河北省夏玉米田杂草群落数量分析

李秉华， 张宏军， 段美生， 刘小民， 王贵启

（1．河北省农林科学院粮油作物研究所，石家庄 050035；2．农业部农药检定所，北京 100125；3．河北省邯郸市农业局，邯郸 056001）

玉米是世界重要的粮食作物，我国玉米近年播种面积逐步增加，2009年玉米播种面积超过水稻成为我国播种面积最大的作物，2011年玉米播种面积达3 354万h m2，占农作物总播种面积的20．67%［1］。杂草群落是农田生态系统中重要的组成部分，一方面具有保持水土、改善土壤结构［2］和富集土壤重金属元素［3－4］等有益的生态作用，另一方面杂草又与作物竞争水、肥、光等生态资源［5］，显著影响农业生产［6－7］，杂草可造成夏玉米50%左右的产量损失［8］，因此草害是影响玉米生产的主要因素之一。通过杂草群落的调查和分析，可以明确杂草群落演替规律、生态环境变化和生物多样性资源，以便创造可持续的农田生态环境。2004－2005年魏守辉等［9］对河北省的玉米田进行了杂草群落调查，其中河北省中部和南部地区夏玉米田的主要杂草为马唐、牛筋草、铁苋菜和马齿苋。近年河北省夏玉米免耕播种面积不断扩大、除草剂应用面积和强度增加、外来恶性杂草入侵等，是否造成该地区农田杂草群落的组成和结构等群落特征的改变则缺乏相关研究。

为了更详细地掌握河北省夏玉米田杂草危害现状和群落结构，2012年笔者针对河北省夏玉米田的杂草群落进行了调查，对杂草群落结构进行数量分析，以期为该地区农田杂草综合治理提供理论依据。

1 材料和方法

1．1 研究地区概况和样点分布

杂草群落的调查范围为东经114°38′～117°8′，北纬36°20′～39°28′，海拔7～58 m，属温带半湿润半干旱大陆性季风气候，四季分明，年降水量500 mm左右，夏季高温多雨，降水量占全年总降水量的71%，7月平均气温26℃左右［10］，适于玉米等秋粮作物生长。调查地点为石家庄、保定、廊坊、邢台、邯郸、衡水和沧州的27个县市有代表性的夏玉米田，均为一年两熟制的耕作制度，是河北省夏玉米的主产区。

1．2 调查方法和数据分析

田间调查于2012年7月下旬进行，采用改良的倒“W”9点取样法［11］调查样点内各杂草种的株数、株高、盖度和鲜重，调查了27个地块（图2）共243个样点，每个地块面积不低于1 hm2，每个样点面积为1 m2。

杂草的相对优势度（RA，relative abundant）的计算公式为：

RA ＝ （RW ＋RH ＋RD＋RF）×100／4，

式中：RW、RH、RD和RF分别为相对重量、相对高度、相对密度和相对频率［12］。

物种丰富度采用Gleason指数（dGL），计算公式为：

式中：d是物种数目随样方增大而增加的速率，S为物种的数目，A为所调查的面积［13］。

Shannon－Wiener多样性指数（H′）计算公式为：

式中：Pi是第i物种被第1次抽到的概率，Pi＝Ni／N，Ni为样方中第i种杂草的密度，N 为该样方中所有杂草密度的和。Si mpson优势度指数（D）计算公式为：

Pielou均匀度指数（J）计算公式为：

J ＝ H′／l n S［14］，S是调查区域内的物种数目。

采用系统聚类的方法对杂草群落相似性进行分析，使用SPSS 12．0处理数据，聚类方法为组间均连法，测度使用Euclidean平方距离。主成分分析（principal components analysis，PCA）使用CANOCO 4．5，CANOCO是生态学中用于约束与非约束排序的常用工具。使用CANOCO对数据进行中心化处理后再进行PCA，结果中的箭头射线代表物种，空心圆点代表调查地块。物种的箭头长度表示的是在排序空间内物种相对多度变化量的比例，沿着箭头的方向为增大，反之为减小；物种射线间的夹角代表其相关性，夹角越小，物种间的相关性就越高，反之则相关性越低。

2 结果与分析

2．1 夏玉米耕作、种植情况和田间杂草种类

调查区域内以冬小麦和夏玉米一年两熟的种植制度为主，夏玉米的主要耕作方式为带茬免耕播种，占所调查地块总数的92．6%。玉米均为等行距种植，株距为27～33 c m，行距为50～55 c m。该地区夏玉米田杂草共有48种，其中田间合计频率≥5%的杂草有23种（表1），隶属于12科22属，包含杂草种类最多的科是禾本科，包含6种杂草，相对优势度之和为63．10%；其次是旋花科，包含4种杂草，相对优势度之和为6．16%。

2．2 杂草群落的相似性测定

以不同地块和各杂草种的相对优势度构成矩阵进行系统聚类分析，结果表明：根据杂草群落的结构，所调查的27个地块可分为2个聚类群，第Ⅰ聚类群中的成员由编号1～8和15～27的地块组成，占调查地块总数的77．78%；第Ⅱ聚类群中的成员由编号9～14的地块组成，占调查地块总数的22．22%（图1）。从行政区划可以看出，第Ⅰ聚类群中的聚类成员主要分布于廊坊、保定、石家庄、邢台和邯郸，地理位置上属于冀中南山前平原［15］，第Ⅱ聚类群中的聚类成员主要分布于衡水和沧州，地理位置上属于黑龙港地区［16］（图2）。第Ⅰ聚类群中相对优势度较大的杂草有马唐、狗尾草、牛筋草、反枝苋、铁苋菜和打碗花，第Ⅱ聚类群中相对优势度较大的杂草有马唐、狗尾草、牛筋草、铁苋菜和马齿苋（表1）。

