水稻秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對三葉鬼針草的控制效果*

李賽飛, 許秋園,2, 章家恩,2**, 葉延瓊,2

水稻秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對三葉鬼針草的控制效果*

李賽飛1, 許秋園1,2, 章家恩1,2**, 葉延瓊1,2

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 廣州 510642; 2. 廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點實驗室/廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室 廣州 510642)

入侵植物三葉鬼針草(L.)嚴(yán)重危害我國農(nóng)林畜牧業(yè)的生產(chǎn)。為探究生態(tài)高效控制三葉鬼針草的方法, 開展了水稻秸稈與塑料薄膜相結(jié)合覆蓋控制入侵雜草的研究。試驗在以三葉鬼針草和馬唐[(L.) Scop.]為主的自然雜草荒地進行, 設(shè)置不同稻稈覆蓋量(0 kg?m-2、1 kg?m-2、1.5 kg?m-2), 于冬季進行稻稈覆蓋, 春季在稻稈覆蓋的基礎(chǔ)上覆蓋薄膜。通過測定秸稈覆蓋中期(2月12日)和薄膜覆蓋中期(4月12日)的午間土壤溫度、土壤相對含水量和近地表空氣溫濕度等環(huán)境指標(biāo)和雜草生物量、種子萌發(fā)量、雜草群落結(jié)構(gòu)和土壤種子庫等群落指標(biāo), 探究該方法控制入侵雜草的效果和機制。結(jié)果表明: 冬季水稻秸稈覆蓋顯著降低了草地午間土壤溫度、近地表空氣溫度、三葉鬼針草生物量和種子萌發(fā)量、優(yōu)勢雜草蓋度和從屬種的種類和數(shù)量; 覆蓋1.5 kg?m-2稻稈的處理對各類指標(biāo)的影響程度均大于1 kg?m-2的處理。春季疊加薄膜覆蓋導(dǎo)致淺層土壤高溫干燥、近地表空氣高溫高濕; 疊加薄膜覆蓋處理使三葉鬼針草的土壤種子密度在0~5 cm的土層內(nèi)顯著低于未做覆蓋處理的對照, 降低了79.49%; 疊加薄膜覆蓋處理的入侵雜草全部死亡且無種子萌發(fā)。說明冬季采用水稻秸稈覆蓋, 春季再疊加覆蓋薄膜能有效防控三葉鬼針草的生長蔓延, 在薄膜覆蓋之前, 覆蓋1.5 kg?m-2稻稈的處理對三葉鬼針草的防控效果要好于1 kg·m-2的處理, 在薄膜覆蓋處理后, 兩個稻稈覆蓋量處理對三葉鬼針草的防控效果均達到100%。本研究結(jié)果可為不同季節(jié)采用不同的控制方法及其組合模式防控入侵雜草的擴散提供參考。

稻稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋; 入侵雜草防控; 三葉鬼針草; 土壤種子庫; 水稻秸稈利用

雜草是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中不容忽視的組分, 絕大部分雜草會降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì), 對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟造成較大損失[1]。與作物相比, 雜草抵抗脅迫的能力更強。以雜草對作物造成的平均減產(chǎn)量為8%來估算, 每年雜草使我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的直接損失高達900多億元[2], 其中外來植物的大量入侵給不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[3]。三葉鬼針草(L.)為外來入侵雜草, 原產(chǎn)于熱帶美洲, 其種子產(chǎn)量高, 且具有倒刺, 易于傳播, 生長和繁殖速度快、植株高大且化感能力強[4], 易對入侵地的生物多樣性造成嚴(yán)重?fù)p害[5]。三葉鬼針草廣泛分布于我國華中、華南、華東、西南等廣大地區(qū)[6], 是一種惡性雜草, 在入侵地可以迅速形成大片密集成叢的單優(yōu)群落。隨著氣候變暖的加重, 三葉鬼針草在我國的入侵范圍擴大、蔓延速度加快, 危害也越來越重[7]。廣東地處華南地區(qū), 年平均氣溫22.3 ℃, 年平均降雨量1 926.2 mm, 氣候條件十分適宜三葉鬼針草的生長, 在一些坡地和路邊等區(qū)域容易形成單優(yōu)群落, 導(dǎo)致一些原本有使用價值的農(nóng)田或地塊因難以清除三葉鬼針草而荒置, 造成土地資源的浪費[8]。

