蔣 敏，沈明星，沈新平，戴其根，*

(1.揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，揚(yáng)州 225009;2.江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部蘇州水稻土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，蘇州 215155)

雜草是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物組分，維持適當(dāng)數(shù)量的雜草對保護(hù)農(nóng)田生物多樣性發(fā)揮著重要作用［1-2］，但雜草往往與作物競爭水、肥、光等自然資源，影響作物生長與產(chǎn)量［3］。目前肥料和除草劑是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要的投入品［4］，施肥改變土壤養(yǎng)分含量及其結(jié)構(gòu)，直接提高作物的產(chǎn)量及競爭優(yōu)勢，從而改變農(nóng)田中雜草群落的演替過程［5］。太湖地區(qū)是我國典型的稻麥兩熟制高產(chǎn)區(qū)域，20世紀(jì)50年代，化學(xué)肥料開始逐漸取代有機(jī)肥，土壤養(yǎng)分和雜草群落也隨之發(fā)生了變化。研究表明，土壤養(yǎng)分含量顯著影響農(nóng)田雜草的密度、多樣性指數(shù)以及群落結(jié)構(gòu)［6-8］。朱文達(dá)等［9］發(fā)現(xiàn)莎草科和馬齒莧科雜草在缺磷的處理中沒有出現(xiàn)，而在補(bǔ)充磷鉀處理中卻是優(yōu)勢種群，不同雜草種群對養(yǎng)分的需求和響應(yīng)是不同的，而這種差異及其產(chǎn)生的競爭力差異將直接導(dǎo)致雜草群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Major和Everaarts研究都表明，有機(jī)肥的施入能降低雜草密度，同時(shí)增加雜草群落多樣性指數(shù)［10-11］。這些結(jié)論為不同肥料管理?xiàng)l件下農(nóng)田雜草群落的研究提供了基礎(chǔ)，但這些研究大多基于旱地進(jìn)行，而在我國典型的稻麥兩熟制農(nóng)田中雜草群落對不同有機(jī)、無機(jī)肥料的響應(yīng)缺乏直接研究，因此，本研究立足于太湖地區(qū)31a的長期定位施肥試驗(yàn)，探討長期不同施肥處理下麥田雜草群落的異質(zhì)性及其養(yǎng)分影響因素，為農(nóng)田雜草的生態(tài)治理、農(nóng)田雜草多樣性的保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

長期定位試驗(yàn)田位于江蘇太湖地區(qū)蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院(31°27'45″N;120°25'57″E)。該地區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，年日照時(shí)數(shù)3039 h，降雨量1128 mm，平均溫度15.7℃，有效積溫(＞10℃)4947℃。供試土壤為黃土沉積物發(fā)育而來的微酸性重壤質(zhì)黃泥土。試驗(yàn)始于1980年，試驗(yàn)地土壤背景值為:pH值 6.8，容重 1.26 g/cm3，0—15 cm 耕層土壤的基本理化指標(biāo)如下:有機(jī)質(zhì) 24.2 g/kg，全氮 1.43 g/kg，全磷 428.0 mg/kg，速效磷 8.4 mg/kg，速效鉀 127.0 mg/kg，緩效鉀 237.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)有兩個(gè)處理，即(1)只施化肥區(qū)(C)，(2)有機(jī)肥(菜籽餅)加化肥區(qū)(M)。副區(qū)有6個(gè)處理:不施肥(0)、單施氮肥(N)、氮肥加磷肥(NP)、氮肥加鉀肥(NK)、磷肥加鉀肥(PK)、氮磷鉀3種肥料全施(NPK)，3重復(fù)順序排列。小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，區(qū)間用花崗巖板材與水泥作永久性田埂分隔，中間有灌渠通各小區(qū)。供試作物除1993年夏熟作物為油菜、2000年為蠶豆以外，其余均為稻麥復(fù)種連作。除1982年為三熟制外，其余均為二熟制。N處理施氮肥(尿素)150—300 kg·hm－2·a－1(以純氮計(jì))，約50%作基肥，20%作蘗肥，30%作穗肥;P處理施肥(過磷酸鈣)55.8 kg·hm－2·a－1，全部作基肥;K處理施鉀肥(氯化鉀)137.5 kg·hm－2·a－1，50%作基肥，50%作穗肥。有機(jī)肥:菜餅1250 kg·hm－2·a－1，全部作基肥。稻季麥季均為化學(xué)除草，12個(gè)處理中除草劑使用一致，稻季在水稻移栽后3—5 d施藥，使用芐·丁·異丙隆 750—900 g/hm2，30%芐嘧·丙草胺可濕粉劑 1.5—1.8 L/hm2;麥季在小麥播種后 30—40 d 施藥，使用 1.5—1.875 L/hm2。

