河北省夏玉米田雜草群落數(shù)量分析

李秉華， 張宏軍， 段美生， 劉小民， 王貴啟

（1．河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所，石家莊 050035；2．農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所，北京 100125；3．河北省邯鄲市農(nóng)業(yè)局，邯鄲 056001）

玉米是世界重要的糧食作物，我國(guó)玉米近年播種面積逐步增加，2009年玉米播種面積超過(guò)水稻成為我國(guó)播種面積最大的作物，2011年玉米播種面積達(dá)3 354萬(wàn)h m2，占農(nóng)作物總播種面積的20．67%［1］。雜草群落是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，一方面具有保持水土、改善土壤結(jié)構(gòu)［2］和富集土壤重金屬元素［3－4］等有益的生態(tài)作用，另一方面雜草又與作物競(jìng)爭(zhēng)水、肥、光等生態(tài)資源［5］，顯著影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［6－7］，雜草可造成夏玉米50%左右的產(chǎn)量損失［8］，因此草害是影響玉米生產(chǎn)的主要因素之一。通過(guò)雜草群落的調(diào)查和分析，可以明確雜草群落演替規(guī)律、生態(tài)環(huán)境變化和生物多樣性資源，以便創(chuàng)造可持續(xù)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。2004－2005年魏守輝等［9］對(duì)河北省的玉米田進(jìn)行了雜草群落調(diào)查，其中河北省中部和南部地區(qū)夏玉米田的主要雜草為馬唐、牛筋草、鐵莧菜和馬齒莧。近年河北省夏玉米免耕播種面積不斷擴(kuò)大、除草劑應(yīng)用面積和強(qiáng)度增加、外來(lái)惡性雜草入侵等，是否造成該地區(qū)農(nóng)田雜草群落的組成和結(jié)構(gòu)等群落特征的改變則缺乏相關(guān)研究。

為了更詳細(xì)地掌握河北省夏玉米田雜草危害現(xiàn)狀和群落結(jié)構(gòu)，2012年筆者針對(duì)河北省夏玉米田的雜草群落進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)雜草群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)量分析，以期為該地區(qū)農(nóng)田雜草綜合治理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 研究地區(qū)概況和樣點(diǎn)分布

雜草群落的調(diào)查范圍為東經(jīng)114°38′～117°8′，北緯36°20′～39°28′，海拔7～58 m，屬溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年降水量500 mm左右，夏季高溫多雨，降水量占全年總降水量的71%，7月平均氣溫26℃左右［10］，適于玉米等秋糧作物生長(zhǎng)。調(diào)查地點(diǎn)為石家莊、保定、廊坊、邢臺(tái)、邯鄲、衡水和滄州的27個(gè)縣市有代表性的夏玉米田，均為一年兩熟制的耕作制度，是河北省夏玉米的主產(chǎn)區(qū)。

1．2 調(diào)查方法和數(shù)據(jù)分析

田間調(diào)查于2012年7月下旬進(jìn)行，采用改良的倒“W”9點(diǎn)取樣法［11］調(diào)查樣點(diǎn)內(nèi)各雜草種的株數(shù)、株高、蓋度和鮮重，調(diào)查了27個(gè)地塊（圖2）共243個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)地塊面積不低于1 hm2，每個(gè)樣點(diǎn)面積為1 m2。

雜草的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度（RA，relative abundant）的計(jì)算公式為：

RA ＝ （RW ＋RH ＋RD＋RF）×100／4，

式中：RW、RH、RD和RF分別為相對(duì)重量、相對(duì)高度、相對(duì)密度和相對(duì)頻率［12］。

物種豐富度采用Gleason指數(shù)（dGL），計(jì)算公式為：

式中：d是物種數(shù)目隨樣方增大而增加的速率，S為物種的數(shù)目，A為所調(diào)查的面積［13］。

Shannon－Wiener多樣性指數(shù)（H′）計(jì)算公式為：

式中：Pi是第i物種被第1次抽到的概率，Pi＝Ni／N，Ni為樣方中第i種雜草的密度，N 為該樣方中所有雜草密度的和。Si mpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（D）計(jì)算公式為：

