土壤酸化對(duì)農(nóng)田雜草群落組成的影響

張 震，劉 靜，王力超，董召榮

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，合肥 230036)

土壤退化是在自然及人為影響下土壤質(zhì)量及其生產(chǎn)力持續(xù)下降甚至完全喪失的過程[1]。目前已經(jīng)成為嚴(yán)重的全球環(huán)境問題之一[2]，加劇人口、資源、環(huán)境之間的矛盾，影響著人類生存、繁衍。其中，土壤酸化是土壤退化的一種重要表現(xiàn)形式[3]。隨著土壤中的H+和Al3+數(shù)量增加，土壤鹽基飽和度下降會(huì)破壞土壤中原有酸堿平衡和緩沖能力，從而加劇土壤酸化[4]。土壤自然狀態(tài)下的酸化過程較為緩慢。但是隨著工業(yè)發(fā)展、人類活動(dòng)如化學(xué)肥料的不合理施用和大氣酸沉降等，加快了土壤酸化過程[5]。土壤酸化不僅嚴(yán)重限制了部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重威脅[6]。

土壤酸化問題在我國普遍存在，熱帶、亞熱帶地區(qū)等南方地區(qū)尤為突出，但是土壤酸化北移的趨勢(shì)也十分明顯[6-7]。近幾十年以來，華北潮土區(qū)和東北黑土區(qū)的土壤受酸沉降和過量施用氮肥的影響，土壤酸化程度也顯著加快[6]，華北潮土區(qū)土壤pH下降了0.9，東北黑土區(qū)pH 下降了0.33[7]，全國農(nóng)田土壤pH 平均下降了0.5[8]。強(qiáng)酸性土壤（pH＜5.5）的面積已由20 世紀(jì)80 年代的約1.69 億畝增加到21 世紀(jì)初的約2.26 億畝[9]。隨著未來農(nóng)田集約化發(fā)展和糧食需求進(jìn)一步增加，農(nóng)田土壤酸化還將持續(xù)加重[8]。

