保水劑和氮肥對小粒咖啡生長及水分利用的互作效應

耿宏焯　劉小剛　鐘原　楊啟良　施衛省

摘 要 小粒咖啡生產經常受到季節性干旱和土壤營養不足的制約。為探討小粒咖啡節水抗旱和水肥資源高效利用模式，采用3個保水劑水平和3個施氮水平，研究了保水劑和氮肥對小粒咖啡苗木生長及水分利用的影響。結果表明：低氮、低保處理可以獲得小粒咖啡苗木的最大生長量（株高、莖粗及葉面積）。和對照（無氮處理）相比，低氮可使干物質累積量提高24.10%，而高氮減少干物質累積11.95%。和無保水劑處理相比，低保水劑提高干物質累積11.53%，而高保水劑抑制干物質累積8.65%。此外氮肥和保水劑能不同程度地降低日蒸散量，提高水分利用效率；施氮和保水劑可分別提高小粒咖啡水分利用效率2.72%～35.37%和8.48%～20.24%。小粒咖啡氮素累積量隨著施氮量增加先增后降。過高水平保水劑和氮肥都會對小粒咖啡的苗木生長產生明顯的抑制作用，而低氮低保處理可同時提高干物質累積和水分利用效率。

關鍵詞 保水劑；氮肥；交互效應；水分利用；小粒咖啡

中圖分類號 S571.2 文獻標識碼 A

中國是亞洲地區咖啡的主產國之一，主產區在云南。云南生產的小粒咖啡以“濃而不苦，香而不烈，略帶果酸味”聞名于世。云南小粒咖啡的生產區水熱矛盾突出，季節性干旱頻發，土壤退化且蓄水保肥差，產量和品質得不到保證[1-2]。研究小粒咖啡水肥資源高效利用具有重要的現實意義。

保水劑作為一種化學調控節水措施，在節水農業和生態環境恢復中得到了廣泛應用。研究表明，保水劑在吸水膨脹的同時還可以吸持肥料，防止養分流失，起到保水保肥的作用；并且施用保水劑會明顯的改變土壤的水肥條件，對作物生長、發育及水肥吸收利用產生明顯影響[3-5]。保水劑作為節水農業有效的技術措施，已廣泛應用于果樹、花卉和主要糧食作物上[6-12]，而保水劑對小粒咖啡的節水效應等方面研究較少。氮素是小粒咖啡最主要的營養元素之一。蔡志全等[7]研究表明，氮的缺乏對小粒咖啡生長、光合特性和產量的影響最大，其次為鉀，而磷的影響相對較小。國外學者利用15N標記的方法研究咖啡植株各部分對氮的吸收利用，從而評估氮肥農學利用效率。但這種方法由于取樣手段、檢測水平的限制，研究結果存在較大誤差[13]。前人研究表明，保水劑和氮肥合理結合施用可以提高不同階段馬鈴薯葉片的光合速率，增加花期生物積累量，延長莖葉生育期，提高馬鈴薯塊莖的產量[14]，同時顯著提高小麥的千粒重、產量及水分生產效率[15]。保水劑和氮肥的耦合效應研究集中在大田作物上，對林果研究較少。

本文通過研究不同保水劑和氮肥水平對小粒咖啡生長動態、干物質累積、氮素累積和水分利用效率的交互效應，以期為小粒咖啡苗木的節水抗旱和水氮資源高效利用提供實踐參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2012年4月至11月在昆明理工大學現代農業工程學院智能溫室內完成，溫度為12～35 ℃，濕度為50%～85%，無遮蔭。4 月12日將小粒咖啡苗木移栽至上底直徑30 cm，下底直徑22.5 cm，高30 cm 的生長盆中，盆底均勻分布著直徑為1 cm 的5 個小孔以提供良好的通氣條件。供試土壤為燥紅壤土，田間持水量（θF）為24.3%，有機質質量分數為13.12 g/kg、全氮0.87 g/kg、全磷0.68 g/kg、全鉀13.9 g/kg。每盆只栽1 株，桶中裝土14 kg，裝土前將其自然風干過5 mm 篩，其裝土體積質量為1.2 g/cm3，移栽后澆水至田間持水量。土表面鋪0.5 cm 厚的蛭石阻止因灌水導致土壤板結。保水劑為北京希濤技術開發有限公司提供，主要成分為丙烯酰胺。

