可可所需的微量营养素：两种土层中的有效性等级

《Soil Science Society of America Journal》：Micronutrients for cacao: Availability classes in two soil layers

　　摘要

有效管理土壤中的微量营养元素对于可可（Theobroma cacao L.）的产量和可持续性至关重要，尤其是在热带地区。然而，巴西尚未针对这种作物建立铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）和锌（Zn）的具体有效性分类。本研究首次为巴西巴伊亚州东南部可可种植区的两个土层（0–10厘米和0–20厘米）建立了这些分类。研究使用了由Renova Cacau项目生成的综合性数据库，该数据库代表了该州主要的可可种植区域。通过应用边界线方法，根据两个土层中Cu、Fe、Mn和Zn的含量，拟合了平均相对产量的响应曲线。分析结果将这些微量营养元素的可用性分类为从“非常低”到“过量”不同的等级。对于0–20厘米的土层，与其适宜含量范围（mg dm?3）相关的区间分别为Cu（1.02–1.52）、Fe（33.0–61.0）、Mn（9.5–15.8）和Zn（2.1–6.3）。这些结果为可可种植土壤的肥力解释提供了更科学的基础，有助于制定更精确的施肥建议，促进合理的微量营养元素管理，并提高可可生产的产量和可持续性。

通俗语言总结

本研究通过确定土壤中应含有的理想微量营养元素量，帮助农民和技术人员提高可可产量。我们分析了巴伊亚州东南部可可种植区两个土层的土壤样本，以明确铜、铁、锰和锌的缺乏、适宜和过量范围。这些范围使施肥建议更加可靠，有助于避免营养元素的施用不足或过量。利用这些指导原则可以改善植物营养，增加产量，并支持更可持续和有利可图的可可生产。

缩写

BL：边界线（boundary line）

CV：变异系数（coefficient of variation）

EA：试验区（experimental area）

MRY：平均相对产量（mean relative yield）

MRYEP：评价地块的平均相对产量（mean relative yield of evaluation plots）

RF：相对频率（relative frequency）

RY：相对产量（relative yield）

1 引言

可可（Theobroma cacao L.）是拉丁美洲、非洲和东南亚具有重大社会经济意义的物种。作为巧克力的主要原料，它是一种高价值的全球商品。小农户管理着全球约90%的可可产量（ICCO, 2024; Piasentin & Saito, 2014）。在巴伊亚州，可可生产具有重要的经济意义，占该州种植面积的约70%。2024年，该州生产了137,028公吨可可豆，并通过农林复合系统在社会包容和环境保护方面发挥了战略作用（IBGE, 2024; Somarriba & Beer, 2011; Vaast & Somarriba, 2014）。然而，巴西的平均产量仅为482公斤/公顷/年（IBGE, 2024），远低于潜在的4500公斤/公顷/年（Bondar, 1938; ICCO, 2024）。这种产量差距主要归因于不理想的农艺实践和不足的土壤肥力管理（Chepote et al., 2013; de Souza Júnior et al., 1999; de Souza Júnior, Sodré et al., 2018）。现代克隆品种具有较高的生产潜力，因此需要基于可靠农艺证据的管理策略（Bahia et al., 2021; Sodré & Marrocos, 2022）。巴伊亚州东南部的历史和传统种植方式，特别是传统的cabruca系统（在稀疏的大西洋森林冠层下种植可可），也影响了营养元素的利用效率和其在土壤剖面中的垂直分布（Piasentin & Saito, 2014）。要解决产量低的问题，需要了解铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）和锌（Zn）等微量营养元素的作用。这些元素对生长、结果实、抗逆性和豆子质量至关重要（Bahia et al., 2021; Loureiro et al., 2017; Medauar et al., 2019; de Souza Júnior, Marrocos et al., 2018）。铜参与光合作用的氧化还原系统和细胞壁木质化过程。由于使用了铜基杀菌剂，铜缺乏的情况并不常见，但积累过量可能导致毒性（de Souza Júnior, Marrocos et al., 2018; Veloso & Santana, 2000）。铁的可用性对叶绿素形成和电子传递至关重要，受pH值和氧化还原状态的控制。在高pH值的氧化环境中铁会沉淀，但在缺氧条件下可能达到毒性水平（Abreu et al., 2007; Lapaz et al., 2023）。锰激活酶并参与水的光解；在酸性土壤中，过高的锰含量可能引起毒性并限制根系生长（Nakayama & Andebrhan, 2000; Silva & Berti, 2022）。巴伊亚州的可可种植区经常出现锌缺乏，影响根系发育和结果实，而过量则较为罕见，通常与高酸度有关（Chepote et al., 2013; Soares et al., 2006）。Mehlich-1方法适用于估算该地区的微量营养元素有效性（Dantas, 2011）。准确的诊断需要适当的提取剂和仔细定义采样层（Chepote et al., 2013; Isaac et al., 2014）。虽然传统上使用0–20厘米的土层进行土壤肥力评估，但大多数细小的可可根系集中在上层10厘米处，因此0–10厘米的土层对于评估营养元素可用性和施肥反应尤为重要（Menezes et al., 2015; Martins & Augusto, 2012）。因此，这一浅层中的微量营养元素含量与叶片水平的关联更为一致（Dantas, 2011）。表面有机物的沉积和缺乏土壤耕作导致可可系统中出现了垂直的营养分层（Menezes et al., 2015）。因此，综合评估0–10厘米和0–20厘米的土层可以更全面地了解土壤剖面中的营养分布和诊断行为（Martins & Augusto, 2012; Ronquim, 2010）。尽管存在基于文献的解释性表格（de Souza Júnior, Sodré et al., 2018），但巴西仍缺乏针对可可种植土壤的实验验证的微量营养元素有效性数据。这一差距降低了施肥建议的准确性，并限制了生产链的可持续性。因此，基于田间条件下获得的稳健数据集建立有效性分类对于改善可可系统的土壤肥力管理至关重要。本研究旨在使用边界线（BL）方法，为巴伊亚州东南部两个土层（0–10厘米和0–20厘米）中的Mehlich-1可提取Cu、Fe、Mn和Zn建立有效性分类。在此背景下，BL被用作校准工具，而不是比较实验因素的方法。因此，不同的更新方法、遗传材料、地点和评估年份被纳入数据集，作为代表实际种植条件的变异来源，从而识别与微量营养元素有效性相关的最高产量范围。BL方法最初由Webb（1972）提出，后来由Walworth等人（1986）改编用于土壤肥力研究，是一种分析框架，用于检查在田间条件下获得的数据集中单一解释变量与响应变量之间的关系。BL方法越来越多地被用作传统肥力研究的替代方法，因为传统方法通常成本高昂且耗时（Lima Neto et al., 2024）。与传统回归模型不同，BL方法关注数据云的上边界，从而识别在异质田间条件下可实现的最大产量相关的营养元素水平。

