全 文 ：2 0 1 6 年 2 月 农 业 机 械 学 报 第 47 卷 第 2 期
doi:10． 6041 / j． issn． 1000-1298． 2016． 02． 019
水氮耦合对干热区小粒咖啡产量和品质的影响
刘小刚 郝 琨 韩志慧 余 宁 杨启良 刘艳伟
(昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500)
摘要:为探明干热区小粒咖啡优质高产的水肥管理模式，通过连续 2 a大田试验研究旱季 4 个灌水水平(充分灌水
W1和亏缺灌水 W2、W3、W4，W2、W3和 W4灌水量分别为 W1的 80%、60%和 40%)和 3 个施氮水平(N1:140 g /棵、
N2:100 g /棵和 N3:60 g /棵，纯氮量)对小粒咖啡产量、品质及水分利用效率的影响，并通过主成分分析对综合营养
品质进行评价。结果表明，与 W4相比，提高灌水量可增加干豆产量 42. 8% ～ 151. 0%、生豆中绿原酸含量16. 9% ～
31. 5%，水分利用效率随灌水量的提高先增后减，W2的水分利用效率最大。与 N3相比，提高施氮量增加干豆产量、
水分利用效率、生豆中蛋白质和绿原酸含量分别为 32. 9% ～ 42. 6%、32. 0% ～ 45. 8%、5. 9% ～ 9. 7%和 7. 0% ～
12. 6%，N2的干豆产量和水分利用效率最大。与 W4N3相比，提高水氮用量能同时增加干豆产量和水分利用效率，
分别增加 22. 0% ～ 307. 5%和 18. 2% ～ 205. 3%。W1N2处理获得 2 a的最大均产，为 5 587. 42 kg /hm
2。主成分分析
结果表明，W2N2的综合营养品质最优，而水氮不协调会导致品质下降。与 W4N3相比，W2N2显著提高干豆产量、水
分利用效率和生豆中蛋白质和绿原酸含量，降低粗纤维含量。因此，从优质高产角度考虑，干热区小粒咖啡的水氮
耦合模式为 W2N2组合。
关键词:小粒咖啡;亏缺灌溉;氮肥;产量;品质;综合评价
中图分类号:S275. 3 文献标识码:A 文章编号:1000-1298(2016)02-0143-08
收稿日期:2015-09-07 修回日期:2015-11-23
基金项目:国家自然科学基金项目(51109102、51469010、51379004)、云南省应用基础研究项目(2014FB130)和云南省教育厅重点项目
(2011Z035)
作者简介:刘小刚(1977—) ，男，副教授，博士，主要从事水资源高效利用研究，E-mail:liuxiaogangjy@ 126． com
Effect of Water and Nitrogen Coupling on Yield and
Quality of Arabica Coffee in Dry-hot Area
Liu Xiaogang Hao Kun Han Zhihui Yu Ning Yang Qiliang Liu Yanwei
(Faculty of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)
Abstract:The yield and quality of arabica coffee cannot be guaranteed because of serious contradictory of
water and heat，soil impoverishment and serious seasonal drought in Yunnan dry-hot valley． The objective
of the research was to explore water and fertilizer management mode for good quality and proper yield of
arabica coffee． Four levels of irrigation in dry season，i． e．，sufficient irrigation level (W1)and three
deficit irrigation levels (W2，W3and W4) ，were designed with irrigation amounts for W2，W3 and W4 as
80%，60% and 40% of W1，respectively，and three levels of nitrogen，i． e．，N1(140 g /plant) ，N2
(100 g /plant) ，N3(60 g /plant) ，were applied． The effect of drip irrigation and nitrogen levels on yield，