Pielou均勻度指數(shù)（J）計(jì)算公式為：

J ＝ H′／l n S［14］，S是調(diào)查區(qū)域內(nèi)的物種數(shù)目。

采用系統(tǒng)聚類的方法對(duì)雜草群落相似性進(jìn)行分析，使用SPSS 12．0處理數(shù)據(jù)，聚類方法為組間均連法，測(cè)度使用Euclidean平方距離。主成分分析（principal components analysis，PCA）使用CANOCO 4．5，CANOCO是生態(tài)學(xué)中用于約束與非約束排序的常用工具。使用CANOCO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中心化處理后再進(jìn)行PCA，結(jié)果中的箭頭射線代表物種，空心圓點(diǎn)代表調(diào)查地塊。物種的箭頭長(zhǎng)度表示的是在排序空間內(nèi)物種相對(duì)多度變化量的比例，沿著箭頭的方向?yàn)樵龃螅粗疄闇p??；物種射線間的夾角代表其相關(guān)性，夾角越小，物種間的相關(guān)性就越高，反之則相關(guān)性越低。

2 結(jié)果與分析

2．1 夏玉米耕作、種植情況和田間雜草種類

調(diào)查區(qū)域內(nèi)以冬小麥和夏玉米一年兩熟的種植制度為主，夏玉米的主要耕作方式為帶茬免耕播種，占所調(diào)查地塊總數(shù)的92．6%。玉米均為等行距種植，株距為27～33 c m，行距為50～55 c m。該地區(qū)夏玉米田雜草共有48種，其中田間合計(jì)頻率≥5%的雜草有23種（表1），隸屬于12科22屬，包含雜草種類最多的科是禾本科，包含6種雜草，相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和為63．10%；其次是旋花科，包含4種雜草，相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和為6．16%。

2．2 雜草群落的相似性測(cè)定

以不同地塊和各雜草種的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度構(gòu)成矩陣進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果表明：根據(jù)雜草群落的結(jié)構(gòu)，所調(diào)查的27個(gè)地塊可分為2個(gè)聚類群，第Ⅰ聚類群中的成員由編號(hào)1～8和15～27的地塊組成，占調(diào)查地塊總數(shù)的77．78%；第Ⅱ聚類群中的成員由編號(hào)9～14的地塊組成，占調(diào)查地塊總數(shù)的22．22%（圖1）。從行政區(qū)劃可以看出，第Ⅰ聚類群中的聚類成員主要分布于廊坊、保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲，地理位置上屬于冀中南山前平原［15］，第Ⅱ聚類群中的聚類成員主要分布于衡水和滄州，地理位置上屬于黑龍港地區(qū)［16］（圖2）。第Ⅰ聚類群中相對(duì)優(yōu)勢(shì)度較大的雜草有馬唐、狗尾草、牛筋草、反枝莧、鐵莧菜和打碗花，第Ⅱ聚類群中相對(duì)優(yōu)勢(shì)度較大的雜草有馬唐、狗尾草、牛筋草、鐵莧菜和馬齒莧（表1）。

表1 河北省夏玉米田的主要雜草1）Table 1 Weed speciesinfestedinsummermaizeinHebeiProvince

圖1 夏玉米田雜草群落相似性分析Fig．1 The si milarity measurementof weed community in summer maize by hierarchical cluster

圖2 夏玉米田雜草群落調(diào)查地塊的地理分布與群落相似性示意圖Fig．2 Distribution of the plots and si milarity of weed community

2．3 雜草群落物種多樣性測(cè)度

根據(jù)系統(tǒng)聚類分組的結(jié)果，分別對(duì)冀中南山前平原（第Ⅰ聚類群）和黑龍港地區(qū)（第Ⅱ聚類群）雜草群落的物種多樣性進(jìn)行測(cè)度（表2）。黑龍港地區(qū)田間頻率≥5%的雜草種類比冀中南山前平原少4種，這兩個(gè)地區(qū)的Gleason指數(shù)比較相近，說(shuō)明隨著取樣面積的增加物種的數(shù)目略增加，物種數(shù)目在這兩個(gè)地區(qū)單位面積上的分布基本一致。黑龍港地區(qū)的Si mpson指數(shù)是冀中南山前平原的2．92倍，說(shuō)明黑龍港地區(qū)的優(yōu)勢(shì)草種在雜草群落中有較高的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度，群落結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。冀中南山前平原雜草群落的Shannon－Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)分別是黑龍港地區(qū)的1．45倍和1．36倍，說(shuō)明冀中南山前平原雜草群落中各草種間聯(lián)系緊密，群落結(jié)構(gòu)較黑龍港地區(qū)復(fù)雜，并且冀中南山前平原夏玉米田的優(yōu)勢(shì)雜草在群落中的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度較低，各草種在該地區(qū)分布的均勻程度較高，與Si mpson指數(shù)的指示效果一致。