2 材料与方法

2.1 研究区域

本研究使用的数据来自2015年至2022年间进行的Renova Cacau研究项目的数据库。研究在巴西巴伊亚州东南部的15个商业可可农场进行，这些农场被称为试验区（EAs）。研究区域的范围为南纬13°11′35″至15°26′00″，西经39°06′36″至39°35′18″。该地区的气候主要为湿润热带气候，根据K?ppen气候分类属于Af/Am类型，年平均温度在24°C至25°C之间，年降水量通常在1500至2000毫米之间。试验区的主要土壤类型是Oxisols和Ultisols，这些是典型的湿润热带地区的风化土壤。这些土壤通常具有高酸度、低自然肥力，以及土壤矿物学和有机质对微量营养元素可用性的强烈影响。每个试验区面积约为3000平方米，分布在不同区域，以涵盖代表主要可可生产区的各种土壤和土壤气候条件。

2.2 试验区设计及实施

实验采用了3 × 5因子设计的随机完全区组设计，结合了三种更新方法：R1（将接穗嫁接到成年可可树的基部枝条上，然后逐渐移除原树；R2（种植可可幼苗，同时逐渐移除老树；R3（完全移除老树并建立新的种植园，与香蕉间作）。评估了五种克隆品种：CCN 51、CP 49、FA 13、PS 1319和SJ 02。在每个试验区内，每种品种×更新方法的组合都有两个重复地块，形成了一个代表异质生产条件的区域观测网络。在此背景下，分析重点放在跨环境的区域响应模式上，而不是单个试验区内的处理比较。在本研究中，每个试验区内的每个重复被视为一个独立的实验单元。这种方法与BL方法一致，BL方法要求在广泛的田间条件下进行高密度的单独观测，以准确定义最高产量范围，而不是通过方差分析进行处理平均值比较。每个地块包含每种克隆品种的一排10株可可植物。为了最小化相邻品种或更新方法之间的边缘效应，仅使用中间的五株植物进行数据收集，这些地块称为评价地块。本研究使用的数据集用于考察基于商业生产条件获得的观测结果，研究土壤微量营养元素含量与可可产量之间的关系。数据库包含了2020年至2022年三个连续生产年份的15个试验区的信息，每个土层共270个观测值，涵盖了该地区主要可可生产系统的土壤、品种和管理实践的变异性。观测结果来自不同的试验区和生产年份，反映了商业可可系统的空间和时间变异性。具有这些特征的数据集适用于BL分析，其分析重点在于识别在异质田间条件下潜在限制因素与作物产量之间的关系上限。在这种方法中，每个观测值有助于定义与给定营养元素含量相关的产量范围，而低于此范围的观测值表明产量受到其他环境或管理因素的限制。因此，分析的一致性主要源于区域数据集中代表的广泛环境和农艺条件。尽管这种设计限制了传统的局部水平实验推断，但它符合基于BL方法的区域校准目的。Oliveira、Schneider等人（2025）和Oliveira、de Souza Júnior等人（2025）详细描述了实施程序、作物管理实践、栽培操作、石灰施用和施肥方案。微量营养元素的施肥基于土壤分析结果，遵循de Souza Júnior、Sodré等人的建议（2018）。采用这些指南可以评估它们在不同土壤气候条件下的表现，并为可可种植土壤建立微量营养元素有效性分类。

