云南咖啡种植区土壤养分状况及影响咖啡生豆品质的主要因素

马关润，刘汗青，田素梅，白学慧，赵明珠，李锦红，萧自位*

（1 云南省德宏热带农业科学研究所，云南瑞丽 678600；2 瑞丽检验检疫技术中心，云南瑞丽 678600；3 德宏师范高等专科学校，云南芒市 678400）

咖啡是世界上的主要饮品之一，其品质最终由杯品质量所决定[1]。目前国际上的咖啡杯品评价主要执行美国咖啡精品协会 (SCAA) 和欧洲咖啡精品协会(SCAE) 的杯品评价体系。在我国普遍采用SCAA的杯品评价体系，其中杯品质量80分以上为精品咖啡，80分以下为非精品咖啡[1,2]。其杯品质量受生产、加工、烘焙及冲泡等各种因素影响。在生产过程中种植环境是影响咖啡品质的一个重要因素。由于小粒种咖啡 (Coffea arabica) 适宜生长在温度18℃～21℃，年降雨量为1200～1800 mm的气候环境中，并且全年需要有个旱季促进其统一开花[1]。在土壤条件方面，小粒种咖啡适宜生长在土层深厚、土壤肥沃且pH值位于5.5～6.5之间的土壤中[3]。因此在咖啡种植和管理过程中应当详细调查种植区的气候环境及土壤条件，以确保能够生产出杯品质量优良的咖啡。云南是中国主要的咖啡种植区，其产量占全国90%以上[4]。云南的热区环境资源丰富，许多地区十分适宜小粒种咖啡的生长[5]，其生产的咖啡具有优异的品质[4]。然而近年来由于云南咖啡产业的迅猛发展，存在着盲目种植及管理粗放的问题，致使生产出的咖啡产量低品质差[4]，从而严重影响咖啡生豆的价格。因此，了解咖啡园土壤养分状况及其对咖啡品质的影响，对于合理规划种植区及优化施肥管理，以及提高咖啡产量和品质具有十分重要的意义。

对咖啡果实的采收，会使土壤中的各种元素通过咖啡果实而被移走，因此每年都应对咖啡园施用一定的肥料，并且目前国内外均主要采取以施化肥为主有机肥为辅的施肥方式[1,3-6]。国外的研究表明，3年生的咖啡树每年对P2O5、K2O、CaO、MgO等养分的需求分别是38.4、149.8、52.5、25.9 kg/hm2，适合其生长的最优钾钙镁所占阳离子比例(K∶Ca∶Mg) 约为6%∶76%∶18%[3]。另外，在幼苗期每棵幼苗每个月需施复合肥59～118 g，到挂果期则增加到474～948 g，其中复合肥中应含氮 (N)6%～10%，磷 (P2O5)6%～10%，钾 (K2O)2%～6%，镁(Mg) 2%～6%[7]。蔡传涛等[8]研究认为，在云南思茅地区小粒咖啡年最佳施肥量为N 50～100 g/株、P2O525～50 g/株和K2O 50～100 g/株。尽管国内外已有许多有关咖啡土壤施肥的研究，但是由于土壤养分具有较高的空间异质性，因此咖啡施肥方法应根据各个区域土壤养分的需求状况，选择咖啡所需的肥料适时、适量地施肥[1]。

赵明珠等对云南土壤综合肥力进行了评价[9]，然而云南作为咖啡主产区，研究中并未对云南各个咖啡主产区的土壤综合肥力进行详细比较及对咖啡园土壤肥力进行等级划分。而土壤综合肥力作为影响咖啡品质的一个重要方面，其研究尚未见报道。因此本研究拟对云南四个咖啡主产区的土壤养分状况进行综合评估，并对其进行比较和等级划分；另外，分析土壤养分与咖啡生豆品质的相关关系，得出各营养元素对咖啡生豆品质影响的重要性，以期为云南咖啡的合理种植和管理提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

普洱是云南主要的咖啡种植区，其气候特征十分有利于小粒种咖啡 (Coffea arabica) 的生长，全年平均气温19.1℃，湿度为77.9%，年降雨量为1481.8 mm。临沧是云南咖啡种植的新兴地区，在临沧凌丰公司的推动下，该区的咖啡种植面积迅猛发展，其气候特征也较为适合小粒种咖啡的生长，全年平均气温18.7℃，湿度为74.4%，年降雨量为1255.2 mm。德宏具有较长的咖啡种植历史，其气候特征也十分有利于小粒种咖啡的生长，全年平均气温19.5℃，湿度为79.4%，年降雨量为1587.0 mm。保山的咖啡种植区主要分布于潞江坝，其具有独特的干热河谷气候特征，全年平均气温16.4℃，湿度为77.6%，年降雨量为1325.3 mm。