1.3 調(diào)查方法

雜草調(diào)查選擇在2011—2012年小麥苗期(2011年11月29日)、拔節(jié)期(2012年3月10日)及成熟期(2012年5月29日)，用 0.3 m×0.3 m 鐵框在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)套取5點(diǎn)，收集所有田面雜草，并帶回實(shí)驗(yàn)室分離并鑒定。雜草鑒定主要參考《中國農(nóng)田雜草彩色圖譜》［12］，并通過中國雜草信息系統(tǒng)中的內(nèi)容描述進(jìn)行比對。

1.4 土壤取樣及養(yǎng)分測定

每年小麥?zhǔn)斋@后用土鉆(直徑3.30 cm)在每個(gè)小區(qū)按對角線布點(diǎn)法取0—15 cm土壤樣品5個(gè)，按將不同小區(qū)中所取土壤按處理編號混勻帶回實(shí)驗(yàn)室測定。土壤全氮用開氏法消煮測定，全磷用H2SO4-HC1O4消煮鉬銻抗比色法測定，堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷用碳酸氫鈉法測定，有效鉀用乙酸銨提取法測定，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定［13］。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

依據(jù)取樣調(diào)查密度換算成大田實(shí)際密度。雜草的物種多樣性采用指數(shù)測定。

物種多樣性Shannon指數(shù)

數(shù)據(jù)基本處理與統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2003和SPSS 16.0;對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和雜草密度數(shù)據(jù)進(jìn)行的冗余分析采用 Canoco4.5;繪圖采用 Origin8.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥對土壤養(yǎng)分的影響

測定結(jié)果表明(表1)，農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量差異顯著，且兩年趨勢一致。以2012年為例，所有處理土壤全氮含量均比初始土壤值有所增加，增幅在7.69%—46.8%，以MNPK處理全氮含量最高，且施用有機(jī)肥處理增加的幅度比僅無機(jī)肥處理高;不施磷的CN、CNK處理，土壤總磷含量與初始土壤持平，各施磷處理土壤總磷、Olsen-P含量都有明顯提高，含量最高的MPK處理，較初始土壤全P和Olsen-P分別提高了248.83%和659.52%，說明施用磷肥能導(dǎo)致土壤磷的積累;各個(gè)處理有效鉀含量與初始值比都有不同程度的降低，以CPK處理為最高，CNK次之;施肥也導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，并以NPK處理最高。

表1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分的差異性分析Table 1Soil nutrient content in different fertilization treatments

續(xù)表

2.2 長期不同施肥對雜草密度的影響

圖1 長期施肥處理下小麥苗期、拔節(jié)期、成熟期雜草的密度Fig.1 Weed density under long-term different fertilization treatments at wheat seeding，jointing and ripening stage

試驗(yàn)結(jié)果表明各時(shí)期處理間的雜草密度差異顯著(圖1)，苗期雜草密度最大的C0處理比密度最小的CNPK高293.99%，拔節(jié)期雜草密度最大的C0處理比密度最小的MNPK處理高1070.07%。隨著小麥生育期，農(nóng)田雜草密度也有變化，各個(gè)處理拔節(jié)期的雜草平均密度最高，比最低的成熟期高出140.76%，這與小麥生育階段對雜草競爭優(yōu)勢的變化有關(guān)。在小麥各個(gè)時(shí)期均以C0(不施肥)、CPK(磷鉀肥配施)、M0(單施有機(jī)肥)、MPK(有機(jī)肥配施氮磷肥)這4個(gè)不施氮肥處理的雜草密度為最高。在小麥苗期MN(有機(jī)肥配施氮肥)、MNP(有機(jī)肥配施氮磷肥)、MNK(有機(jī)肥配施氮鉀肥)、MNPK(有機(jī)肥配施氮磷鉀肥)這4個(gè)有機(jī)肥處理的雜草密度多于CN(單施氮肥)、CNP(氮磷肥配施)、CNK(氮鉀肥配施)、CNPK(氮磷鉀肥配施)4個(gè)化肥處理，而拔節(jié)期和成熟期則低于這些化肥處理，尤其是在小麥成熟期MN(有機(jī)肥配施氮肥)、MNP(有機(jī)肥配施氮磷肥)、MNK(有機(jī)肥配施氮鉀肥)、MNPK(有機(jī)肥配施氮磷鉀肥)這4個(gè)有機(jī)肥處理中基本沒有雜草，這主要是苗期小麥競爭優(yōu)勢弱，施有機(jī)肥的處理土壤養(yǎng)分含量高，雜草生長旺盛，而到小麥拔節(jié)后至成熟這個(gè)階段，施入有機(jī)肥的小麥長勢好，競爭優(yōu)勢明顯，導(dǎo)致有機(jī)肥區(qū)雜草密度下降?？梢?，施入氮肥和有機(jī)肥能有效減少雜草的密度。