2.3 建立有效性分类

为了建立酸度属性和微量营养元素有效性的分类，使用了2020–2022年连续三年的产量和土壤属性数据，此时可可树分别为5岁、6岁和7岁。每年在每个试验区内，从六个采样地块（三种更新方法×两个重复）收集土壤样本，形成0–10厘米和10–20厘米两个层的20个子样本的复合样本。使用Mehlich-1提取剂测定Cu、Fe、Mn和Zn的含量，方法按照Campos和Teixeira（2017）描述的方法进行。对于0–20厘米的土层（标准参考层），微量营养元素含量是通过0–10厘米和10–20厘米层的平均值估算的。每个复合土壤样本代表了50株可可植物（每种克隆品种10株）所占的面积。

2.4 产量和平均相对产量

为了估算产量，每月收获并统计每个评价地块（每排中间的五株克隆植物）的成熟健康豆荚的数量。年度产量以每株植物干豆的千克数表示，是通过将评估地块中每株植物收获的平均总豆荚数乘以每个克隆品种的平均干豆重量来计算的。由于直接比较不同年龄、气候条件和更新方法下的克隆品种产量存在困难，因此使用相对产量（RY）作为评估标准，以便将数据标准化到一个共同的尺度上。相对产量的计算公式如下：

$$\begin{equation*}{\mathrm{RY\ }} = \frac{{{\mathrm{EPY}}}}{{{\mathrm{MP}}}}\ \times \ 100,\end{equation*}$$
其中RY表示相对产量（%）；EPY是评估地块的平均产量；MP是该特定克隆品种、更新方法和年份组合观察到的最高产量。随后，计算了每个土壤采样区域中存在的五个克隆的平均相对产量（MRYEP）。对于每一年，根据以下公式获得平均相对产量（MRY）：

$$\begin{equation*}{\mathrm{MRY\ }} = \frac{{{\mathrm{MRYEP}}}}{{{\mathrm{MPMA}}}}\ \times \ 100,\end{equation*}$$
其中MRY是平均相对产量（%），MRYEP表示该特定采样区域五个克隆品种评估地块的平均相对产量，MPMA是该特定年份所有区域观察到的最高平均相对产量。

2.5 数据特征描述
EA中土壤的物理化学特征在表S1中呈现，包括在0–10厘米、10–20厘米和0–20厘米层中评估的属性的描述性统计量（最小值、平均值、最大值和变异系数[CV]）。这些数据有助于解释微量营养素的有效性结果。

2.6 统计分析和BL方法
构建了将MRY与每个评估层中土壤微量营养素含量相关联的散点图。BL是根据数据云的上包络线定义的，排除了与预期生物响应模式明显不符或与极端分散相关的观测值。用于模型拟合的最终点集被选中，以代表在整个观察到的营养素范围内，与每种营养素相关的潜在产量的上限。在这种类型的分析中，目标不是描述数据集的中心趋势，而是估计在实际田间条件下可实现的产量上限。使用CurveExpert Professional软件（版本2.7.3，Hyams，2020）获得了最佳代表MRY与土壤微量营养素含量之间关系的BL点。根据生物学相关性、最佳拟合（最高的调整决定系数）和t检验的系数显著性来选择方程。从为每种微量营养素和土壤层选定的模型中，根据Fernandes（2010）和Oliveira, Schneider等人（2025）制定的标准定义了有效性类别：非常低（MRY < 50%）、低（50% ≤ MRY < 70%）、中等（70% ≤ MRY < 95%）以及高或充足（95% ≤ MRY ≤ 100%）。当土壤营养素含量超过与估计的最大产量相关的值时，定义了额外的类别来描述高于最佳水平的范围：非常高（90% < MRY ≤ 100%）、过量趋势（70% ≤ MRY ≤ 90%）和过量（MRY < 70%）。相对于原始标准的主要修改是采用95% MRY作为区分中等和充足类别的阈值。使用SigmaPlot软件（版本10.0）生成了每种微量营养素和土壤层的最终回归图。

