馬關(guān)潤，劉汗青，田素梅，白學(xué)慧，趙明珠，李錦紅，蕭自位*

（1 云南省德宏熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南瑞麗 678600；2 瑞麗檢驗檢疫技術(shù)中心，云南瑞麗 678600；3 德宏師范高等?？茖W(xué)校，云南芒市 678400）

咖啡是世界上的主要飲品之一，其品質(zhì)最終由杯品質(zhì)量所決定[1]。目前國際上的咖啡杯品評價主要執(zhí)行美國咖啡精品協(xié)會 (SCAA) 和歐洲咖啡精品協(xié)會(SCAE) 的杯品評價體系。在我國普遍采用SCAA的杯品評價體系，其中杯品質(zhì)量80分以上為精品咖啡，80分以下為非精品咖啡[1,2]。其杯品質(zhì)量受生產(chǎn)、加工、烘焙及沖泡等各種因素影響。在生產(chǎn)過程中種植環(huán)境是影響咖啡品質(zhì)的一個重要因素。由于小粒種咖啡 (Coffea arabica) 適宜生長在溫度18℃～21℃，年降雨量為1200～1800 mm的氣候環(huán)境中，并且全年需要有個旱季促進(jìn)其統(tǒng)一開花[1]。在土壤條件方面，小粒種咖啡適宜生長在土層深厚、土壤肥沃且pH值位于5.5～6.5之間的土壤中[3]。因此在咖啡種植和管理過程中應(yīng)當(dāng)詳細(xì)調(diào)查種植區(qū)的氣候環(huán)境及土壤條件，以確保能夠生產(chǎn)出杯品質(zhì)量優(yōu)良的咖啡。云南是中國主要的咖啡種植區(qū)，其產(chǎn)量占全國90%以上[4]。云南的熱區(qū)環(huán)境資源豐富，許多地區(qū)十分適宜小粒種咖啡的生長[5]，其生產(chǎn)的咖啡具有優(yōu)異的品質(zhì)[4]。然而近年來由于云南咖啡產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，存在著盲目種植及管理粗放的問題，致使生產(chǎn)出的咖啡產(chǎn)量低品質(zhì)差[4]，從而嚴(yán)重影響咖啡生豆的價格。因此，了解咖啡園土壤養(yǎng)分狀況及其對咖啡品質(zhì)的影響，對于合理規(guī)劃種植區(qū)及優(yōu)化施肥管理，以及提高咖啡產(chǎn)量和品質(zhì)具有十分重要的意義。

對咖啡果實的采收，會使土壤中的各種元素通過咖啡果實而被移走，因此每年都應(yīng)對咖啡園施用一定的肥料，并且目前國內(nèi)外均主要采取以施化肥為主有機(jī)肥為輔的施肥方式[1,3-6]。國外的研究表明，3年生的咖啡樹每年對P2O5、K2O、CaO、MgO等養(yǎng)分的需求分別是38.4、149.8、52.5、25.9 kg/hm2，適合其生長的最優(yōu)鉀鈣鎂所占陽離子比例(K∶Ca∶Mg) 約為6%∶76%∶18%[3]。另外，在幼苗期每棵幼苗每個月需施復(fù)合肥59～118 g，到掛果期則增加到474～948 g，其中復(fù)合肥中應(yīng)含氮 (N)6%～10%，磷 (P2O5)6%～10%，鉀 (K2O)2%～6%，鎂(Mg) 2%～6%[7]。蔡傳濤等[8]研究認(rèn)為，在云南思茅地區(qū)小?？Х饶曜罴咽┓柿繛镹 50～100 g/株、P2O525～50 g/株和K2O 50～100 g/株。盡管國內(nèi)外已有許多有關(guān)咖啡土壤施肥的研究，但是由于土壤養(yǎng)分具有較高的空間異質(zhì)性，因此咖啡施肥方法應(yīng)根據(jù)各個區(qū)域土壤養(yǎng)分的需求狀況，選擇咖啡所需的肥料適時、適量地施肥[1]。

趙明珠等對云南土壤綜合肥力進(jìn)行了評價[9]，然而云南作為咖啡主產(chǎn)區(qū)，研究中并未對云南各個咖啡主產(chǎn)區(qū)的土壤綜合肥力進(jìn)行詳細(xì)比較及對咖啡園土壤肥力進(jìn)行等級劃分。而土壤綜合肥力作為影響咖啡品質(zhì)的一個重要方面，其研究尚未見報道。因此本研究擬對云南四個咖啡主產(chǎn)區(qū)的土壤養(yǎng)分狀況進(jìn)行綜合評估，并對其進(jìn)行比較和等級劃分；另外，分析土壤養(yǎng)分與咖啡生豆品質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，得出各營養(yǎng)元素對咖啡生豆品質(zhì)影響的重要性，以期為云南咖啡的合理種植和管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