在采样过程中，运用访谈式调查方式对采样点的农户进行施肥情况调查。调查显示：普洱地区的咖啡园基本上每年施用氮肥两次，每次施用量为170～210 kg/hm2；临沧地区每年大概施用氮肥两次，每次施用量为170～190 kg/hm2；德宏地区每年施用氮肥两次，每次施用量为160～180 kg/hm2；保山地区每年施用氮肥两次，每次施用量为170～200 kg/hm2。

1.2 研究方法

于2015年12月至2016年2月，对云南普洱、临沧、德宏和保山4个咖啡主产区的小粒种咖啡(Coffea arabica) (主要品种为卡蒂姆) 生豆进行样品采集 (图1)。为了使所取样品具有区域代表性，所有样品均从当地农户或咖啡公司购买，每个点购买2 kg优质咖啡生豆，共采集38个咖啡生豆样品，其中保山地区10个、德宏6个、临沧9个、普洱13个。通过与种植户进行访谈式调查后进行实地踏查记录咖啡园的海拔及经纬度。

咖啡生豆样品化学成分由瑞丽市进出入境检验检疫局技术中心检测。灰分按GB 5009.4—2016食品安全国家标准食品中灰分的测定标准检测；咖啡因按GB 5009.139—2014食品安全国家标准饮料中咖啡因的测定标准检测；总糖按GB/T 15038—2006食品安全国家标准食品中总糖的测定标准测定；还原糖和粗脂肪按GB 5009.6—2016食品安全国家标准食品中还原糖和脂肪的测定标准检测。

图1 咖啡生豆及土壤样品采集点示意图Fig. 1 Distribution map of collection sites of green coffee beans and soil samples

根据农户提供的信息在咖啡生豆样品采摘的区域采集土样。每个咖啡生豆样品收集区的土样设三个重复，每个重复按“S”形布点挖取5个剖面，然后将5个剖面土样等量混合为一个混合土样，采样深度为0—20 cm，共采集49个混合样品 (11个土壤采样区未能收集到咖啡生豆样品)，其中保山10个、德宏9个、临沧13个、普洱17个。将带回实验室的土样自然晾干，除去石子及植物残体，用四分法进行取舍，碾磨过筛后进行土壤酸碱度 (pH值) 及各营养元素含量测定。土壤pH值用pH计 (2.5∶1的水土比) 测定；土壤有机质用重铬酸钾容量法—外加热法测定；土壤碱解氮用1.0 mol/L NaOH碱解扩散法测定；土壤有效磷用0.03 mol/L NH4F和0.025 mol/L HCI浸提—比色法测定；土壤速效钾用1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测定。

1.3 数据分析

1.3.1 数据标准化 由于指标间存在着量纲的差异，首先对原始数据按公式进行标准化处理。式中，为标准化后的变量值；为原始变量值；为相应指标的平均值；为相应指标的标准差。

1.3.2 土壤肥力指标隶属度函数的确定 土壤中的C、N、P、K这4种大量元素与植物的生长关系最大。对土壤中的各种养分建立相应的隶属度函数，计算其隶属度值。已有的研究表明，土壤有机质及氮、磷、钾等养分含量与作物产量成“S”型曲线关系，其隶属函数为[10-11]：

式中，f(x) 表示各项指标的隶属度值，其值大小反映土壤的肥力状况；1.0表示土壤中的该项指标处于最好的状态；1.0至0.1减小表示土壤中该项指标所处状态越来越差；0.1表示土壤中的该项指标处于最差的状态。表示该项指标的下临界值；表示该项指标的上临界值。根据咖啡园土壤养分的含量特征，以及各种养分与咖啡树生长间的关系，并参考已有的研究结果[3,12]及全国第二次土壤普查养分分级标准确定“S”型隶属度函数曲线中转折点的相应取值 (表 1)。

表1 “S”型隶属度函数曲线转折点取值Table 1 Values of turning point in S-type membership function

1.3.3 各项肥力指标的权重值 采用统计软件(SPSS 24.0) 对各个土壤指标进行主成分分析，求出各指标主成分的特征值和贡献率 (表2)。通过相应的载荷矩阵求出各指标的公因子方差，其大小表示该项指标对总体土壤养分状况变异的贡献，最终由公因子方差值计算各项肥力指标的权重 (表3)。