3 结果
3.1 微量营养素有效性类别的建立
可可的MRY对于所有四种评估的微量营养素（Cu、Fe、Mn和Zn）显示出相似的模式：随着Mehlich-1提取含量的增加，MRY显著增加，然后在达到最大MRY点后逐渐下降。0–10厘米层的相对频率数据被纳入表1-4中，以便直接解释类别阈值及其在区域数据库中的出现情况。MRY与土壤Cu含量之间的关系在图1中说明，有效性类别在表1中呈现。0–10厘米层的平均Cu含量比10–20厘米层高43%（表S1）。因此，0–10厘米表层的充足范围或充足含量类别的值（1.15-2.35 mg dm?3）高于10–20厘米层（1.02-1.52 mg dm?3）。有效性类别在缺乏（非常低、低和中等类别）和充足（高/充足类别）之间显示出狭窄的范围，特别是在表层。缺乏和毒性之间的区间也很窄，特别是在0–20厘米层，其中Cu含量低于1.02 mg dm?3被认为是缺乏的，而高于2.87 mg dm?3则表明有向毒性的趋势（表1）。

3.1 可可的平均相对产量（MRY）对通过Mehlich-1提取的铜（Cu）的反应曲线：(A) 0–10厘米和(B) 0–20厘米，在巴西巴伊亚州东南部种植的3年内。“**”表示p < 0.01时的显著性（t检验）。开放圆圈代表观测数据；实心圆圈代表用于拟合边界线的点。表1. 巴西巴伊亚州东南部0–10厘米和0–20厘米土壤层中可可的Cu的有效性类别，以及0–10厘米层的相对频率（RF）。

3.2 铁（Fe）的情况
Fe是唯一一种在10–20厘米层中的平均含量高于0–10厘米层的营养素，差异为44%（表S1）。估计的充足Fe范围为20.7–61.5 mg dm?3（0–10厘米）和33.0–61.0 mg dm?3（0–20厘米）（图2；表2）。在两个层中，特别是在0–20厘米层，缺乏（<33.0 mg dm?3）和毒性趋势（>111.0 mg dm?3）之间的区间比Cu宽。

3.3 锰（Mn）的情况
0–10厘米层的平均Mn含量比10–20厘米层高57%，使其成为两个层中变异系数（CV）最高的微量营养素（表S1）。0–10厘米层的充足含量类别为10.9–24.9 mg dm?3，而10–20厘米层为9.5–15.8 mg dm?3（图3）。