quality and water use efficiency (WUE)of arabica coffee was studied by field experiments for two
consecutive years，and the comprehensive nutritional quality was evaluated by principal component
analysis． The results showed that compared with W4 treatment，improving irrigation amount increased dry
bean yield and chlorogenic acid of dry bean by 42. 8% ～ 151. 0% and 16. 9% ～ 31. 5%，respectively．
WUE was firstly increased and then decreased with irrigation amount，WUE of W2 treatment was the
largest． Improving nitrogen application rate increased dry bean yield，WUE，protein and chlorogenic acid
of dry bean by 32. 9% ～42. 6%，32. 0% ～45. 8%，5. 9% ～9. 7% and 7. 0% ～12. 6%，respectively，
and the yield of dry bean and WUE of N2 were the largest compared with N3 treatment． Compared with
W4N3 treatment，improving irrigation amount and nitrogen application rate could increase dry bean yield
and WUE by 22. 0% ～ 307. 5% and 18. 2% ～ 205. 3%，respectively． W1 N2 treatment obtained the
largest average dry bean yield of 5 587. 42 kg /hm2 in two years． Principal component analysis showed that
the comprehensive nutritional quality of W2N2 treatment was the best，and in coordination between water
and nitrogen resulted in decrease of yield and quality． Compared with W4N3，W2N2 treatment increased
dry bean yield and WUE greatly，meanwhile it increased protein and chlorogenic acid but reduced fiber of
dry bean significantly． On the basis of water-saving and high efficiency along with good quality and proper
yield，the suitable mode of water and nitrogen management of arabica coffee was the combination of W2
and N2 treatments (W2N2)in arid-hot area．
Key words: arabica coffee; deficit irrigation; nitrogen fertilizer; yield; quality; comprehensive
evaluation
引言
咖啡是世界上排名第 2 的原料型产品，其消费
量为可可的 3 倍、茶叶的 4 倍［1］。2014 年云南小粒
咖啡种植面积达 1. 24 × 105 hm2，产量达 1. 18 ×
108 kg，种植面积和产量均占我国咖啡种植面积和
产量的 99%以上。云南小粒咖啡(Coffea arabica L．)
以“浓而不苦，香而不烈，略带果酸味”闻名于世［1］。
干热区气候干旱炎热，降水量较少且分布不均，全年
蒸发量为降水量的 6 倍左右，旱季持续时间长，土壤
