不同土地利用方式对山东丘陵农田杂草群落结构与动态的影响

赵滨 司纪升 李升东 王法宏 王宗帅

摘要：為了探明不同土地利用方式对丘陵地区农田生态系统的影响，本研究于2015年春季在山东省临朐县（丘陵山区）选择传统耕作方式的麦地和谷子地、近10～20年因种植结构调整而呈现的菜地、果园及撂荒地为对象，系统分析该5种土地利用方式下农田生态系统中土壤养分、杂草群落结构及多样性变化状况。结果表明：土壤理化性质，菜地、桃园中土壤总有机碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量明显高于撂荒地、小麦地和谷子地；菜地土壤中有效磷（AP）和电导率（EC）显著高于其它4种土地利用方式。杂草群落结构：5种土地利用方式下杂草群落的相似系数为0.05～0.46；撂荒地的杂草丰富度最高（9.83），菜地最低（3.33）；小麦地DA杂草功能群占绝对优势，撂荒地MA杂草种群占绝对优势。谷子地和桃园中杂草功能群分布较为均衡，前者以MA和DP两种功能群为主，后者以MA和MP两种功能群为主。植物多样性：撂荒地和谷子地高，分别达1.74和1.73，桃园、小麦地和菜地依次递减。

关键词：土地利用方式；杂草群落结构；生物多样性；土壤养分；山东丘陵

中图分类号：S451文献标识号：A文章编号：1001-4942（2017）05-0091-06

Effects of Different Land Use Patterns on Community Structure and

Dynamics of Weeds in Hilly Regions of Shandong Province

Zhao Bin1，Si Jisheng2，Li Shengdong2，Wang Fahong2，Wang Zongshuai2

（1. College of Agronomy and Plant Protection， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China；

2. Crop Research Institute， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China）

AbstractIn order to clarify the effects of different land use patterns on farmland ecosystem in hilly regions， the experiment was carried out in spring of 2015 in Linqu County， Shandong Province. Two traditional land use patterns （wheat and millet fields） and three novel land use patterns （vegetable fields， peach orchards and abandoned lands） were selected as experimental objects.The soil nutrients， weed community structure and biodiversity were investigated and analyzed under the five land use patterns.The results indicated that the vegetable fields and peach orchards had obviously higher soil organic carbon （SOC）， total nitrogen （TN） and total phosphorus contents compared with the abandoned lands， wheat fields and millet fields. The soil available phosphorus （AP） and electric conductance （EC） of vegetable fields were significantly higher compared with the other land use patterns. The similarity coefficient of weed communities under the 5 land use patterns was 0.05～0.46. The species richness（SR） of abandoned lands was the highest （9.83）， while that of vegetable fields was the lowest （3.33）.The DA functional group reigned supreme in wheat fields， and the MA functional group reigned supreme in abandoned lands.The millet fields and peach orchards had relatively even distribution of weed functional groups， and the former was dominated by the MA and DP functional groups while the latter was dominated by the MA and DP functional groups.The abandoned lands and millet fields had higher plant diversity with the diversity indexes as 1.74 and 1.73 respectively， and the diversity index of peach fields， wheat fields and vegetable fields decreased in turn.

KeywordsLand use pattern；Weed community structure；Biodiversity； Soil nutrients；Hilly regions of Shandong Province

土地利用方式的改变可以影响农田生态系统中土壤养分状况、杂草群落的结构和组成[1-3]。张心昱等[4]研究表明，菜地和果园等高投入地块土壤养分水平较高，撂荒地次之，玉米地、大豆地等低投入地块土壤养分总体含量偏低。谷艳芳等[5]比较了撂荒地、葡萄园、玉米地、大豆地、小麦地及弃耕地等6类不同土地利用方式对黄河冲积平原中杂草群落结构的影响，发现仅葡萄园等果园地块杂草群落结构较为合理。山东省丘陵面积广阔，区域内光、热资源丰富，农业生产方式多样，土地生产潜力大。近20年来，为了获得更高的经济收益，大量农民外出务工和传统农业用地转换为高投入的菜地、果园和撂荒地，这种现象在山东省丘陵地区比较突出。有鉴于此，笔者选择潍坊市临朐县五井镇（36°24′N，118°29′E）为研究对象，对山东省丘陵地区的农田、果园、菜地以及撂荒地的土壤养分状况、杂草群落结构和组成进行初步研究，以期为该区域农田生态系统合理利用和保护提供一定理论依据。

