基于根區(qū)土壤質(zhì)量指數(shù)優(yōu)化小粒種咖啡滴灌施肥方案

孫文艷，劉小剛，張文慧，李慧永，吳 朗，楊啟良，熊國(guó)美

(昆明理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

我國(guó)是亞洲咖啡的主產(chǎn)國(guó)之一，但水肥管理較為粗放，不僅導(dǎo)致水肥利用效率低下，還引發(fā)土壤營(yíng)養(yǎng)失衡，破壞植物根系生長(zhǎng)的微生態(tài)環(huán)境；因此，尋求可改善根系生長(zhǎng)環(huán)境的水肥管理模式是我國(guó)咖啡生產(chǎn)上亟待解決的問題之一。

土壤養(yǎng)分是植物根系營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源，是土壤肥力的內(nèi)部表征。微生物通過繁殖代謝形成各種菌落，完成對(duì)復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)的分解與礦化，是土壤物質(zhì)循環(huán)的主要參與者。酶作為土壤生化反應(yīng)過程的催化劑，活性高低直接影響能量轉(zhuǎn)化的快慢，是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。其中，過氧化氫酶是一種氧化還原酶，可促進(jìn)過氧化氫的分解，降低其對(duì)土壤的危害；磷酸酶通過裂解含磷有機(jī)物中的磷鹽鍵，可加快有機(jī)物的礦化，提高土壤有機(jī)磷的生物有效性；脲酶是廣泛存在于土壤中的一種水解類酶，可水解尿素，從而提高尿素的氮肥利用率。研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分、微生物、酶在根系物質(zhì)循環(huán)中的參與能力受外界水肥條件影響較大。水肥施用對(duì)土壤微生物和酶活的影響與水肥施用方式和施用量有關(guān)。與常規(guī)灌溉施肥相比，水肥一體化技術(shù)可保證肥料分布在土壤濕潤(rùn)體中，隨水運(yùn)移至根區(qū)土壤，減少養(yǎng)分的浪費(fèi)。滴灌施肥通過控制水肥用量，改變肥液濃度，調(diào)整水肥擴(kuò)散距離，可促進(jìn)根區(qū)養(yǎng)分的補(bǔ)給和水肥的高效利用。與撒施相比，滴灌施肥可以保持良好的土壤水氣狀況，更有利于土壤微生物活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，在番茄生產(chǎn)中，覆膜滴灌較常規(guī)滴灌更能降低水分遷移速率，增加表層土壤中的根長(zhǎng)密度，增強(qiáng)土壤-根系的交互作用，提高土壤脲酶和磷酸酶活性。

前人關(guān)于滴灌施肥對(duì)咖啡生長(zhǎng)影響的研究較多，但涉及其對(duì)咖啡種植土壤環(huán)境影響的報(bào)道較少?；诖耍卦O(shè)置不同的滴灌施肥處理，研究水肥一體模式對(duì)小粒種咖啡()土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量、酶活性的調(diào)控效應(yīng)，及對(duì)土壤質(zhì)量的綜合影響，以期找到最有利于改善小粒種咖啡根系土壤狀況的滴灌施肥方案，為小粒種咖啡的高效生態(tài)種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)于2017年2月—2018年12月在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院智能控制溫室進(jìn)行。溫室內(nèi)的種植槽長(zhǎng)10 m，寬0.6 m，深0.8 m，間距0.8 m，底部鋪設(shè)塑料薄膜，以防止外部水分滲透。溫室內(nèi)溫度為12～35 ℃，相對(duì)濕度為50%～85%。

供試土壤為紅褐土，土壤有機(jī)質(zhì)含量5.05 g·kg，全氮含量0.87 g·kg，全磷含量0.68 g·kg，全鉀含量13.9 g·kg，硝態(tài)氮含量57.5 mg·kg，速效磷含量12.6 mg·kg，速效鉀含量85.5 mg·kg。