贫瘠。小粒咖啡生产受到土壤干旱和营养不足双重
制约，产量和品质得不到保证［2］。因此，科学的水
肥管理是当地小粒咖啡优质高产的关键。
充分灌溉能大幅提高咖啡产量，部分根区灌溉
能改善咖啡豆品质，同时大幅提高水分利用效
率［3］。咖啡的开花数和结果数随灌水量的增加而
增加［4］。巴西 3 个生产区的咖啡豆化学组分受栽培
环境(产地)影响较大，而受灌溉影响不明显［5］。施
肥是作物获得高产的基本措施之一，氮肥的缺乏对
3 a生小粒咖啡的产量影响最大，钾肥次之，磷肥最
小。N、P2 O5和 K2 O 的适宜用量分别为 100、50、
100 g /株［6］。施氮量对咖啡树的枝条腋芽数和新梢
长度及氮素吸收利用影响显著［7 － 8］。分步施肥不能
提高咖啡的产量，灌水量为 120% ETo 时的产量最
高［9］。低氮充分灌水可提高小粒咖啡苗木的形态
指标，获得较高的干物质累积和水分利用效率［10］。
刘小刚等研究了咖啡幼树水氮高效利用的水氮供给
模式［11］。干热区小粒咖啡水肥管理粗放，有关产量
和品质的水肥耦合效应研究还鲜见报道。
对于干热区这种特殊的季节性干旱地区，适量
灌溉结合施氮是否能提高小粒咖啡产量和水分利用
效率，同时改善品质，值得探讨。为此，本文研究
4 个灌水水平和 3 个施氮水平对小粒咖啡生长、产
量及品质的影响，并用主成分分析法对生豆的营养
品质进行综合评价，以期找到最佳的水氮耦合模式，
为干热区小粒咖啡的水肥管理提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 试验地点及材料
大田试验于 2013—2015 年在云南省保山市潞
江坝进行(21°59N，98°53E，海拔高度 750 m)。试
验区年均降水量 755. 40 mm，80%集中在 6—10 月，
年均蒸发量 2 101. 90 mm，年均温 21. 3℃，绝对最高
气温 40. 4℃，绝对最低气温 0. 2℃，大于等于 10℃积
温 7 694℃。年均日照时数 2 328 h，相对湿度 71%，属
南亚热带半干旱季风气候，植被呈热带稀树灌草丛景
观。供试土壤为老冲积层上发育而成的红褐色砂壤
土，耕层土壤有机质质量比 10 ～ 15 g /kg，全氮 0. 8 ～
1. 2 g /kg，全磷 0. 8 ～ 1. 5 g /kg，碱解氮 60 ～120 mg /kg，
速效磷 5. 0 ～20. 0 mg /kg，速效钾 100 ～150 mg /kg。
供试作物为长势均匀的 4 a 生小粒咖啡(卡杜
拉，Caturra) ，株行距为 1 m × 1. 5 m(333 棵 /hm2)。
灌溉方式采用地表滴灌，采用压力补偿式滴头，流量
为 2. 5 L /h，滴头设在距树基部两侧 0. 4 m 处，间距
与树距相同。
1. 2 试验处理
试验设 4 个灌水水平和 3 个施氮水平，完全组
合设计，共 12 个处理。每个处理重复 3 次，每个重
复 10 棵咖啡树。根据该区咖啡逐月需水量资
料［12］，结合降水量确定旱季充分灌水定额，其值为
咖啡耗水量减去有效降水量，灌水周期约为 7 d，遇
到降雨顺延。4 个灌水水平包括充分灌水 W1和
3 个亏缺灌水(W2、W3和 W4) ，W2、W3和 W4灌水量
分别为 W1的 80%、60%和 40%，2013 年 W1、W2、
W3和 W4的灌水量分别为 472. 00、377. 60、283. 20、
188. 80 mm，2014 年分别为 509. 00、407. 20、305. 40、
441 农 业 机 械 学 报 2 0 1 6 年
203. 60 mm。试验期间降水和 W1 灌水过程见图 1。
结合前人研究成果［6］和施肥习惯，设置 3 个施氮水
平(纯氮量) ，即 N1(140 g /棵)、N2(100 g /棵)和 N3
(60 g /棵)。氮肥选用尿素，分别在 2 月和 8 月中旬
等量施入。磷酸二氢钾为 150 g /棵，2 月与氮肥一
同施入。施肥以咖啡树干为中心，离树干 40 cm 处
开挖 20 cm深的环形沟，沟内均匀撒施肥料后覆土。
每月人工中耕除草 1 次，咖啡树没有整形修剪。
图 1 试验期间降水量和 W1处理灌水量
Fig． 1 Ｒainfall and irrigation amount of treatment W1 in experiment periods
1. 3 测定项目及方法
试验初期和鲜果采收结束时，测定咖啡树高、树
径和枝条长度。每株树选取 10 个初始长度基本一
致的枝条，编号后依次测定其长度。10 月至次年
1 月，分批测定鲜红或紫红色成熟鲜豆产量。鲜豆
脱皮后加水淹没，静置发酵完成后清洗搓揉脱胶，日
光自然干燥后测定干豆产量。