1材料与方法

1.1调查与取样

临朐县五井镇为典型丘陵山区，农耕历史悠久，耕作制度为一年两熟，主要粮食作物为小麦、玉米和谷子，果园和菜地分布广泛。气候为温带季风型大陆性气候，四季分明，雨热同期，干湿季明显，年平均降雨量700 mm左右，年平均气温12.4℃，年平均日照2 578.6 h，无霜期191 d。于2015年春季（4月份），选择有代表性的农用土地类型，在样地内均匀分布调查点。土地类型包括小麦地、谷子地、有10～20年种植史的桃园和菜地、撂荒地进行调查取样，每种土地利用方式调查15块样地。样方采用5点取样法，桃园取样面积为1.5×1.5=2.25 m2，其它取样面积均为1×1=1 m2，记录样方内杂草种类以及各种杂草在样地的田间密度。同时向土地经营者调查耕作和除草方法（表1）。

1.2土壤养分测定

土壤有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；pH用电位法测定；总盐（EC）用电导率仪测定[6]。土壤总有机碳（SOC）采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定；全氮（TN）采用浓硫酸消煮-半微量凯氏法测定；全磷（TP）采用HClO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定[6]。

1.3杂草种群数量特征处理方法

杂草按Puricelli功能群分类方法分为单子叶短期生植物功能群（monocoly ledonous and annual & biennial，MA）、双子叶短期生植物功能群（dicoty ledonous and annual & biennial，DA）、单子叶多年生植物功能群（monocoly ledonous perennial，MP）和双子叶多年生植物功能群（dicoty ledonous and perennial，DP）4种功能类群。用Benger-Parker多度（Pi）、Shannon均匀度指数（J）和Shannon-Wiener多样性指数（H′）、Simpson优势集中度（C）、Sorensen群落相似系数（V）、物种丰富度（S）[7，8]表示杂草种群数量特征。计算公式为：

（1）Pi=ni/N ， ni为每个类群的个体数， N 为总个体数；

（2）H′=-∑Pi lnPi；

（3）J=（-∑Pi lnPi）/lnS，S为各样地杂草群落中的物种数；

（4）C=∑Pi2。

1.4数据处理

运用Microsoft Excel和SPSS统计软件对原始数据进行处理，均值进行t检验和方差分析。运用SigmaPlot 12.0软件绘图。

2结果与分析

2.1不同土地利用方式下土壤养分状况

土壤有机质（碳）含量的高低和土壤养分状况的好坏直接相关，不同土地利用方式对丘陵地区土壤养分情况的影响存在显著差异（表2）。桃园和菜地中SOC含量较高，其次为撂荒地和小麦地，谷子地最低。在低投入的谷子地中SOC/TN最高，其次是小麦地和撂荒地，而高投入的桃园和菜地最低，说明谷子地土壤更有利于SOC的积累。

菜地和桃园土壤中TN和TP含量较高，小麦地和撂荒地居中，谷子地最低。其中菜地TP含量超过1.0 g/kg，AP含量显著高于其它土地利用方式，桃园次之，而其它土地利用方式下AP差异不显著。菜地的电导率（EC）也显著高于其它土壤。桃园、菜地等高投入土壤的pH值较高。

MA、DP分别只占有6.1%和12.1%；撂荒地杂草功能群相对多度，MA高达77.3%，占绝对优势，DA、DP和MP各占9.0%、7.7%和2.3%；桃园地杂草功能群以MP和MA为主，分别为39.0%和36.4%，DA和DP 只占到17.4%和10.2%；菜地杂草功能群以DA为主，占到60.5%，其次为MP 15.8%，DP和MA较少，分别只占到12.2%和9.8%；谷子地雜草功能群以MA和DP为主，分别为49.1%和40.0%，DA较低只占7.3%，MP最低，仅3.6%。

