小粒咖啡不同海拔土壤肥力现状及变化特征

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　　摘  要  全国第二次土壤普查迄今30年，小粒咖啡的土壤肥力不断更新变化，为实现土地资源的有效利用并促进咖啡产业的可持续发展，探寻小粒咖啡的土壤肥力现状和变化特征尤为重要。2015—2018年间对小粒咖啡6个主产区采集的大量土壤数据进行分析，研究咖啡地土壤肥力现状，并与第二次土壤普查数据相对比，得出咖啡土壤肥力的变化特征及原因。目前，小粒咖啡土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的平均值分别为5.53、32.68 g/kg、128.77 mg/kg、18.01 mg/kg和138.31 mg/kg，主要分布范围分别为4.5～5.5、>40 g/kg、120～150 mg/kg、10～20 mg/kg和100～150 mg/kg。小粒咖啡土壤肥力在不同海拔高度的分布均存在显著差异，pH和碱解氮含量随海拔高度增加而降低，有机质和有效磷含量随海拔高度增加而增加，速效钾含量随海拔高度的增加呈先增加后降低。与第二次土壤普查相比，目前小粒咖啡土壤呈酸化趋势，有机质、碱解氮和速效钾含量明显降低，而有效磷含量显著提高。宜耕区长期频繁耕作、大量施用化学肥料，小粒咖啡土壤肥力变化显著。建议小粒咖啡主产区应控制磷肥施用量，推进咖啡秸秆、果皮发酵还田的力度，加快小粒咖啡土壤肥力的提高并达到养分供需平衡。
　　关键词  小粒咖啡;土壤肥力;海拔;全国第二次土壤普查中图分类号  S571.2      文献标识码  A
　　Abstract  The soil fertility of Coffea arabica L. was analyzed by massive data of soil sampled in six main producing regions in Yunnan Province during 2015-2018， and compared with the data obtained during the second national soil survey to explore the laws and causes of the variation of the soil fertility. Presently， the soil fertility of C. arabica L. in Yunnan was pH 4.5-5.5 or 5.53 on average， organic matter 32.68 g/kg， alkalystic N 128.77 mg/kg， available P 18.01 mg/kg， and available K 138.31 mg/kg. The soil fertility had significant difference in different altitudes. pH and the content of alkalystic N decreased， the content of soil organic matter and available P increased， and the content of available K increased first and then decreased with the increase of altitude. Compared with the results from the second national soil survey， the soil pH， the content of organic matter， alkalystic N and available K decreased while available P increased significantly. The soil fertility varied significantly due to long-term frequent tillage and large application of chemical fertilizers in suitable areas. It is suggested that the application amount of phosphate fertilizer should be controlled， and the returning of coffee straw and peel to the field should be promoted to achieve the balance of supply and demand for nutrient.