普洱是云南主要的咖啡種植區(qū)，其氣候特征十分有利于小粒種咖啡 (Coffea arabica) 的生長，全年平均氣溫19.1℃，濕度為77.9%，年降雨量為1481.8 mm。臨滄是云南咖啡種植的新興地區(qū)，在臨滄凌豐公司的推動下，該區(qū)的咖啡種植面積迅猛發(fā)展，其氣候特征也較為適合小粒種咖啡的生長，全年平均氣溫18.7℃，濕度為74.4%，年降雨量為1255.2 mm。德宏具有較長的咖啡種植歷史，其氣候特征也十分有利于小粒種咖啡的生長，全年平均氣溫19.5℃，濕度為79.4%，年降雨量為1587.0 mm。保山的咖啡種植區(qū)主要分布于潞江壩，其具有獨(dú)特的干熱河谷氣候特征，全年平均氣溫16.4℃，濕度為77.6%，年降雨量為1325.3 mm。

在采樣過程中，運(yùn)用訪談式調(diào)查方式對采樣點的農(nóng)戶進(jìn)行施肥情況調(diào)查。調(diào)查顯示：普洱地區(qū)的咖啡園基本上每年施用氮肥兩次，每次施用量為170～210 kg/hm2；臨滄地區(qū)每年大概施用氮肥兩次，每次施用量為170～190 kg/hm2；德宏地區(qū)每年施用氮肥兩次，每次施用量為160～180 kg/hm2；保山地區(qū)每年施用氮肥兩次，每次施用量為170～200 kg/hm2。

1.2 研究方法

于2015年12月至2016年2月，對云南普洱、臨滄、德宏和保山4個咖啡主產(chǎn)區(qū)的小粒種咖啡(Coffea arabica) (主要品種為卡蒂姆) 生豆進(jìn)行樣品采集 (圖1)。為了使所取樣品具有區(qū)域代表性，所有樣品均從當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶或咖啡公司購買，每個點購買2 kg優(yōu)質(zhì)咖啡生豆，共采集38個咖啡生豆樣品，其中保山地區(qū)10個、德宏6個、臨滄9個、普洱13個。通過與種植戶進(jìn)行訪談式調(diào)查后進(jìn)行實地踏查記錄咖啡園的海拔及經(jīng)緯度。

咖啡生豆樣品化學(xué)成分由瑞麗市進(jìn)出入境檢驗檢疫局技術(shù)中心檢測?；曳职碐B 5009.4—2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中灰分的測定標(biāo)準(zhǔn)檢測；咖啡因按GB 5009.139—2014食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)飲料中咖啡因的測定標(biāo)準(zhǔn)檢測；總糖按GB/T 15038—2006食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中總糖的測定標(biāo)準(zhǔn)測定；還原糖和粗脂肪按GB 5009.6—2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中還原糖和脂肪的測定標(biāo)準(zhǔn)檢測。

圖1 咖啡生豆及土壤樣品采集點示意圖Fig. 1 Distribution map of collection sites of green coffee beans and soil samples

根據(jù)農(nóng)戶提供的信息在咖啡生豆樣品采摘的區(qū)域采集土樣。每個咖啡生豆樣品收集區(qū)的土樣設(shè)三個重復(fù)，每個重復(fù)按“S”形布點挖取5個剖面，然后將5個剖面土樣等量混合為一個混合土樣，采樣深度為0—20 cm，共采集49個混合樣品 (11個土壤采樣區(qū)未能收集到咖啡生豆樣品)，其中保山10個、德宏9個、臨滄13個、普洱17個。將帶回實驗室的土樣自然晾干，除去石子及植物殘體，用四分法進(jìn)行取舍，碾磨過篩后進(jìn)行土壤酸堿度 (pH值) 及各營養(yǎng)元素含量測定。土壤pH值用pH計 (2.5∶1的水土比) 測定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；土壤堿解氮用1.0 mol/L NaOH堿解擴(kuò)散法測定；土壤有效磷用0.03 mol/L NH4F和0.025 mol/L HCI浸提—比色法測定；土壤速效鉀用1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 由于指標(biāo)間存在著量綱的差異，首先對原始數(shù)據(jù)按公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。式中，為標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值；為原始變量值；為相應(yīng)指標(biāo)的平均值；為相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.2 土壤肥力指標(biāo)隸屬度函數(shù)的確定 土壤中的C、N、P、K這4種大量元素與植物的生長關(guān)系最大。對土壤中的各種養(yǎng)分建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，計算其隸屬度值。已有的研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量與作物產(chǎn)量成“S”型曲線關(guān)系，其隸屬函數(shù)為[10-11]：