當(dāng)前, 雜草防治方法主要有物理防治、化學(xué)防治和生物防治3類。由于化學(xué)防治雜草具有成本低、效果顯著和易大面積操作等優(yōu)點, 施用化學(xué)除草劑目前仍占據(jù)主導(dǎo)地位[9], 但化學(xué)防治同時也帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境危害和農(nóng)產(chǎn)品安全問題[10-12], 因此, 一些高效的雜草生態(tài)防治措施日益受到關(guān)注。當(dāng)前對三葉鬼針草的防治也主要是使用化學(xué)除草劑。郭成林等[13]使用8種除草劑對三葉鬼針草的防除效果進行研究, 結(jié)果表明, 500 g?L?1的特丁噻草隆對三葉鬼針草的防除效果最佳; 鄧玲姣等[14]的研究結(jié)果表明, 防治路邊或高大喬木林里的三葉鬼針草, 使用百草枯100倍液噴施防治效果較好, 但由于百草枯易對人體和環(huán)境產(chǎn)生危害, 百草枯水劑現(xiàn)已被我國禁用。其次是采取生物防治三葉鬼針草的方法, 如: 使用南方菟絲子(R. Br.)對其寄生[15]、利用勝紅薊(L.)和紅花酢漿草(DC.)等植物水提液的化感作用抑制三葉鬼針草種子的萌發(fā)和幼苗的生長[16]，但此類防治方法的成本較高, 且效果不夠明顯。為了避開化學(xué)防治所產(chǎn)生的環(huán)境危害和生物防治的低效等缺點, 需要探索新的環(huán)境友好型防治方法。地面覆蓋是一種物理除草措施, 使用該技術(shù)可以避免化學(xué)除草劑對生態(tài)環(huán)境造成的危害。肖迪等[17]進行了可降解紙膜與常規(guī)化學(xué)除草方式的除草效果對比試驗, 結(jié)果表明紙膜在對雜草的株防效和鮮重(生物量)防效均高于化學(xué)除草劑。目前, 在田間進行地表覆蓋多是為了實現(xiàn)對土壤保溫保濕及除草的效果, 以提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量, 而以實現(xiàn)水土保持和控草目的的覆蓋措施大多見于果園林地。隨著除草覆蓋材料種類的不斷增多和覆蓋技術(shù)的不斷成熟, 覆蓋除草措施的使用日益廣泛。作物秸稈和塑料薄膜是最普遍的兩類覆蓋物。其中, 秸稈覆蓋的主要優(yōu)點是控草和增肥效果明顯, 在秸稈覆蓋前期, 通過秸稈對雜草的重力壓迫、遮光、調(diào)溫和阻隔種子進入土壤等物理因素抑制雜草生長, 在秸稈覆蓋后期, 秸稈在田間腐解時可向土壤持續(xù)釋放各種有機和無機營養(yǎng)物質(zhì), 為植物、土壤微生物和動物提供所需營養(yǎng)物質(zhì)[18-19], 改善土壤環(huán)境質(zhì)量、培肥地力[20-22]。薄膜覆蓋則具有高效的保水、增溫和除草的優(yōu)點[23], 其除草功能主要通過薄膜覆蓋后日間產(chǎn)生的增溫、遮光、隔絕空氣和壓迫等作用來實現(xiàn)。

目前, 對雜草的防控主要體現(xiàn)在對其種類和數(shù)量的減少方面, 但除了直接滅除正在生長的雜草外, 還需注重降低雜草的再生能力。殺滅雜草的地下根莖和種子可使防控效力更強、時效更久。土壤種子庫是指位于土壤表層和土壤中的全部有活力種子的總和[24-25], 是植物種群定居、生存、繁衍和擴散的基礎(chǔ)[26], 它影響著地上雜草的發(fā)生、消漲和演替。由于土壤種子庫在雜草繁衍中起到的重要作用[27], 因此調(diào)查土壤種子庫有利于預(yù)測防控措施的長期效應(yīng)。減少土壤種子庫中雜草種子的種類和數(shù)量能減弱雜草的再生能力, 增強雜草的防控效果[28]。

為減少化學(xué)除草劑的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品安全問題, 實現(xiàn)環(huán)境友好地高效控制華南地區(qū)大量入侵的三葉鬼針草, 本研究采用水稻秸稈和薄膜先后覆蓋的方法(連續(xù)疊加覆蓋技術(shù)), 探究這種覆蓋技術(shù)對入侵雜草的生態(tài)環(huán)境、雜草生物量、種子萌發(fā)量、雜草群落結(jié)構(gòu)和土壤種子庫等的綜合影響、防控效果和機制, 旨在為入侵雜草的防除提供理論參考以及新的思路和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗材料

本試驗選用自然風(fēng)干的晚季稻秸稈和黑色聚乙烯塑料薄膜作為覆蓋材料。其中, 水稻秸稈來自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地剛收割的晚季稻田, 秸稈長度為50~70 cm; 黑色聚乙烯塑料薄膜厚0.012 mm。

