随着现代社会不断发展,人们对周围环境的要求越来越高,在提高对自然环境保护的同时,近年来,打造人工花海变得非常盛行。除了城市景观的打造,人们也开始重视农业观光园区的建设,草本花卉成为观光园区不可忽略的一个重要组成部分。菊科花卉常用于不同景观的打造,也被应用于水土保持、植被恢复及土壤重金属的修复,兼有景观效益和生态效益。而绿肥是一种由绿色植物体制成的肥料,不仅是清洁的有机肥源,也可有效提高土壤肥力、改善土壤环境质量、防止水土流失、改善生态环境[1,2,3]。因此,研究菊科花卉绿肥化利用潜力,增加其功能多样性,对发展农业观光旅游业具有重要意义。有研究指出,细叶百日草（Zinnia angustifolia）、硫华菊（Cosmos sulphureus）及油葵（Helianthus annuus）对Cd有很强的耐性和富集能力,是良好的修复Cd污染土壤的菊科花卉[4,5,6]。也有研究得出,硫华菊、波斯菊（Cosmos bipinnata）及油葵是一种较好的耐盐碱、耐瘠及耐旱观赏绿化植物,可应用于盐碱土生物改良[7,8]。史薪钰等[9]研究得出,种植波斯菊具有良好的水土保持效益。李媛等[10]研究指出,在污水胁迫下波斯菊具有较强的耐污性,可应用于面源污染治理。同时,有学者研究得出,在果园种植绿肥能在不同程度上提升土壤肥力,改善果园生态小气候、稳定土壤温度,保持土壤水分,减少养分流失[11,12,13]。但是,关于果园套作常见菊科花卉的绿肥化利用潜力研究还未见报道。本研究以菊科夏季花卉百日草（Zinnia elegans）、矮秆波斯菊、高秆波斯菊、矮秆硫华菊及高秆硫华菊作为试验材料,研究在夏季梨园种植常见菊科花卉的绿肥化利用潜力,对比得出较好的品种,对今后常用菊科花卉的绿肥化利用提供一定依据,也为观光农业清洁、节能、环保生产提供技术保障,促进观光农业的可持续发展。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2017年至2019年在贵州省安顺市普定县黄桶街道办梨园进行,试验地位于东经105°42′11″,北纬26°16′20″,海拔1249 m。普定县位于贵州省中部偏西,属于亚热带季风湿润气候,季风交替明显,全年气候温和,年平均气温15.1 ℃,年平均日照时数1164.9 h,无霜期301 d,年平均降水1378.2 mm,是全省3大降雨中心地区之一。供试土壤为黄壤,机械组成为粉壤,土壤耕层基本理化性质为：全氮0.21 %、全磷0.12 %、全钾0.76 %、碱解氮147.35 mg/kg、有效磷19.9 mg/kg、速效钾62.5 mg/kg、缓效钾199.33 mg/kg、有机质31.67 g/kg。参考全国第2次土壤普查养分分级标准,土壤综合肥力为中等水平。
1.2 材料
供试材料有百日草、波斯菊（高秆和矮秆）、硫华菊（高秆和矮秆）、小葵子（Guizotia ehyssinia）及油葵共7种菊科植物。
1.3 方法
1.3.1 试验设计 本试验共设计7个处理,分别为： 1）百日草;2）矮秆波斯菊;3）高秆波斯菊;4）高秆硫华菊;5）矮秆硫华菊;6）小葵子;7）油葵。小区面积为8 m2（2 m× 4 m）,设置3个重复,随机区组排列。播种时间为2018年4月4日,条播,播种密度为15 kg/hm2,各处理均不施肥,梨园按照果农习惯常规管理。播种区域距离梨树底部50 cm（梨树施肥沟外）。
1.3.2 样品采集与分析 播种前及盛花后期采集试验地耕层（0~20 cm）土壤样品,按常规方法进行土壤基本理化性质分析[14]。
盛花期时采集各小区具有代表性的3株植株,取其地上及地下部分,测定重量、花序数量、花序面积、舌状花瓣数、株高及根长。并将地上及地下2部分分别在65 ℃下烘干称量,粉碎后测定其氮、磷、钾含量。同时,挖取代表性3沟植株,测定株数、花序数量、花序面积、地上及地下部分重量及长度。植株各部位养分含量的测定按照常规方法测定[15]。
参考前人研究,作物地上部固碳量计算公式为：
$W=1.63\times \frac{a}{a+b}\times r\times p$
