長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)黃壤性水稻田雜草生物多樣性的影響

冉海燕,黃興成,蘭獻(xiàn)敏,何秀龍,陳仕紅,葉照春

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,貴州貴陽 550006; 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,貴州貴陽 550006;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,貴州貴陽 550006)

雜草是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,耕作方法、種植模式、管理措施均會(huì)影響雜草群落多樣性及穩(wěn)定性。在農(nóng)田耕作管理中,施肥影響土壤屬性狀況,進(jìn)而改變作物與雜草間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。研究施肥對(duì)農(nóng)田雜草生物多樣性的影響,揭示農(nóng)田雜草生物多樣性對(duì)長(zhǎng)期施肥的響應(yīng)機(jī)制,對(duì)黃壤區(qū)農(nóng)田雜草生物多樣性保護(hù)和生態(tài)控制具有重要意義。尹力初等在不同施肥處理對(duì)玉米田雜草的影響研究中,通過主成分分析指出,土壤速效磷、速效氮含量是影響田間雜草群落的主要因子[1];蔣敏等就長(zhǎng)期不同施肥方式對(duì)太湖地區(qū)稻麥兩熟制條件下雜草群落的影響研究,明確指出土壤氮、磷、有機(jī)質(zhì)含量是影響田面雜草密度和優(yōu)勢(shì)種群分布的主要土壤養(yǎng)分因子[2];黃興成等研究了黃壤性稻田稗草發(fā)生特征對(duì)長(zhǎng)期不同施肥的響應(yīng),結(jié)果表明有機(jī)肥提高了稗草的發(fā)生密度、單株穗數(shù)和總穗數(shù),土壤磷含量是影響稗草密度和總穗數(shù)的直接因素[3];張志銘等在小麥—玉米和小麥—大豆輪作方式下,研究長(zhǎng)期不同施肥方式對(duì)麥田雜草群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響,不同施肥處理雜草群落存在顯著差異,且某些雜草對(duì)土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出一定的依賴性[4];施林林等研究了不同施肥處理對(duì)稻麥輪作田雜草群落多樣性的影響,明確指出土壤養(yǎng)分盈虧決定了田面雜草密度和優(yōu)勢(shì)種群,其中土壤氮含量對(duì)雜草群落的影響最顯著[5]。唐靜等從施肥模式對(duì)油菜、雜草、土壤養(yǎng)分及油菜-雜草空間分布影響開展研究,得出長(zhǎng)期土壤養(yǎng)分虧缺會(huì)顯著影響作物-雜草生長(zhǎng)與空間分布,雜草優(yōu)勢(shì)群落存在顯著差異,平衡施肥有助于形成作物雜草良性競(jìng)爭(zhēng)[6]。張鈺薇等在不同施肥管理對(duì)多花黑麥草—水稻輪作系統(tǒng)雜草防控效應(yīng)的影響研究中發(fā)現(xiàn),施肥措施引起土壤鉀(K)含量的差異是影響冬季雜草群落的主要因素,土壤氮(N)、磷(P)含量的差異是影響土壤種子庫的主要因素[7]。前人的研究多集中在輪作對(duì)雜草群落的影響,但對(duì)冬季休耕、單一種植模式田間雜草群落特征變化的研究報(bào)道鮮見。本研究擬采用群落生態(tài)學(xué)方法,以期明確單一種植模式下,長(zhǎng)期不同定位施肥處理對(duì)黃壤性稻田季雜草群落特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究依托于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站的一項(xiàng)連續(xù)25年(1995—2020年)長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)。試驗(yàn)地位于貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)(106°39′52″ E,26°29′49″ N),地處黔中丘陵區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,平均海拔1 071 m,年均氣溫15.3 ℃,年均日照時(shí)數(shù)1 354 h左右,相對(duì)濕度75.5%,全年無霜期270 d左右,年降水量1 100～1 200 mm。試驗(yàn)地土壤為黃壤性水稻土黃泥田土種,1994 年采集基礎(chǔ)土樣,其耕層(0～20 cm)土壤基本性質(zhì)如下:有機(jī)質(zhì)含量44.9 g/kg,全氮含量 1.96 g/kg,全磷含量0.95 g/kg,全鉀含量16.4 g/kg,堿解氮含量159 mg/kg,有效磷含量13.4 mg/kg,速效鉀含量294 mg/kg,pH值為6.75,成土母質(zhì)為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風(fēng)化物。試驗(yàn)田水稻種植品種為茂優(yōu)601,2020年5月26日施基肥并移栽,此時(shí)田間雜草未萌發(fā);2020年6月1日施返青肥,田間雜草偶見萌發(fā);2020年6月28日施分蘗肥,田間雜草2～4葉期。