1.3 試驗設(shè)計

試驗使用水稻秸稈和黑色薄膜分別于冬季和春季對雜草樣地進行連續(xù)疊加覆蓋處理。冬季(1月12日–3月12日)進行水稻秸稈覆蓋, 設(shè)置0 kg?m-2(CK)、1 kg?m-2和1.5 kg?m-23個覆蓋水平, 每個覆蓋水平分為覆蓋前割草和不割草2種處理, 共6個處理, 每個處理4個重復(fù), 共24個樣方(3 m×3 m), 采用隨機區(qū)組排列; 春季(3月13日—5月12日)在覆蓋了水稻秸稈的樣方上(1 kg?m-2和1.5 kg?m-2)再疊加覆蓋黑色塑料薄膜, 以0 kg?m-2處理作為不蓋膜對照(CK)。

1.4 取樣及測定方法

1.4.1 近地表空氣溫濕度和土壤溫濕度的測定

分別在秸稈覆蓋中期(2月12日)和薄膜覆蓋中期(4月12日)于每個樣方內(nèi)采用五點取樣法, 在14:00–14:30土壤和空氣溫度達到日最大值時, 使用土壤水分速測儀(浙江托普儀器有限公司, TZS-3X)測定土壤(土深10 cm處)溫度、近地表(稻稈下和膜下)空氣溫濕度。同樣采用五點取樣法, 用土鉆采取0~10 cm土層的土壤, 帶回實驗室用烘箱烘至恒重(在105 ℃下烘24 h), 測定土壤相對含水量。

1.4.2 雜草生物量的取樣與測定

分別在3月12日和5月12日秸稈和薄膜覆蓋結(jié)束的當(dāng)天, 在試驗地的每一個樣方中隨機選取0.5 m×0.5 m的小樣方3個, 由于該雜草群落中三葉鬼針草占據(jù)所有雜草生物量的95%以上, 用總的生物量可直觀反映三葉鬼針草的量, 故將小樣方內(nèi)的所有植物全部取出帶回實驗室, 用緩慢流水沖洗干凈后用吸水紙擦干, 使用烘箱105 ℃殺青30 min, 然后80 ℃烘72 h至恒重, 稱取總干重, 并計算單位面積生物量。

1.4.3 種子萌發(fā)量的測定

五要努力讓學(xué)生成為班級管理的小主人。尊重學(xué)生意愿，講究民主方法，座位的編排要利于全班學(xué)習(xí)，體現(xiàn)平等與公平。比如可以讓學(xué)生共同制訂規(guī)則，促使學(xué)生當(dāng)班級管理的主人，實現(xiàn)學(xué)生的自主管理和自我教育。

為避免直接取樣對樣地造成的較大破壞, 本研究采用拍照計數(shù)的方法測定種子萌發(fā)量。在3月12日秸稈覆蓋結(jié)束當(dāng)天(種子大量萌發(fā)的時期), 以及5月12日薄膜覆蓋結(jié)束的當(dāng)天, 在試驗地的每一個樣方中按五點取樣法選取0.5 m×0.5 m的小樣方5個, 用高清攝像機拍下樣方照片, 將照片放大進行計數(shù), 計算單位面積萌發(fā)量。

1.4.4 物種群落特征調(diào)查

分別在秸稈覆蓋前(1月12日)、薄膜疊加覆蓋前(3月12日)和薄膜疊加覆蓋結(jié)束后(5月12日)調(diào)查每個樣方內(nèi)所有植物的物種、數(shù)量和蓋度。

1.4.5 種子庫取樣及測定

疊加薄膜覆蓋結(jié)束后(5月12日), 使用直徑5 cm的土鉆在每個樣方中隨機鉆取15次土壤, 將每次鉆取的土壤按0~2 cm和2~5 cm的土層分成兩組。將土壤風(fēng)干后過5 mm網(wǎng)篩, 除去大的砂礫和植物殘體。種子庫的測定采用室內(nèi)萌發(fā)法[29]。選擇長30 cm、寬15 cm、高10 cm的底部帶有排水孔的塑料盆進行萌發(fā)試驗, 塑料盆底部鋪有5 cm厚、經(jīng)過121 ℃高溫處理2 h的無菌、無活種子的沙土, 在沙土上均勻鋪設(shè)2 cm厚的待測土壤, 置于25 ℃的恒溫玻璃房內(nèi)培養(yǎng), 每天灑一次水保證土壤濕潤。每隔4 d對幼苗的種類和數(shù)量進行統(tǒng)計, 40 d后翻動土壤使下層的種子充分萌發(fā), 直到再無幼苗長出, 萌發(fā)試驗共進行60 d。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析, 處理間差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s新復(fù)極差法進行多重比較, 同時對是否進行割草處理的影響和土壤種子庫的變化進行獨立樣本檢驗, 顯著性水平設(shè)為0.05。所有圖表中的數(shù)據(jù)均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對近地表空氣溫濕度和土壤溫濕度的影響