表2 不同地區(qū)雜草群落物種多樣性指數(shù)比較Table 2 Comparison of species diversity indices in different weed communities

2．4 雜草群落PCA結(jié)果

對(duì)冀中南山前平原的雜草群落進(jìn)行PCA（圖3a），第一主成分和第二主成分的方差百分比分別為20．8%和14．4%，累計(jì)方差百分比為35．3%。從結(jié)果可以看出，馬唐、狗尾草、牛筋草和反枝莧等相對(duì)優(yōu)勢(shì)度較高的草種在圖中分布比較分散，彼此的相關(guān)性較低，其他各草種在各個(gè)方向的分布也比較均勻，表明優(yōu)勢(shì)草種在群落中的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度較低，各草種在群落中的分布也比較均勻。相對(duì)優(yōu)勢(shì)度最大的三種雜草（馬唐、狗尾草和牛筋草）的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和為54．72%。

對(duì)黑龍港地區(qū)的雜草群落進(jìn)行PCA（圖3 b），第一主成分和第二主成分的方差百分比分別為38．2%和24．5%，累計(jì)方差百分比為62．7%。該地區(qū)雜草群落PCA排序圖中，各草種的分布主要集中在三個(gè)方向。第一個(gè)方向中相關(guān)度較高的雜草種類有馬唐、狗尾草、牛筋草、鐵莧菜、馬齒莧和藜，占該地區(qū)雜草相對(duì)優(yōu)勢(shì)度的78．95%，其中相對(duì)優(yōu)勢(shì)度最大的3種雜草（馬唐、狗尾草和牛筋草）的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和達(dá)64．82%，是冀中南山前平原這3種雜草相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和的1．18倍，優(yōu)勢(shì)雜草分布明顯集中。第二個(gè)方向中相關(guān)度較高的雜草有反枝莧、苘麻、虎尾草、刺兒菜、苦荬菜、藤長(zhǎng)苗、牽牛、酸模葉蓼等，該組雜草的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和為13．67%。第三個(gè)方向相關(guān)度較高的雜草有打碗花、萹蓄、醴腸和野高粱，該組雜草的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度之和為7．38%。

圖3 不同地區(qū)雜草群落PCA排序圖Fig．3 PCA or dination graph of weed community in different regions

3 結(jié)論與討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為半人工的生態(tài)系統(tǒng)，人類活動(dòng)對(duì)其具有深入、復(fù)雜的影響［17］。雜草種群的分布，是雜草對(duì)生態(tài)因子長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果［18］，而且雜草在土壤中積累了數(shù)量巨大的種子庫(kù)。因此，除非耕作方式、種植制度、化學(xué)除草等人類活動(dòng)或者其他生態(tài)因子發(fā)生明顯改變，農(nóng)田雜草群落才可能發(fā)生演替。黃頂菊是原產(chǎn)于南美洲的惡性雜草，2003年在河北省被發(fā)現(xiàn)［19］，具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)［20］，但在近年的雜草群落調(diào)查中并未發(fā)現(xiàn)黃頂菊侵入該地區(qū)的玉米田造成群落演替，說(shuō)明黃頂菊在與本地物種的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中處于劣勢(shì)［21］，以及本地物種具有維持群落相對(duì)穩(wěn)定性的作用。

由于生態(tài)環(huán)境比較接近，河北省夏玉米田的雜草群落中，不同地區(qū)間雜草群落的組成種類比較相似，相對(duì)優(yōu)勢(shì)度最大的3種雜草均為馬唐、狗尾草和牛筋草。但是不同草種在不同地區(qū)雜草群落中的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度差異較大，根據(jù)這種雜草群落結(jié)構(gòu)在數(shù)量上的不同，河北省夏玉米田的雜草群落可分為冀中南山前平原和黑龍港地區(qū)2種類型。河北省夏玉米田的優(yōu)勢(shì)雜草有馬唐、狗尾草、牛筋草、鐵莧菜、反枝莧和打碗花，與魏守輝等［9］的調(diào)查結(jié)果基本一致，其中馬唐和牛筋草的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度變化不大，說(shuō)明近年該地區(qū)夏玉米田雜草群落的種類組成比較穩(wěn)定，但是狗尾草、反枝莧和打碗花在群落中的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度上升明顯，鐵莧菜和馬齒莧則有所下降，說(shuō)明近年該地區(qū)的雜草群落在結(jié)構(gòu)上有一定改變。依據(jù)本次調(diào)查所得到的結(jié)果，可以針對(duì)不同地

區(qū)雜草群落的結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的雜草治理措施，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。

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