張 震,曹亞蒙,武建勇,馬友華,何金鈴,周 迪

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036;2.農(nóng)業(yè)部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站,安徽 合肥 230036;3.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210042)

雜草是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡的重要環(huán)節(jié)[1],適當(dāng)數(shù)目的雜草有利于維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[2]。但是,農(nóng)田雜草在光照、營養(yǎng)、水分等方面與作物相互競爭,從而影響農(nóng)作物生長,降低作物產(chǎn)量[3-4]。研究表明合理的管理方式下保持一定的農(nóng)田雜草群落多樣性有利于控制作物病蟲害[5]、提高土壤質(zhì)量[6],從而在某種程度上減少了除草劑和殺蟲劑在農(nóng)田的投入,進(jìn)而減少了其對周邊水體的污染負(fù)荷[7-8]。因此,需要對農(nóng)田雜草進(jìn)行合理調(diào)控。

目前,不同的農(nóng)田管理方式對于農(nóng)田雜草的影響成為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點內(nèi)容之一[9]。不同的農(nóng)田管理方式能夠在某種程度上影響和控制農(nóng)田雜草,降低其對作物生長的影響[3-4],減少因使用除草劑而對環(huán)境產(chǎn)生的污染。已有研究證明,采取保護(hù)性的耕作方式,如免耕和秸稈還田等,能降低田間雜草的密度與生物量[10],有益于土壤中水分與養(yǎng)分的保持[11];采取合理的施肥方式也可降低田間雜草的密度,并同時維持其適當(dāng)?shù)纳锒鄻有訹12]。

然而,針對農(nóng)田雜草的研究主要集中于玉米、油菜、水稻等作物[3-4,11]。小麥作為中國的主要糧食作物之一,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位,其雜草研究主要集中在化學(xué)藥物的防治效果、不同施肥量或耕作方式對雜草群落特征的影響上[13-14],而關(guān)于不同耕作方式下施肥對雜草群落組成結(jié)構(gòu)的影響相對較少,不利于小麥田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性管理。該研究基于長期定位觀測實驗,通過小麥田雜草群落及其多樣性的測量和分析,闡釋在不同農(nóng)田管理方式下雜草群落變化特征,從而為區(qū)域性小麥田農(nóng)田雜草控制以及多樣性保護(hù)提供一定的理論依據(jù)和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗點位于安徽省巢湖市烔煬鎮(zhèn)西宋村安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)巢湖農(nóng)業(yè)環(huán)境試驗站 (31°39′59″ N,117°40′48″ E)。該試驗站年平均氣溫為16.1 ℃,年平均降水量為1 000～1 158 mm,多年平均日照時數(shù)為2 170.1 h,年日照百分率為49.0%,全年無霜期247 d,日照時數(shù)2 106 h,輻射總量為499 092 J·cm-2,屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。土壤類型為潮土,土壤肥沃,pH值為6.18,有機質(zhì)、總氮和總磷含量分別為34.07、1.58和0.78 g·kg-1[12]。耕作制度為單季稻和旱作作物(通常為冬小麥)輪作。

1.2 試驗設(shè)計

試驗冬小麥于2014年10月14日播種,2015年5月30日收割。供試小麥品種為揚麥16,播種量為120 kg·hm-2。試驗田設(shè)置了耕作方式、施肥模式以及不同氮磷施肥量等多種處理,每種處理設(shè)3個重復(fù)(表1),隨機區(qū)組分布,小區(qū)面積為30 m2,小區(qū)處理自2011年開始。耕作方式與施肥方式分別為:空白對照A,不使用任何肥料等處理,不進(jìn)行任何人為管理;常規(guī)處理B,翻耕播種,上茬作物秸稈去除,秸稈不還田,常規(guī)施肥,參考巢湖地區(qū)農(nóng)村對冬小麥的一般管理模式,本季冬小麥田施N 210 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2;緩施肥處理C,翻耕播種,緩釋肥(N∶P∶K=21∶6∶18)由山東金正大提供;優(yōu)化施肥D,翻耕播種,按照當(dāng)?shù)刈罡弋a(chǎn)量配方施肥,施肥量為N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 145 kg·hm-2;優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑處理E,翻耕播種,施肥量同優(yōu)化施肥D,同時將0.05%尿素施肥量的脲酶抑制劑作為基肥一次性施入;保護(hù)性耕作處理F,免耕播種,上茬作物秸稈不去除,直接還田,秸稈施用量為4 000 kg·hm-2,施肥量為N 210 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2,K2O 145 kg·hm-2;秸稈還田處理G,翻耕播種,上茬作物秸稈在播種前粉碎與表層土壤混合均勻[15],秸稈施用量為4 000 kg·hm-2,施肥量為N 210 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2,K2O 145 kg·hm-2。