試驗各時期土壤和空氣的溫濕度如圖1所示。結(jié)果顯示: 冬季進行水稻秸稈覆蓋能顯著降低午間土壤溫度和近地表空氣溫度(<0.05), 并增加土壤相對含水量和近地表空氣相對濕度。在秸稈覆蓋中期, 土壤溫度隨秸稈覆蓋量的增多而逐漸降低, 所有覆蓋秸稈處理比對照平均降低0.75 ℃, 降幅為4.23%; 土壤含水量隨秸稈覆蓋量的增多而逐漸增高, 所有覆蓋秸稈處理比對照平均增高3.67%, 增幅為16.60%; 近地表空氣溫濕度的變化規(guī)律與土壤溫濕度一致。覆蓋處理的近地表空氣溫度顯著低于對照, 降幅為4.63%; 空氣相對濕度隨秸稈覆蓋量的增多而逐漸增高, 增幅為14.14%。

圖1 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋下秸稈覆蓋量和割草對土壤溫度、相對含水量和近地表空氣溫濕度的影響

0、1和1.5分別表示秸稈覆蓋量為0 kg?m-2、1 kg?m-2和1.5 kg?m-2。割草在秸稈覆蓋前進行。不同小寫字母表示割草或不割草處理下不同秸稈覆蓋量間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示相同覆蓋時期、相同秸稈覆蓋量下割草與不割草處理間差異顯著(<0.05)。0, 1 and 1.5 respectively represent straw amount of 0 kg?m-2, 1 kg?m-2and 1.5 kg?m-2. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw amounts at<0.05 level under mowing or no mowing treatments; different capital letters indicate significant differences between mowing and no mowing treatments in the same mulching period and with the same straw amount at<0.05 level.

春季疊加薄膜覆蓋處理顯著提高了午間土壤溫度、近地表空氣溫度和近地表空氣相對濕度, 降低了土壤相對含水量(<0.05)。在疊加薄膜覆蓋中期, 蓋膜處理的午間土壤溫度顯著高于對照, 所有疊加覆蓋薄膜處理比對照平均增高6.43 ℃, 增幅達19.89%; 土壤相對含水量顯著低于對照, 所有覆蓋薄膜處理比對照平均降低2.63%, 降幅為8.85%。膜下空氣溫度變化規(guī)律與土壤溫度相同, 覆蓋處理的氣溫均高于對照; 但膜下空氣相對濕度顯著高于對照(<0.05), 增幅為33.77%。

2.2 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對三葉鬼針草生物量的影響

秸稈覆蓋結(jié)束后三葉鬼針草生物量的降低程度如圖2所示。無論秸稈覆蓋前是否進行割草, 隨著秸稈覆蓋量的增加, 三葉鬼針草生物量的降低程度均顯著增高。覆蓋1 kg?m–2秸稈, 雜草生物量比對照平均降低53.09 g?m–2, 降幅為21.38%; 覆蓋1.5 kg·m–2秸稈則比對照平均降低163.03 g?m–2, 降幅為65.09%。所有處理中, 三葉鬼針草生物量最低的是割草且覆蓋1.5 kg?m–2秸稈的處理, 為77.64 g?m–2, 比三葉鬼針草生物量最高的不割草并未覆蓋秸稈的處理降低72.19%。表明秸稈覆蓋對雜草的生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用。相同秸稈覆蓋量下割草處理的生物量均低于不割草處理。連續(xù)疊加薄膜覆蓋結(jié)束時膜下所有雜草全部枯萎死亡, 生物量為0。

2.3 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對種子萌發(fā)量的影響

秸稈覆蓋結(jié)束后雜草種子萌發(fā)量的降低程度如圖3所示。無論覆蓋秸稈前是否進行割草, 隨著秸稈覆蓋量的增加, 雜草種子萌發(fā)量均顯著降低(<0.05), 這與雜草生物量的變化趨勢一致。覆蓋1 kg·m–2秸稈處理下, 雜草種子萌發(fā)量比對照平均降低1 082.1?！–2, 降幅達45.89%; 而覆蓋1.5 kg·m–2秸稈處理比對照平均降低1 560.1?！–2, 降幅達66.16%。在所有處理中, 不割草但覆蓋1.5 kg·m–2秸稈的處理種子萌發(fā)量最低, 為378?！–2, 比最高的割草并未覆蓋秸稈的處理降低85.48%。與生物量變化趨勢相反的是, 相同秸稈覆蓋量下割草處理的種子萌發(fā)量均高于不割草處理。連續(xù)疊加薄膜覆蓋結(jié)束后膜下種子萌發(fā)量為0。