式中：W表示地上部固碳量（g/m2）;a为采收时地上部分干质量（g/株）;b为采收时地下部分干质量（g/株）;r为干物质净积累量（g/株）,由采收时干物质量减去定植时干物质量得到;ρ为栽培密度（株/m2）[16]。
1.4 数据处理
数据采用Excel 2010软件进行计算处理及画图,利用SPSS 20.0软件进行统计分析,采用单因素方差分析的方法进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理植株生长情况及性状
由图1可知,不同处理在不同时期生长速率各不相同。随着植株的生长,播种后第70天时,百日草和矮秆波斯菊仍未达到最快生长阶段,生长速率仍有提高的趋势。高秆波斯菊、高秆硫华菊和矮秆硫华菊生长减慢,生长速率正处于降低阶段。小葵子和油葵则正处于最快生长阶段,生长速率即将开始降低。其中,油葵生长速率显著高于其他处理（P<0.05）,为3.67 cm/d,矮秆硫华菊生长速率显著低于其他处理（P< 0.05）,仅为0.34 cm/d。总的看来,矮秆硫华菊最先进入生长线性期,但最高生长速率小于其他处理。
从表1得出,不同处理盛花期植株株高和根长均存在一定差异,部分处理之间差异显著（P<0.05）,其中油葵株高和根长均最大,显著高于其他处理,分别为(193.17±20.71)和(18.43± 3.72) cm。矮秆硫华菊株高最小,为(44.43± 6.41) cm,高秆波斯菊根长最小,为(10.20± 0.23) cm。百日草舌状花呈多种颜色,但大部分为深红色、玫瑰色、紫堇色或白色。矮秆波斯菊和高秆波斯菊舌状花多为紫红色、粉红色或白色。高秆硫华菊和矮秆硫华菊舌状花颜色囊括了黄色系中大部分颜色,较为鲜艳。小葵子和油葵舌状花均为黄色。盛花期各处理植株花序面积及舌状花瓣数均有所不同。其中,油葵花序面积显著大于其他处理（P<0.05）,(为0.088±0.010) m2,矮秆硫华菊花序面积最小,仅为(0.008±0.002) m2;百日草舌状花瓣数最多,与其他6个处理差异均显著（P<0.05）,平均每1个花序有(53±5)瓣,2种波斯菊舌状花瓣数最少,每1个花序均为8瓣。
表1 不同处理盛花期植株性状Tab. 1 Plant characters of different treatments at full flowering |
| 处理 Treatment | 株高 Plant height/cm | 根长 Root length/cm | 舌状花颜色 Flower color | 花序面积 Inflorescence area /(m2·piece-1) | 舌状花瓣数 Petal Count /(petal·piece-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 百日草 | 73.27±3.89ab | 14.67±0.67ab | 多色 | 0.025±0.001a | 53±5e |
| 矮秆波斯菊 | 72.53±3.27ab | 13.97±0.90a | 紫红色,粉红色或白色 | 0.022±0.003a | 8±0a |
| 高秆波斯菊 | 82.37±3.64b | 10.20±0.23a | 紫红色,粉红色或白色 | 0.010±0.001a | 8±0a |
| 高秆硫华菊 | 87.90±5.81b | 13.87±0.60ab | 黄色系 | 0.010±0.001a | 11±1a |
| 矮秆硫华菊 | 44.43±6.41a | 10.63±1.27a | 黄色系 | 0.008±0.002a | 18±2b |
| 小葵子 | 121.17±8.65c | 15.50±0.76ab | 黄色 | 0.059±0.010b | 34±1d |
| 油葵 | 193.17±20.71d | 18.43±3.72c | 黄色 | 0.088±0.010c | 27±1c |
Note: Data is mean ± standard deviation (n=3); Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). | |
注：数据为平均值±标准差（n=3）;同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
