土壤因子與小粒咖啡品質(zhì)產(chǎn)量形成關(guān)系研究

趙明珠 郭鐵英 馬關(guān)潤(rùn) 蕭自位 白學(xué)慧 周華 蘇琳琳

摘? 要：土壤因子是影響小?？Х绕焚|(zhì)產(chǎn)量的主要因子。本研究通過對(duì)土壤因子進(jìn)行相關(guān)性分析、改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析、通徑分析及多元線性回歸分析，明確影響小?？Х绕焚|(zhì)和產(chǎn)量的主要因子，以指導(dǎo)科學(xué)施肥。結(jié)果表明：小粒咖啡咖啡因含量的土壤決定因子為海拔（-0.296^*），總糖含量的土壤決定因子為有機(jī)質(zhì)（0.607^**）和速效磷（-0.232^*），蛋白質(zhì)的土壤決定因子為pH（-0.387^**）和有機(jī)質(zhì)（0.227^*），灰分含量的土壤決定因子為速效磷（0.334^**），水溶性浸出物含量的土壤決定因子為海拔（-0.494^**），脂肪含量的土壤決定因子為堿解氮（-0.461^**），產(chǎn)量的土壤決定因子為速效鉀（0.339^**）和有機(jī)質(zhì)（0.248^*）。研究結(jié)果可為小?？Х葍?yōu)質(zhì)高產(chǎn)的土壤條件篩選和肥料的減施增效提供一定的理論基礎(chǔ)，以期增強(qiáng)優(yōu)質(zhì)咖啡種質(zhì)的適宜性和目的性。

關(guān)鍵詞：土壤因子;小粒咖啡;相關(guān)分析;改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析;通徑分析;回歸分析;品質(zhì);產(chǎn)量中圖分類號(hào)：S571.2 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Relationship Between Soil Factors， Quality and Yield Formation inCoffea arabica

ZHAO Mingzhu， GUO Tieying， MA Guanrun， XIAO Ziwei， BAI Xuehui， ZHOU Hua， SU Linlin^*

Dehong Tropical Agriculture Research Institute of Yunnan， Ruili， Yunnan 678600， China

Abstract： Soil factors play important roles in affecting the quality and yield ofCoffea arabica. The purpose of the study was to provide an academic evidence for guiding the scientific fertilization， good quality and high yield， and identifying the primary indexes of quality， yield by investigation the variation of soil factors ofC. arabica. The correlation， improved grey relational analysis， path analysis， and multiple linear regression analysis were conducted to identify the primary indexes ofC. arabicaquality and yield. The results showed that altitude was a key soil determinant of caffeine inC. arabica （-0.296^*）， the prime determinant factors of total sugar content were soil organic matter （OM） （0.607^**） and available?phosphorus （AP） （0.232^*）， that for crude protein content were soil pH （-0.387^**） and OM （0.227^*）， that for crude ash content was AP （0.334^**）， that for water-soluble extracts content was altitude （-0.494^**）， that for fat content was alkalystic nitrogen （AN） （-0.461^**）， and that for the yield ofC. arabicawere available potassium （AK） （0.339^**） and OM （0.248^*）. The results would be useful to guiding the screening of soil conditions， reducing the amounts of fertilizer and increasing the fertilizer-use efficiency in order to enhance the suitability and purpose of the excellent germplasm in C. arabica.

Keywords： soil factors;Coffea arabica; correlation analysis; improved grey relational analysis; path analysis; regression analysis; quality; yield

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.06.001

咖啡是世界3大飲料作物之首，具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和藥用升值前景。我國(guó)主要栽培品種為小粒種（Coffea arabica L.），其面積和產(chǎn)量分別占世界咖啡總面積和總產(chǎn)量的80%和82%以上。云南小粒咖啡的種植面積和產(chǎn)量均占全國(guó)的99%以上。

土壤因子決定了作物生長(zhǎng)發(fā)育的優(yōu)劣，直接影響到作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。前人研究中指出：在黑土農(nóng)田極端侵蝕的環(huán)境下，土壤質(zhì)量與玉米產(chǎn)量呈顯著相關(guān)關(guān)系^[1]。隨著海拔的升高，作物產(chǎn)量逐漸下降^[2]。但也有研究持相反結(jié)果，高海拔環(huán)境顯著提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)^[3]。作物產(chǎn)量因土壤pH下降而下降^[4]，海拔高度和經(jīng)度、土壤有機(jī)碳、含氮量和鉀含量均對(duì)水稻產(chǎn)量有顯著影響^[5]。玉米產(chǎn)量與土壤全氮、速效磷、速效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)，但大豆產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)無顯著關(guān)系^[6]，適宜的鉀素促進(jìn)苦蕎產(chǎn)量的形成^[7]。適中的氮含量可有效增加中粒種的產(chǎn)量49.13%^[8]。綜上所述，不同作物，不同土壤背景值對(duì)產(chǎn)量的影響不一。目前我國(guó)對(duì)影響咖啡品質(zhì)和產(chǎn)量的土壤因子的研究鮮見報(bào)道，而咖啡作為國(guó)家重視的高原特色經(jīng)濟(jì)作物，本研究具有積極推動(dòng)作用。通過對(duì)小?？Х戎鳟a(chǎn)區(qū)的土壤因子、咖啡豆品質(zhì)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，明確土壤因子對(duì)小?？Х绕焚|(zhì)及產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)大小，為小?？Х鹊暮侠砀咝┓始夹g(shù)和肥料的減施增效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推廣提供一定的理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 材料