圖2 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋下秸稈覆蓋量和割草對覆蓋后雜草生物量的影響

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降低程度=(對照生物量-覆蓋結(jié)束時生物量)/對照生物量×100%。1和1.5分別表示秸稈覆蓋量為1 kg?m-2和1.5 kg?m-2; MF表示覆蓋黑色薄膜, 膜下秸稈量分別為1 kg?m-2和1.5 kg?m-2, 防控效果都是100%。割草在秸稈覆蓋前進行。不同小寫字母表示割草或不割草處理下不同覆蓋處理間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示相同秸稈覆蓋量下是否割草對指標(biāo)的影響顯著(<0.05)。Reduction degree=(control biomass-biomass at the end of mulching)/control biomass×100%. 1 and 1.5 respectively represent straw amounts of 1 kg?m-2and 1.5 kg?m-2. MF indicates plastic film overlaying on straws of 1 kg?m-2or 1.5 kg?m-2, and the control effect of both straw amounts was 100%. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw mulching amounts under mowing or no mowing treatments at<0.05 level. Different capital letters indicate significant differences between mowing and no mowing treatments with the same straw amount at<0.05 level.

2.4 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對雜草群落特征的影響

試驗期間, 樣地內(nèi)共有15種雜草出現(xiàn), 優(yōu)勢雜草有三葉鬼針草和馬唐, 從屬種有藿香薊(L.)、牛筋草[(L.) Gaertn.]、三裂葉薯(L.)、野甘草(L.)、地桃花(L.)、光莢含羞草(Benth.)、薇甘菊(Kunth.)、一點紅[(L.) DC.]、黃花稔(Burm. f.)、薯蕷(Turcz.)、柱花草(L.)、鴨乸草(L.)和闊葉豐花草(Aubl.)。表1為秸稈和薄膜疊加覆蓋結(jié)束后各項雜草指標(biāo)相比覆蓋前的降低程度。由表1可知, 除不割草處理的雜草種類數(shù)外, 其他指標(biāo)的降低程度均高于對照; 除馬唐蓋度外, 所有指標(biāo)的降低程度均表現(xiàn)為隨著覆蓋秸稈量的增大而增加。秸稈覆蓋后從屬種的種類和數(shù)量降低, 且降低幅度高于三葉鬼針草。連續(xù)疊加薄膜覆蓋結(jié)束后, 雜草全部死亡。

圖3 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋下秸稈覆蓋量和割草對覆蓋結(jié)束后雜草種子萌發(fā)量的影響

降低程度=(對照萌發(fā)量-覆蓋結(jié)束時萌發(fā)量)/對照萌發(fā)量×100%。1和1.5分別表示秸稈覆蓋量為1 kg·m-2和1.5 kg·m-2; MF表示覆蓋了黑色薄膜, 膜下秸稈量分別為1 kg·m-2和1.5 kg·m-2, 防控效果都是100%。割草在秸稈覆蓋前進行。不同小寫字母表示割草或不割草處理下不同覆蓋量間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示相同秸稈覆蓋量下是否割草對指標(biāo)影響顯著(<0.05)。Reduction degree=(control germination amount-germination amount at the end of mulching)/control germination amount×100%. 1 and 1.5 respectively represent straw amounts of 1 kg·m-2and 1.5 kg·m-2. MF indicates plastic film overlaying on straws of 1 kg?m-2or 1.5 kg?m-2, and the control effect of both straw amounts was 100%. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw mulching amounts under mowing or no mowing treatments at<0.05 level. Different capital letters indicate significant differences between mowing and no mowing treatments with the same straw amount at<0.05 level.

2.5 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對土壤種子庫的影響

在所有樣地內(nèi), 0~5 cm土壤層中共有10種雜草的種子, 其中種子數(shù)量占比較高的物種分別為霍香薊(23.56%)、三葉鬼針草(15.37%)、馬唐(14.53%)、青葙(L., 13.77%)和白花敗醬(Juss., 18.75%), 占種子數(shù)量總數(shù)的85.98%。由不同處理下不同土層的5種雜草的種子密度觀測分析結(jié)果(圖4)可知, 蓋膜處理后各土層5種雜草的種子密度均小于不蓋膜處理, 其中三葉鬼針草和馬唐的降低幅度最明顯, 降幅平均值分別為79.49%和50.35%。從2個土層來看, 蓋膜后優(yōu)勢種的種子在上層土壤的減少量顯著高于下層土壤(圖5), 說明在蓋膜過程中薄膜阻礙了外界種子進入土壤, 同時產(chǎn)生的高溫也對0~2 cm土層的種子起到了一定的殺傷和滅活作用。由于三葉鬼針草種子的體積大(長7~13 mm, 寬約1 mm), 同時具有倒刺毛, 因此有86.92%的三葉鬼針草種子位于0~2 cm的土層, 受薄膜高溫殺傷的效果更明顯。