咖啡干豆脱壳、磨碎过筛后测定各品质指标。
咖啡因、总糖、粗纤维、蛋白质、粗脂肪和绿原酸含量
分别采用高效液相色谱法、蒽酮比色法、GB /T
5009. 10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》、凯
氏定氮法、索氏抽提法和高效液相色谱法测定［13］。
由于试验区地下水埋藏较深，地势平坦且降水
量较少，而滴灌湿润深度较浅，故地下水补给、径流
和深层渗漏均忽略不计，总耗水量计算公式为
ET = Pr + I － ΔW (1)
式中 Pr———生育期总有效降水量，mm
ΔW———试验初期和末期的土壤储水量变化
量，mm
I———总灌水量，mm
有效降水量采用有效降雨系数法［14］计算。
土壤贮水量的计算公式为
W = 10θρH (2)
式中 W———土壤贮水量，mm
θ———土壤体积含水率，%
ρ———土壤容重，g /cm3
H———土层深度，cm
用土钻取土干燥法测得含水率，取土位置分别
为距离滴灌带 0、20、40、60 cm，取土深度为 150 cm，
每隔 10 cm取 1 个样。
水分利用效率(kg /m3)为咖啡干豆产量和总耗
水量的比值。
1. 4 数据处理
采用 SAS 统计软件对数据进行方差分析
(ANOVA)和多重比较，多重比较采用 Duncan 法进
行。营养品质的综合评价采用 SPSS 软件进行主成
分分析(Principal component analysis，PCA) ，通过原
变量转化为几个不相关的主成分，达到降维和删除
541第 2 期 刘小刚 等:水氮耦合对干热区小粒咖啡产量和品质的影响
重复信息的目的。对产量和品质各指标进行标准化之
前，先将咖啡因和粗纤维的测量值取倒数［15 －16］，使其
与其他指标为同向指标，即数值越大，综合品质越好。
2 结果与分析
2. 1 水氮耦合对小粒咖啡树生长的影响
由表 1 可知，灌水水平对 2 a 小粒咖啡树高、树
径和枝条长度均值影响显著，与 W4相比，W1、W2和
W3的树高分别增加 26. 9%、19. 7%和 9. 5%，枝条
长度分别增加 19. 8%、13. 0%和 5. 0%，W1和 W2的
树径分别增加 9. 1%和 6. 1%，而 W3的树径增加不
明显。施氮水平对树高和枝条长度影响显著，与 N3
相比，N1和 N2的树高分别增加 5. 1%和 7. 5%，枝条
长度分别增加 9. 8%和 9. 1%。2 因素的交互作用
对树高影响显著，与 W4N3相比，除 W4N1的树高减
小 6. 9% 外，其 余 处 理 的 树 高 增 加 4. 1% ～
34. 9%。2 因素及交互作用对各生长指标增量影
响不显著。
表 1 水氮耦合对小粒咖啡 2 a平均生长指标的影响
Tab． 1 Effect of water and nitrogen coupling on arabica coffee growth indexes in two years mm
灌水水平 施氮水平
树高 树径 枝条长度
均值 增量 均值 增量 均值 增量
N1 1798 ± 25a 438 ± 49a 19. 93 ± 0. 26ab 4. 74 ± 0. 53a 196. 25 ± 2. 10a 30. 83 ± 3. 01a
W1 N2 1737 ± 30ab 352 ± 77a 20. 40 ± 0. 42a 5. 03 ± 0. 22a 197. 50 ± 1. 85a 40. 00 ± 5. 45a
N3 1657 ± 38cd 325 ± 88a 19. 94 ± 0. 32ab 4. 55 ± 0. 21a 180. 50 ± 2. 09bcd 25. 67 ± 7. 36a
N1 1681 ± 4bc 446 ± 44a 19. 85 ± 0. 14ab 5. 17 ± 0. 25a 186. 36 ± 2. 43ab 36. 72 ± 4. 66a
W2 N2 1627 ± 16cde 373 ± 33a 19. 60 ± 0. 35abc 4. 96 ± 0. 20a 182. 58 ± 6. 50bc 39. 17 ± 4. 70a
N3 1591 ± 12def 351 ± 14a 19. 18 ± 0. 51bcd 5. 04 ± 0. 37a 172. 72 ± 5. 53cde 21. 78 ± 2. 66a
N1 1557 ± 20ef 433 ± 10a 19. 72 ± 0. 06abc 5. 32 ± 0. 13a 177. 58 ± 6. 09bcd 36. 50 ± 8. 39a
W3 N2 1535 ± 20f 378 ± 18a 19. 07 ± 0. 10bcd 4. 67 ± 0. 41a 167. 84 ± 2. 59def 32. 69 ± 9. 55a