2.3不同土地利用方式下杂草多样性

不同土地利用方式下杂草多样性统计结果见图2。撂荒地的物种丰富度（9.83）显著高于其它地块，桃园和谷子地次之，小麦地（3.83）和菜地（3.30）的物种丰富度低。多样性指数H′表现为撂荒地1.74>谷子地1.73>桃园地1.37>小麦地1.26>菜地1.08，其中撂荒地和谷子地两者间差异不显著（P<0.05）。杂草的均匀度指数表现为小麦地和谷子地显著高于其它地块。同时杂草田间优势度除谷子地外均表现为农田高于或显著高于撂荒地，表现为菜地0.38>桃园地0.37>小麦地0.31>撂荒地0.25>谷子地0.20，其中菜地和桃园地差异并不显著。

2.4不同土地利用方式下杂草群落的相似系数

由表3可以看出，小麦地-撂荒地与桃园-撂荒地的杂草群落相似系数显著高于其它地块之间的相似系数，分别为0.40和0.46，其中菜地-小麦地、谷子地-小麦地杂草群落相似系数低，分别为0.08和0.05。桃园-菜地和桃园-谷子地杂草群落相似系数差异并不显著。

3讨论

为追求更高的经济效益，该区域农民更热衷于将传统农业用地转变为桃园和菜地。其中，桃园较传统农业用地来说减少了耕作次数，降低了对土壤环境的人为扰动，总体上有利于SOC的积累，是该区域较为理想的农田生态系统。菜地是以大量化肥及有机肥施入为前提，耕作及灌溉过于频繁，虽然其土壤养分含量最高，但极易发生农业非点源污染，所以应改变菜地的水肥管理方式，如大力推广秸秆还田、保护性耕作（少耕、免耕、秸秆覆盖等）[11]，减少化肥的投入，适当增施有机肥，并且灌溉次数应维持在一年1～2次。

不同土地利用方式下农田生态系统杂草群落的结构组成和多样性等是生态因子和人为干扰共同作用的结果。首先，杂草的萌发、生长、种群的构建等均与除草措施、小气候条件（光照、温度、土壤肥力条件等）以及耕作制度相关。经调查发现，该地区近年来多采用化学除草剂除草，导致除草剂敏感型物种受到限制、田间优势种单一、杂草多样性减少，同时增加了非敏感性杂草物种[6]，如猪殃殃、酸模等。土地耕作方式也影响到杂草的群落结构[12]，在区域尺度上，相同地区大体上具有相同的杂草资源。一年生杂草群体主要来自于土壤种子库，耕作活动容易打破土壤种子库的种子休眠，促进杂草种子萌发和幼苗生长，因此农田中一年生杂草与土壤种子库的关系更为密切[13，14]。谷子地的耕作时间是3月份，所以耕作活动很可能打破了土壤种子库的种子休眠，促进一年生杂草群体的萌发和幼苗生长；而小麦地耕作时间是去年的10月份，所以4月份调查杂草群落小麦地一年生杂草群落较少，小麦地和谷子地杂草相似度较低。其次，由于人为干扰，作物具有争夺更多可利用环境资源的优势，但不同作物与杂草的竞争强度和所争夺的资源存在差异，主要表现在以下两个方面：①作物的种植密度大能截获大量的太阳辐射，灌层下弱光照使杂草光合作用受到影响，增加杂草的死亡率，降低杂草的竞争能力；②作物对土壤中氮、磷、钾等土壤养分的利用优势，增加了作物优势度，减少了杂草的物种丰富度和物种多样性[15，16]。撂荒地杂草间自由竞争，一些生长力强、传播广、抗逆性强的杂草如狗尾草、旋复花能占据大量资源，成为撂荒地的优势种群，同时直接或间接地影响撂荒地中其它杂草种类的生存和分布。

4结论

4.1从该地区的土壤理化性质状况来看，其土壤养分情况总体处于中等偏低水平，只有菜地和桃园中土壤TP和AP含量较为合理。这与刘世梁在卧龙湿润高山地区林地土壤养分含量的研究结果一致[9]。肥料的投入量对土壤的化学性质影响较大，菜地和果园中施氮磷肥較多，小麦地施入较少；谷子地施肥水平最低。这与张心昱在北京市延怀盆地研究的施肥水平与土壤中的TN、TP和AP含量水平相一致[10]。在研究区域内的所有农田中，化肥的施用量远远超出有机肥投入量，菜地和桃园施肥量过高，这在一定程度上带来资源浪费和环境污染。