表1不同處理肥料和秸稈施用量

Table1Rangeofapplicationoffertilizationandcropstrawindifferenttreatments

處理施肥量/(kg·hm-2)NPK秸稈施用量/(kg·hm-2) 空白對照(A)000 0 常規(guī)處理(B)210901450 緩釋肥(C)210901450 優(yōu)化施肥(D)210901450 優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑(E)210901450 保護(hù)性耕作(F)210901454 000 秸稈還田(G)210901454 000

1.3 雜草調(diào)查

2015年5月中旬,在各處理區(qū)進(jìn)行隨機樣方調(diào)查,每個處理的不同重復(fù)內(nèi)均進(jìn)行3個小樣方測定,小樣方為0.5 m×0.5 m。測定樣方內(nèi)雜草植物種類、密度、頻度、蓋度、高度等指標(biāo)。

采用優(yōu)勢度SDR(RSD)作為衡量雜草重要程度的指標(biāo),Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′、Simpson優(yōu)勢集中度D、Pielou均勻度指數(shù)E、Margalef物種豐富度指數(shù)DMG(GDM)作為衡量雜草群落多樣性的指標(biāo)[16-17]。生態(tài)位寬度采用Levins計算方法,生態(tài)位重疊值采用Schoener計算方法。

(1)

H′=-∑Pi×lnPi,

(2)

D=∑Pi2,

(3)

Pi=ni/N，

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)中,DR為相對密度,即某雜草的密度占總密度的比例;CR為相對蓋度,即某雜草的蓋度占總蓋度的比例;FR為相對頻度,即某雜草的頻度占總頻度的比例;HR為相對高度,即某雜草的高度占總高度的比例;Pi為某種雜草所占雜草總株數(shù)的比例；N為各區(qū)每1 m2內(nèi)雜草總株數(shù)；ni為各區(qū)每1 m2內(nèi)某種雜草株數(shù);S為各區(qū)每1 m2內(nèi)雜草群落中物種數(shù)。

Levins生態(tài)位寬度計算公式為

Bi=1/(r∑Pij2),

(7)

Pij=nij/Ni,

(8)

Ni=∑nij。

(9)

式(7)～(9)中,Bi為物種i的生態(tài)位寬度;Pij為物種i對第j種資源的利用水平占全部資源利用水平的比例;Ni為物種i在所有樣方內(nèi)重要值的總和;nij為物種i在第j個樣方內(nèi)的重要值;r為資源水平總數(shù),即樣方數(shù)。

Schoener生態(tài)位重疊指數(shù)計算公式為

(10)

式(10)中,Oih為物種i和h的生態(tài)位重疊值;r為資源水平總數(shù),即樣方數(shù);Pij和Phj分別為物種i和h在第j個資源單位中所占比例。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用Excel 2013和SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜草種類及群落密度

樣方調(diào)查發(fā)現(xiàn),麥田中的雜草有8科12種,主要為稗(Echinochloacrusgalli)、牛膝菊(Galinsogaparviflora)、野燕麥(Avenafatua)3種雜草,其群體數(shù)量約占田間雜草總數(shù)的95%(表2)。各處理中雜草以野燕麥和稗為主,其群體數(shù)量約占對應(yīng)處理雜草總數(shù)的86%。不同處理條件下雜草種類有較大差異,其中對照組(A)共有9種雜草;施用緩釋肥的小區(qū)(C)共有8種雜草;優(yōu)化施肥小區(qū)(D)有5種雜草出現(xiàn);其余各種處理條件下僅有2～3種雜草。

表2不同處理雜草相對密度

Table2Therelativedensityofweedsindifferenttreatments

處理稗水蓼牛膝菊通泉草野胡蘿卜一年蓬野燕麥紅蓼野豌豆老鸛草 A1)21.60±1.08/13.38±0.671.56±0.081.18±0.060.34±0.0255.80±2.23//3.36±0.17 B32.26±1.61/////58.06±2.90//9.68±0.38 C88.74±31.060.34±0.022.39±0.120.34±0.121.02±00.68±0.035.12±0.26//1.37±0.07 D12.50±0.63/////75.00±3.754.17±0.214.17±0.214.17±0.21 E20.55±1.03/////79.45±3.58/// F21.79±0.83//3.85±0.19//74.36±3.72/// G28.89±1.44/////71.11±3.56///