2.3 長期不同施肥對小麥生育期田間雜草物種組成的影響

調(diào)查結(jié)果顯示(表2—表4)，在小麥不同生育階段，雜草的種類組成及優(yōu)勢種均有一定的變化。小麥苗期共調(diào)查到雜草16種，隸屬于8科，其中小飛蓬、看麥娘、大巢菜、稻槎菜分別占19.32%、16.13%、15.68%、13.65%，是小麥苗期的主要優(yōu)勢雜草種群;小麥拔節(jié)期共調(diào)查到雜草11種，隸屬于7科，其中大巢菜、看麥娘、稻槎菜、通泉草分別占33.53%、14.97%、13.33%、12.28%，是本時(shí)期的主要優(yōu)勢雜草種群;小麥成熟期共調(diào)查到雜草11種，隸屬于9科，其中通泉草、菵草、大巢菜、小飛蓬分別占25.48%、17.04%、15.52%、15.04%，是小麥成熟期的主要優(yōu)勢雜草種群。因此小飛蓬、看麥娘、大巢菜、稻槎菜、通泉草、菵草是本地區(qū)小麥生長期的主要雜草類型。小麥拔節(jié)期比苗期減少的主要是冬季凍死的泥花草、石龍尾、耳葉水莧、水莧菜和節(jié)節(jié)菜等殘留的稻田雜草，是拔節(jié)期雜草種類減少的主要原因;小麥成熟期相比拔節(jié)期，減少的雜草類型有:鼠麹草、泥胡菜、山苦荬、牛繁縷和附地菜，增加的雜草類型有:野胡蘿卜、菵草、螢藺和半邊蓮，這主要是成熟期小麥的競爭優(yōu)勢明顯，麥季雜草也成熟死亡，同時(shí)一些稻季雜草開始生長，這和雜草在長期與稻麥競爭過程中所形成的生長機(jī)制有關(guān)。

表2 小麥苗期不同肥料處理?xiàng)l件下雜草密度/(株/m2)Table 2 Weed density under different fertilization treatments in wheat seeding

續(xù)表

表3 小麥拔節(jié)期不同肥料處理?xiàng)l件下雜草密度/(株/m2)Table 3 Weed density under different fertilization treatments at jointing stage of wheat

表4 小麥成熟期不同肥料處理?xiàng)l件下雜草密度/(株/m2)Table 4 Weed density under different fertilization treatments during wheat ripening stage

續(xù)表

2.4 長期不同施肥對雜草的群落多樣性特征的影響

長期不同施肥處理下雜草群落多樣性差異顯著(表5—表7)，各多樣性指數(shù)在不同時(shí)期變化趨勢一致，總體來說，施入有機(jī)肥使多樣性指數(shù)下降，尤其是雜草的物種數(shù)和 Margalef指數(shù)。在小麥苗期，CNPK處理的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)最高，除了M0處理，施入有機(jī)肥的各個(gè)處理顯著低于各個(gè)化肥處理;Pielou指數(shù)在各個(gè)不同施肥處理間差異不顯著。在小麥拔節(jié)期的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)，CNPK處理的也是最高，MPK則是最低，顯著低于其余各個(gè)處理，CPK、CNP和MNP這3個(gè)處理也處于較低水平，其余各個(gè)處理差異不顯著;Pielou指數(shù)MPK最低，其余各個(gè)有機(jī)肥處理都處于較高水平。在小麥成熟期，4個(gè)有機(jī)肥處理中沒有出現(xiàn)雜草，Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及 Margalef指數(shù)C0處理最高，CNP處理最低，Pielou指數(shù)則是CPK和M0處理顯著低于其余各個(gè)處理?？梢?，施入有機(jī)肥降低了麥季雜草的群落多樣性指數(shù)，在小麥生長的不同時(shí)期C0處理以及均衡施肥的CNPK處理群落多樣性指數(shù)能維持在一個(gè)較高的水平。

