析的方法测算。首先，对选取的各项指标进行标准化处理，并计算其隶属函数值；然后，利用SPSS 25.0软件对各指标进行因子分析，求得各指标的公因子方差(表征该指标对土壤质量的贡献)，计算出各项指标的权重；最后，将相应指标的隶属函数值与权重相乘后加总，计算出相应的SQI。

2 结果与分析

2.1 不同处理对咖啡根区土壤养分的影响

方差分析结果显示，施肥量和灌水量对各时段根区土壤的养分含量均有极显著(<0.01)影响，其交互作用对各时段的土壤硝态氮、速效钾含量影响极显著(<0.01)，对6月份的土壤有效磷含量影响显著(<0.05)，但对其他时段的土壤速效磷含量无显著影响。

总的来看，不同处理下土壤养分含量在同一时段的变化趋势一致，即土壤硝态氮、有效磷、速效钾含量随施肥量的增加呈增加趋势，随灌水量的增加呈减少趋势(图1)。分析时段均值可知：与F相比，F和F的土壤硝态氮、有效磷、速效钾含量分别增加了64.8%和129.0%、3.8%和207.8%、6.4%和35.1%。与W相比，W和W的土壤硝态氮、有效磷、速效钾含量分别减少了5.0%和23.2%、10.5%和31.1%、12.7%和35.9%。

从时段均值来看，与FW相比，FW和FW的土壤硝态氮含量分别显著(<0.05)减少了10.2%和21.4%，而其余处理的土壤硝态氮含量显著(<0.05)增加了28.8%～124.5%，除FW与FW的土壤硝态氮含量无显著差异外，其余处理之间均差异显著(<0.05)。与FW相比，FW、FW、FW的土壤有效磷含量分别显著(<0.05)增加了175.9%、154.3%、120.4%，而FW、FW、FW的土壤有效磷含量显著(<0.05)降低；FW、FW、FW、FW、FW的土壤速效钾含量分别显著(<0.05)降低了20.0%、36.8%、14.8%、33.0%、18.3%，而FW、FW、FW的土壤速效钾含量分别显著(<0.05)提高了6.5%、23.8%、23.0%。总的来看，FW处理下土壤养分含量最高。

2.2 不同处理对咖啡根区土壤微生物数量的影响

方差分析结果显示，施肥量和灌水量都对土壤细菌、真菌、放线菌数量有极显著(<0.01)影响，但二者交互作用的影响不显著。总的来看，土壤细菌、真菌、放线菌数量在各时段随施肥量的增加先增后减，随灌水量的增大而增大(表1)。分析时段均值发现，与F相比，F的土壤细菌、真菌、放线菌数量分别增加60.2%、29.9%、22.4%，F的土壤细菌、真菌、放线菌数量分别增加31.7%、15.7%、11.4%。与W相比，W的土壤细菌、真菌、放线菌数量分别增加27.3%、16.0%、11.8%，W处理的土壤细菌、真菌、放线菌数量分别增加59.8%、32.3%、21.9%。各处理中，FW处理的土壤细菌、真菌、放线菌数量最多，且其细菌真菌比高，有利于改善土壤微环境。

表1 不同处理下小粒种咖啡根区的土壤微生物数量Table 1 Soil microbial quantity in root zone of Coffea arabica under different treatments

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference between treatments at P<0.05.图1 不同处理下小粒种咖啡根区的土壤养分含量Fig.1 Soil nutrients contents in root zone of Coffea arabica under different treatments

2.3 不同处理对咖啡根区土壤酶活性的影响

方差分析结果显示，施肥量和灌水量都对土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性有极显著(<0.01)影响，但二者的交互作用仅在时段均值上对脲酶活性有极显著(<0.01)影响。总的来看，土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性在各时段随施肥量的增加先增后减，随灌水量的增大而增大。分析时段均值发现，与F相比，F的土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性分别提高40.0%、13.2%、104.1%，F的土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性分别提高31.2%、6.8%、42.9%。与W相比，W的土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性分别提高2.0%、4.6%、11.7%，W的土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性分别提高3.3%、10.0%、21.8%。各处理中，FW的土壤脲酶活性最低，与之相比，FW、FW、FW、FW、FW、FW、FW、FW处理的土壤脲酶活性分别增加15.4%、23.1%、115.4%、130.8%、146.2%、38.5%、61.5%、92.3%，其中，FW处理的土壤脲酶活性增幅最大。