N3 1388 ± 6g 304 ± 45a 18. 41 ± 0. 20de 4. 73 ± 0. 27a 157. 78 ± 3. 00fg 27. 22 ± 6. 47a
N1 1241 ± 35h 298 ± 17a 18. 08 ± 0. 17e 4. 43 ± 0. 07a 162. 56 ± 2. 38ef 35. 44 ± 2. 71a
W4 N2 1517 ± 48f 326 ± 96a 18. 81 ± 0. 20cde 4. 84 ± 0. 19a 169. 69 ± 6. 19cdef 33. 39 ± 9. 22a
N3 1333 ± 10g 282 ± 7a 18. 37 ± 0. 30de 4. 49 ± 0. 50a 147. 06 ± 3. 59g 21. 44 ± 2. 07a
注:数据为平均值 ±标准差(n = 3) ，同列数值后不同字母表示 P ＜ 0. 05 水平差异显著，下同。
2. 2 水氮耦合对小粒咖啡产量的影响
2 因素及交互作用对 2 a 咖啡鲜豆产量的影响
显著(除交互作用对 2013 年鲜豆产量影响不显著
外) (图 2)。与 W4相比，2013 年 W1、W2和 W3的鲜
豆产量分别增加 149. 3%、130. 9%和 32. 0%，2014
年分别增加 155. 1%、128. 8%和 48. 6%，2 a 分别增
加鲜豆产量均值为 152. 4%、129. 8%和 40. 8%。与
N3相比，2013年 N1和 N2的鲜豆产量分别增加 34. 8%
和 37. 7%，2014年分别增加 28. 7%和 46. 3%，2 a 鲜
豆产量均值分别增加 31. 5%和 42. 3%。与 W4N3相
比，2013 年其余处理的鲜豆产量增加 73. 3% ～
371. 2%，2014 年除 W4 N1的鲜豆产量减少 11. 4%
外，其余处理的鲜豆产量增加 63. 5% ～ 268. 2%，2 a
其余处理的鲜豆产量均值增加 22. 8% ～311. 8%。
2 因素及交互作用对咖啡干豆产量的影响显著
(图 3)。与 W4相比，2013 年 W1、W2和 W3的干豆产
量分别增加 146. 1%、136. 8%和 34. 6%，2014 年干
豆产量分别增加 155. 3%、133. 1%和 50. 1%，2 a 干
豆产量均值分别增加 151. 0%、134. 8%和 42. 8%。
与 N3相比，2013 年 N1和 N2的干豆产量分别增加
36. 9% 和 37. 7%，2014 年分别增加 29. 4% 和
图 2 水氮耦合对小粒咖啡鲜豆产量的影响
Fig． 2 Effect of water and nitrogen coupling on
fresh bean yield of arabica coffee
46. 8%，2 a 干豆产量均值分别增加 32. 9% 和
42. 6%。与 W4N3相比，2013 年其余处理的干豆产
量增加 73. 9% ～375. 8%，2014 年除 W4N1的干豆产
量减少 13. 0%外，其余处理的干豆产量增加 62. 2% ～
270. 4%，2 a其余处理的干豆产量均值增加 22. 0% ～
307. 5%。其中，W1N2处理获得 2 a的最大干豆均产
5 587. 42 kg /hm2，是 W4N3的 4. 07 倍。
2. 3 水氮耦合对小粒咖啡品质的影响
灌水量除对咖啡生豆中总糖影响不显著外，对
其余指标影响均显著，施氮水平对咖啡因、蛋白质、
641 农 业 机 械 学 报 2 0 1 6 年
图 3 水氮耦合对小粒咖啡干豆产量的影响
Fig． 3 Effect of water and nitrogen coupling on dry
bean yield of arabica coffee
粗脂肪和绿原酸影响显著，2 因素的交互作用对粗
纤维、蛋白质和绿原酸影响显著(表 2)。与 W4相
比，W1增加绿原酸含量 16. 9%，增加蛋白质和降低
粗脂肪含量不明显，而咖啡因和粗纤维含量分别降
低 15. 4%和 10. 3%。W2增加蛋白质、粗脂肪和绿
原酸含量分别为 12. 9%、20. 8%和 31. 5%，而咖啡
因和粗纤维含量分别降低 16. 3%和 8. 0%。W3增
加蛋白质、粗脂肪和绿原酸含量分别为 18. 4%、
9. 4%和 18. 6%，而咖啡因和粗纤维含量降低不明
显。与 N3相比，N1增加咖啡因、蛋白质和绿原酸含
量分别为 9. 8%、9. 7%和 7. 0%。N2增加蛋白质和
绿原酸含量分别为 5. 9%和 12. 6%，而咖啡因含量