2.5 麥田雜草分布與土壤養(yǎng)分因子的關(guān)系

采用冗余分析(RDA)對所調(diào)查的12個(gè)不同處理的雜草分布和土壤環(huán)境養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行空間分析，箭頭表示土壤環(huán)境因子，12個(gè)實(shí)心正方形代表不同施肥處理，空心三角形代表不同類型的雜草。RDA排序圖(圖2)從整體上反映了不同時(shí)期麥田雜草分布與土壤養(yǎng)分因子間的關(guān)系，同時(shí)也反映出不同雜草種類對生態(tài)環(huán)境要求的相似程度。

表5 長期不同施肥處理下小麥苗期雜草群落結(jié)構(gòu)特征Table 5 Community structure features of weed under long-term different fertilization treatments in wheat seedling(mean±SE)

表6 長期不同施肥處理下小麥拔節(jié)期雜草群落結(jié)構(gòu)特征Table 6 Community structure features of weed under long-term different fertilization treatments at jointing stage of wheat(mean±SE)

表7 長期不同施肥處理下小麥拔節(jié)期雜草群落結(jié)構(gòu)特征Table 7 Community structure features of weed under long-term different fertilization treatments during wheat ripening stage(mean±SE)

在小麥苗期，第一、第二排序軸特征值分別為0.409、0.214，土壤全 N、堿解 N、有機(jī)質(zhì)與第一排序軸相關(guān)系數(shù)分別為－0.868、－0.869、－0.839;而第二排序軸與各養(yǎng)分因子相關(guān)性不大;小麥拔節(jié)期，第一、第二排序軸特征值分別為 0.496、0.166，土壤全 N、堿解N、有機(jī)質(zhì)與第一排序軸相關(guān)系數(shù)分別為－0.876、－0.914、－0.841;而第二排序軸與各養(yǎng)分因子相關(guān)性不大;小麥成熟期，第一、第二排序軸特征值分別為0.500、0.103，土壤全 N、堿解 N、有機(jī)質(zhì)與第一排序軸相關(guān)系數(shù)分別為－0.702、－0.765、－0.679;第二排序軸與各養(yǎng)分因子相關(guān)性也不大;綜之，在小麥生長期間，影響麥田中雜草分布的土壤養(yǎng)分因子主要為氮和有機(jī)質(zhì)。

3幅排序圖中處理分布趨勢一致，C0處理相對獨(dú)立，與其余各個(gè)處理之間距離相對較遠(yuǎn)，CNP、CNPK和MNP、MNPK兩對處理之間的距離最近，各個(gè)排序圖中大部分雜草處于土壤肥力因子箭頭的反方向，與土壤肥力因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，耐貧瘠。土壤含氮量和有機(jī)質(zhì)含量對雜草分布影響較大。

3 討論與小結(jié)

長期肥料施用能提高土壤中相應(yīng)營養(yǎng)元素的含量，作物的生長通常能抑制絕大部分雜草的發(fā)生，通過增加作物競爭優(yōu)勢和培育農(nóng)田生境來綜合治理雜草的方法越來越受到關(guān)注，施肥是最有效直接的措施，肥料在增加作物產(chǎn)量的同時(shí)能有效減少雜草密度［14-17］。Moss等在研究英國洛桑實(shí)驗(yàn)站麥田雜草群落時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤無機(jī)氮水平是決定部分雜草出現(xiàn)頻率的關(guān)鍵因子［18］，本研究結(jié)果同樣表明施入氮肥能顯著減少麥田雜草密度，其主要原因可能是氮肥是增加小麥產(chǎn)量的主要養(yǎng)分因子，而小麥的旺盛生長能抑制絕大多數(shù)雜草的發(fā)生。施入有機(jī)肥使處理中雜草種類和密度都有不同程度的減少，氮肥及有機(jī)肥的施入通過改變小麥與雜草的競爭關(guān)系從而使麥田雜草密度顯著減少，富營養(yǎng)土壤中形成的優(yōu)勢雜草種群能與小麥一起限制其余雜草生長，而貧瘠土壤限制作物生長，從而為雜草提供更多的水、熱、光等資源和空間，同時(shí)小麥栽培過程一般都加入除草管理措施，因此結(jié)合農(nóng)田雜草防除，通過合理施用氮肥、有機(jī)肥能更有效地減少麥田的雜草密度，提高小麥的競爭優(yōu)勢。