于2017-02-13選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的4 a生小粒種咖啡(卡蒂姆P7963)移栽于土槽中，每條土槽種植9株，共種植27株，株距1.0 m，行距0.8 m。采用地表滴灌施肥方式，在每棵咖啡樹的根部附近毛管上安裝1個(gè)壓力補(bǔ)償式滴頭，單個(gè)滴頭的流量為2 L·h，滴頭距樹基部?jī)蓚?cè)0.2 m，間距與樹距相同。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用2因素3水平的完全組合設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。供試2因素分別為灌水量和施肥量。設(shè)置的3個(gè)灌水量水平分別為1.2E(記為W)、1.0E(記為W)、0.8E(記為W)，其中，Ep為由內(nèi)徑20 cm蒸發(fā)皿測(cè)得的水面蒸發(fā)量。這3個(gè)灌水量處理均于2017-05-22開始灌水，之后每隔7 d灌水1次，至2018-09-12最后一次灌水結(jié)束，各處理所對(duì)應(yīng)的單株總灌水量分別為190.63 L(W)、158.86 L(W)、132.90 L(W)。分別于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%)，試驗(yàn)期間3個(gè)施肥量處理的單株總施肥量分別為190.8 g(F)、127.2 g(F)、63.6 g(F)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

分別于2018-03-29、2018-06-30、2018-09-15進(jìn)行取樣分析。在距離咖啡樹干10 cm處，用土鉆取0～40 cm(每10 cm為一層)剖面土樣用于土壤養(yǎng)分測(cè)定；另取0～15 cm剖面土樣用于土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的測(cè)定。其中，土壤養(yǎng)分含量取4層土壤剖面測(cè)定值的平均值表征。

將取好的土樣過2 mm篩，備用。用分光光度法測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量，用鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量，用火焰光度計(jì)法測(cè)定土壤速效鉀含量。土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏-孟加拉紅培養(yǎng)基和改良高氏一號(hào)合成培養(yǎng)基測(cè)定。土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定，磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)。用SPSS 25.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析和方差分析(ANOVA)，對(duì)有顯著(<0.05)差異的，采用Duncan法進(jìn)行多重比較。用Origin 2019b軟件制圖，

土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)采用隸屬函數(shù)結(jié)合因子分析的方法測(cè)算。首先，對(duì)選取的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并計(jì)算其隸屬函數(shù)值；然后，利用SPSS 25.0軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行因子分析，求得各指標(biāo)的公因子方差(表征該指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量的貢獻(xiàn))，計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；最后，將相應(yīng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值與權(quán)重相乘后加總，計(jì)算出相應(yīng)的SQI。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)咖啡根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響

方差分析結(jié)果顯示，施肥量和灌水量對(duì)各時(shí)段根區(qū)土壤的養(yǎng)分含量均有極顯著(<0.01)影響，其交互作用對(duì)各時(shí)段的土壤硝態(tài)氮、速效鉀含量影響極顯著(<0.01)，對(duì)6月份的土壤有效磷含量影響顯著(<0.05)，但對(duì)其他時(shí)段的土壤速效磷含量無顯著影響。

總的來看，不同處理下土壤養(yǎng)分含量在同一時(shí)段的變化趨勢(shì)一致，即土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量隨施肥量的增加呈增加趨勢(shì)，隨灌水量的增加呈減少趨勢(shì)(圖1)。分析時(shí)段均值可知：與F相比，F(xiàn)和F的土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別增加了64.8%和129.0%、3.8%和207.8%、6.4%和35.1%。與W相比，W和W的土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別減少了5.0%和23.2%、10.5%和31.1%、12.7%和35.9%。

從時(shí)段均值來看，與FW相比，F(xiàn)W和FW的土壤硝態(tài)氮含量分別顯著(<0.05)減少了10.2%和21.4%，而其余處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著(<0.05)增加了28.8%～124.5%，除FW與FW的土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異外，其余處理之間均差異顯著(<0.05)。與FW相比，F(xiàn)W、FW、FW的土壤有效磷含量分別顯著(<0.05)增加了175.9%、154.3%、120.4%，而FW、FW、FW的土壤有效磷含量顯著(<0.05)降低；FW、FW、FW、FW、FW的土壤速效鉀含量分別顯著(<0.05)降低了20.0%、36.8%、14.8%、33.0%、18.3%，而FW、FW、FW的土壤速效鉀含量分別顯著(<0.05)提高了6.5%、23.8%、23.0%?？偟膩砜?，F(xiàn)W處理下土壤養(yǎng)分含量最高。