相關(guān)研究顯示，長期過量施用化學(xué)氮肥是我國農(nóng)田土壤酸化加速的主因[10]。土壤酸化會(huì)造成農(nóng)田土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力下降，使得植物生長發(fā)育受到嚴(yán)重制約，從而造成農(nóng)作物減產(chǎn)。田間雜草作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，其較高的植物多樣性是穩(wěn)定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[11]，對(duì)維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡具有重要意義[12]。研究表明土壤酸化會(huì)導(dǎo)致喜酸性雜草成為單一優(yōu)勢(shì)種群，從而加重農(nóng)田草害影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[13]，土壤酸化會(huì)通過降低生物多樣性、改變生物群落結(jié)構(gòu)[14]，影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，維持適當(dāng)數(shù)量和種類的雜草不僅有利于保持土壤水肥，還可以維持農(nóng)業(yè)景觀的生物多樣性和提高農(nóng)業(yè)利用效率[15-17]。陳欣等研究表明農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)雜草多樣性的保持，有利于保護(hù)天敵控制農(nóng)業(yè)害蟲[16]；Norris 等也發(fā)現(xiàn)雜草與節(jié)肢動(dòng)物之間的相互作用對(duì)害蟲綜合防治有一定的影響[17]。水田生態(tài)系統(tǒng)中，雜草具有消除和減輕污染作用，稻田中常見的浮萍對(duì)鎘離子有較強(qiáng)的富集作用，農(nóng)田灌溉溝渠保持一定的雜草如空心蓮子草和鴨舌草，有利于灌溉水的凈化[12]。同時(shí)雜草也具有保持土壤水肥的效應(yīng)，張磊等發(fā)現(xiàn)田間保留的雜草能夠提高表層土壤水分含量，雜草保留區(qū)中土壤速效養(yǎng)分（堿解氮、速效磷和速效鉀）儲(chǔ)量最高，表現(xiàn)出較高的土壤養(yǎng)分供給能力[18]。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同施肥方式和耕作方式導(dǎo)致土壤酸化的相關(guān)問題進(jìn)行大量研究，在土壤酸化機(jī)理研究方面取得顯著成果[4,19-21]。除自然原因和酸沉降外，汪吉東等[22]研究表明，不合理施用化肥導(dǎo)致的土壤酸化問題越來越突出。張逸飛等[23]發(fā)現(xiàn)，單一種植方式也會(huì)造成土壤酸化和土壤酸緩沖能力下降?，F(xiàn)階段研究大量集中于不同施肥方式和耕作方式對(duì)雜草群落的影響[11,22-23]，對(duì)土壤酸化條件下農(nóng)田雜草群落組成及其多樣性影響研究相對(duì)較少。本研究通過定位實(shí)驗(yàn)，探究土壤酸化下農(nóng)田雜草群落的物種組成狀況，分析不同酸化程度下農(nóng)田雜草群落的特征變化，闡釋酸化程度與農(nóng)田雜草群落多樣性之間的關(guān)系，以期為農(nóng)田雜草的防控與管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)大楊鎮(zhèn)高新技術(shù)農(nóng)業(yè)園（31°21'36″ N，116°27 '01″ E），屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，多年平均氣溫15.3 ℃、平均日照數(shù)2 100 h、平均無霜期227 d、平均降水量近1 000 mm，降水量主要集中在5—9月份。農(nóng)田種植以小麥-水稻輪作為主。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017 年11 月對(duì)預(yù)留田地（實(shí)驗(yàn)面積為120 m2）進(jìn)行土壤酸化處理[10,19]，通過添加不同濃度的鹽酸（HCl）處理，試劑濃度為 3 mol·(L·m2)-1、6 mol·(L·m2)-1、9 mol·(L·m2)-1、12 mol·(L·m2)-1，每30 d 施加一次，經(jīng)過180 d 的熟化處理，至土壤pH穩(wěn)定。共得到4 個(gè)水平的酸化處理（pH=4.6、5.3、5.6、6.8），原始耕地土壤作為對(duì)照組（pH=7.2），共計(jì)5 個(gè)處理，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。每個(gè)重復(fù)面積為2 m×2 m，為避免相互影響每個(gè)處理之間設(shè)置2 m隔離帶，且用1 m 高塑鋼板埋入地50 cm 進(jìn)行隔離。

1.3 調(diào)查方法

2018 年6 月上旬對(duì)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的各個(gè)酸化處理區(qū)進(jìn)行隨機(jī)取樣調(diào)查。每個(gè)處理隨機(jī)設(shè)置6 個(gè)0.5 m×0.5 m 的樣方。測(cè)定樣方內(nèi)雜草植物種類、高度、密度、頻度。按照雜草的形態(tài)進(jìn)行植物學(xué)鑒定分類，主要參考李揚(yáng)漢《中國雜草志》[24]。野外未能識(shí)別的雜草編號(hào)存樣，帶回實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)鑒別。

1.4 數(shù)據(jù)分析

某種雜草的重要值[25]IV=相對(duì)密度（RD）+相對(duì)蓋度（RC）+相對(duì)頻度（RF）

其中，相對(duì)密度（RD）為群落中某種植物的密度占群落總密度的的百分比，相對(duì)蓋度（RC）為群落中某種植物的分蓋度占群落內(nèi)總蓋度的百分比，相對(duì)頻度（RE）分別為群落內(nèi)某種植物出現(xiàn)的頻度占群落內(nèi)所有植物出現(xiàn)的總頻度的百分比。

用 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H′）、 Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）、Pielou 均勻度指數(shù)（E）和Margalef豐富度指數(shù)（D），作為表征不同酸化處理區(qū)農(nóng)田雜草群落多樣性基本特征。