由图2可得,各处理植株在6月上中旬陆续开始开花。高秆硫华菊最先进入初花期,油葵则最后,两者相差15 d,差异较为明显。同时,高秆硫华菊最先进入盛花期,百日草和油葵最后进入盛花期,与高秆硫华菊相差14 d。百日草开花总时长显著多于其他处理,为107 d,小葵子开花总时长最短,为34 d。百日草花期最后结束,持续开花到9月下旬,其余处理先后在7月中下旬结束花期,矮秆硫华菊花期结束最早。
2.2 不同处理的景观效应分析
盛花期不同处理植株数量及开花情况如表2所示。由表2可知,各个处理植株数量和开花情况均存在一定差异。其中,高秆波斯菊植株数量显著多于其他处理（P<0.05）,为(345.33±20.95)万株/hm2,小葵子植株数量最少,为(41.33±10.41)万株/hm2;高秆硫华菊花序数最多,为(392.00± 20.00)万个/hm2,小葵子花序数最少,仅有(40.00±4.62)万个/hm2;油葵花序平铺面最大,为(47739.97±7057.73) m2/hm2,百日草花序平铺面最小,为(17842.65±463.5) m2/hm2。将植株数量、花序数、单个花序面积及花序平铺面积作相关性分析得出,单个花序面积与植株数量呈显著负相关（r=-0.709）,花序数则与植株数量呈显著正相关（r=0.773）,花序平铺面积与单个花序面积相关性最大,存在一定正相关关系。
表2 不同试验处理植株数量及开花情况Tab. 2 The number and flowering of plants under different treatments |
| 处理 Treatment | 植株数量 Number of the plant /(万株·hm-2) | 花序数 Flower count /(万个·hm-2) | 花序平铺面积 Flower tiled area /(m2·hm-2) |
|---|---|---|---|
| 百日草 | 156.00±8.33bc | 73.33±5.81a | 17842.65±463.50a |
| 矮秆波斯菊 | 128.00±4.00b | 216.00±20.13b | 47714.02±7922.71c |
| 高秆波斯菊 | 345.33±20.95d | 333.33±38.80cd | 32829.41±2315.20abc |
| 高秆硫华菊 | 212.00±16.00c | 392.00±20.00d | 38725.87±3263.07bc |
| 矮秆硫华菊 | 160.00±37.17bc | 290.67±19.91c | 22870.46±5987.99ab |
| 小葵子 | 41.33±10.41a | 40.00±4.62a | 24115.45±6542.63ab |
| 油葵 | 50.67±3.53a | 53.33±2.67a | 47739.97±7057.73c |
Note: Data is mean±standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). | |
注：数据为平均值±标准差（n=3）;同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.3 不同处理植株养分积累效应分析
由图3可知,不同处理之间植株地上部分及根部氮、磷、钾含量均有一定差异,且各养分含量均为地上部分>根部,仅高秆硫华菊地上部分及根部钾含量无差异。其中,百日草地上部分氮、磷、钾含量显著高于其他处理（P<0.05）,分别为(2.89±0.07)%、(0.53±0.03)%及(3.27±0.17)%,小葵子地上部分氮含量最低,为(1.96±0.05)%,高秆硫华菊地上部分钾含量最低,为(1.36±0.01)%;各处理植株根部磷含量没有差异,油葵根部氮含量显著高于其他处理（P<0.05）,为(1.19±0.01)%,矮秆波斯菊根部钾含量最高,为(1.78±0.11)%。