1.2 試驗(yàn)處理

2020年初分別采集并測(cè)定不同施肥處理0～20 cm土層土壤,試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理,NP(氮磷肥)、PK(磷鉀肥)、NK(氮鉀肥)、NPK(常量化肥)、M(單施有機(jī)肥)、1/2MNP(1/2有機(jī)肥替代化肥)、CK(不施肥)處理(表1)。

表1 試驗(yàn)處理及不同施肥處理土壤基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of different treatments

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃壤稻田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì),小區(qū)面積200.99 m2(35.70 m×5.63 m),小區(qū)間用水泥田埂間隔,避免各小區(qū)間竄灌、竄排。供試化肥為尿素[含氮(N)46.0%]、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和氯化鉀(含K2O 60%);有機(jī)肥為牛廄肥,鮮基養(yǎng)分多年測(cè)試平均N含量為 2.7 g/kg、P2O5含量為1.3 g/kg、K2O含量為 6.0 g/kg。不同處理施肥量如表2所示,自1995年試驗(yàn)開始,各處理施肥量保持一致。

表2 不同施肥處理施肥量Table 2 Nutrient application rates of different treatments

1.4 調(diào)查方法

雜草種類調(diào)查:分別于2020年7月3日(水稻分蘗期)、8月3日(水稻抽穗期)、9月24日(水稻收獲期)對(duì)試驗(yàn)處理農(nóng)田雜草物種進(jìn)行調(diào)查;將試驗(yàn)地延長(zhǎng)邊三等分,設(shè)置3個(gè)調(diào)查取樣重復(fù)小區(qū),每個(gè)小區(qū)采用3點(diǎn)取樣調(diào)查法,樣方面積0.25 m2(0.5 m×0.5 m),調(diào)查田間雜草種類(即物種豐富度)、株數(shù)、蓋度、高度,水稻收獲期調(diào)查時(shí)將樣方內(nèi)所有雜草帶回實(shí)驗(yàn)室分類并稱其生物量。

雜草優(yōu)勢(shì)種確定:為消除各種雜草不均衡分布的影響,采用包含雜草密度和頻度的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(RA)作為衡量某種雜草重要程度的指標(biāo)。其計(jì)算公式為:RA=(相對(duì)密度+相對(duì)頻度)/2,相對(duì)密度為小區(qū)中某種雜草的密度除以小區(qū)中所有雜草的密度之和,相對(duì)頻度為小區(qū)中某種雜草的頻度除以小區(qū)中所有雜草的頻度之和。

雜草群落的物種多樣性采用Shannon-Winener指數(shù)(H′)測(cè)度,群落均勻度采用Pielou指數(shù)(J)測(cè)度,群落優(yōu)勢(shì)度采用Simpson指數(shù)(D)測(cè)度。測(cè)算公式如下:

H′=-∑Pi×lnPi;

(1)

J=H′/lnS;

(2)

(3)

式中:S為樣方內(nèi)雜草種類數(shù)量;Pi為樣方中第i物種相對(duì)多度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007、DPS 17.10軟件統(tǒng)計(jì)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)雜草群落組成及發(fā)生特征的影響

如表3、表4、表5所示,該試驗(yàn)雜草種類主要有稗[Echinochloacrusgalli(L.) P.Beauv.]、野荸薺[HeleocharisplantagineiformisTang et Wang]、野慈姑(SagittariatrifoliaL.)、節(jié)節(jié)菜[Rotalaindica(Willd.) Koehne]、陌上菜[Linderniaprocumbens(Krock.) Borbas]、異型莎草(CyperusdifformisL.)、鴨舌草[Monochoriavaginalis(Burm. F.) Presl ex Kunth]。水稻不同生育期雜草發(fā)生種類存在一定的差異,水稻分蘗期稻田雜草發(fā)生種類較少,僅稗草、野慈姑、野荸薺3種。隨著水稻的生長(zhǎng),節(jié)節(jié)菜、鴨舌草、異型莎草和陌上菜偶有發(fā)生,但發(fā)生不均勻;水稻收獲期1/2MNP、M、CK、NPK、NP、NK、PK處理區(qū)雜草發(fā)生豐富度分別為4、5、3、3、6、3、4,以NP處理最高,CK、NK、NPK處理最低。同一施肥處理對(duì)水稻不同生育期田間雜草發(fā)生種類無明顯影響。水稻不同生育期野荸薺發(fā)生密度均高于其他雜草且發(fā)生均勻,為田間主要優(yōu)勢(shì)種雜草。

表3 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)水稻分蘗期雜草群落特征的影響Table 3 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the tillering stage of rice

表4 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)水稻孕穗期雜草群落特征的影響Table 4 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the booting stage of rice