“/”表示無數(shù)據(jù)。A為空白對照;B為常規(guī)處理;C為緩施肥;D為優(yōu)化施肥;E為優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑;F為保護(hù)性耕作;G為秸稈還田。1)處理A藎草和小黃花的相對密度分別為(2.03±0.10)%和(0.76±0.03)%。

2.2 雜草多樣性及其指數(shù)特征

從Shannon-Wiener多樣性指數(shù)看,緩控釋肥處理(C)高于優(yōu)化施肥處理(D)等其他處理,為其他處理的1.30～2.63倍;而優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑處理(E)與保護(hù)性耕作處理(F)明顯低于其他處理(表3)。各處理中,除秸稈還田和優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑處理外,各區(qū)的優(yōu)勢集中度均較低;緩控釋肥處理顯著低于其他處理,而優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑處理、秸稈還田處理分別高于其他處理1.30～2.55和1.34～2.63倍。不同處理對于Pielou均勻度指數(shù)有一定影響,優(yōu)化施肥處理低于其他處理,保護(hù)性耕作處理比其他處理高1.04～1.33倍。

表3不同處理雜草生物多樣性指數(shù)值

Table3Indexofweedbiodiversityindifferenttreatments

處理H′DEDMG A1.276 50.317 00.867 00.987 8 B1.036 20.371 90.943 20.582 4 C1.804 90.198 10.867 91.232 4 D1.392 00.346 60.776 91.573 3 E0.687 00.506 20.991 10.233 1 F0.717 40.390 21.035 00.229 5 G0.943 60.521 00.858 90.525 4

A為空白對照;B為常規(guī)處理;C為緩施肥;D為優(yōu)化施肥;E為優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑;F為保護(hù)性耕作;G為秸稈還田。H′為Shannon-Wiener多樣性指數(shù);D為Simpson優(yōu)勢集中度;E為Pielou均勻度指數(shù);DMG為Margalef物種豐富度指數(shù)。

分析不同處理條件下雜草物種豐富度(表3),緩控釋肥處理(C)與優(yōu)化施肥處理(D)明顯高于其他處理;優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑處理(E)與保護(hù)性耕作處理(F)均明顯低于其他各處理;秸稈還田處理(G)與常規(guī)處理(B)無明顯差異,高于優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑處理和保護(hù)性耕作處理,但比空白、緩控釋肥和優(yōu)化施肥處理降低41.0%～66.6%。

2.3 雜草群落結(jié)構(gòu)組成

不同施肥與耕作方式處理的雜草的群落結(jié)構(gòu)組成發(fā)生了改變,從而影響了不同處理間各種雜草綜合優(yōu)勢度(表4)。在不同耕作方式的處理和空白處理中,雜草群落的優(yōu)勢種為野燕麥和稗,對應(yīng)優(yōu)勢度的均值分別為2.024 5和1.460 6。

就不同施肥方式處理來看,緩控釋肥處理稗的優(yōu)勢度顯著小于其他處理,常規(guī)施肥處理中野燕麥優(yōu)勢度均小于其他處理。就不同耕作方式處理來看,保護(hù)性耕作處理中野燕麥的優(yōu)勢度(2.608 9)大于其他處理,優(yōu)化施肥處理中稗的優(yōu)勢度(1.643 2)均大于其他處理。

表4不同處理雜草綜合優(yōu)勢度

Table4TheindexofSDRindifferenttreatments

處理稗水蓼牛膝菊通泉草野胡蘿卜一年蓬野燕麥紅蓼野豌豆老鸛草藎草小黃花 A1.3250.0260.4500.1210.0790.0331.7110.014/0.1640.0460.031 B2.2000.1530.3350.1340.1720.0860.7290.086/0.118// C0.947//0.074//2.2240.2080.3600.262// D1.643/////2.357///// E1.312//0.201//2.365///// F1.391//0.122//2.609///// G1.407/////2.178//0.416//

“/”表示無數(shù)據(jù)。A為空白對照;B為常規(guī)處理;C為緩施肥;D為優(yōu)化施肥;E為優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑;F為保護(hù)性耕作;G為秸稈還田。

2.4 雜草生態(tài)位寬度分析

生態(tài)位寬度是生物所利用的各種資源的綜合,是度量植物種群對環(huán)境資源利用狀況的尺度,其大小體現(xiàn)了物種在群落中的競爭地位,物種生態(tài)位寬度越大,其特化程度越小,對環(huán)境適應(yīng)能力越強。綜合分析各處理耕地內(nèi)雜草的種類特征,由于物種數(shù)量和特征在不同的處理條件下差異較大,生態(tài)位寬度也表現(xiàn)為較大差異(表5)。其中通泉草、老鸛草等雜草在不同處理組均表現(xiàn)為較高的生態(tài)位寬度,表明這些植物對于資源利用的多樣性程度較高,而一年蓬、牛膝菊、藎草、紅蓼等植物在空白(A)和常規(guī)處理(B)中具有較高的生態(tài)位,具有一定的競爭優(yōu)勢。