2.4 不同处理对土壤质量指数的影响

引入SQI来比较不同处理对土壤质量的影响，SQI值越大，说明土壤质量越好。与FW相比，其余处理均显著(<0.05)提高了土壤质量，其中，FW处理的SQI值最大(表3)。各处理中，除FW、FW、FW的差异不显著外，其余处理间均差异显著(<0.05)。总的来看，相同施肥量下，随着灌水量增加，SQI值增大；相同灌水量下，F处理的SQI值最低。

表2 不同处理下小粒种咖啡根区的土壤酶活性Table 2 Soil enzymes activities in root zone of Coffea arabica under different treatments

表3 不同处理的土壤质量指数(SQI)Table 3 Soil quality index (SQI)under different treatments

3 讨论

施肥可以保证作物根系对养分的需求。土壤水分通过控制养分的浓度，影响其在土壤中的分布和植物根系对养分的吸收利用，从而改变土壤养分含量。本研究发现，施肥可在一定程度上增加土壤养分含量，适宜施肥量下，灌水可加速根系对养分的吸收，从而降低土壤中的养分含量。滴灌施肥技术通过调整水肥配比可均衡土壤养分，诱导根系发展方向，增强植株根系的活动能力，提高养分的转化和利用效率，实现水肥互调的同步进行。小粒种咖啡对养分的需求量有一定的阈值，施肥量如果超出咖啡的养分需求，就会导致氮素累积。在确定最佳施肥量时，不但要考虑作物不同生育阶段的需肥规律，还要结合土壤的质地和供肥能力等因素综合考量。

适当的减量施肥可以提高土壤的细菌和放线菌含量，有利于保护土壤微环境。滴灌可改善根际土壤微生物的生存环境，增加土壤微生物的丰度和群落功能多样性，进而增强土壤对外界环境变化的适应能力。本试验条件下，增加灌水量提高了土壤细菌、真菌和放线菌的数量，其中，细菌数量的增加最为明显。随着施肥量增加，土壤微生物数量先增加后减少，其中，F施肥量下的土壤微生物数量最多。这是因为，在滴灌条件下适量施肥有助于提升土壤物理性质，保持良好的团聚性，调节土壤碳氮比，改善土壤微生物的代谢环境，从而提高微生物的繁殖能力；过量施肥不仅会造成土壤结构破坏，导致营养元素失衡、养分释放与根系需求量不吻合，还会改变土壤的理化性状，引起土壤酸化，从而不利于根系的活动和微生物的生存。

土壤酶来自于微生物活动、植物根系分泌物和动植物残体，其活性与土壤养分和土壤微生物紧密相关，是评价土壤质量的敏感性指标。土壤过氧化氢酶在分解有害物质的过程中释放出氧气，可在保护根系活性的同时促进土壤呼吸作用。土壤中的无机磷大部分来自于有机磷的分解，因此磷酸酶活性可表征利用土壤磷素的状况。土壤脲酶活性增强对土壤无机氮含量的增加有促进作用。本试验条件下，上述3种酶对施肥量增加的响应均表现出先增后减的趋势。这可能是因为，高量氮肥的硝化作用所产生的酸降低了土壤的pH值，而土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶活性对pH变化较为敏感，土壤酸度的增大一定程度上抑制了酶促反应，降低了酶活性。本研究中，各处理下土壤酶活性的变化趋势与微生物数量的变化趋势大体一致。这可能是因为，根系微生物活动的增强有利于细根生物量的增加和酶促作用，从而有助于保证根系对养分的吸收，并形成良性循环。

本试验条件下，从土壤质量判断，最理想的处理为FW；从土壤养分含量判断，FW处理的效果较优。造成这两者之间差异的原因可能是，过量使用化肥虽然可以进一步提高土壤养分含量，但会抑制根系分泌物的产生，进而影响微生物活动和土壤酶的活性。在适当施肥量下增加灌水量可以为作物根系提供适宜的营养成分，且能减少化肥残留量，有助于改善土壤环境。总的来看，FW为本试验条件下最适宜的水肥管理方案。但要说明的是，本研究仅在单施化肥的基础上探讨了滴灌施肥的最优水肥处理，今后可进一步配合生物有机肥的使用等探索出对土壤生态环境质量更友好的施肥方式。