增加不明显。与 N3相比，提高施氮量增加粗脂肪含
量不明显。与 W4N3相比，除 W4N2、W4N1和 W3N3
降低粗纤维含量不明显外，其余处理粗纤维含量
降低 5. 5% ～ 11. 3%。除 W1 N2、W1 N3、W4 N1和
W4N2增加蛋白质含量不明显外，其余处理蛋白质
含量增加 7. 4% ～ 26. 6%，其中 W3N1蛋白质含量
最大，为W4N3的 1. 27 倍。除 W4N1增加绿原酸含
量不明显外，其余处理绿原酸含量提高 5. 8% ～
49. 1%。
表 2 水氮耦合对 2 a小粒咖啡生豆营养品质均值的影响
Tab． 2 Effect of water and nitrogen coupling on average nutritional qualities of arabica coffee dry bean in two years
灌水水平 施氮水平
咖啡因质量比 /
(mg·g － 1)
总糖质量
分数 /%
粗纤维质量
分数 /%
蛋白质质量比 /
(g·(100 g)－ 1)
粗脂肪质量
分数 /%
绿原酸质量
分数 /%
N1 9. 13 ± 0. 11efg 10. 76 ± 0. 13c 17. 08 ± 0. 23d 18. 70 ± 0. 20cd 14. 86 ± 0. 25de 12. 02 ± 0. 16b
W1 N2 9. 04 ± 0. 14fg 10. 69 ± 0. 06c 17. 18 ± 0. 19d 17. 39 ± 0. 15ef 14. 64 ± 0. 24de 11. 96 ± 0. 47b
N3 9. 16 ± 0. 07efg 10. 52 ± 0. 26c 17. 12 ± 0. 39d 16. 87 ± 0. 01f 13. 88 ± 0. 13e 10. 44 ± 0. 79de
N1 9. 59 ± 0. 24def 11. 02 ± 0. 09abc 18. 17 ± 0. 06bc 20. 13 ± 0. 15b 18. 93 ± 0. 15a 12. 53 ± 0. 83b
W2 N2 8. 95 ± 0. 27fg 11. 54 ± 0. 38ab 17. 45 ± 0. 32cd 19. 76 ± 0. 31b 18. 49 ± 0. 28a 14. 31 ± 0. 58a
N3 8. 53 ± 0. 15g 10. 73 ± 0. 22c 17. 05 ± 0. 23d 18. 06 ± 0. 16de 17. 24 ± 0. 10b 11. 88 ± 0. 45bc
N1 11. 19 ± 0. 09ab 11. 66 ± 0. 08a 17. 96 ± 0. 17bc 21. 29 ± 0. 16a 16. 61 ± 0. 12b 11. 78 ± 0. 05bc
W3 N2 10. 52 ± 0. 35bc 10. 80 ± 0. 32c 17. 99 ± 0. 05bc 20. 54 ± 0. 15ab 16. 37 ± 0. 25bc 12. 03 ± 0. 27b
N3 9. 85 ± 0. 04cde 10. 68 ± 0. 16c 18. 65 ± 0. 27ab 18. 92 ± 0. 55c 16. 53 ± 0. 33b 11. 11 ± 0. 66cd
N1 11. 36 ± 0. 16a 10. 48 ± 0. 36c 19. 00 ± 0. 32a 17. 38 ± 0. 12ef 14. 95 ± 0. 53d 9. 69 ± 0. 17ef
W4 N2 10. 92 ± 0. 35ab 10. 92 ± 0. 06bc 19. 04 ± 0. 09a 17. 12 ± 0. 26f 15. 51 ± 0. 38cd 10. 15 ± 0. 07ef
N3 10. 05 ± 0. 46cd 10. 75 ± 0. 23c 19. 23 ± 0. 31a 16. 81 ± 0. 41f 14. 78 ± 0. 56de 9. 60 ± 0. 37f
2. 4 水氮耦合对小粒咖啡水分利用效率的影响
2 因素及其交互作用对小粒咖啡的水分利用效
率影响显著(图 4)。与 W4相比，2013 年 W1、W2和
W3的水分利用效率分别增加 86. 3%、95. 2% 和
21. 0%，2014 年水分利用效率分别增加 64. 4%、
71. 1%和 28. 5%，2 a 水分利用效率均值分别增加
73. 7%、81. 3%和 25. 3%。与 N3相比，2013 年 N1和
N2的水分利用效率分别增加 37. 9%和 40. 3%，2014
年分别增加 27. 3%和 50. 0%，2 a 水分利用效率均
值分别增加 32. 0%和 45. 8%。与 W4N3相比，2013