1.2 試驗設計

試驗設保水劑和氮肥2因素，3個保水劑水平分別為0（無保）、1（低保）[3]和2 kg/m3（高保）。3個施氮水平分別為0 g N/kg風干土（無氮）、 0.2 g N/kg風干土（低氮）和0.40 g N/kg風干土（高氮），氮肥形式為尿素（分析純）。共9個處理，每個處理3 次重復。保水劑、基肥（60%的氮肥）和磷酸二氫鉀（分析純，0.5 g/kg風干土）裝土時均勻拌入，追肥（40%的氮肥）在5月26日溶入水中灌入。所有處理土壤含水率控制在（75%～90%）θF，當含水量降至或接近該處理水分下限即進行灌水，灌水至水分控制上限。稱重法控制土壤水分含量。

1.3 測定項目

植株各器官生物量均于2012年11 月11日獲取，保持105 ℃殺青30 min 后調溫至80 ℃在烘箱中烘至恒質量，用天平測定干物質質量。6月4日開始測量株高、莖粗，大約1個月測定一次，共測定5次。株高、莖粗和葉面積分別采用毫米刻度尺、游標卡尺和直接稱重換算法。蒸散量日變化采用稱重法測定。水量平衡方程計算總耗水量。水分利用效率為總干物質質量和總耗水量的比值。植株樣品經烘干、粉碎過篩后，用濃H2SO4法消煮，用凱氏法測定氮素含量[16]。氮素累積總量為植株各器官氮素含量與其干物質量的乘積之和。

1.4 數據分析及處理方法

采用Microsoft Excel 2003 軟件處理數據和制圖，用SAS 統計軟件的ANOVA 和Duncan法（p=0.05）對數據進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 保水劑和氮肥對小粒咖啡苗木生長的交互作用

圖1、2、3和4分別表示不同氮肥和保水劑對小粒咖啡株高、莖粗、葉面積和根冠比的影響。各指標僅對最后一次取樣統計分析。結果表明，保水劑、施氮量對株高、莖粗和葉面積影響顯著，保水劑和施氮量的交互作用對株高的影響顯著，保水劑對根冠比影響顯著（p<0.05）（表1）。

和無氮處理相比，低氮增加葉面積19.18%（圖3），而對增加株高（圖1）和莖粗（圖2）不明顯。而高氮降低株高、莖粗和葉面積分別為9.18%、5.01%和7.54%。和無保處理相比，低保增加株高、莖粗和葉面積分別為8.75%、7.69%和19.32%，高保降低株高、莖粗和葉面積分別為7.62%、6.65%和12.48%。和無氮無保處理（CK）相比，低氮高保、高氮無保和高氮高保分別抑制株高9.67%、8.77%和15.19%。其中低氮低保處理的株高最大，為對照（CK）處理的1.15倍。結果表明：氮肥和保水劑水平較低時促進小粒咖啡生長，而施氮量或保水劑過多，反而對生長有抑制作用。低氮低保組合能獲得較大的株高、莖粗和葉面積。

統計分析表明（表1），保水劑對根冠比影響顯著（p<0.05）。和無保處理相比，低保處理增加根冠比7.63%，而高保處理則降低根冠比不明顯。其中低氮低保處理的根冠比最大，是其余處理的1.07～1.69倍。表明低保處理顯著增加根冠比，有利于土壤水肥的吸收，這和低保處理的生長較旺和干物質累積最大（見2.3）相一致。

2.2 保水劑和氮肥對小粒咖啡苗木蒸散耗水的交互作用

不同處理的小粒咖啡蒸散量日變化如圖5所示。其中8：00～10：00點的蒸散量最小，占日蒸散量的10.11%～13.73%；而14：00～16：00的蒸散量最大，占日蒸散量的25.82%～30.82%。統計表明（表1），保水劑和施氮量對日蒸散量影響顯著（p<0.05），而其交互作用對其影響不顯著（p>0.05）。和無氮處理相比，低氮和高氮減小日蒸散量15.47%和23.43%；和無保處理相比，低保和高保處理減小日蒸散量13.23%和23.75%。其中CK處理的日蒸散量最大，分別為低氮高保和高氮高保的1.57和1.59倍。結果也說明，施氮能夠減少日蒸散量，達到了以肥調水，提高水分利用的效果；隨著保水劑的增加，日蒸散量顯著減少。可能主要有2個方面的原因：保水劑能促進團粒結構形成，降低土壤容重，提高持水率和水分利用效率，可明顯抑制土壤表面的水分蒸發；高保處理明顯抑制了小粒咖啡的生長，從而降低了生長耗水。低保處理不但能促進小粒咖啡的生長，也降低了蒸散耗水，有利于提高水分利用效率。