2.2 不同處理對(duì)咖啡根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

方差分析結(jié)果顯示，施肥量和灌水量都對(duì)土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量有極顯著(<0.01)影響，但二者交互作用的影響不顯著?？偟膩砜?，土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量在各時(shí)段隨施肥量的增加先增后減，隨灌水量的增大而增大(表1)。分析時(shí)段均值發(fā)現(xiàn)，與F相比，F(xiàn)的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別增加60.2%、29.9%、22.4%，F(xiàn)的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別增加31.7%、15.7%、11.4%。與W相比，W的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別增加27.3%、16.0%、11.8%，W處理的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量分別增加59.8%、32.3%、21.9%。各處理中，F(xiàn)W處理的土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量最多，且其細(xì)菌真菌比高，有利于改善土壤微環(huán)境。

表1 不同處理下小粒種咖啡根區(qū)的土壤微生物數(shù)量Table 1 Soil microbial quantity in root zone of Coffea arabica under different treatments

柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference between treatments at P<0.05.圖1 不同處理下小粒種咖啡根區(qū)的土壤養(yǎng)分含量Fig.1 Soil nutrients contents in root zone of Coffea arabica under different treatments

2.3 不同處理對(duì)咖啡根區(qū)土壤酶活性的影響

方差分析結(jié)果顯示，施肥量和灌水量都對(duì)土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性有極顯著(<0.01)影響，但二者的交互作用僅在時(shí)段均值上對(duì)脲酶活性有極顯著(<0.01)影響。總的來看，土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性在各時(shí)段隨施肥量的增加先增后減，隨灌水量的增大而增大。分析時(shí)段均值發(fā)現(xiàn)，與F相比，F(xiàn)的土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性分別提高40.0%、13.2%、104.1%，F(xiàn)的土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性分別提高31.2%、6.8%、42.9%。與W相比，W的土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性分別提高2.0%、4.6%、11.7%，W的土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性分別提高3.3%、10.0%、21.8%。各處理中，F(xiàn)W的土壤脲酶活性最低，與之相比，F(xiàn)W、FW、FW、FW、FW、FW、FW、FW處理的土壤脲酶活性分別增加15.4%、23.1%、115.4%、130.8%、146.2%、38.5%、61.5%、92.3%，其中，F(xiàn)W處理的土壤脲酶活性增幅最大。

2.4 不同處理對(duì)土壤質(zhì)量指數(shù)的影響

引入SQI來比較不同處理對(duì)土壤質(zhì)量的影響，SQI值越大，說明土壤質(zhì)量越好。與FW相比，其余處理均顯著(<0.05)提高了土壤質(zhì)量，其中，F(xiàn)W處理的SQI值最大(表3)。各處理中，除FW、FW、FW的差異不顯著外，其余處理間均差異顯著(<0.05)?？偟膩砜矗嗤┓柿肯?，隨著灌水量增加，SQI值增大；相同灌水量下，F(xiàn)處理的SQI值最低。

表2 不同處理下小粒種咖啡根區(qū)的土壤酶活性Table 2 Soil enzymes activities in root zone of Coffea arabica under different treatments

表3 不同處理的土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)Table 3 Soil quality index (SQI)under different treatments