3 討論

土壤和近地表空氣的溫濕度是覆蓋處理下草地受影響較大和較直接的一類指標(biāo), 這些指標(biāo)的改變會直接影響著雜草的生長和繁殖。本研究中, 冬季覆蓋水稻秸稈使土壤和近地表空氣溫度降低是由于秸稈阻礙了熱量從上層空氣向土壤的傳遞, 同時遮擋了陽光對土壤的照射, 使其對土壤的加熱效果降低[30]。秸稈覆蓋量越多, 冬季土壤的降溫幅度越大。Ram等[31]研究表明, 水稻秸稈覆蓋能降低小麥(L.)生育期最高溫度2.0~3.3 ℃; 謝成俊等[32]研究表明, 在馬鈴薯(L.)生育前期, 覆蓋玉米(L.)秸稈使田間土壤溫度較不覆蓋處理降低了1.94 ℃。而在春季疊加覆蓋黑色薄膜可以將照射在其上的陽光吸收并轉(zhuǎn)化成熱量, 而后將熱量傳遞到膜下的空氣和土壤中, 使膜下溫度快速升高。同時, 由于薄膜隔絕了雨露、降水等進入膜下土壤, 高溫又使土壤表層水分蒸發(fā), 結(jié)果使得膜下土壤含水率顯著低于對照。孫仕軍等[33]使用地膜覆蓋顯著提高了玉米生育前期5~25 cm層土壤溫度和0~40 cm層土壤含水率, 其中土壤溫度的變化規(guī)律與本研究一致, 但土壤含水率的變化規(guī)律與本研究不同, 造成這種差異的主要原因是其試驗所在地區(qū)的降雨量低于蒸發(fā)量所致。膜下空氣相對含水量的增高是由于不透氣的塑料薄膜將大量蒸發(fā)后離開土壤的水分保留在薄膜和土壤的空氣層中造成的。

表1 秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋下不同秸稈覆蓋量和割草處理的雜草指標(biāo)降低程度

降低程度=(覆蓋前指標(biāo)數(shù)值-覆蓋結(jié)束時指標(biāo)數(shù)值)/覆蓋前指標(biāo)數(shù)值×100%。0、1和1.5分別表示秸稈覆蓋量為0 kg·m-2、1 kg·m-2和1.5 kg·m-2。割草在秸稈覆蓋前進行。不同小寫字母表示割草或不割草處理下不同覆蓋量間差異顯著(<0.05)。Reduction degree=(value before mulching-value at the end of mulching)/value before mulching×100%. 0, 1 and 1.5 respectively represent straw amount of 0 kg·m-2, 1 kg·m-2and 1.5 kg·m-2. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw amounts under mowing or no mowing treatments at<0.05 level.

圖4 全程未做覆蓋(CK)和秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋(覆蓋)下幾種主要雜草種子在0~2 cm和2~5 cm兩個土層中的密度分布

BP: 三葉鬼針草; DS: 馬唐; AC: 藿香薊; CA: 青葙; PVJ: 白花敗醬。ns表示差異不顯著; *、**和***分別表示蓋膜和不蓋膜處理在<0.05、<0.01和<0.001水平差異顯著。BP:L.; DS:(L.) Scop.; AC:L.; CA:L.; PVJ:Juss. ns: non-significant difference; *, ** and *** represent significant differences between Mulching and CK at<0.05,<0.01 and<0.001 levels, respectively.

圖5 全程未做覆蓋和秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋下土壤種子庫在兩個土層中的總體密度分布

*和**分別表示覆蓋和CK處理在<0.05和<0.01水平差異顯著。* and ** represent significant differences between Mulching and CK at<0.05 and<0.01 levels, respectively.