土壤樣品采集的方法參照測(cè)土配方施肥技術(shù)^[9]，根據(jù)普洱、臨滄、德宏、保山、文山和怒江6個(gè)州（縣）咖啡的種植條件、分布范圍選擇具有區(qū)域代表性的采樣點(diǎn)，采用“梅花形”采樣法，每個(gè)點(diǎn)采集3份土樣（0～20?cm）混合為1份，共采集65份土壤及咖啡產(chǎn)量數(shù)據(jù)，具體的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2? 方法

土壤樣品的測(cè)定內(nèi)容：土壤pH（X2）、有機(jī)質(zhì)（X3， g/kg）、堿解氮（X4， mg/kg）、有效磷（X5， mg/kg）和速效鉀（X6， mg/kg）含量，同期測(cè)定小?？Х鹊漠a(chǎn)量（Y， kg/hm²），并記錄采樣地的海拔（X1， m）高度。土壤pH測(cè)定：2.5∶1水土比，pH計(jì);土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定：重鉻酸鉀容量法—外加熱法;土壤堿解氮的測(cè)定：1.0 mol/L NaOH堿解氮擴(kuò)散法;土壤速效磷的測(cè)定：0.03?mol/L NH₄F- 0.025?mol/L HCl浸提—比色法;土壤速效鉀的測(cè)定：1.0 mol/L NH₄OAc浸提—火焰光度法^[10]。

咖啡豆內(nèi)含物測(cè)定內(nèi)容：咖啡因（Z1， mg/kg）、總糖（Z2， %）、蛋白質(zhì)（Z3， %）、灰分（Z4， %）、水溶性浸出物（Z5， %）和脂肪（Z6， %）?？Х纫虻臏y(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 飲料中咖啡因的測(cè)定》（GB 5009.139—2014）;總糖的測(cè)定參照《食品中蔗糖的測(cè)定》（GB/T 5009.8—2008）;蛋白質(zhì)的測(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》（GB 5009.5—2016）;灰分的測(cè)定參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?食品中灰分的測(cè)定》（GB/T 5009.4—2016）;水浸出物的測(cè)定參照《茶?水浸出物測(cè)定》（GB/T 8305—2013）;脂肪的測(cè)定參照《食品中脂肪的測(cè)定》（GB/T 5009.6—2016）。

各土壤指標(biāo)間也存在著一定的相關(guān)關(guān)系，僅依據(jù)各土壤指標(biāo)間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)判定對(duì)咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)的影響力，極易隱藏各指標(biāo)間的相互作用，也不能從根本上反應(yīng)其內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性。借此引入改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析，采用多層次、多因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系反映各土壤因子與咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)間的實(shí)際特性，再采用組合賦權(quán)將主觀評(píng)價(jià)層次分析法（AHP）和客觀評(píng)價(jià)熵值法相結(jié)合，最后基于灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合AHP和熵值法，建立改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)模型^[11]。為彌補(bǔ)改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)不能表明土壤因子對(duì)咖啡品質(zhì)和產(chǎn)量的正負(fù)作用，引入通徑系數(shù)，再結(jié)合回歸分析，建立各土壤因子與咖啡品質(zhì)和產(chǎn)量的回歸模型，進(jìn)行定量分析。4種分析方法相結(jié)合，層層深入與強(qiáng)化，定量客觀真實(shí)地反映其內(nèi)在關(guān)系的規(guī)律性。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析^[12]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?土壤因子、產(chǎn)量和品質(zhì)的變異特征

由表2可知，小?？Х鹊耐寥乐笜?biāo)變異較大，其中以土壤有效磷含量的變異系數(shù)較大，達(dá)96.54%，屬于較強(qiáng)變異。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量的變異程度屬于中等變異。變異度較小的為土壤pH（11.74%）和海拔（15.13%）;咖啡鮮果產(chǎn)量變異系數(shù)20.81%，中等變異;品質(zhì)指標(biāo)變異系數(shù)4.06%～13.62%，較小變異。其表明在小粒咖啡的生長(zhǎng)過程中，磷素殘留較多，有機(jī)肥、氮鉀素較少的現(xiàn)象顯著，人為因素對(duì)小粒咖啡產(chǎn)量的形成具有較大影響，品質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。（變異程