3 討論

施肥可以保證作物根系對(duì)養(yǎng)分的需求。土壤水分通過控制養(yǎng)分的濃度，影響其在土壤中的分布和植物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，從而改變土壤養(yǎng)分含量。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥可在一定程度上增加土壤養(yǎng)分含量，適宜施肥量下，灌水可加速根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而降低土壤中的養(yǎng)分含量。滴灌施肥技術(shù)通過調(diào)整水肥配比可均衡土壤養(yǎng)分，誘導(dǎo)根系發(fā)展方向，增強(qiáng)植株根系的活動(dòng)能力，提高養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和利用效率，實(shí)現(xiàn)水肥互調(diào)的同步進(jìn)行。小粒種咖啡對(duì)養(yǎng)分的需求量有一定的閾值，施肥量如果超出咖啡的養(yǎng)分需求，就會(huì)導(dǎo)致氮素累積。在確定最佳施肥量時(shí)，不但要考慮作物不同生育階段的需肥規(guī)律，還要結(jié)合土壤的質(zhì)地和供肥能力等因素綜合考量。

適當(dāng)?shù)臏p量施肥可以提高土壤的細(xì)菌和放線菌含量，有利于保護(hù)土壤微環(huán)境。滴灌可改善根際土壤微生物的生存環(huán)境，增加土壤微生物的豐度和群落功能多樣性，進(jìn)而增強(qiáng)土壤對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)能力。本試驗(yàn)條件下，增加灌水量提高了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，其中，細(xì)菌數(shù)量的增加最為明顯。隨著施肥量增加，土壤微生物數(shù)量先增加后減少，其中，F(xiàn)施肥量下的土壤微生物數(shù)量最多。這是因?yàn)?，在滴灌條件下適量施肥有助于提升土壤物理性質(zhì)，保持良好的團(tuán)聚性，調(diào)節(jié)土壤碳氮比，改善土壤微生物的代謝環(huán)境，從而提高微生物的繁殖能力；過量施肥不僅會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)元素失衡、養(yǎng)分釋放與根系需求量不吻合，還會(huì)改變土壤的理化性狀，引起土壤酸化，從而不利于根系的活動(dòng)和微生物的生存。

土壤酶來自于微生物活動(dòng)、植物根系分泌物和動(dòng)植物殘?bào)w，其活性與土壤養(yǎng)分和土壤微生物緊密相關(guān)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的敏感性指標(biāo)。土壤過氧化氫酶在分解有害物質(zhì)的過程中釋放出氧氣，可在保護(hù)根系活性的同時(shí)促進(jìn)土壤呼吸作用。土壤中的無機(jī)磷大部分來自于有機(jī)磷的分解，因此磷酸酶活性可表征利用土壤磷素的狀況。土壤脲酶活性增強(qiáng)對(duì)土壤無機(jī)氮含量的增加有促進(jìn)作用。本試驗(yàn)條件下，上述3種酶對(duì)施肥量增加的響應(yīng)均表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)椋吡康实南趸饔盟a(chǎn)生的酸降低了土壤的pH值，而土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶活性對(duì)pH變化較為敏感，土壤酸度的增大一定程度上抑制了酶促反應(yīng)，降低了酶活性。本研究中，各處理下土壤酶活性的變化趨勢(shì)與微生物數(shù)量的變化趨勢(shì)大體一致。這可能是因?yàn)?，根系微生物活?dòng)的增強(qiáng)有利于細(xì)根生物量的增加和酶促作用，從而有助于保證根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，并形成良性循環(huán)。

本試驗(yàn)條件下，從土壤質(zhì)量判斷，最理想的處理為FW；從土壤養(yǎng)分含量判斷，F(xiàn)W處理的效果較優(yōu)。造成這兩者之間差異的原因可能是，過量使用化肥雖然可以進(jìn)一步提高土壤養(yǎng)分含量，但會(huì)抑制根系分泌物的產(chǎn)生，進(jìn)而影響微生物活動(dòng)和土壤酶的活性。在適當(dāng)施肥量下增加灌水量可以為作物根系提供適宜的營(yíng)養(yǎng)成分，且能減少化肥殘留量，有助于改善土壤環(huán)境?？偟膩砜?，F(xiàn)W為本試驗(yàn)條件下最適宜的水肥管理方案。但要說明的是，本研究?jī)H在單施化肥的基礎(chǔ)上探討了滴灌施肥的最優(yōu)水肥處理，今后可進(jìn)一步配合生物有機(jī)肥的使用等探索出對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更友好的施肥方式。