　　Keywords  C. arabica L.; soil fertility; altitude; the second national soil survey
　　DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.04.002
　　土壤肥力狀况制约着每个农业作物的安全可持续发展，通过利用土壤肥力的变化特征可为土壤资源和合理施肥提供有效的科学依据[1]。作为世界三大饮料作物的咖啡，在中国的新兴特色农业中，扮演着举足轻重的地位。随着时代的不断演替与更新，土壤肥力随着土地的利用方式、施肥水平和管理措施不断发生变化，不同的海拔、土壤类型、气候和生物等因素，致使同一地区不同的区域土壤肥力状况存在较大差异。随着我国劳动力不断向城市转移，农村的剩余劳动力较为稀缺，咖啡的种植、采摘过程以及后期的加工处理都亟需劳动力。
　　我国从20世纪30年代就开始在全国进行第二次土壤普查，但与上次土壤普查已有30年之隔，目前海拔与土壤肥力的相关性研究已有诸多报道，取得丰富成果，地形、植被结构、温度、水分和光照等环境因子随着海拔的上升表现出一定的规律性，但由于研究的作物、区域差异，所得出的结论也不尽相同。焦润安等[2]对陇南白龙江流域油橄榄园土壤肥力研究指出土壤肥力总体呈现了随海拔升高而降低的趋势，华北山区海拔越低土壤有效磷含量越高[3]，武夷山、庐山茶园和纳板河自然保护区土壤有机质含量随海拔高度升高而升高[4-5]，薛沛沛等[6]对大岗山不同海拔毛竹林土壤肥力研究也指出海拔与土壤肥力呈正相关关系。云南省的普洱、临沧、德宏、保山、文山和怒江作为小粒咖啡的主产区，每个产区的海拔不一，随之的土壤肥力也各不相同。随着近年来我国对咖啡行业的不断重视，小粒咖啡的种植面积和产量不断上升，化肥施用量也随之升高，有机肥摄入量却不断萎缩，导致土壤理化性质不断发生改变，土壤质量降低。 　　本文通过对云南咖啡地土壤样品的测定、数据分析统计，明确小粒咖啡土壤肥力现状，并与全国第二次土壤普查的结果比较，得出土壤肥力的变化特征，为咖啡地合理施肥、促进土壤养分平衡提供一定的理论依据。
　　1  材料与方法
　　1.1  研究区概况
　　云南省西南部的普洱、临沧、怒江，西部的德宏、保山以及东南部的文山都属于云南的热区，同时是生产小粒咖啡的黄金地带，拥有着得天独厚的自然条件优势：位于北纬21～25°的亚热带气候，年均气温15～25 ℃，海拔500～2000 m（高海拔促进咖啡优良品质的形成），年平均降雨量丰沛700～1800 m，雨热同期，日照充足（促进咖啡生长），昼夜温差大（15～20 ℃，利于咖啡养分积累），干湿分明（利于咖啡采收），基本全年无霜（咖啡为喜热作物，不耐寒），成为孕育优质咖啡的温床。普洱、临沧、德宏和保山并称云南小粒咖啡的四大核心主产区。截至目前，云南全省的小粒咖啡种植面积达11.8万hm2，年产量13.9万t。根据小粒咖啡主产区每个采样点的海拔高度，划分为3个海拔梯度，分别为低海拔（500～1000 m）地区、中海拔（1000～1500 m）地区和高海拔（>1500 m）地区。
　　1.2  土样采集与分析
　　2015—2018年间在云南省小粒咖啡主产区：普洱、临沧、德宏、保山、文山和怒江地区，采用GPS定位。每个点采集3份土样（0～20 cm），采用“梅花形”采样法采集[7]，共采集684份土壤样品，土样分布详细情况如表1所示。
　　采用2.5∶1水土比，pH计测定土壤pH;重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质（OM）;1.0 mol/L NaOH碱解扩散法测定土壤碱解氮（AN）;0.03 mol/L NH4F-0.025 mol/L HCl浸提-比色法测定土壤有效磷（AP）;1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾（AK）[8]。