式中，f(x) 表示各項指標(biāo)的隸屬度值，其值大小反映土壤的肥力狀況；1.0表示土壤中的該項指標(biāo)處于最好的狀態(tài)；1.0至0.1減小表示土壤中該項指標(biāo)所處狀態(tài)越來越差；0.1表示土壤中的該項指標(biāo)處于最差的狀態(tài)。表示該項指標(biāo)的下臨界值；表示該項指標(biāo)的上臨界值。根據(jù)咖啡園土壤養(yǎng)分的含量特征，以及各種養(yǎng)分與咖啡樹生長間的關(guān)系，并參考已有的研究結(jié)果[3,12]及全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)確定“S”型隸屬度函數(shù)曲線中轉(zhuǎn)折點的相應(yīng)取值 (表 1)。

表1 “S”型隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點取值Table 1 Values of turning point in S-type membership function

1.3.3 各項肥力指標(biāo)的權(quán)重值 采用統(tǒng)計軟件(SPSS 24.0) 對各個土壤指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，求出各指標(biāo)主成分的特征值和貢獻(xiàn)率 (表2)。通過相應(yīng)的載荷矩陣求出各指標(biāo)的公因子方差，其大小表示該項指標(biāo)對總體土壤養(yǎng)分狀況變異的貢獻(xiàn)，最終由公因子方差值計算各項肥力指標(biāo)的權(quán)重 (表3)。

表2 各指標(biāo)主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 2 Eigenvalues and contribution rates of each component

表3 土壤各參數(shù)權(quán)重表Table 3 Weight of the soil factors

1.3.4 土壤養(yǎng)分綜合評價 根據(jù)土壤肥力指標(biāo)的隸屬函數(shù)，計算不同土樣各指標(biāo)的隸屬度值，然后采用主成分分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，最終計算出各樣品土壤綜合肥力指標(biāo)值IFI (Integrated fertility index)[11]。具體計算公式為：

式中，Wi和分別表示第i種養(yǎng)分指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)和隸屬度值。IFI值的取值范圍為0～1.0，其值越大，表示土壤肥力越高。并將IFI值采用SPSS24.0進(jìn)行聚類分析，聚類方法選用歐氏距離，聚類結(jié)果分為4個等級，然后根據(jù)IFI值對每個等級進(jìn)行定義。

用ArcGIS 10.2空間分析功能中的反距離加權(quán)空間插值法 (IDW) 對土壤肥力的綜合指標(biāo)值進(jìn)行插值，并按以上聚類方法對云南咖啡園土壤養(yǎng)分等級進(jìn)行劃分，最終得出云南省咖啡園土壤養(yǎng)分綜合評價分布圖。

1.3.5 土壤養(yǎng)分對咖啡生豆品質(zhì)影響分析 為了更好地討論土壤養(yǎng)分對咖啡生豆品質(zhì)的影響，本試驗將所測定的10個指標(biāo)分為兩組變量進(jìn)行典型相關(guān)分析，其中土壤養(yǎng)分指標(biāo)記為(有機(jī)質(zhì))、(堿解氮)、(有效磷)、(速效鉀)、咖啡品質(zhì)性狀記為(咖啡因)、(總糖)、(還原糖)、(脂肪)、(灰分)。采用SPSS24.0進(jìn)行典型相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南咖啡主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分評價