雜草生物量的降低程度直接反映雜草防控效果的大小, 覆蓋水稻秸稈使雜草生物量降低的主要原因有: 1)覆蓋秸稈降低了土壤表層溫度和光照強度, 抑制了雜草光合作用的進行; 2)秸稈對雜草進行重力壓迫直接損傷雜草的莖葉, 使得雜草生長受到抑制; 3)秸稈腐解時產(chǎn)生的生化物質(zhì)可能會抑制(如化感作用等)雜草生長和種子萌發(fā)[34-35]。相同秸稈覆蓋量下割草處理的生物量均低于不割草處理, 其原因在于割草處理的生物量全部是在秸稈覆蓋期間生長出來的新生雜草。秸稈覆蓋在冬季有明顯的抑草作用, 但結(jié)合前人的研究成果可知: 在氣溫上升和降雨增加后, 秸稈腐解速度會進一步加快[36-37], 同時雜草生長能力變強, 可能導(dǎo)致秸稈覆蓋抑制雜草的持續(xù)性和穩(wěn)定性迅速降低。因此, 此時在秸稈覆蓋的基礎(chǔ)上再進行黑色薄膜的疊加覆蓋處理, 能進一步加強對雜草的防控力度、延長防控時間。黑色薄膜在春季抑制雜草生長的原因主要在于春季的光照強度和光照時長增加, 黑色薄膜覆蓋所造成的高溫、干燥和弱光照的惡劣環(huán)境使得雜草生長和種子的萌發(fā)受到嚴(yán)重抑制, 同時覆蓋薄膜阻礙了外界種子進入土壤。在薄膜覆蓋結(jié)束時膜下所有的雜草已經(jīng)全部枯萎死亡, 且種子萌發(fā)量為0。

種子萌發(fā)是幼苗形成的過程, 是植物群落延續(xù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與生物量的變化趨勢相反的是, 相同秸稈覆蓋量下割草處理的種子萌發(fā)量均高于不割草處理, 表明種子萌發(fā)不僅受秸稈覆蓋的抑制, 同時還受到成株雜草的抑制。和對雜草生物量的抑制原因相同, 種子的萌發(fā)也受到了秸稈覆蓋和薄膜覆蓋的抑制。在對原樣地不做除草處理下, 原有的成草會通過化感和資源競爭等作用抑制土壤種子的萌發(fā)。三葉鬼針草作為雙子葉植物, 其幼苗葉片展開后不利于突破地上覆蓋物的遮擋, 在覆蓋物產(chǎn)生的重力壓迫、遮光和遮雨等的負(fù)面作用下, 相比于單子葉植物的幼苗更容易受損并死亡。

土壤種子庫是幼苗再生的基礎(chǔ)。因此, 研究土壤種子庫特征可以揭示種群演替的機理和趨勢, 對植被的管理具有重要意義[38]。從土壤種子庫數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來看, 薄膜覆蓋阻礙了外界種子進入土壤, 同時對膜下相對脆弱的土壤種子具有殺傷和滅活作用, 對0~2 cm土層內(nèi)種子的殺傷和滅活效果高于2~5 cm的土層。嚴(yán)文斌等[39]研究表明在25~40 ℃下, 隨著溫度的升高, 三葉鬼針草種子萌發(fā)率明顯下降, 在無光照的情況下三葉鬼針草的種子萌發(fā)率下降至50%。在本研究中, 使用薄膜覆蓋不僅同時產(chǎn)生了高溫和低光照的不利環(huán)境, 同時薄膜隔絕了地上空氣, 使得膜下的氧氣含量在雜草、土壤動物和微生物的消耗下逐漸降低, 進一步抑制種子的萌發(fā)。較長時間的嚴(yán)苛環(huán)境可對土壤中的休眠種子直接起到殺傷和滅活效果, 使土壤種子庫的活性種子數(shù)量下降。周圍環(huán)境中三葉鬼針草和馬唐的種子由于薄膜阻礙無法進入土壤, 且兩種雜草在土壤中原有的種子主要分布于0~2 cm土層, 受到的殺傷和滅活效果更加明顯, 因此, 疊加薄膜覆蓋結(jié)束后對優(yōu)勢雜草的后期發(fā)生也有明顯的抑制作用。青葙和白花敗醬在地上沒有成草出現(xiàn), 可能是在三葉鬼針草侵入前原草地上有大量青葙和白花敗醬生長, 三葉鬼針草侵入后產(chǎn)生的強烈化感和資源競爭等作用抑制了青葙和白花敗醬種子的萌發(fā)。

水稻秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋的防控措施簡單易行, 一般在冬季農(nóng)閑時開始操作, 在時間上不易與其他農(nóng)事活動產(chǎn)生沖突。該措施適用于被三葉鬼針草等強入侵性雜草侵占的碎片狀土地, 一般分布在地邊、坡地和林地等不常進行精耕細(xì)作的地方, 土地分散、面積一般較小, 因此該措施實施時所需的工作量較少, 適宜人工操作。此時晚季稻剛剛收割, 稻稈產(chǎn)量大。將稻稈作為覆蓋物使用后減少了農(nóng)民將其直接焚燒和隨意丟棄堆積的可能性, 有利于保護環(huán)境。為了避免塑料薄膜引入后對田間耕作的不利影響, 應(yīng)根據(jù)實際操作情況選用環(huán)境友好型的薄膜或其等效替代物, 可降解或者易回收的薄膜是比較合適的選擇。