表5 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)水稻收獲期雜草群落特征的影響Table 5 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the harvest stage of rice

2.2 不同施肥處理對(duì)水稻不同生育期田間雜草多樣性的影響

如表6所示,水稻不同生育期雜草群落多樣性指數(shù)存在差異。水稻分蘗期CK處理Shannon、Pielou指數(shù)最高。水稻孕穗期、收獲期PK處理Shannon、Pielou指數(shù)最高。水稻分蘗期、孕穗期、收獲期Simpson指數(shù)最高的分別是NP、M、CK處理。方差分析結(jié)果表明,水稻分蘗期、孕穗期不同施肥處理間雜草Shannon、Pielou、Simpson指數(shù)差異不顯著;水稻收獲期PK處理雜草Shannon、Pielou指數(shù)與其他各處理間差異顯著,Simpson指數(shù)與其他各處理(除NK處理外)間差異顯著。

表6 不同施肥處理對(duì)水稻不同生育期田間雜草多樣性影響Table 6 Effects of different fertilization treatments on weed diversity in rice fields at different growth stages

2.3 不同施肥處理對(duì)水稻收獲期雜草生物量的影響

1/2MNP、M、CK、NPK、NP、NK、PK處理雜草總草生物量分別為578.53、573.63、481.28、528.48、413.95、294.17、232.64 g;其中,1/2MNP處理區(qū)雜草總生物量最高,PK處理雜草總生物量最低。由圖1可知,不均衡施肥處理(NP、NK、PK)的雜草總生物量低于有機(jī)肥處理(1/2MNP、M)和均衡施肥(NPK)處理;1/2MNP、M處理區(qū)雜草總生物量與CK、NPK、NP處理區(qū)雜草總生物量差異不顯著,與NK、PK處理區(qū)差異顯著。

3 討論與結(jié)論

耕作模式、土壤肥力、種植制度等是影響作物生長(zhǎng)和田間雜草種群演替的重要因素[8-11],其中施肥是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的一種重要的農(nóng)作管理措施,長(zhǎng)期施肥處理影響了土壤養(yǎng)分空間差異,進(jìn)而改變了雜草種群結(jié)構(gòu)[12-13]。雜草的發(fā)生和危害程度與土壤肥力存在一定的關(guān)聯(lián)作用[14],在本試驗(yàn)中,NP處理田間雜草豐富度最高,其次為M處理,CK、NPK、NK處理區(qū)雜草豐富度與其他處理相比較低。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,田間雜草種群隨著農(nóng)作物生育期的變化存在季相變化的特點(diǎn)[15-16], 董春華等在雙季稻紅壤稻田長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)紅壤早稻田間雜草與施肥模式和水稻生育期存在緊密的關(guān)系[17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,水稻不同生育期,田間雜草發(fā)生種類存在差異,隨著水稻的生長(zhǎng),雜草發(fā)生種類增多,雜草發(fā)生密度增加。水稻分蘗期稻田雜草主要為野荸薺和野慈姑,水稻孕穗期后稗草、節(jié)節(jié)菜、異型莎草等雜草偶有發(fā)生,但不同施肥處理間雜草發(fā)生種類仍存在較大的差異性。

不同養(yǎng)分元素對(duì)雜草群落的調(diào)節(jié)能力存在差異。本試驗(yàn)中,土壤養(yǎng)分元素對(duì)雜草生物量的積累表現(xiàn)出顯著的差異,長(zhǎng)期不均衡施肥處理(NP、NK、PK)的雜草生物量均低于均衡施肥處理(NPK),這與萬開元等在長(zhǎng)期施肥對(duì)砂姜黑土田冬小麥雜草群落的影響研究結(jié)果[12]一致。眾多研究結(jié)果表明,土壤種子庫是雜草危害的潛在力量,長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤雜草種子庫具有顯著的影響,進(jìn)而影響地上部分雜草群落組成[18-19],降低土壤雜草種子庫是減少雜草對(duì)作物危害的有效手段。耕作措施、水肥管理、作物特性均會(huì)影響作物田間雜草種群變化,根據(jù)作物和雜草的生長(zhǎng)特性和肥力需求,合理布局可有效降低雜草對(duì)作物造成的危害。

長(zhǎng)期定位不同施肥處理顯著加快土壤肥力的演變,雜草種群組成及發(fā)生量存在差異。本試驗(yàn)中,磷肥主要影響雜草發(fā)生種類,氮肥對(duì)雜草多樣性及生物量的影響較顯著。農(nóng)田雜草發(fā)生具有顯著的季相變化,隨著水稻不斷生長(zhǎng)發(fā)育,雜草種群組成及發(fā)生特征發(fā)生明顯改變;同一施肥處理下,雜草種群與水稻生育期無明顯相關(guān)性。