經(jīng)對云南咖啡主產(chǎn)區(qū)的土樣進(jìn)行分析，得到云南省咖啡主產(chǎn)區(qū)土壤綜合肥力指標(biāo)值 (IFI) 為0.53，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1，變異系數(shù)18.18%，土壤綜合肥力一般。方差分析顯示 (表4) 德宏咖啡種植區(qū)IFI值(0.64) 顯著高于其他地區(qū) (P〈 0.05)，其次是普洱咖啡種植區(qū) (0.58)，保山和臨滄種植區(qū)相對較低，分別為0.43和0.46，且無顯著差異 (P〉 0.05)。在4個地區(qū)中，保山咖啡種區(qū)IFI值變異系數(shù)較大，為25.99%。運(yùn)用聚類分析將土壤綜合肥力分為4類 (表5)，第Ⅰ類IFI值為0.55～0.67，平均值0.60；第Ⅱ類IFI值為0.43～0.53，平均值0.47；第Ⅲ類IFI值為0.35～0.39，平均值0.37；第Ⅳ類IFI值為0.24～0.29，平均值0.26。因此可將Ⅰ類土壤肥力定義為適宜，Ⅱ類為一般，Ⅲ類為差，Ⅳ類為較差。

表4 各地區(qū)土壤綜合肥力得分Table 4 IFI values of different coffee-growing regions in southwest Yunnan

根據(jù)以上4類土壤綜合肥力分類的反距離加權(quán)空間插值，所得出的云南省咖啡園土壤養(yǎng)分綜合評價分布圖 (圖2) 可知，云南咖啡主要種植區(qū)大部分區(qū)域的土壤綜合肥力為第Ⅰ類和第Ⅱ類，土壤適宜咖啡生長，二者占咖啡種植區(qū)面積的98.8%，其中第Ⅰ類占54.2%，主要分布于普洱與德宏地區(qū)；第Ⅱ類占44.6%，主要是臨滄和保山地區(qū)。Ⅲ類和Ⅳ類則僅分布于適宜區(qū)的邊緣區(qū)域。

圖2 云南咖啡主要種植區(qū)土壤綜合肥力等級Fig. 2 Integrated fertility grade in Yunnan coffee growing regions

2.2 土壤養(yǎng)分與咖啡生豆品質(zhì)的典型相關(guān)分析

由土壤養(yǎng)分與咖啡生豆化學(xué)品質(zhì)的典型相關(guān)分析 (表6) 可以看出，第Ⅰ個典型相關(guān)系數(shù)和第Ⅱ個典型相關(guān)系數(shù)均達(dá)到顯著水平 (P〈 0.05)，而其他3組典型變量均未達(dá)顯著性水平 (P〉 0.05)，由此對第Ⅰ對和第Ⅱ?qū)Φ湫妥兞窟M(jìn)行分析 (表7)，利用組原始變量與典型變量的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)建立線性典型模型：土壤養(yǎng)分指標(biāo)的第Ⅰ典型變量咖啡生豆化學(xué)品質(zhì)的第Ⅰ典型變量

表5 云南咖啡園土壤IFI值分類Table 5 IFI values of different soil grades in Yunnan coffee growing region

表6 土壤養(yǎng)分含量與咖啡生豆品質(zhì)典型相關(guān)分析Table 6 Canonical correlation analysis of soil nutrient and quality of green coffee bean

表7 典型變量與原始變量有關(guān)性狀的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)Table 7 The standardized canonical coefficients between the canonical variables and primitive variables

3 討論與結(jié)論

小粒種咖啡原產(chǎn)于非洲[13]，適合生長在土層深厚、土壤通透性好且偏酸性的土壤環(huán)境中[3]。本結(jié)果顯示云南咖啡種植區(qū)的土壤綜合肥力指數(shù) (IFI) 主要位于0.43～0.67，土壤綜合肥力一般，這與趙明珠等用單項系數(shù)和內(nèi)梅羅綜合系數(shù)法所得出的結(jié)論一致[9]。另外，與國外較為適合小粒種咖啡生長的肥沃火山灰土相比[3]，云南咖啡種植區(qū)的土壤綜合肥力相對一般的結(jié)論是合理的。

目前我國將小粒種咖啡豆分為合格豆和不合格豆兩類，其中合格豆又分為三級 (一級豆、二級豆和三級豆)，分級的標(biāo)準(zhǔn)按其主檢項目分為外觀和感觀特性和物理特性的全部項目，化學(xué)特性中的水分和咖啡因含量項目[14-15]。在外觀和感官方面表現(xiàn)為：杯品清純，果酸和濃厚度都很好的為杯品一級；杯品清純，果酸和濃厚度都一般的為杯品二級；杯品不是很純，果酸和濃厚度低為杯品三級[15]。在物理特性方面一級豆粒度大于0.65 cm，缺陷豆和外來雜質(zhì)應(yīng)分別小于6%和0.1%；二級豆粒度大于0.55 cm，缺陷豆和外來雜質(zhì)應(yīng)分別小于8%和0.2%；三級豆粒度大于0.45 cm，缺陷豆和外來雜質(zhì)應(yīng)分別小于10%和0.3%[15]?；瘜W(xué)特性中的水分含量不能高于12%，咖啡因含量不能低于0.8%[15]。本研究分析了咖啡生豆中化學(xué)特性的各個項目與土壤營養(yǎng)元素的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)土壤各營養(yǎng)元素與咖啡生豆中的化學(xué)特性有著密切的相關(guān)性。