2.2土壤因子、產(chǎn)量及品質(zhì)的相關(guān)性分析

由表3可知，咖啡因與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，系數(shù)為-0.296^*?？偺桥c有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.587^**）。蛋白質(zhì)與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（-0.408^**），與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（0.263^*）?；曳峙c有效磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.334^**），與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（-0.285^*）?？Х榷沟乃苄越鑫锱c海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（-0.494^**）?？Х榷沟闹竞颗c堿解氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（-0.461^**），與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系（0.296^*）。土壤的速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量與咖啡產(chǎn)量呈極顯著和顯著正相關(guān)關(guān)系，系數(shù)分別為0.360^**和0.277^*。表明低海拔利于咖啡因的合成。有機(jī)質(zhì)豐富的土壤促進(jìn)咖啡總糖的累積。酸性和氮素有效成分高的土壤利于咖啡蛋白質(zhì)的累積。低海拔、磷有效成分高的土壤促進(jìn)咖啡豆灰分的形成。低海拔利于咖啡豆水溶性浸出物的積累。堿性、低有效氮的土壤促進(jìn)咖啡豆脂肪的合成。土壤的速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量是小?？Х刃纬筛弋a(chǎn)的關(guān)鍵因子。

2.3 土壤因子與小?？Х犬a(chǎn)量及品質(zhì)的改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析

由圖1可知，傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)法與改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果有誤差，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法未考慮各指標(biāo)權(quán)重對(duì)關(guān)聯(lián)度的影響，結(jié)果不具保序性，而改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)度將AHP的主觀賦權(quán)、熵值法的客觀賦權(quán)和灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合，綜合評(píng)價(jià)更科學(xué)和全面。土壤對(duì)小?？Х绕焚|(zhì)和產(chǎn)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：Z1：X5>X1>X6>X2>X3>X4，Z2：X3>X6>X2>X5>X4>X1，Z3：X5>X2>X4>X3>X1>X6，Z4：X5>X1>X4>X2>X6>X3，Z5：X1>X5>X2>X6>X4>X3，Z6：X4>X2>X5>X1>X6>X3，Y：X2>X6>X3>X5>X1>X4。其結(jié)果表明，影響咖啡豆中咖啡因含量的土壤因子是有效磷含量和海拔，總糖的土壤因子主要是有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，蛋白質(zhì)的土壤因子是速效磷含量和土壤pH，灰分的土壤因子是海拔和速效磷含量，水溶性浸出物的決定因子是海拔和速效磷含量，影響脂肪的土壤因子主要是堿解氮含量和土壤pH，咖啡產(chǎn)量的決定因子是速效鉀、有機(jī)質(zhì)和土壤pH。

2.4 ?土壤因子對(duì)小粒咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)的通徑分析

由圖2可知，小?？Х韧寥酪蜃訉?duì)咖啡因含量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值海拔（-0.326）、速效鉀（-0.124）、土壤pH（-0.114）較大，說明海拔、速效鉀含量和土壤酸堿度對(duì)咖啡因的直接效應(yīng)最大，均為負(fù)效應(yīng)，低海拔、酸性低鉀含量的土壤有增加咖啡因的潛質(zhì);對(duì)總糖含量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值土壤有機(jī)質(zhì)（0.572）、速效鉀（-0.208）、堿解氮（-0.185）較大，說明土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和堿解氮對(duì)總糖的直接效應(yīng)最大，但速效鉀和堿解氮均為負(fù)效應(yīng)，有機(jī)質(zhì)豐富低鉀低氮利于咖啡總糖的積累;對(duì)蛋白質(zhì)含量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值土壤pH（-0.515）、速效鉀（0.207）、有機(jī)質(zhì)（0.194）較大，說明土壤酸堿度、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)蛋白質(zhì)的直接效應(yīng)最大，但土壤pH為負(fù)效應(yīng)，酸性高鉀和豐富有機(jī)質(zhì)的土壤有利于蛋白質(zhì)的積累;對(duì)灰分含量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值海拔（-0.261）、速效鉀（0.251）和土壤pH（-0.209）較大，說明海拔、鉀含量和土壤酸堿度對(duì)灰分的直接效應(yīng)最大，但海拔和土壤pH均為負(fù)效應(yīng)，低海拔、酸性和高鉀的土壤利于灰分的積累;對(duì)水溶性浸出物含量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值海拔（-0.459）較大，說明海拔對(duì)水溶性浸出物的直接效應(yīng)最大，但為負(fù)效應(yīng)，低海拔土壤利于水溶性浸出物的積累;對(duì)脂肪含量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值堿解氮（-0.401）、海拔（0.315）和土壤pH（0.277）較大，說明氮素、海拔和土壤酸堿度對(duì)脂肪含量的直接效應(yīng)最大，但氮素為負(fù)效應(yīng)，高氮、低海拔和酸性的土壤有低脂肪咖啡的潛力;對(duì)產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值有機(jī)質(zhì)（0.288）、速效鉀（0.264）較大，說明土壤速效鉀和有機(jī)質(zhì)對(duì)小粒咖啡產(chǎn)量形成的直接作用最大，均為正效應(yīng)，鉀素和有機(jī)質(zhì)含量高的土壤具有咖啡高產(chǎn)的潛力。