3.4 锌（Zn）的情况
Zn在0–10厘米层和10–20厘米层之间的平均含量差异最大，表层高出76%（表S1）。与Fe和Mn类似，Zn缺乏和毒性之间的区间在表层更宽，缺乏的界限低于2.5 mg dm?3，而超过12.4 mg dm?3的值表明有向毒性的趋势。这种模式与氧化铁（赤铁矿、针铁矿和非晶态氧化物）的迁移有关，因为10–20厘米层中的平均粘土含量比0–10厘米层高出12%，同时深层环境更具有还原性，而表层则具有更高的pH值和有机物含量。在富含非晶态氧化物的地下环境中，还原性微环境经常将Fe3+转化为Fe2+，从而增加其溶解度（Abreu等人，2007年）。在表层，较高的pH值有利于沉淀反应，而更多的有机物则促进Fe的螯合，这两者都导致了Fe有效性的降低。Silva和Ranno（2005年）观察到可利用Fe与pH值之间存在负相关关系，而Lapaz等人（2023年）则指出，在洪水条件下，由于微生物的作用，Fe3+被还原为Fe2+，导致Fe2+含量增加。尽管热带土壤通常含有丰富的铁资源，但在碱性条件下或磷过量时，铁可能会以磷酸铁的形式沉淀出来；此外，在MnO2存在的情况下，Fe2+会被氧化成难溶的形式（Abreu等人，2007年；Santos等人，2021年）。在缺氧导致的还原条件下，高溶解度的Fe2+可能会过量释放，进而引发毒性（Lapaz等人，2023年）。表层Mn的积累主要可以通过养分循环来解释，因为Mn是可可叶片中积累最多的微量元素（de Souza Júnior等人，2018年）。控制Mn有效性的主要因素包括pH值、有机物含量和氧化还原电位。排水不良或酸性的土壤会促进Mn4+和Mn3+还原为Mn2+，从而增加其溶解度；而排水良好的土壤或pH值较高的土壤则有利于Mn的氧化，从而降低其有效性（Silva & Berti，2022年）。低稳定性有机复合物的形成也有助于将Mn从有机部分重新释放到土壤溶液中（Harter，1991年；Nascimento等人，2002年）。Mn缺乏会降低可可的产量，尤其是在pH值高、质地沙质且阳离子交换能力低的土壤中（Abreu等人，2007年），同时还会降低植物对疾病的抵抗力（Nakayama & Andebrhan，2000年）。本研究中发现的过量Mn含量在其他植物物种中也与植物毒性有关（Mascarenhas等人，2013年）。与Cu和Mn类似，由于Zn的移动性较低以及养分循环和施肥的残留效应，Zn在表层更为集中。然而，0–10厘米层和0–20厘米层中的Zn有效性范围相似，表明可可根系对这种养分的响应在不同层次上是一致的。Zn不足会由于激素失衡等原因影响植物的生长、开花和结果（Chepote等人，2013年）。相反，本研究中发现的过量Zn含量在其他作物中也与植物毒性效应相关（Fageria，2000年）。表1–4中的RF数据进一步证实了在常规施肥管理下，土壤中微量养分的有效性对于可可生长是适宜的。Fe在样本中的浓度最高，属于“高”或“适宜”类别，这与这些热带土壤中天然丰富的铁储备及其与深层粘土部分的关联一致。相比之下，Zn有更多样本属于“过量”类别，表明某些生产区域存在过量供应的风险。过量Zn会通过减少根系质量、限制磷的吸收和抑制菌根形成来对可可生长产生负面影响（Soares等人，2006年），这突显了需要更加谨慎地管理Zn的用量。微量养分在垂直方向上的分层差异强调了分析特定层次（0–10厘米和0–20厘米）对于准确诊断的重要性。Cu和Mn在0–10厘米层中的有效性范围较高，而Fe在0–20厘米层中的有效性范围较高；Zn在这两个层次中的有效性范围相似。这些差异为为不同深度设定有效性类别提供了依据，并有助于更准确地解读可可系统的土壤肥力。由于所提出的阈值是基于观测数据集并通过MRY方法得出的，因此应将其视为根据实际栽培条件得出的诊断校准范围，而不是每种微量养分对产量的直接因果估计。这些类别为通过改进土壤测试的解释提供了坚实的基础，有助于避免施肥不足和过量施用微量养分的问题。然而，在将这些阈值纳入常规推荐系统作为最终标准之前，还需要通过独立的田间数据集、与叶片营养状况的整合以及在更广泛的土壤类型、管理系统和克隆材料上的长期试验来进行进一步验证。

5 结论
本研究首次为巴西可可种植中的两个土壤层次（0–10厘米和0–20厘米）建立了特定的微量养分有效性类别（Cu、Fe、Mn和Zn）。结果表明，0–10厘米层在诊断可可系统中的微量养分有效性方面更为敏感，而Fe在综合的0–20厘米层中表现出更高的相关性。在所评估的微量养分中，Cu在充足和过量之间的范围最窄，这强调了需要密切监测以避免毒性条件。这些提出的类别代表了在巴伊亚州东南部可可种植区解读土壤分析方面的重大进展，为改进施肥建议提供了坚实的技术基础。未来结合更广泛的数据集、叶片分析以及长期田间验证的研究将进一步提高这些类别在不同生长条件下的适用性。

作者贡献
Edson da Silva de Fran?a：概念化；数据整理；正式分析；调查；方法论；可视化；初稿撰写；审阅和编辑。
Jerusa Schneider：概念化；正式分析；方法论；监督；验证；初稿撰写；审阅和编辑。
José Aridiano Lima de Deus：资源获取；验证；审阅和编辑。
Dario Ahnert：概念化；资金筹集；项目管理；资源获取；监督；审阅和编辑。
José Olímpio de Souza Júnior：概念化；资金筹集；方法论；项目管理；资源获取；监督；审阅和编辑。

致谢
作者感谢巴西可可农民提供农场访问权限，感谢圣克鲁斯州立大学（UESC）、Mondelez International和可可创新中心（CIC）根据协议RD-15540的支持。本研究部分由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）资助（财务代码001）。本文的发表费用由巴西高等教育人员培训协调委员会（CAPES）提供（ROR标识符：00x0ma614）。

利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
支持本研究结果的数据可应合理要求向相应作者索取。