各指數(shù)計(jì)算公式如下[25]。

式中：S表示樣方物種數(shù)；N表示所有物種總個(gè)體數(shù)；Pi表示第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)占所有物種個(gè)體總數(shù)的百分比（Pi=Ni/N），Ni表示第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)。

雜草群落相似度采用Jaccard 指數(shù)[26]進(jìn)行計(jì)算，表示不同酸化處理內(nèi)雜草群落間的物種相似，數(shù)字越大表明物種相似度越高。Jaccard 指數(shù)（C） ：

其中，j表示任意兩個(gè)處理中共有雜草物種數(shù)，a、b分別為兩個(gè)處理內(nèi)的雜草物種數(shù)。

利用Excel 2007 統(tǒng)計(jì)處理田間雜草的種類、密度和蓋度等相關(guān)數(shù)據(jù)，得到雜草多樣性評(píng)估指標(biāo)；采用IBM SPSS statistics 20 軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理分析，采用差異顯著性分析采用鄧肯多重比較法分析各酸化處理與雜草群落多樣性指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸化土壤程度下農(nóng)田的雜草組成

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)區(qū)雜草共11 科18 屬 19 種，1 435 株；其中，一年生雜草主要有菵草（Beckmannia syzigachne）、稗草（Echinochloa crusgalli）、婆婆納（Veronica didyma）等16 種，占物種種類的84.21%，其植株數(shù)量為所有物種株數(shù)的79.6%；多年生雜草有珍珠菜（Lysimachia clethroides）、白茅（Imperata cylindrica）2 種，占物種種類的10.53%，植株數(shù)量為所有物種株數(shù)的17.9%；一年生或兩年生雜草有一年蓬（Erigeron annuus），占物種種類的5.26%，植株數(shù)量為所有物種株數(shù)的0.82%。其中，酸化處理區(qū)內(nèi)的雜草共7 科10 種11 屬，1 190 株，占物種種類的 52.63%，植株數(shù)量為所有物種株數(shù)的82.93%，且多為一年生雜草。農(nóng)田雜草組成受土壤酸化影響，物種逐漸單一。但各處理區(qū)雜草數(shù)量變化較大，其中一年生的稗草、菵草在不同酸化處理區(qū)均有生長，占所有物種株數(shù)的80.2%，是不同酸化區(qū)的重要雜草（見表1）。

表1 不同酸化程度下農(nóng)田雜草物種組成與植株數(shù)量Table 1 Composition and the number of weed under different degrees of acidification

2.2 不同酸化處理下農(nóng)田中雜草重要值和優(yōu)勢(shì)種分析

在各個(gè)處理中，稗草和罔草均呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢(shì)度，牽?；?、細(xì)葉旱芹及一年蓬等雜草則受土壤酸化程度影響，重要值降低，在群落中的地位也逐漸下降。在pH=4.6、5.5 和6.3 農(nóng)田土壤酸化處理?xiàng)l件下稗草的重要值都在1.50 以上（表2），與其他植物在酸化處理?xiàng)l件下的重要值相比，呈現(xiàn)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；罔草次之，其他優(yōu)勢(shì)種受酸化影響數(shù)量變化明顯。pH=6.8 處理?xiàng)l件下，白茅取代稗草成為主要優(yōu)勢(shì)種，菵草的重要值雖有所下降，但仍占據(jù)第二地位成為亞優(yōu)勢(shì)種。各個(gè)處理內(nèi)雜草優(yōu)勢(shì)物種已經(jīng)出現(xiàn)較大差異，說明土壤酸化會(huì)改變?cè)腥郝潆s草分布格局，產(chǎn)生新的優(yōu)勢(shì)種。

表2 不同酸化農(nóng)田雜草的重要值Table 2 Important value analysis of weeds under different degrees of acidification

圖1 不同酸化處理下農(nóng)田雜草群落多樣性分析Figure 1 Weed community diversity index under different degrees of acidification