2.5 多元線性回歸分析

在相關(guān)分析、改良的灰色關(guān)聯(lián)分析和通徑分析基礎(chǔ)上，通過逐步回歸分析剔除不顯著變量，以6個(gè)土壤因子為自變量，咖啡豆的6個(gè)品質(zhì)指標(biāo)和產(chǎn)量為因變量，得出回歸方程如表4所示。由表4可知，當(dāng)海拔（m）每增加1個(gè)單位，咖啡因含量減少0.001 g/kg;當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)（X3）和有效磷（X5）處于平均水平，而其中1個(gè)變量固定時(shí)，剩余變量如土壤有機(jī)質(zhì)（g/kg）和有效磷（mg/kg）每增加1個(gè)單位，咖啡總糖分別增加0.084%和減少0.006%;土壤pH（X2）和有機(jī)質(zhì)（X3）處于平均水平，而其中1個(gè)變量固定時(shí)，剩余變量如土壤pH和有機(jī)質(zhì)（g/kg）每增加1個(gè)單位，咖啡蛋白質(zhì)分別減少0.361%和增加0.010%;土壤有效磷（mg/kg）每增加1個(gè)單位，咖啡灰分增加0.0001%;海拔（m）每增加1個(gè)單位，水溶性浸出物含量減少0.005%;土壤堿解氮（mg/kg）每增加1個(gè)單位，咖啡的脂肪含量減少0.007%;當(dāng)土壤速效鉀（X6）和有機(jī)質(zhì)（X3）處于平均水平，而其中1個(gè)變量固定時(shí)，剩余變量如速效鉀（mg/kg）和有機(jī)質(zhì)（g/kg）每增加1個(gè)單位，咖啡產(chǎn)量分別增加13.756 kg和51.499 kg。

為更加明確多元回歸所確定的土壤因子對(duì)咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)的直接和間接效應(yīng)，重新對(duì)表4中決定小粒咖啡品質(zhì)和產(chǎn)量的土壤因子分別進(jìn)行通徑分析。由表5可知，海拔對(duì)咖啡因的直接效應(yīng)為較大負(fù)值，說明高海拔是低咖啡因含量的土壤決定因子;|P3z2|>|P5z2|，說明土壤有機(jī)質(zhì)的直接效應(yīng)大于土壤有效磷，間接系數(shù)為較小的負(fù)值，表明豐富的有機(jī)質(zhì)和低磷含量是小?？Х雀咛堑闹饕寥酪蜃?|P2z3|>|P3z3|，說明土壤pH的直接效應(yīng)大于有效磷，但土壤pH的直接通徑系數(shù)為負(fù)值，其間接通徑系數(shù)為較小的正值，有效磷的直接通徑系數(shù)為正值，其間接通徑系數(shù)為較小的負(fù)值，表明酸性高磷是咖啡高蛋白的主要土壤因子;土壤有效磷對(duì)灰分的直接效應(yīng)為較大正值，說明低磷土壤是咖啡高灰分的土壤決定因子;海拔對(duì)水溶性浸出物的直接效應(yīng)為較大負(fù)值，說明低海拔是高水浸出物的重要土壤因子;土壤堿解氮對(duì)脂肪的直接效應(yīng)為較大負(fù)值，說明高氮土壤是咖啡低脂肪的土壤決定因子;|P6y|> |P3y|，說明土壤速效鉀的直接效應(yīng)大于土壤有機(jī)質(zhì)，且都為較大的正值，間接系數(shù)均為較小的正值，表明高鉀和豐富的有機(jī)質(zhì)含量是小?？Х雀弋a(chǎn)的主要土壤因子。土壤堿解氮對(duì)脂肪的直接通徑系數(shù)為較大的負(fù)值，表明高氮是咖啡低脂肪的土壤決定因子。

3 ?討論

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