4.2不同土地利用方式下丘陵杂草群落结构中种群的组成差异较大，小麦地和谷子地杂草种群与种植作物和耕作制度有关，撂荒地和桃园地杂草组成与土地利用方式改变的时间长短关系密切。不同土地利用方式下物种的相对多度分布格局不同，优势种差别较大，多度分布不均匀；撂荒地常见杂草种类和偶见杂草种类多、相对分布均匀，这在一定程度上说明其植物群落结构的稳定性较高。

4.3不同土地利用方式影响植物功能群的丰富度和每个功能区多度分布格局，桃园和谷子地人为活动均小于小麦地和菜地，4个功能群分布格局比较均衡。小麦地和菜地杂草功能群多样性偏低，而且小麦地单一杂草功能群麦瓶草占绝对优势，菜地无占绝对优势的杂草功能群。受人为干扰最小的撂荒地杂草功能群分布也不均匀，其中狗尾草和早熟禾两个功能群具有优势。撂荒地杂草多样性指数保持最高，且均匀度指数也最高，优势集中度低；在4月份小麦地由于人为干扰较为严重所以田间杂草种群多样较低，杂草种群优势集中度较高；而4月份尚处于谷子幼苗期，所以人为干扰强度降低，田间多样性都表现为增加。桃园杂草生长环境单一，春季多样性稍高于小麦，略低于谷子地，多样性没有显著的变化。菜地生长环境也较为单一，春季和秋季多样性均低于其它地块，没有显著的季节变化。

各地块的水肥条件、季节差异、轮作制度各种生态因子和人为因素都同样影响到杂草的群落结构及生物多样性，特别是农田生态系统中各个因子如何相互作用、共同影响农田杂草的群落结构组成和多样性需要进一步系统研究。

参考文献：

[1]孔祥斌，张凤荣，齐伟，等. 集约化农区土地利用变化对土壤养分的影响——以河北省曲周县为例[J]. 地理学报，2003，58（3）：333-342.

[2]傅伯杰，郭旭东，陈利顶，等. 土地利用变化与土壤养分的变化——以河北省遵化县为例[J]. 生态学报，2001，21（6）：926-931.

[3]Ghersa C M， León R J. Successional changes in agroecosystems of the Rolling Pampa[J]. Ecosystems of the World， 1999：487-502.

[4]张心昱，陈利顶，傅伯杰，等. 农田生态系统不同土地利用方式与管理措施对土壤质量的影响[J]. 应用生态学报，2007，18（2）：303-309.

[5]谷艳芳，胡楠，丁圣彦，等. 开封地区不同土地利用方式农田杂草群落结构及动态[J].生态学报，2007，27（4）：1359-1367.

[6]鲍士旦. 土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

[7]钱迎倩主编.生物多样性研究的原理与方法[M].北京：中国科学技术出版社，1994.

[8]Mahn E G. Structural changes of weed communities and populations[J]. Plant Ecology， 1984， 58（2）：79-85.

[9]劉世梁，傅伯杰，吕一河，等. 坡面土地利用方式与景观位置对土壤质量的影响[J].生态学报，2003，23（3）：414-420.

[10]张心昱，陈利顶，李琪，等. 不同农业土地利用类型对北方传统农耕区土壤养分含量及垂直分布的影响[J]. 农业环境科学学报，2006，25（2）：377-381.

[11]李凤博，牛永志，高文玲，等. 耕作方式和秸秆还田对直播稻田土壤理化性质及其产量的影响[J]. 土壤通报，2008，39（3）：549-552.

[12]高宗军，李美，高兴祥，等. 不同耕作方式对冬小麦田杂草群落的影响[J]. 草业学报，2011，20（1）：15-21.

[13]Wei S H，Qiang S，Ma B，et al. Effects of different crop rotation system on the characteristics of soil weed seed bank[J]. Chinese Joumal of Ecology，2005，21（4）：385-389.

[14]Goldberg D E，Miller T E. Effects of the different resource additions on species diversity in an annual plant community[J]. Ecology，1990，71（1）：213-225.

[15]尹力初，蔡祖聪. 长期定位施肥小麦田间杂草生物多样性的变化研究[J]. 中国生态农业学报，2005，13（3）：57-59.

[16]尹力初，蔡祖聪. 长期不同施肥对玉米田间杂草生物多样性的影响[J]. 土壤通报，2005，36（2）：220-222.