圖2 小麥苗期、拔節(jié)期、成熟雜草分布與環(huán)境因子的RDA二維序列圖Fig.2 A two-dimensional graph of RDA ordination for weed and environment factor at wheat seeding，jointing and ripening stage

化肥、有機(jī)肥的投入能顯著增加土壤中氮磷鉀的含量，改變農(nóng)田養(yǎng)分生境，影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物種構(gòu)成。本研究結(jié)果表明:不同施肥處理下雜草群落組成差異明顯，施肥導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分差異將影響農(nóng)田雜草的種內(nèi)和種間競爭，決定雜草的類型［19-21］。Yin等［22］在封丘旱地田間調(diào)查試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了均衡施肥模式下雜草群落多樣性指數(shù)增加，作物產(chǎn)量增加。本研究結(jié)果也顯示在小麥生長的不同時(shí)期C0處理以及均衡施肥的CNPK處理群落多樣性指數(shù)都能維持在一個(gè)較高的水平。生態(tài)系統(tǒng)的功能由系統(tǒng)中物種的種類及數(shù)量決定，不同物種間對不同養(yǎng)分的需求差異性越大，系統(tǒng)中養(yǎng)分的保留會越多［23-25］，Wardle等在研究中發(fā)現(xiàn)多樣性高的系統(tǒng)能更好的應(yīng)對環(huán)境變化［26-27］，均衡施肥的處理相對其余處理更能形成穩(wěn)定的系統(tǒng)，保持農(nóng)田的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性。

Katharine的研究則表明土壤氮素減少能加大雜草種內(nèi)競爭，磷則更多的影響種間競爭［28］，不同施肥措施影響本試驗(yàn)區(qū)麥田雜草的分布，RDA結(jié)果顯示土壤有機(jī)質(zhì)及氮含量是影響雜草分布的主要環(huán)境因子，化肥和有機(jī)肥的施用直接改變土壤理化性狀，不同類型化肥有機(jī)肥的配施在提高作物競爭優(yōu)勢的同時(shí)影響不同雜草的種內(nèi)和種間競爭，導(dǎo)致在不同的處理間雜草分異差異顯著。適宜的養(yǎng)分管理能改善作物與雜草之間的競爭關(guān)系，在降低雜草對作物產(chǎn)量影響的同時(shí)保持一定可控制雜草的生物多樣性，使整個(gè)稻麥生產(chǎn)系統(tǒng)提高生產(chǎn)力趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

氮肥和有機(jī)肥的施入不同程度導(dǎo)致田間雜草總密度的下降，且有機(jī)肥的施用對雜草密度的控制效果更加顯著。雜草密度隨著小麥生育進(jìn)程總體呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，MN、MNP、MNK、MNPK 4個(gè)則呈持續(xù)下降的特征，至小麥成熟期雜草基本消失，雜草種類在小麥苗期最多，越冬過后不同施肥處理中有不同程度的減少。施入有機(jī)肥使麥季雜草的群落多樣性指數(shù)下降，尤其是雜草的物種數(shù)和豐富度指數(shù)，均衡施肥的處理中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性維持在較高的水平，化學(xué)氮磷鉀肥的配合施用有利于形成生產(chǎn)力高、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的系統(tǒng)。土壤含氮量和有機(jī)質(zhì)含量是對麥季雜草分布影響最大的兩個(gè)土壤養(yǎng)分因素，土壤有效鉀含量對雜草分布影響則最小。

致謝:感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)雜草研究室的強(qiáng)勝老師、揚(yáng)州大學(xué)金銀根老師以及袁術(shù)忠老師在雜草辨認(rèn)鑒定上給予的幫助，感謝揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院徐辰武老師、顧世良老師在文章數(shù)據(jù)處理分析過程中給予的幫助。

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