　　1.3  数据分析
　　采用Excel软件和SPSS软件进行数据整理与分析。土壤养分分级按照全国第二次土壤普查[9]时指定的标准，利于二者间的分析比较。
　　2  结果与分析
　　2.1  土壤pH分析
　　土壤pH是评价土壤质量高低的重要指标之一，其大小制约土壤养分的含量及其有效性，从而影响土壤肥力的形成[10]。目前云南省小粒咖啡主产区的土壤pH范围4.21～8.11（表2），呈正态分布（图1A），平均值为5.53，变异系数为13.75%，
　　较低。土壤强酸、酸性、微酸、中性、碱性和强碱水平的分布频率分别为2.19%、55.12%、31.14%、9.65%、1.90%和0.00%，小粒咖啡主产区的3个海拔高度的土壤pH：低海拔>中海拔>高海拔，三者间存在显著差异，表现为土壤pH随着海拔的升高逐渐降低的趋势。
　　小粒咖啡最适宜种植的土壤pH为5.5～6.5，主产区仍有57.31%的土壤酸性过强，11.55%的土壤碱性过强。低海拔地区21.43%的土壤过酸现象，比第二次土壤普查时增加15.09%;41.84%的土壤过碱，比第二次土壤普查时减少18.73%（图1B）。中海拔地区60.91%的土壤过酸现象，比第二次土壤普查时增加9.72%;6.91%的土壤过碱，比第二次土壤普查时增加6.12%（图1C）。高海拔地区100%的土壤过酸，比第二次土壤普查时增加49.86%（图1D）。
　　2.2  土壤的有机质含量分析
　　有机质作为衡量土壤肥力高低的关键因素之一，其含量高低影响土壤的质量，同时制约着作物的生长发育。目前云南咖啡主产区的土壤有机质含量4.32～79.63 g/kg（表2），呈正态分布（图2A），平均含量为32.68 g/kg，变异系数为51.30%，属中等变异。云南咖啡主产区的土壤有机质含量极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富水平的分布频率分别为0.58%、3.95%、25.15%、21.93%、14.91%和33.48%，3个海拔范围内的有机质含量高海拔>中海拔>低海拔，三者间存在显著差异，随着海拔的升高有机质含量逐渐升高。
　　小粒咖啡主产区的土壤有机质由第二次土壤普查时的50.51 g/kg，减少到目前的32.68 g/kg，降幅35.30%。低海拔地区32.65%的土壤存在有机质缺乏现象，比第二次土壤普查时增加32.65%（图2B）。中海拔地区30.18%的土壤存在有机质缺乏现象，比第二次土壤普查时增加29.39%（图2C）。高海拔地区13.89%的土壤存在有机质缺乏，比第二次土壤普查时增加13.89%（图2D）。
　　2.3  土壤的碱解氮含量分析
　　土壤碱解氮含量作为农业活动中衡量氮肥施用量的主要指标，其高低反映出土壤的短期供氮能力及作物的养分吸收状况。云南咖啡主产区的土壤碱解氮含量为9.90～286.62 mg/kg，呈正态分布（图3A），平均为128.77属中等变异（表2）。云南咖啡主产区的土壤碱解氮，极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富水平的分布频率分别为2.19%、2.19%、13.45%、23.39%、29.68%和29.09%，3个海拔范围内的碱解氮含量依次为：低海拔≈中海拔>高海拔，高海拔與中低海拔间差异显著，整体呈现出随着海拔的升高碱解氮量逐渐降低的趋势。中海拔地区的碱解氮变幅最大，为9.90～286.62 g/kg，与整个产区的变幅一致。
　　小粒咖啡主产区的土壤碱解氮由30年前的159.92 mg/kg，减少到目前的128.77 mg/kg，降幅19.48%。低海拔地区14.29%土壤存在碱解氮缺乏现象，比第二次土壤普查时减少1.56%（图3B）。中海拔地区18.36%的土壤存在碱解氮缺乏现象，比第二次土壤普查时增加17.57%（图3C）。高海拔地区19.44%的土壤存在碱解氮缺乏现象，比第二次土壤普查时增加19.44%（图3D）。 　　2.4  土壤的有效磷含量分析