年其余处理的水分利用效率增加 73. 9% ～
292. 2%，2014 年除 W4 N1 的水分利用效率降低
13. 0%外，其余处理增加 38. 9% ～156. 8%，2 a其余
处理的水分利用效率均值增加 18. 2% ～ 205. 3%。
其中，W2 N1处理获得 2 a 最大水分利用效率，为
0. 65 kg /m3，是 W4 N3 的 3. 1 倍。W2 N2、W1 N2 和
图 4 水氮耦合对小粒咖啡水分利用效率的影响
Fig． 4 Effect of water and nitrogen coupling on water
use efficiency (WUE)of arabica coffee
W1N1的水分利用效率仅次于 W2N1，分别比 W4N3增
加 176. 2%、178. 6%和 176. 0%。
2. 5 小粒咖啡生豆营养品质主成分分析
2. 5. 1 营养品质指标相关性分析
表 3 表明咖啡因与粗纤维和绿原酸含量显著正
741第 2 期 刘小刚 等:水氮耦合对干热区小粒咖啡产量和品质的影响
相关，总糖与蛋白质和绿原酸含量显著正相关，粗纤
维与绿原酸含量显著正相关，蛋白质与粗纤维和绿
原酸含量显著正相关，粗脂肪与绿原酸显著正相关。
咖啡因与总糖和蛋白质含量存在不显著的负相关关
系。因此，仅凭指标相关性分析不能对咖啡生豆品
质做出全面科学评价，通过主成分分析法评价小粒
咖啡生豆综合营养品质，可为小粒咖啡水氮优化管
理提供实践参考。
表 3 营养品质指标相关系数
Tab． 3 Correlation coefficient matrix of nutritional
quality indexes
品质指标 咖啡因 总糖 粗纤维 蛋白质 粗脂肪 绿原酸
咖啡因 1
总糖 － 0. 110 1
粗纤维 0. 770＊＊ 0. 070 1
蛋白质 － 0. 158 0. 708＊＊ 0. 137 1
粗脂肪 0. 157 0. 614* 0. 032 0. 691＊＊ 1
绿原酸 0. 509* 0. 616* 0. 594* 0. 665＊＊ 0. 708＊＊ 1
注:＊＊、* 分别表示 P ＜ 0. 01、P ＜ 0. 05 水平显著相关。
2. 5. 2 主成分分析
KMO统计量用于检验样本是否适合作主成分
分析，一般要求 KMO统计量大于 0. 5。Bartlett 的球
形度检验属于近似卡方检验，当 P ＜ 0. 05 时，表明
适合作主成分分析。本研究中 KMO 统计量为
0. 548，Bartlett 的球形度检验 P ＜ 0. 05，适合作主成
分分析。
(1)特征根与方差贡献率
第 1 和第 2 主成分的特征根分别为 3. 162 和
1. 893，贡献率分别为 52. 696%和 31. 547%，累积贡
献率为 84. 243%，表明前 2 个主成分基本可以反映
各指标的全部信息，适于综合品质概括分析。
(2)主成分表达式及综合得分
主成分函数表达式为
PC1 = 0. 199 4CAF + 0. 430 3TS + 0. 266 9CF +
0. 454 6PＲO + 0. 460 8CＲF + 0. 533 6CA (2)
PC2 = 0. 643 1CAF － 0. 308 8TS + 0. 577 8CF －
0. 308 5PＲO － 0. 196 7CＲF + 0. 152 4CA (3)
ZF = 0. 625 52PC1 + 0. 374 48PC2 (4)
式中 PC1———第 1 主成分得分
PC2———第 2 主成分得分
ZF———综合得分
CAF———咖啡因含量
TS———总糖含量
CF———粗纤维含量
PＲO———蛋白质含量
CＲF———粗脂肪含量
CA———绿原酸含量
由主成分的表达式可知，第 1 主成分中总糖、蛋
白质、粗脂肪和绿原酸含量具有较大的荷载，因此第
1 主成分是有利品质的主成分。第 2 主成分中咖啡
因和粗纤维含量具有较大的载荷，因此第 2 主成分
是不利品质的主成分。
由图 5 可知，W1和 W4的第 1 主成分评价得分
为负，表明 W2和 W3能获得较优的营养品质;W3和
W4的第 2 主成分评价得分为负，可能由于严重水分
亏缺导致咖啡豆品质降低所致。营养品质评价得分
由大到小依次为:W2N2、W2N3、W2N1、W1N1、W1N2、
W3N1、W3 N2、W1 N3、W3 N3、W4 N2、W4 N3和 W4 N1。
W2N2、W2N3、W2N1、W1N1、W1N2、W3N1和 W3N2得分
为正，其中 W2 N2综合营养品质最优。而 W1 N3、
W3N3、W4N2、W4N3和W4N1得分为负，综合营养品质
较差。
图 5 营养品质的主成分分析综合评价