表2 各指标主成分的特征值及贡献率Table 2 Eigenvalues and contribution rates of each component

表3 土壤各参数权重表Table 3 Weight of the soil factors

1.3.4 土壤养分综合评价 根据土壤肥力指标的隶属函数，计算不同土样各指标的隶属度值，然后采用主成分分析法确定各指标的权重系数，最终计算出各样品土壤综合肥力指标值IFI (Integrated fertility index)[11]。具体计算公式为：

式中，Wi和分别表示第i种养分指标的权重系数和隶属度值。IFI值的取值范围为0～1.0，其值越大，表示土壤肥力越高。并将IFI值采用SPSS24.0进行聚类分析，聚类方法选用欧氏距离，聚类结果分为4个等级，然后根据IFI值对每个等级进行定义。

用ArcGIS 10.2空间分析功能中的反距离加权空间插值法 (IDW) 对土壤肥力的综合指标值进行插值，并按以上聚类方法对云南咖啡园土壤养分等级进行划分，最终得出云南省咖啡园土壤养分综合评价分布图。

1.3.5 土壤养分对咖啡生豆品质影响分析 为了更好地讨论土壤养分对咖啡生豆品质的影响，本试验将所测定的10个指标分为两组变量进行典型相关分析，其中土壤养分指标记为(有机质)、(碱解氮)、(有效磷)、(速效钾)、咖啡品质性状记为(咖啡因)、(总糖)、(还原糖)、(脂肪)、(灰分)。采用SPSS24.0进行典型相关分析。

2 结果与分析

2.1 云南咖啡主产区土壤养分评价

经对云南咖啡主产区的土样进行分析，得到云南省咖啡主产区土壤综合肥力指标值 (IFI) 为0.53，标准差为0.1，变异系数18.18%，土壤综合肥力一般。方差分析显示 (表4) 德宏咖啡种植区IFI值(0.64) 显著高于其他地区 (P〈 0.05)，其次是普洱咖啡种植区 (0.58)，保山和临沧种植区相对较低，分别为0.43和0.46，且无显著差异 (P〉 0.05)。在4个地区中，保山咖啡种区IFI值变异系数较大，为25.99%。运用聚类分析将土壤综合肥力分为4类 (表5)，第Ⅰ类IFI值为0.55～0.67，平均值0.60；第Ⅱ类IFI值为0.43～0.53，平均值0.47；第Ⅲ类IFI值为0.35～0.39，平均值0.37；第Ⅳ类IFI值为0.24～0.29，平均值0.26。因此可将Ⅰ类土壤肥力定义为适宜，Ⅱ类为一般，Ⅲ类为差，Ⅳ类为较差。

表4 各地区土壤综合肥力得分Table 4 IFI values of different coffee-growing regions in southwest Yunnan

根据以上4类土壤综合肥力分类的反距离加权空间插值，所得出的云南省咖啡园土壤养分综合评价分布图 (图2) 可知，云南咖啡主要种植区大部分区域的土壤综合肥力为第Ⅰ类和第Ⅱ类，土壤适宜咖啡生长，二者占咖啡种植区面积的98.8%，其中第Ⅰ类占54.2%，主要分布于普洱与德宏地区；第Ⅱ类占44.6%，主要是临沧和保山地区。Ⅲ类和Ⅳ类则仅分布于适宜区的边缘区域。

图2 云南咖啡主要种植区土壤综合肥力等级Fig. 2 Integrated fertility grade in Yunnan coffee growing regions

2.2 土壤养分与咖啡生豆品质的典型相关分析

由土壤养分与咖啡生豆化学品质的典型相关分析 (表6) 可以看出，第Ⅰ个典型相关系数和第Ⅱ个典型相关系数均达到显著水平 (P〈 0.05)，而其他3组典型变量均未达显著性水平 (P〉 0.05)，由此对第Ⅰ对和第Ⅱ对典型变量进行分析 (表7)，利用组原始变量与典型变量的标准化系数建立线性典型模型：土壤养分指标的第Ⅰ典型变量咖啡生豆化学品质的第Ⅰ典型变量

表5 云南咖啡园土壤IFI值分类Table 5 IFI values of different soil grades in Yunnan coffee growing region

表6 土壤养分含量与咖啡生豆品质典型相关分析Table 6 Canonical correlation analysis of soil nutrient and quality of green coffee bean

表7 典型变量与原始变量有关性状的标准化系数Table 7 The standardized canonical coefficients between the canonical variables and primitive variables