　　土壤有效磷能定量反映土壤对作物的当季供磷能力高低，对指导科学施肥具有积极意义。云南咖啡主产区土壤有效磷含量为0.49～92.06 mg/kg，呈正态分布（图4A），平均为18.01 mg/kg，变异系数为97.20%，是咖啡土壤肥力中变异系数最高的指标（表2）。云南咖啡主产区的土壤有效磷含量极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富的分布频率分别为14.33%、10.53%、15.94%、29.82%、18.71%和10.67%，3个海拔范围内的有效磷含量依次为：高海拔>中海拔>低海拔，三者之间存在显著差异，随着海拔的升高有效磷含量逐渐升高。中海拔地区的有效磷变幅最大为0.49～92.06 mg/kg，与整个产区的变幅一致。
　　小粒咖啡主产区的土壤有效磷含量由30年前的9.93 mg/kg，增加到目前的18.01 mg/kg，增幅81.37%。低海拔地区38.78%土壤有效磷缺乏现象，比第二次土壤普查时减少45.73%（图4B）。中海拔地区40.18%土壤有效磷缺乏现象，比第二次土壤普查时减少15.77%（图4C）。高海拔地区55.56%土壤有效磷缺乏现象，比第二次土壤普查时减少27.82%（图4D）。
　　2.5  土壤的速效钾含量分析
　　土壤的速效钾含量作为评价土壤对作物的当季供钾能力高低的重要指标，对指导农业生产活动中合理施用钾肥具有重要意义。云南咖啡主产区的土壤速效鉀含量为43.34～317.49 mg/kg，呈正态分布（图5A），平均为138.31 mg/kg，变异系
　　数为28.94%，属较低变异（表2）。云南咖啡主产区的土壤速效钾含量极缺、很缺、缺乏、中等、丰富和很丰富水平的分布频率分别为0.00%、0.29%、17.54%、46.49%、30.12%和5.56%，3个海拔范围内的速效钾含量依次为：中海拔>高海拔≈低海拔，中海拔与高低海拔间差异显著，随着海拔的升高速效钾含量先升高后降低。中海拔地区的速效钾变幅最大为43.34～317.49 mg/kg，与整个产区的变幅一致。
　　小粒咖啡主产区的土壤速效钾含量由30年前的156.59 mg/kg，减少到目前的138.31 mg/kg，降幅为11.67%。低海拔地区25.51%土壤速效钾缺乏现象，比第二次土壤普查时增加25.51%（图5B）。中海拔地区16.55%的土壤速效钾缺乏，比第二次土壤普查时增加8.61%（图5C）。高海拔地区16.67%的土壤速效钾缺乏，比第二次土壤普查时增加16.67%（图5D）。
　　3  讨论
　　小粒咖啡主产区的土壤肥力状况具有明显的海拔差异性。成土母质、地形地貌和生产活动等不同的生态环境显著影响着土壤的肥力特性[11]。低海拔地区，土壤多为黄土、赤土和红灰泥土，该区域土体中含有石英颗粒，有机质含量低，土壤中的碳酸钙含量增多，降低有效磷含量[12]。中海拔地区，土壤以赤土、黄棕土为主，该区域土壤偏酸性，保水保肥能力较强，土体熟化程度较高，有机质含量高[12]，是小粒咖啡的主要生产地段。高海拔地区，土壤大多数为黄红壤，质地偏黏，该区域多为新开垦的林地，有机质含量丰富，酸性强。高海拔地区咖啡生长期长[13]，利于生物碱和酚性物质合成[14]，咖啡杯品厚度佳，成为生产精品咖啡的黄金地带。
　　土壤酸碱度不仅影响土壤中的微生物活性，而且制约着土壤养分的形成、转化、吸收与利用，成为判别土壤肥力高低的主要指标之一[15]。30年内，土壤pH下降0.5个单位，主要原因是长期过量施用氮肥[16]。土壤酸化现象在高海拔地区比较显著，土壤过酸会影响咖啡对土壤养分的吸收与利用，阻碍根系生长，大量咖啡收获加速土壤矿物风化并过度消耗碱性矿物养分库，最终导致土壤pH不断降低[17]。可结合当地小气候特点进行相应的养分优化管理和种植调整[3]，采用咖啡与橡胶、龙眼、牛油果、西番莲的复合种植模式，充分利用作物的空间分布特征。施用石灰石和生物炭混合改良剂、生物调理剂，土壤pH改善至5.0～5.5，土壤有机质、速效磷、碱解氮分别提高了25%～39%、38%～74%、7%～13%[18]。