2.3 保水劑和氮肥對小粒咖啡苗木干物質累積和水分利用效率的交互作用

保水劑和施氮量對小粒咖啡總干物質量影響顯著（p<0.05）（表1）。和無氮處理相比，低氮可提高總干物質量24.10%，高氮則減小總干物質量11.95%（圖6）。和無保處理相比，低保提高總干物質量11.53%，而高保抑制總干物質量8.65%。和CK相比，除高氮高保、高氮無保和無氮高保處理的總干物質量有所減小外，其余處理的總干物質量都有不同程度的增加。其中低氮低保處理的總干物質量最大，分別是高氮高保、無氮高保處理的1.66和1.48倍。這表明高保處理不利于小粒咖啡的生長和干物質累積。

保水劑、施氮量及其交互作用對水分利用效率影響顯著（p<0.05）（表1）。和無氮處理相比，低氮、高氮分別提高水分利用效率35.37%和2.72%（圖6）；和無保相比，低保、高保分別提高水分利用效率20.24%和8.48%。和CK相比，其余處理的水分利用效率都有不同程度的提高，增幅為13.61%～77.54%，其中低氮低保處理的水分利用效率最高，為CK處理的1.78倍。結果表明：氮肥和保水劑都不同程度的提高了水分利用效率。

2.4 保水劑和氮肥對小粒咖啡苗木氮素累積的交互作用

施氮量對植株氮素累積影響顯著（p<0.05）（表1）。和無氮處理相比，低氮、高氮分別提高氮素累積量的1.27和0.58倍（圖7）。與CK相比，高氮高保、高氮低保、高氮無保、低氮高保、低氮低保、低氮無保、無氮高保和無氮低保分別增加氮素累積69.66%、89.09%、80.90%、152.71%、176.24%、146.92%、5.65%和35.41%。表明低氮低保處理不但能提高干物質累積，同時提高氮素累積。這說明低氮低保處理可能有利于提高氮素利用效率。

3 討論

本研究結果表明，低保處理的小粒咖啡的生長量、干物質累積量及根冠比達到峰值。綜合研究結果來看，低保處理能促進小粒咖啡的生長、干物質累積和根冠比，而高保處理可能會對植株生長產生不利的影響。前人在糧食作物上的多數研究也發現適宜的用量才能增產[17]，但也有玉米生物量與產量隨保水劑用量增大而增加的報道[18]。這可能與保水劑類型與施用量、作物種類等有關。

高保處理對小粒咖啡生長和干物質積累起到明顯地抑制作用。這可能是由于保水劑增加了土壤的毛管孔隙度，降低了燥紅壤土中充滿空氣的孔隙度[19]，導致通氣狀況不良，根區呼吸和有機質分解減慢。而植株生長要求土壤有較好的通氣條件。有研究表明，保水劑含量增加會明顯提高噴播基質的總孔隙度和毛管孔隙度及其持水與供水能力。但隨著保水劑含量增加，基質的非毛管孔隙度呈現下降趨勢，尤其當保水劑含量超過0.3%以后會明顯減小，從而會降低基質的透水和通氣性能。因此，基質中保水劑的含量應控制在0.3%以下為宜[20]。本研究發現，當基質中的保水劑含量為2 kg/m3時，對小粒咖啡的生長產生明顯抑制作用。保水劑的適宜用量估計還與基質及作物的生理特性有關。

研究表明，保水劑在大量吸水的同時，對肥料分子或者離子也有吸持作用。保水劑作為養分載體和調節器，在保持植物茁壯生長的同時，還能減少肥料損失[21]。本研究表明，適量單施氮肥或保水劑可以促進小粒咖啡的生長和水分利用效率的提高，而適量氮肥和保水劑配施更能促進生長和水分利用效率，氮肥和保水劑表現出較好的協同和疊加效應，這與孟曉瑜等[22]的研究結果基本一致。本試驗結果表明，低氮低保處理不但能夠促進小粒咖啡的生長、干物質累積和植株氮素累積，還能夠獲得最大的水分利用效率。而高氮高保處理中，氮肥和保水劑表現出拮抗作用。

4 結論

低氮、低保處理能使小粒咖啡苗木的生長量達到最大。低氮和低保分別提高總干物質量24.10%和11.53%，而高氮和高保分別降低總干物質量11.95%和8.65%。氮肥和保水劑能不同程度提高水分利用效率。施用保水劑提高水分利用效率8.48%～20.24%。植株氮素累積量隨著施氮量先增后減。從促進小粒咖啡生長和水氮資源高效利用的角度考慮，低氮低保處理為最優試驗組合。

參考文獻

[1] Xiong Donghong， Yan Dongchun， Long Yi， et al. Simulation of morphological development of soil cracks in Yuanmou Dry-hot Valley region， Southwest[J]. China Chinese Geographical Science， 2010， 20（2）： 112-122.