對咖啡生豆品質(zhì)的影響因素很多，從咖啡生產(chǎn)種植、初加工到倉儲運(yùn)輸?shù)纫幌盗羞^程都會對咖啡生豆的品質(zhì)產(chǎn)生影響，而在生產(chǎn)過程中土壤是影響咖啡生豆品質(zhì)的一個重要因素。已有的研究表明，土壤中各營養(yǎng)元素含量的差異對咖啡生豆品質(zhì)的影響不同，氮、磷、鉀含量的過高或過低均會影響咖啡的杯品質(zhì)量[1]。其中鉀元素在咖啡果實的生長和成熟過程中有著重要的作用，缺鉀往往會導(dǎo)致空豆數(shù)量的增加，而磷元素則是植物根系、枝條及幼芽生長所必需的元素，同時也是有機(jī)物質(zhì)形成所需的元素[1,3]。本研究的結(jié)果顯示，隨著土壤速效鉀的升高，咖啡因和總糖含量呈降低趨勢。而土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有效磷對咖啡生豆中的咖啡因和總糖含量也有一定的影響，且具有正作用。土壤pH值是養(yǎng)分有效性的一個重要影響因素，pH值的變化會直接影響咖啡樹對營養(yǎng)元素的吸收，其最適范圍在5.5～6.5之間[1,3]。而土壤氮素含量則能夠通過影響光合速率、葉片壽命、枝條生長以及根系生長等方面直接影響咖啡的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。過量的氮攝入會增加咖啡因的含量而影響咖啡品質(zhì)[3]。本研究中土壤pH值和堿解氮與咖啡生豆中脂肪含量關(guān)系密切，反映出在一定范圍內(nèi)，隨著土壤pH值和堿解氮含量的升高，脂肪含量呈降低趨勢。然而本研究的堿解氮與咖啡因并未呈現(xiàn)出密切的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于云南的咖啡種植區(qū)并未存在氮肥過量的現(xiàn)象?？梢姺治鐾寥琅c咖啡品質(zhì)的關(guān)系，能夠更深入地了解各營養(yǎng)元素及土壤特性與咖啡生豆各項化學(xué)品質(zhì)間的相互關(guān)系。這對于合理施肥及提高咖啡品質(zhì)具有積極的意義。

雖然土壤是影響咖啡生豆品質(zhì)的一個重要方面，但除土壤外咖啡生豆品質(zhì)還受品種、氣候、農(nóng)業(yè)管理、海拔、坡度坡向和產(chǎn)量等因素影響[1,16]。已有研究表明，云南咖啡可以有較好的杯品質(zhì)量[17-18]。李錦紅等[17]嚴(yán)格地按照采收標(biāo)準(zhǔn)，對云南各地區(qū)的咖啡進(jìn)行采摘和加工處理，其杯品質(zhì)量都在80分以上。這說明雖然云南咖啡種植區(qū)的土壤綜合肥力相對一般，但其依然能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)的咖啡。由此可知，單一因素分析雖然能夠很好地反映其與咖啡品質(zhì)間的相互關(guān)系，但各種環(huán)境因素所形成的生態(tài)位往往也是獨(dú)一無二且無可替代，并且它對咖啡品質(zhì)有著決定性的作用[1]。云南熱區(qū)地形復(fù)雜，地貌類型眾多，垂直氣候差異明顯，氣候類型豐富[5]。許多地區(qū)由光、熱、水等所形成的生態(tài)環(huán)境十分適宜小粒種咖啡的生長，生產(chǎn)的咖啡具有濃而不苦、酸味適中、口感豐厚、香味濃郁且醇和的優(yōu)異品質(zhì)[4-5]。因此在未來的研究中應(yīng)當(dāng)更多地考慮各種因素對咖啡品質(zhì)的綜合影響，這樣才能更好地評估咖啡的生長環(huán)境，為云南咖啡種植和管理提供可靠的科學(xué)依據(jù)。