根据图4和图5可得,不同处理植株（包括地上部分及根部）干物质积累量及氮、磷、钾养分积累量均存在不同差异。其中,油葵干物质积累量及氮、磷、钾养分积累量均显著高于其他6个处理（P<0.05）,分别为(18821.17±568.91)、(396.89± 2.74)、(57.35±5.25)和(385.20±22.09) g/hm2,矮秆硫华菊干物质积累量及氮、磷、钾养分积累量均最低,分别为(1097.29±71.30)、(25.28±2.61)、(4.22±0.22)及(17.19±1.82) kg/hm2,且其干物质积累量及氮积累量显著低于其他处理（P<0.05）。可以看出,植株最终氮、磷、钾养分积累量受植株干物质量和氮、磷、钾养分含量的共同影响,但在本研究中与植株干物质量的相关性更大,呈显著正相关关系（r=0.992、r=0.977、r=0.975）。
图4 不同处理植株干物质积累量不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 Fig. 4 Dry matter accumulation of different treatments Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05). |
2.4 不同处理地上部固碳能力分析
2.5 不同处理对土壤养分的影响
由表3可知,各处理之间土壤理化指标均有一定差异。相对于基础土样,各处理碱解氮等理化指标存在不同的变化。其中,各处理土壤碱解氮含量均显著降低（P<0.05）,小葵子降低最少,降低了7.6%,高秆硫华菊降低最多,降低了28.81%;百日草和油葵土壤有效磷含量显著提高（P< 0.05）,高杆波斯菊、高杆和矮杆硫华菊则显著降低（P<0.05）,各处理中百日草土壤有效磷含量最高,为(29.30±0.31)mg/kg,矮秆硫华菊含量最低,为(11.07±0.05)mg/kg;不同处理土壤速效钾含量均有不同程度提高,矮秆硫华菊增加最多,增加了108.3%（P<0.05）,油葵增加最少,仅增加9.9%;各处理土壤缓效钾含量均显著降低（P<0.05）,降低幅度较大,矮秆硫华菊降低最少,降低了45.65%,高秆波斯菊降低最多,降低了82.94 %;7个处理土壤有机质含量均显著增加（P< 0.05）,百日草含量最高,增加到(48.13±0.12)g/kg,高秆硫华菊仅增加到(38.83±0.33)g/kg;除百日草外其他处理土壤pH均有不同程度降低,小葵子降低最多（P<0.05）,为(5.00±0.04)。
表3 不同试验处理土壤理化性质Tab. 3 Physicochemical properties of soil treated by different experiments |
| 处理 Treatment | 碱解氮 Available N /(mg·kg-1) | 有效磷 Available P /(mg·kg-1) | 速效钾 Available K /(mg·kg-1) | 缓效钾 Slowly available K /(mg·kg-1) | 有机质 OM /(g·kg-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 基础土样 | 147.35±5.51d | 19.77±1.68c | 62.50±5.48a | 199.33±10.65f | 31.67±1.64a | 6.14±0.06c |
| 百日草 | 132.50±1.20c | 29.30±0.31d | 116.52±0.77e | 86.00±0.58d | 48.13±0.12c | 6.71±0.03d |
| 矮秆波斯菊 | 111.98±0.61ab | 19.79±0.16c | 104.33±0.67d | 78.67±0.88cd | 41.53±0.90b | 6.14±0.05c |
| 高秆波斯菊 | 110.59±0.29ab | 13.94±0.09ab | 77.87±0.59b | 34.00±0.58a | 40.17±0.38b | 6.02±0.01c |
| 高秆硫华菊 | 104.90±0.19a | 11.53±0.16a | 84.33±2.03bc | 68.27±0.82bc | 38.83±0.33b | 5.80±0.12b |