表3 不同酸化處理中農(nóng)田雜草物種相似性分析Table 3 Similarity analysis of weeds under different degrees of acidification in farmland

2.3 不同酸化土壤程度下群落雜草多樣性及其指數(shù)特征

受土壤酸化環(huán)境的影響，雜草的 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)隨著酸化程度加重均呈下降趨勢(shì)，見圖1。其中Shannon-Wiener 和Simpson 多樣性指數(shù)上，見圖1（a）和圖1（b），各處理間均存在顯著性差異（P＜0.01）；Margalef豐富度指數(shù)上，見圖1（c），僅酸化處理（pH=4.6、5.5）間差異不明顯；Pielou 均勻度指數(shù)，圖1（d），pH=6.3 與6.8 的處理區(qū)域內(nèi)雜草群落無顯著性差異；綜合來看，對(duì)照區(qū)農(nóng)田（pH=7.2）從生物多樣性的物種豐富度、均勻度指數(shù)來看，雜草群落結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，穩(wěn)定性強(qiáng)；土壤酸化程度加重，農(nóng)田雜草群落由原本群落種類豐富、分布均勻趨于單一分散，生物多樣性下降，群落雜草優(yōu)勢(shì)種更加突出。

2.4 不同酸化程度下農(nóng)田雜草物種組成相似性

分析不同酸化處理下的農(nóng)田雜草物種相似性（表3），結(jié)果表明：各處理間雜草群落的物種組成差異性較大。其中pH=5.5 處理和pH=6.3 處理?xiàng)l件中物種相似性最高，相似性指數(shù)達(dá)0.80；pH=6.3 處理區(qū)與對(duì)照區(qū)（pH=7.2）相似指數(shù)最低，為0.20；pH=4.6 處理和pH=5.5 處理區(qū)的相似性指數(shù)為0.60；pH≤6.3 的酸化處理?xiàng)l件下，農(nóng)田雜草群落間物種組成相似指數(shù)均大于0.50，其他處理間物種的相似性指數(shù)均小于0.4。表明土壤酸化對(duì)植物種類影響較大，改變了部分物種在群落中的優(yōu)勢(shì)度。

3 討論與結(jié)論

農(nóng)田雜草群落處在人工頻繁干擾的獨(dú)特生境之中，作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡中起著重要作用，其群落組成不僅受氣候條件、作物類型、耕作措施影響，還受到土壤類型等因素的作用[27]。當(dāng)其影響因素發(fā)生變化時(shí)，農(nóng)田雜草群落也發(fā)生變化，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)蘇州地區(qū)機(jī)插水稻田比常規(guī)水育移栽稻田和直播稻田更利于闊葉類雜草的發(fā)生[28]，李淑順等[29]研究發(fā)現(xiàn)不同栽培模式6種稻作模式中麥套稻的雜草危害程度最高，莊家文等[30]發(fā)現(xiàn)單一栽培模式下，生活史和作物生產(chǎn)相適應(yīng)的一年生雜草大量暴發(fā)。本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田酸化后雜草種類明顯減少，群落中以一年生禾本科雜草為主，且雜草的植株數(shù)量呈先上升后下降趨勢(shì)（特別是禾本科類雜草），且在酸化程度較重（pH≤6.3）的處理間，雜草物種相似性較高，禾本類雜草成為群落優(yōu)勢(shì)種。該結(jié)果與彭清青等[31]研究結(jié)果相一致，即酸脅迫有利于提高禾草類種子的萌發(fā)率，同時(shí)有研究表明禾本科類雜草具有生態(tài)適應(yīng)性、抗逆性和對(duì)酸性條件耐受力強(qiáng)等特點(diǎn)[32]，適當(dāng)酸處理會(huì)促進(jìn)種子萌發(fā)，改變?nèi)郝涞碾s草群落組成[33]。