Fig． 5 Comprehensive evaluation of principal component
analysis of nutritional quality indexes
3 讨论
干热区光热充足，霜期短或基本无霜，暖冬气候
特征明显，90%的降水集中在雨季，旱季大气蒸发量
达 1 300 mm 以上，土壤干旱胁迫严重［17］。因此，旱
季灌溉对干热区小粒咖啡优质高产具有重要意义。
研究表明，低氮充分灌水能提高小粒咖啡幼树的形
态指标，并获得较高的干物质累积和水分利用效
率［10］。本试验发现提高灌水量和施氮量能增加小
粒咖啡的树高和枝条长度，且水氮交互作用对树高
的影响显著。主要由于增加水肥用量缓解了土壤干
旱和养分不足，为咖啡生长提供了比较适宜的水肥
环境。这与前人［2，18 － 20］的研究结果一致。Chemura
等［19］发现高灌水量配施无机肥能有效促进咖啡生
长。
水、肥是咖啡产量的两大限制因子。与 W4相
比，提高灌水量能显著增加咖啡的干豆产量，但增幅
随着灌水量的提高先增后减。与 N3相比，N2的增产
幅度最大。水氮交互对产量影响显著，W1 N2获得
2 a最大的干豆均产，可能是由于适量灌水能增强作
841 农 业 机 械 学 报 2 0 1 6 年
物根系吸收能力和吸收养分表面积［21］，适量施氮能
促进作物对土壤水氮的利用，从而提高产量［22］。本
研究还发现，氮肥的增产效应与灌水水平相关，灌水
量较低时(W4或 W3) ，施氮越多越可能造成减产。
而灌水量适宜时(W2) ，氮肥的增产效果明显，当灌
水量较高时，氮肥的增产效果不明显。这主要由于
土壤水分严重亏缺抑制作物根系生长，使木质部液
流粘滞性增大，降低作物对土壤养分的吸收和运输，
同时抑制土壤养分的化学与动力学有效性［23］。本
研究发现，水分利用效率随着灌水量和施氮量的提
高先增后减，水氮供给较高反而降低水分利用效率。
适量施氮提高水分利用效率可能是由于:施肥能促
进根系发育和吸水功能，改善叶片的光合能力，并增
加同化物的含量;同时，施肥能降低叶片水势，提高
植株的提水能力，增加土壤水分的有效性［24 － 25］。
W2N1处理的水分利用效率最大，这与适度亏缺灌溉
下增施氮肥促进咖啡生殖生长和提高产量有关。
水肥适量组合能实现产量和品质的同步提
高［26 － 28］。本研究发现，灌水对咖啡生豆大多化学营
养品质影响显著，这与灌水影响叶片光合特性、光合
产物累积以及植株体内无机物和有机物吸收、运输
和转化有关［29］，从而改变了咖啡生豆的营养组分含
量。随着灌水量的提高，咖啡生豆中绿原酸含量先
增后降，可能的原因是:在土壤水分严重亏缺下，植
株的初级生产力受到较大抑制，合成次级产物的原
料减少，导致绿原酸含量减小［30］;而灌水较多时对
绿原酸累积产生了“稀释效应”［31］。施氮水平对咖
啡因、蛋白质、粗脂肪和绿原酸含量影响显著，施氮
能显著提高蛋白质和绿原酸含量，这主要是由于氮
素是咖啡生豆中含氮化合物的主要组分，这与相关
研究结论一致［32］。咖啡的主要营养指标为咖啡因
等，按照 ISO 10095 的检测方法，要求咖啡生豆中咖
啡因质量比不大于 10 mg /g［33］。本试验中，W3N1、
W3N2、W4N1、W4N2和 W4N3的咖啡因含量均超过了
此标准，为不利水氮组合。而各处理的小粒咖啡生
豆中总糖、粗纤维、蛋白质和粗脂肪含量均符合规定
的范围。
水肥调控的主要目标是提质增产，涉及的评价
指标较多且彼此关联［34］。主成分分析法研究发现，
W2N2综合营养品质最优，该处理在获得较高产量的
同时，也改善了生豆的营养品质，使生豆中蛋白质和
绿原酸含量显著提高，表明在适宜的施氮条件下，适
度亏缺灌水能实现小粒咖啡适产和综合品质较优，
研究成果可为干热区小粒咖啡的水肥综合管理提供
依据和参考，有一定的应用前景。
4 结论
(1)小粒咖啡干豆产量随灌水量的提高而增
加，而随施氮量的提高先增后减。与 W4 N3相比，
W4N1有降低产量的风险。提高水氮用量的 2 a干豆
产量均值增加 22. 0% ～ 307. 5%，W1N2处理的产量
最大。
(2)小粒咖啡水分利用效率随着灌水量或施氮
量先增后减。与 W4N3相比，提高水氮用量的水分
利用效率增加 18. 2% ～205. 3%。W2N1处理的水分
利用效率最大，W2N2、W1N2和 W1N1也有较高的水
分利用效率。
(3)在适宜的施氮条件下，适度亏缺灌水能保
证咖啡不减产的同时改善咖啡生豆的营养品质。水
氮过多、过少、不协调均会造成产量或品质降低。考
虑到节水高效和优质适产，建议干热区小粒咖啡的
水氮耦合模式为 W2N2组合。
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