本試驗設(shè)計思路的重點在于探究利用華南地區(qū)不同季節(jié)的環(huán)境特點(冬季低溫和弱光照, 春季高溫和強光照)和農(nóng)作物情況(冬季晚季稻稈的利用)選用合適的控草措施, 及兩種措施相結(jié)合后的遞進和總體控制效果。通過對雜草生長環(huán)境和雜草直接生長指標(biāo)的影響程度來探究該措施防控雜草的效果和機理。本試驗的設(shè)計和研究指標(biāo)較為簡單、常規(guī), 對雜草防控的機理研究不夠深入, 今后需進一步加強控草措施對雜草主要生長物質(zhì)、土壤微生物和土壤理化性質(zhì)影響等方面的研究。

4 結(jié)論

冬季進行秸稈覆蓋降低了日間土壤溫度和近地表空氣溫度、雜草生物量、種子萌發(fā)量、優(yōu)勢雜草蓋度和從屬種的種類與數(shù)量, 增高了土壤相對含水量和近地表空氣相對濕度。春季進行薄膜連續(xù)疊加覆蓋降低了土壤相對含水量、土壤種子庫的密度, 增高了日間土壤溫度、近地表空氣溫度和相對濕度, 有效控制了地上雜草。綜合來看, 采用水稻秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋措施對三葉鬼針草的入侵和其他雜草的生長具有明顯的防控效果和后期的持續(xù)控制效應(yīng)。該措施適合在冬季農(nóng)閑時對三葉鬼針草進行防控, 操作實施簡便、材料易得, 在達到雜草防控效果的同時, 也起到了保護生態(tài)環(huán)境和培肥地力的作用。

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Effect of continuous overlay mulching of rice straw-plastic film on control of invasive plantL.*

LI Saifei1, XU Qiuyuan1,2, ZHANG Jia’en1,2**, YE Yanqiong1,2

(1. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco-Circular Agriculture / Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-Agriculture and Circular Agriculture / Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Guangzhou 510642, China)

The invasive plant,L., has extensively damaged the agricultural, forestry, and animal husbandry industries in China. Combining rice straw and plastic film mulching may be an ecological and efficient control method and was investigated in this study. Three straw mulching amounts (0 kg?m?2, 1 kg?m?2, and 1.5 kg?m?2) were used, which was performed during winter followed by overlaid film mulching in spring. The environmental indicators (i.e., soil temperature, soil relative water content, surface air temperature, and relative humidity) and community indicators (i.e., weed biomass, seed germination amount, weed community structure, and soil seed bank) were measured in the middle periods both of straw mulching and film mulching. The results showed that rice straw mulching in winter significantly reduced the midday soil temperature, surface air temperature,.L. biomass, seed germination amount, the dominant weed species coverage, and the number of subordinate weed species. The 1.5 kg?m?2treatment had the greatest effect. When film mulch was overlaid in spring, the temperatures of the shallow soil and surface air all increased, the humidity of shallow soil decreased, while the surface air humidity increased. The seed density of.L. in 0?5 cm soil layer mulched by film was significantly decreased by 79.49% compared to non-film mulched. Overlaid film mulching after rice straw mulching, all.L. died, and no seeds germinated. Rice straw mulching in winter followed by film mulching in spring can effectively prevent and control.L. growth. This study provides an alternative method to prevent and control the spread of invasive weed species in different seasons.

Rice straw-plastic film overlaid mulching; Invasive weed prevention;L.; Soil seed bank; Rice straw utilization

, E-mail: jeanzh@scau.edu.cn

Feb. 19, 2020;

Jun. 28, 2020

S451.1

10.13930/j.cnki.cjea.200101

李賽飛, 許秋園, 章家恩, 葉延瓊. 水稻秸稈-薄膜連續(xù)疊加覆蓋對三葉鬼針草的控制效果[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(11): 1682-1691

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* 廣東省科技計劃項目(2019B030301007)、教育部博士點基金項目(20124404110009)和廣東省高等學(xué)校高層次人才項目[粵財教(2013)246號]資助

章家恩, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)、土壤生態(tài)學(xué)和入侵生態(tài)學(xué)等研究。E-mail: jeanzh@scau.edu.cn

李賽飛, 研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)和入侵生態(tài)學(xué)。E-mail: 1534007374@qq.com

2020-02-19

2020-06-28

* This work was supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province of China (2019B030301007), the Doctoral Fund of Ministry of Education of China (20124404110009) and the High-level Talents Project of Guangdong Universities [YCJ (2013) No. 246].