謝一鳴等[34]研究指出生境的綜合特征與群落物種組成特征間具有顯著關(guān)聯(lián)，物種多樣性則從不同角度衡量物種群落穩(wěn)定性，當(dāng)群落多樣性、物種豐富度和均勻度指數(shù)越大，物種的優(yōu)勢(shì)度越小，則群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其反饋系統(tǒng)也越強(qiáng)大，對(duì)于環(huán)境的變化或來自物種群落內(nèi)部種群波動(dòng)的緩沖作用越強(qiáng)，物種群落也越穩(wěn)定，這樣的雜草群落中優(yōu)勢(shì)種不太突出[35-36]。本研究也證實(shí)這一觀點(diǎn)，農(nóng)田雜草雜草群落的α 多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)隨酸化加重而降低，群落穩(wěn)定性下降，群落中優(yōu)勢(shì)種更突出。在酸化農(nóng)田中一年生禾本科雜草植株在群落中占比達(dá)80.2%，稗草、罔草等雜草成為田間主要優(yōu)勢(shì)種，加劇了農(nóng)田草害爆發(fā)，農(nóng)田草害的爆發(fā)不僅是生態(tài)失衡的表現(xiàn)更是嚴(yán)重制約農(nóng)作物生長的表現(xiàn)。這可能與土壤H+濃度過高時(shí)導(dǎo)致其根系生長受阻，破壞成長機(jī)制[37]，種間作用使某些競(jìng)爭(zhēng)能力弱的物種（旋花科、大戟科等）在環(huán)境中被優(yōu)勢(shì)種剔除，增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)物種聚集格局[38]，物種間表現(xiàn)出更高的相似性。

農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，化學(xué)肥料的大量實(shí)施，導(dǎo)致農(nóng)田酸化嚴(yán)重，成為南北方農(nóng)業(yè)種植一大問題。如何有效提高氮肥利用率，改良酸化農(nóng)田土壤，保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定成為一大難題。研究表明農(nóng)田雜草群落多樣性主要與耕作施肥及栽培方式的變化、單一除草劑的長期使用、農(nóng)田氣候的穩(wěn)定性等有關(guān)[39]。李昌新等[40]提出秸稈還田和有機(jī)肥施用對(duì)冬閑田冬春季雜草群落的調(diào)控效應(yīng)顯著，并指出平衡施用 N、P、K 肥, 并配合施用有機(jī)肥（豬糞和秸稈），不僅有利于促進(jìn)作物的生長，保持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中一定水平的雜草生物多樣性，也有利于降低某些優(yōu)勢(shì)雜草在群落中的優(yōu)勢(shì)地位。陳森等[41]認(rèn)為茶園覆蓋與間作不僅在一定程度上能夠降低土壤的pH、有效防控茶園雜草，還有利于培肥土壤。周海燕等[42]研究也表明使用石灰氮，有助于緩解土壤酸化程度，雜草防治效果也隨著上升。

因此，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，采用各種積極有效措施維持土壤適宜pH 值，能夠有效控制農(nóng)田中雜草的發(fā)生，促進(jìn)雜草和農(nóng)作物之間形成一定平衡關(guān)系[43]，降低農(nóng)田草害的暴發(fā)，同時(shí)，在農(nóng)業(yè)管理中要密切關(guān)注常見雜草和一般性雜草，重視田間與優(yōu)勢(shì)雜草的生態(tài)學(xué)特性相似程度較高的雜草，降低其轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)雜草的可能性[44]，從而使使雜草危害降低。

本研究通過定位實(shí)驗(yàn)，分析了不同酸化程度下農(nóng)田雜草群落組成和雜草群落多樣性的變化，闡明了土壤酸化降低了雜草群落的多樣性、改變了農(nóng)田雜草群落結(jié)構(gòu)，提高了耕地草害的發(fā)生機(jī)率，影響了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能正常發(fā)揮。在農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中分析土壤酸度與農(nóng)田雜草群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系，能夠有效降低草害，做到科學(xué)治草。