　　土壤有机质是组成土壤肥力的重要指标，是肥力形成的实质，同时影响并制约着土壤的理化性质[2]。自全国第二次土壤普查以来，云南热区的耕地面积不断减少，优质耕地盐碱化、沙化或占用，土壤肥力差的土地被开垦为耕地，致使整体咖啡产区的耕地质量不断下降，重化肥轻有机肥也是关键因素之一。海拔升高改变了微生物群落结构[3]，土壤有机质含量随海拔高度升高而升高[4-5]，高海拔地区的土壤活性有机碳含量和分配比例较高[19]，与本研究结果一致。
　　土壤碱解氮是氮肥转化成作物可吸收利用的主要形式，其含量高低表征氮肥的丰缺和利用率状况。咖啡地的氮肥施用量匮乏，氮肥在分解过程中释放CO2和有机酸，CO2部分被植物吸收利用，部分溶解于土壤产生各种酸，加快土壤酸化进程，但促进难溶物质溶解，增加土壤的有效养分含量[15]。土壤有效磷缺乏导致植物的咖啡受到限制，过多则影响质量和品质的形成[20]。低海拔地区多为石灰性母质，所以磷养分贫瘠[15， 21]。小粒咖啡最适宜的氮磷钾配比为25∶9∶19，咖啡对肥料的需求量是氮肥最多，其次是钾肥，最少是磷肥。从生态友好型农业发展的角度看，土壤磷含量需要保持在既能保证咖啡的高产、稳产和优质，又能最大限度降低环境的污染破坏力[22]。土壤中的钾不会发生形态的转化，与易转化的氮和随雨水淋失易被土壤固定的磷不一致，因此能够真实反映咖啡地的施肥现状[15]，可采用磷素衡量监控技术[23]，提高磷肥的有效利用率。中、高海拔地区土壤质地较为黏重，土壤速效钾含量高[24]。咖啡对钾的需求量仅次于氮，但农民长期重施氮磷肥轻钾肥的习惯，导致消耗土壤中大量的钾素，同时得不到及时的补充。中国普遍存在钾肥缺乏现象，80%以上的钾素存于作物秸秆中，因此咖啡果皮、咖啡渣、修剪的枝干等发酵腐熟还田作为一种重要的速效钾资源，可有效增加土壤的有机质和速效养分含量[25-26]。因地制宜，坚持咖啡带走多少施用多少的原则，保证土壤养分的动态平衡。 　　咖啡主产区由低海拔向高海拔土壤酸碱度逐渐降低，交换性酸增加，酸性增强;土壤有机质、有效磷含量随海拔的升高而增加[27]，土壤速效钾含量随着海拔的升高呈现先升后降的趋势，与焦润安等[2]的研究结果不一致，可能与咖啡主产区所处的干热河谷小气候特征在不同海拔下的地形、植被结构、温度、水分和光照等环境异质性息息相关。
　　4  结论
　　（1）目前小粒咖啡主产区的土壤pH平均为5.53，属酸性土壤;有机质平均含量为32.68 g/kg，属丰富水平;碱解氮平均含量为128.77 mg/kg，属丰富水平;有效磷平均含量为18.01 mg/kg，属中等水平;速效钾平均含量为138.31 mg/kg，属中等水平。
　　（2）土壤pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量的主要分布范围为4.5～5.5、>40 g/kg、120～150 mg/kg、10～20 mg/kg和100～150 mg/kg，比例分别为55.12%、33.48%、29.68%、29.82%和46.49%;全国第二次土壤普查时的主要分布范围为5.5～6.5、>40 g/kg、>150 mg/kg、10～20 mg/kg和150～200 mg/kg，所占比例分别为44.91%、59.62%、58.14%、29.42%和62.23%。
　　（3）不同海拔高度比较，土壤pH和碱解氮含量表现为低海拔>中海拔>高海拔，有機质、有效磷含量表现为高海拔>中海拔>低海拔，速效钾含量表现为中海拔>高海拔≈低海拔地区。
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