3 讨论与结论

小粒种咖啡原产于非洲[13]，适合生长在土层深厚、土壤通透性好且偏酸性的土壤环境中[3]。本结果显示云南咖啡种植区的土壤综合肥力指数 (IFI) 主要位于0.43～0.67，土壤综合肥力一般，这与赵明珠等用单项系数和内梅罗综合系数法所得出的结论一致[9]。另外，与国外较为适合小粒种咖啡生长的肥沃火山灰土相比[3]，云南咖啡种植区的土壤综合肥力相对一般的结论是合理的。

目前我国将小粒种咖啡豆分为合格豆和不合格豆两类，其中合格豆又分为三级 (一级豆、二级豆和三级豆)，分级的标准按其主检项目分为外观和感观特性和物理特性的全部项目，化学特性中的水分和咖啡因含量项目[14-15]。在外观和感官方面表现为：杯品清纯，果酸和浓厚度都很好的为杯品一级；杯品清纯，果酸和浓厚度都一般的为杯品二级；杯品不是很纯，果酸和浓厚度低为杯品三级[15]。在物理特性方面一级豆粒度大于0.65 cm，缺陷豆和外来杂质应分别小于6%和0.1%；二级豆粒度大于0.55 cm，缺陷豆和外来杂质应分别小于8%和0.2%；三级豆粒度大于0.45 cm，缺陷豆和外来杂质应分别小于10%和0.3%[15]。化学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学特性的各个项目与土壤营养元素的相关性，发现土壤各营养元素与咖啡生豆中的化学特性有着密切的相关性。

对咖啡生豆品质的影响因素很多，从咖啡生产种植、初加工到仓储运输等一系列过程都会对咖啡生豆的品质产生影响，而在生产过程中土壤是影响咖啡生豆品质的一个重要因素。已有的研究表明，土壤中各营养元素含量的差异对咖啡生豆品质的影响不同，氮、磷、钾含量的过高或过低均会影响咖啡的杯品质量[1]。其中钾元素在咖啡果实的生长和成熟过程中有着重要的作用，缺钾往往会导致空豆数量的增加，而磷元素则是植物根系、枝条及幼芽生长所必需的元素，同时也是有机物质形成所需的元素[1,3]。本研究的结果显示，随着土壤速效钾的升高，咖啡因和总糖含量呈降低趋势。而土壤有机质和土壤有效磷对咖啡生豆中的咖啡因和总糖含量也有一定的影响，且具有正作用。土壤pH值是养分有效性的一个重要影响因素，pH值的变化会直接影响咖啡树对营养元素的吸收，其最适范围在5.5～6.5之间[1,3]。而土壤氮素含量则能够通过影响光合速率、叶片寿命、枝条生长以及根系生长等方面直接影响咖啡的产量和品质[3]。过量的氮摄入会增加咖啡因的含量而影响咖啡品质[3]。本研究中土壤pH值和碱解氮与咖啡生豆中脂肪含量关系密切，反映出在一定范围内，随着土壤pH值和碱解氮含量的升高，脂肪含量呈降低趋势。然而本研究的碱解氮与咖啡因并未呈现出密切的相关关系，这可能是由于云南的咖啡种植区并未存在氮肥过量的现象。可见分析土壤与咖啡品质的关系，能够更深入地了解各营养元素及土壤特性与咖啡生豆各项化学品质间的相互关系。这对于合理施肥及提高咖啡品质具有积极的意义。

虽然土壤是影响咖啡生豆品质的一个重要方面，但除土壤外咖啡生豆品质还受品种、气候、农业管理、海拔、坡度坡向和产量等因素影响[1,16]。已有研究表明，云南咖啡可以有较好的杯品质量[17-18]。李锦红等[17]严格地按照采收标准，对云南各地区的咖啡进行采摘和加工处理，其杯品质量都在80分以上。这说明虽然云南咖啡种植区的土壤综合肥力相对一般，但其依然能够生产出高品质的咖啡。由此可知，单一因素分析虽然能够很好地反映其与咖啡品质间的相互关系，但各种环境因素所形成的生态位往往也是独一无二且无可替代，并且它对咖啡品质有着决定性的作用[1]。云南热区地形复杂，地貌类型众多，垂直气候差异明显，气候类型丰富[5]。许多地区由光、热、水等所形成的生态环境十分适宜小粒种咖啡的生长，生产的咖啡具有浓而不苦、酸味适中、口感丰厚、香味浓郁且醇和的优异品质[4-5]。因此在未来的研究中应当更多地考虑各种因素对咖啡品质的综合影响，这样才能更好地评估咖啡的生长环境，为云南咖啡种植和管理提供可靠的科学依据。