[2] 蔡傳濤， 蔡志全， 解繼武， 等. 田間不同水肥管理下小粒咖啡的生長和光合特性[J]. 應用生態學報， 2004， 15（7）： 1 207-1 212.

[3] 黃占斌， 吳雪萍， 方 峰， 等. 干濕變化和保水劑對植物生長和水分利用效率的影響[J]. 應用與環境生物學報， 2002， 8（6）： 600-604.

[4] Islam M R， Mao Sishuai， Xue Xuzhang， et al. A lysimeter study of nitrate leaching， optimum fertilization rate and growth responses of corn（Zea mays L.）following soil amendment with water-saving super-absorbent polymer[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture， 2011， 91（11）： 1 990-1 997.

[5] 毛思帥， Robiul Islam M， 薛緒掌， 等. 保水劑和負壓供水對玉米生理生長及水分利用效率的影響[J]. 農業工程學報， 2011， 27（7）： 82-88.

[6] 李海燕， 張 芮， 王福霞. 保水劑對注水播種玉米土壤水分運移及水分生產效率的影響[J]. 農業工程學報， 2011， 27（3）： 37-42.

[7] 蔡志全， 蔡傳濤， 齊 欣， 等. 施肥對小粒咖啡生長、光合特性和產量的影響[J]. 應用生態學報， 2004， 15（9）： 1 561-1 564.

[8] 吳 娜， 趙寶平， 曾昭海， 等. 兩種灌溉方式下保水劑用量對裸燕麥產量和品質的影響[J]. 作物學報， 2009， 35（8）： 1 552-1 557.

[9] 白文波， 王春艷， 李茂松， 等. 不同灌溉條件下保水劑對新疆棉花生長及產量的影響[J]. 農業工程學報， 2010， 26（10）： 69-76.

[10] 汪 勇， 汪 星， 汪有科， 等. 滴灌條件下不同保水劑在棗林坡地的應用效果研究[J]. 干旱地區農業研究， 2009， 27（3）： 78-83.

[11] 韓玉國， 楊培嶺， 任樹梅， 等. 保水劑對蘋果節水及灌溉制度的影響研究[J]. 農業工程學報， 2006， 22（9）： 70-73.

[12] El-Hady O A， Wanas S A. Water and fertilizer use efficiency by cucumber grown under stress on sandy soil treated with acrylamide hydrogels[J]. Journal of Applied Sciences Research， 2006， 2（12）： 1 293-1 297.

[13] Tatiele A， Klaus R， Osny O， et al. The 15N isotope to evaluate fertilizer nitrogen absorption efficiency by the coffee plant[J]. Annals of the Brazilian Academy of Sciences， 2007， 79（4）： 767-776.

[14] 俞滿源， 黃占斌， 方 鋒， 等. 保水劑、 氮肥及其交互作用對馬鈴薯生長和產量的效應[J]. 干旱地區農業研究， 2003， 21（3）： 15-19.

[15] 楊永輝， 吳普特， 武繼承， 等. 冬小麥光合特征及葉綠素含量對保水劑和氮肥的響[J]. 應用生態學報， 201， 22（1）： 79-85.

[16] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京： 中國農業出版社， 2000.

[17] 黃占斌， 張國楨， 李秧秧， 等. 保水劑特性測定及其在農業中的應用[J]. 農業工程學報， 2002， 18（1）： 22-26.

[18] 劉世亮， 寇太記， 介曉磊， 等. 保水劑對玉米生長和土壤養分轉化供應的影響研究[J]. 河南農業大學學報， 2005， 39（2）： 140-145.

[19] Jafarzadeh S， Eghbal M， Jalalian A. Biological and mechanical stabilization of sand dunes using super-absorbent polymers and clay mulch in Ardestan area（Isfahan）[C]. Proceedings of International Conference on Human Impacts on Soil Quality Attributes， Isfahan， I. R. Iran： 2005（9）： 12-16.

[20] 王 麗， 張金池， 張小慶， 等. 土壤保水劑含量對噴播基質物理性質及抗沖性能的影響[J]. 水土保持學報， 2010， 24（2）： 79-82.

[21] 寇太記， 張雅莉， 馬繼紅， 等. 保水劑施用對丹參物質形成與養分利用的影響[J]. 水土保持學報， 2011， 25（6）： 64-67.

[22] 孟曉瑜， 王朝輝， 李富翠， 等. 底墑和施氮量對渭北旱塬冬小麥產量與水分利用的影響[J]. 應用生態學報， 2012， 23（2）： 369-375.