| 矮秆硫华菊 | 115.72±0.23b | 11.07±0.05a | 130.19±0.42f | 108.33±0.33e | 41.37±1.30b | 6.10±0.01c |
| 小葵子 | 136.15±2.65c | 16.87±3.67bc | 91.33±4.63c | 69.67±7.33bc | 42.13±1.73b | 5.00±0.04a |
| 油葵 | 130.63±6.63c | 25.43±2.00d | 68.67±3.38a | 61.67±6.44b | 40.40±1.39b | 5.06±0.12a |
Note: Data is mean ± standard deviation (n=3). Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). | |
注：数据为平均值±标准差（n=3）;同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
3 讨论
大部分菊科植物都具有较高的观赏价值,应用于各种景观打造中,同时也富于较多的经济价值。百日草、波斯菊、硫华菊、小葵子、油葵均是具有较高观赏价值的菊科植物,应用范围广。本研究发现,在不同生长时期各个品种菊科花卉生长速率均有所不同,其中矮秆硫华菊最先达到生长线性期。在植株盛花期,油葵株高及根长均显著高于其他品种。根据这一性状,在梨园梨树平均树高为175 cm的情况下,种植除油葵以外的其他6个品种花卉作肥用较为适宜,不影响梨树生长的同时,也不妨碍果园的日常管理。
植物的开花性状是植物景观最重要的组成部分[19],在梨园种植观赏花卉也应考虑其观赏价值。各品种花卉颜色均明亮鲜艳,观赏价值高。高秆硫华菊最先进入初花期,油葵最后,相差近半个月,百日草花期显著比其他几个品种长。百日草舌状花瓣数最多,矮秆及高秆波斯菊舌状花瓣数最少。油葵花序面积最大,矮秆硫华菊花序面积最小。高秆波斯菊单位面积植株数量最多,小葵子单位面积植株数量最少。2种波斯菊和2种硫华菊单位面积花序数显著多于百日草、小葵子及油葵,其中高秆硫华菊最多。油葵单位面积花序平铺面积最大,百日草单位面积花序平铺面积最小。通过作相关性分析得出的结果说明,随着植株密度的增加小区内花序数量增多,但单个花序面积则会逐渐减小,花序平铺面积相应地在一定程度上有所降低。综上所述,各个品种花卉虽然开花性状各不相同,但均具有较高的观赏价值,可根据开花时长、颜色、花序面积等不同方面的要求进行选择,而根据以上指标,在梨园种植这7种花卉均适宜。
花卉的绿肥化利用最主要的就是探究其自身养分的含量及积累。百日草地上部分氮、磷、钾含量均显著高于其他6个品种,小葵子地上部分氮含量最低,油葵根部氮含量显著高于其他处理,各个品种根部磷含量几乎无差异,矮秆波斯菊根部钾含量大于其他处理。作物生长发育是干物质与养分不断积累的过程,干物质与养分积累是作物产量形成的基础[20,21]。同时,有研究人员提出,植物自身每生成1 g干物质需要吸收固定大气中的CO2 1.63 g[22,23]。油葵单位面积干物质量显著高于其他处理,矮秆硫华菊最小。油葵单位面积氮、磷、钾养分积累量及固碳量也显著高于其他处理,矮秆硫华菊也为最小。相关性分析结果表明,单位面积养分积累量均与单位面积干物质量呈显著正相关关系,其影响力远远大于花卉自身养分含量。根据各个品种的养分积累能力,油葵绿肥化利用潜力为最大,其次是小葵子,再者则是高秆波斯菊、矮秆硫华菊的潜力最小。在观花期过后将其直接刈割覆盖或翻压入土,既达到了一定景观价值,也能够有效培肥土壤。
综上所述,各品种花卉开花时间、花的性状各不相同,但在盛花期时花序面积均能完全覆盖地面,而在干物质及养分积累量上,油葵优势明显,小葵子次之,矮秆硫华菊最小,百日草及油葵可明显活化土壤中的磷,矮秆硫华菊能更加有效地活化土壤中的钾,百日草次之。同时结合梨园果树平均树高,在梨园7个品种菊科花卉绿肥化利用潜力大小依次为：小葵子>高秆波斯菊>百日草>矮秆波斯菊>高秆硫华菊>矮秆硫华菊>油葵。因此,在梨园种植小葵子、高秆波斯菊及百日草作绿肥化利用均较为适宜。