表5不同處理雜草生態(tài)位寬度

Table5Thebreadthofecologicalnichefortheweedsindifferenttreatments

處理稗水蓼牛膝菊通泉草野胡蘿卜一年蓬野燕麥紅蓼野豌豆老鸛草藎草小黃花 A3.000155.8278.83632.81350.619118.9702.322277.874/24.30386.383126.548 B1.75425.25211.53528.79522.43344.7625.29445.023/32.810// C4.303//55.422//1.83219.62211.32515.536// D2.434/////1.697///// E2.955//19.294//1.640///// F2.963//33.787//1.580///// G2.843/////1.837//9.625//

“/”表示無數(shù)據(jù)。A為空白對照;B為常規(guī)處理;C為緩施肥;D為優(yōu)化施肥;E為優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑;F為保護(hù)性耕作;G為秸稈還田。

2.5 雜草生態(tài)位重疊值分析

不同施肥及耕作處理,對于農(nóng)田雜草種類具有明顯影響。分析不同處理組雜草生態(tài)位重疊值(表6),共形成125對種間對,除F組(保護(hù)性耕作)農(nóng)田內(nèi)通泉草與野燕麥生態(tài)位重疊值為0.698以外,其余生態(tài)位重疊值均在0.7以上。生態(tài)位重疊值在0.7～0.8之間的有20對,占16%;>0.8～0.9之間的有22對,占17.6%;0.9以上的有83對,占66.4%,表明冬耕小麥田內(nèi)雜草種對間存在較大的生態(tài)位重疊值,即這些種對間利用資源的生態(tài)學(xué)特性比較接近。各處理優(yōu)勢種野燕麥和稗的生態(tài)位重疊值均在0.721以上。

表6不同處理區(qū)雜草生態(tài)位重疊值

Table6Theoverlapvaluesofecologicalnichefortheweedsinthedidifferentteatments

處理物種水蓼牛膝菊通泉草野胡蘿卜一年蓬野燕麥紅蓼野豌豆老鸛草藎草小黃花 A稗0.8370.8490.8490.8430.8380.9510.8350.8330.8540.8390.837水蓼0.9470.9880.9930.9990.7880.9990.9970.9830.9970.999牛膝菊0.9590.9530.9480.8410.9450.9430.9640.9490.947通泉草0.9950.9890.8000.9870.9850.9950.9910.989野胡蘿卜0.9940.7950.9920.9900.9890.9960.994一年蓬0.7890.9980.9960.9840.9981.000野燕麥0.7870.7850.8050.7900.789紅蓼0.9980.9810.9960.998老鸛草0.9850.983藎草0.998藎草0.998 B稗0.7350.7580.7320.7370.7260.8090.7260.730水蓼0.9760.9980.9980.9910.9250.9910.995牛膝菊0.9740.9790.9680.9490.9680.972通泉草0.9950.9940.9230.9940.998野胡蘿卜0.9890.9280.9890.993一年蓬0.9171.0000.996野燕麥0.9170.921紅蓼0.996 C稗0.8930.8430.9090.9280.916通泉草0.7360.9840.9650.977野燕麥0.7530.7710.759紅蓼0.9810.988野豌豆0.988 D稗1.000 E稗0.8570.864通泉草0.721 F稗0.8460.852通泉草0.698 G稗0.9040.876野燕麥0.780