表1 河北省夏玉米田的主要杂草1）Table 1 Weed speciesinfestedinsummermaizeinHebeiProvince

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

图2 夏玉米田杂草群落调查地块的地理分布与群落相似性示意图Fig．2 Distribution of the plots and si milarity of weed community

2．3 杂草群落物种多样性测度

根据系统聚类分组的结果，分别对冀中南山前平原（第Ⅰ聚类群）和黑龙港地区（第Ⅱ聚类群）杂草群落的物种多样性进行测度（表2）。黑龙港地区田间频率≥5%的杂草种类比冀中南山前平原少4种，这两个地区的Gleason指数比较相近，说明随着取样面积的增加物种的数目略增加，物种数目在这两个地区单位面积上的分布基本一致。黑龙港地区的Si mpson指数是冀中南山前平原的2．92倍，说明黑龙港地区的优势草种在杂草群落中有较高的相对优势度，群落结构比较简单。冀中南山前平原杂草群落的Shannon－Wiener指数和Pielou指数分别是黑龙港地区的1．45倍和1．36倍，说明冀中南山前平原杂草群落中各草种间联系紧密，群落结构较黑龙港地区复杂，并且冀中南山前平原夏玉米田的优势杂草在群落中的相对优势度较低，各草种在该地区分布的均匀程度较高，与Si mpson指数的指示效果一致。

表2 不同地区杂草群落物种多样性指数比较Table 2 Comparison of species diversity indices in different weed communities

2．4 杂草群落PCA结果

对冀中南山前平原的杂草群落进行PCA（图3a），第一主成分和第二主成分的方差百分比分别为20．8%和14．4%，累计方差百分比为35．3%。从结果可以看出，马唐、狗尾草、牛筋草和反枝苋等相对优势度较高的草种在图中分布比较分散，彼此的相关性较低，其他各草种在各个方向的分布也比较均匀，表明优势草种在群落中的相对优势度较低，各草种在群落中的分布也比较均匀。相对优势度最大的三种杂草（马唐、狗尾草和牛筋草）的相对优势度之和为54．72%。

对黑龙港地区的杂草群落进行PCA（图3 b），第一主成分和第二主成分的方差百分比分别为38．2%和24．5%，累计方差百分比为62．7%。该地区杂草群落PCA排序图中，各草种的分布主要集中在三个方向。第一个方向中相关度较高的杂草种类有马唐、狗尾草、牛筋草、铁苋菜、马齿苋和藜，占该地区杂草相对优势度的78．95%，其中相对优势度最大的3种杂草（马唐、狗尾草和牛筋草）的相对优势度之和达64．82%，是冀中南山前平原这3种杂草相对优势度之和的1．18倍，优势杂草分布明显集中。第二个方向中相关度较高的杂草有反枝苋、苘麻、虎尾草、刺儿菜、苦荬菜、藤长苗、牵牛、酸模叶蓼等，该组杂草的相对优势度之和为13．67%。第三个方向相关度较高的杂草有打碗花、萹蓄、醴肠和野高粱，该组杂草的相对优势度之和为7．38%。

图3 不同地区杂草群落PCA排序图Fig．3 PCA or dination graph of weed community in different regions

3 结论与讨论

农田生态系统作为半人工的生态系统，人类活动对其具有深入、复杂的影响［17］。杂草种群的分布，是杂草对生态因子长期适应的结果［18］，而且杂草在土壤中积累了数量巨大的种子库。因此，除非耕作方式、种植制度、化学除草等人类活动或者其他生态因子发生明显改变，农田杂草群落才可能发生演替。黄顶菊是原产于南美洲的恶性杂草，2003年在河北省被发现［19］，具有极强的竞争优势［20］，但在近年的杂草群落调查中并未发现黄顶菊侵入该地区的玉米田造成群落演替，说明黄顶菊在与本地物种的竞争过程中处于劣势［21］，以及本地物种具有维持群落相对稳定性的作用。

由于生态环境比较接近，河北省夏玉米田的杂草群落中，不同地区间杂草群落的组成种类比较相似，相对优势度最大的3种杂草均为马唐、狗尾草和牛筋草。但是不同草种在不同地区杂草群落中的相对优势度差异较大，根据这种杂草群落结构在数量上的不同，河北省夏玉米田的杂草群落可分为冀中南山前平原和黑龙港地区2种类型。河北省夏玉米田的优势杂草有马唐、狗尾草、牛筋草、铁苋菜、反枝苋和打碗花，与魏守辉等［9］的调查结果基本一致，其中马唐和牛筋草的相对优势度变化不大，说明近年该地区夏玉米田杂草群落的种类组成比较稳定，但是狗尾草、反枝苋和打碗花在群落中的相对优势度上升明显，铁苋菜和马齿苋则有所下降，说明近年该地区的杂草群落在结构上有一定改变。依据本次调查所得到的结果，可以针对不同地

区杂草群落的结构制定相应的杂草治理措施，对农田生态系统进行综合管理。

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