A為空白對照;B為常規(guī)處理;C為緩施肥;D為優(yōu)化施肥;E為優(yōu)化施肥+脲酶抑制劑;F為保護(hù)性耕作;G為秸稈還田。

3 討論

試驗現(xiàn)場調(diào)查與結(jié)果分析表明,不同耕作處理雜草群落組成差異明顯,施肥處理時田間雜草密度升高,但是種類數(shù)量明顯降低。這結(jié)果與已有研究結(jié)果中施肥能顯著減少雜草密度的結(jié)論有一定區(qū)別[18],可能與農(nóng)田環(huán)境和土壤本底理化性質(zhì)存在一定的關(guān)系。李儒海等[12]研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋能對稻田雜草的生長起到抑制作用,降低雜草群落的多樣性。博文靜等[4]在對玉米田的研究中得到了免耕秸稈覆蓋能促使雜草群落的密度與多樣性下降的結(jié)論。筆者研究發(fā)現(xiàn)在不同耕作模式下,田間雜草群落的密度、豐富度、多樣性發(fā)生了改變,表明田間管理的存在與否對田間雜草群落有一定影響。秸稈粉碎后還田(翻耕秸稈粉碎還田)比秸稈直接還田(免耕秸稈還田)更能顯著降低雜草群落的密度和均勻度,更有利于提高雜草的多樣性、豐富度和優(yōu)勢集中度。這一現(xiàn)象與戴曉琴等[3]研究中翻耕使雜草種子裸露所造成的抑制效果好于秸稈覆蓋的假設(shè)相符,具體原因有待進(jìn)一步研究。

緩控釋肥和添加脲酶抑制劑的效果相似,都是延長氮肥作用的時間、增加利用效率[18-21]。試驗發(fā)現(xiàn)施加脲酶抑制劑能降低雜草群落的多樣性指數(shù)和物種豐富度指數(shù),提高雜草密度、優(yōu)勢集中度和均勻度;緩控施肥會增加雜草群落的密度、豐富度和多樣性,降低雜草群落的優(yōu)勢集中度。也就是說在肥料使用效果上相似的緩控釋肥和脲酶抑制劑,對農(nóng)田雜草群落在密度和多樣性上表現(xiàn)出相反的趨勢。這可能是因為脲酶抑制劑本身的毒性對于土壤環(huán)境產(chǎn)生影響[20],較強地改變了土壤環(huán)境,改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[20],從而對農(nóng)田土壤中的雜草種子產(chǎn)生抑制影響[19]。

筆者研究發(fā)現(xiàn),免耕條件下,雜草群落優(yōu)勢度、多樣性、豐富度指數(shù)等相對較低,而其均勻度指數(shù)相對較高。小麥的耕作方式主要有翻耕、免耕不覆蓋稻草、免耕覆蓋稻草,有學(xué)者認(rèn)為免耕覆蓋對農(nóng)田雜草數(shù)量增加有抑制作用,可通過光合、水分等條件對雜草種子萌發(fā)造成不利影響等[22-23]。陳慶華等[24]也發(fā)現(xiàn)免耕條件下,覆蓋小麥秸稈明顯降低了農(nóng)田雜草的出現(xiàn)幾率,而禾本科雜草和繁縷的種子萌發(fā)更易于受到嚴(yán)重影響。

生態(tài)位寬度指一個物種所能利用各種資源的總和,其數(shù)值大小體現(xiàn)了物種在群落中的競爭地位[25-28]。研究結(jié)果表明耕作模式均對農(nóng)田雜草的資源利用率產(chǎn)生明顯影響,其中群落內(nèi)優(yōu)勢種的生態(tài)位寬度較大。水蓼、通泉草在不同處理中的生態(tài)位寬度均較大,表明它們對環(huán)境的適應(yīng)能力更強,對環(huán)境資源利用的多樣性高。

不同雜草間的生態(tài)位重疊值,能夠反映不同植物間的生態(tài)學(xué)相似性程度[28]。分析表明耕作模式均可對農(nóng)田雜草的種對間產(chǎn)生明顯影響,其中群落內(nèi)優(yōu)勢種的生態(tài)位重疊值較大。野燕麥與稗、牛膝菊與稗的重疊值在不同處理中均較大,這3種植物也是不同處理組內(nèi)的優(yōu)勢物種,這可能與其自身生物學(xué)特性有關(guān)。有研究表明耕作方式、人工及化學(xué)除草措施等均可以形成特殊的環(huán)境生態(tài)條件,從而對雜草群落特征產(chǎn)生影響[24,29-30],導(dǎo)致部分物種成為優(yōu)勢種,部分物種在資源競爭中處于劣勢。

4 結(jié)論

(1)秸稈還田能有效降低田間雜草群落密度,秸稈粉碎后還田(翻耕秸稈粉碎還田)比秸稈直接還田(免耕秸稈還田)更能顯著降低雜草群落的密度和均勻度,提高雜草多樣性、豐富度和優(yōu)勢集中度。

(2)不同施肥與耕作方式處理影響了各種雜草綜合優(yōu)勢度。在不同耕作與施肥方式處理和空白處理中,雜草群落的優(yōu)勢種為野燕麥和稗。

(3)不同施肥與耕作處理共形成了125對種間對,生態(tài)位重疊值均在0.698以上,說明冬麥田雜草種間對存在較大的生態(tài)位重疊值,表明各種雜草利用農(nóng)田資源或條件的生態(tài)學(xué)特性比較相近。