不同施肥管理对“多花黑麦草-水稻”轮作系统杂草防控效应的影响

张钰薇，何宏斌，程俊康，贾戊禹，杨衡荣，辛国荣

广东省热带亚热带植物资源与利用重点实验室/中山大学生命科学学院，广东 广州 510275

杂草是农业生态系统的重要组成部分，与农作物竞争有限的光、水、肥、空间，是造成的作物减产的主要因素之一。土壤杂草种子库是指存在于土壤表面和土壤中存活杂草种子的总和，是杂草的潜在发生库（王卫等，2010）。合理轮作是一项高效的生态控草措施（程传鹏等，2013），能够减轻杂草危害，改善杂草群落（杨滨娟等，2013），也能降低土壤杂草种子库密度（唐杉等，2016）。多花黑麦草（Lolium multiflorum L.）是世界各地广泛栽培的优良牧草，近年来，我国南方构建的“黑麦草-水稻（Oryza sativa L.）”草田轮作（简称IRR）系统能充分利用冬闲期间光、热、水、土地等资源，促进南方冬季养殖业的发展，产生了良好的经济、社会和生态效益（Yang et al.，2008）。施肥是黑麦草高产的必要手段（辛国荣等，2002），研究发现，施N对提高黑麦草产量尤为重要（占丽平，2011），并且种草期间施用复合肥比尿素更有利于后作水稻增产（辛国荣等，2000）。

合理施肥同时能减轻杂草危害。Wan et al.（2012）表明，水稻田土壤中的N、P、K含量都会影响杂草群落，并指出影响排序为 N＞P＞K。但 3种肥力因子对杂草的影响强弱在不同的农田环境研究尚未有统一结论。在研究轮作对杂草的影响时，应关注后续杂草发生的剩余效应（residual effect）（Musunda et al.，2015）。

先前的研究表明，在黑麦草与蔬菜轮作中，农田杂草密度与土壤杂草种子库密度显著低于蔬菜连作田和冬闲田（孙雪等，2011），但未见 IRR系统中杂草动态的相关报道。特别是在长江流域两熟制地区，冬闲田闲置时间长，常常杂草丛生而产生大量杂草种子，严重影响后作水稻的生长。本研究在湖南湘西两熟制地区引入“多花黑麦草-水稻”轮作模式，探讨前作黑麦草不同施肥管理对黑麦草生长期间以及后作水稻生长期间杂草的防控效果，为水田杂草防控和合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验地位于湖南省怀化市麻阳县兰村乡（27°77′N，109°87′E）。属亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，年均气温17.3 ℃，降雨量1300 mm，日照1421.8 h，无霜期255 d。试验地为稻田，一年一季水稻。初始0－15 cm土壤养分含量为：有机质34.58 g·kg-1、全氮 2.06 g·kg-1、全磷 0.39 g·kg-1、全钾 12.33 g·kg-1、碱解氮 202.40 mg·kg-1、速效磷 27.86 mg·kg-1、速效钾 60.51 mg·kg-1。供试材料为特高多花黑麦草（Lolium muldflorum ‘Tetragold’），后作水稻品种为红香68（Oryza sativa ‘Hongxiang 68’）。

试验于2017年10月－2018年9月执行，分前作黑麦草（2017年10月－2018年5月）与后作水稻（2018年5－9月）两个阶段。黑麦草播种量为22.5 kg·hm-2，设置8个处理分别为冬闲、种草无肥、种草施不同梯度复合肥（N꞉P꞉K=15꞉15꞉15）、种草施不同梯度尿素（CH4N2O），具体处理如表1所示。每处理重复3次，小区面积为2×3 m2，随机分布。

表1 不同处理及代码Table 1 Different treatment and codes

黑麦草播种前对除CK、NF处理外的每个小区施基肥（复合肥）150 kg·hm-2，剩下的肥料根据设定的施肥量，分别在每次黑麦草刈割后施入（每次用量相同）。设置4次刈割，时间分别为：2018年1月17日、3月19日、4月9日、5月14日。2018年 5－9月期间进行水稻栽培，黑麦草收获后，每处理每小区随机用铲子挖取0－20 cm土层土壤约10 kg，装桶（d=35 cm，h=40 cm），每处理为3桶重复，加水浸泡后搅拌，待平衡。4月25号将育好的水稻秧苗移栽于桶内，每桶3株。水稻生长期间施复合肥，基肥量和追肥量分别为674.0 k·hm-2和337.5 kg·hm-2。

1.2 测定内容及方法

1.2.1 杂草的调查方法

黑麦草生长期间共进行3次调查，时间分别为2018年3月19日、4月9日、5月14日。每小区随机选取1个30 cm×30 cm样方，统计其中杂草密度及种类，统计后拔除杂草。在草地中对单个的草本植物个体往往难以区分，故对于丛生草本通常以株丛计数，根茎禾草植物则以地上枝条计数，本研究杂草密度以（枝条/样方）表示（章家恩，2012）。

1.2.2 土壤杂草种子库的调查方法

黑麦草种植前，采取本底土壤，后期土壤采集与田间地上部杂草调查同期进行。采用直径4.5 cm圆柱形取土器，每小区随机选取3个点，取0－20 cm土柱，然后将同一小区土柱充分混合，最后得到每小区1个土样，每处理3个重复土样，风干。采用镜检法（马波等，2004）统计其中的杂草种子密度。

1.2.3 黑麦草的产量调查

每次刈割时，各小区随机选3个50 cm×50 cm样方，留茬5 cm左右刈割，称取鲜质量；每次刈割产量相加得总鲜草产量。带回实验室在烘箱中105 ℃杀青 30 min，75 ℃烘干至恒质量，称取干质量。

1.2.4 土壤理化性质测定方法

土壤风干后过筛，采用电位法测定土壤 pH；扩散吸收法测定土壤全氮、钼锑抗比色法测定土壤全磷、原子分光光度法测定土壤全钾；扩散吸收法测土壤碱解氮、钼锑抗比色法测定土壤速效磷、火焰光度法测定土壤速效钾；采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量（鲍士旦，2000；鲁如坤，2000）。

1.3 统计方法

杂草群落多样性指数采用Shannon（H′）：

式中pi=n/N，N为杂草总密度，n为某种杂草的密度；

优势度指数采用Simpson（D）：

均匀度指数采用Pielou（J）：

S为物种数。

试验结果取重复观测值的平均值，用SPSS 17.0统计软件对杂草密度、杂草种子库密度、杂草群落多样性指数、黑麦草产量进行方差分析（ANOVA）、平均数差异显著性分析（Duncan检验，P＜0.05）和相关性分析（Pearson correlation，Sig. 2-tailed）。使用Canoco 5软件分别对土壤理化数据和杂草密度、杂草种子库密度进行冗余分析（RDA）。

2 结果与分析

2.1 黑麦草的产量

无肥处理的黑麦草鲜、干草产量均显著低于其它处理（P＜0.05）。不同复合肥处理间黑麦草鲜草产量表现为F2＞F3＞F1，其中F1鲜草产量显著低于F2和 F3（P＜0.05），后两者差异不显著；黑麦草鲜草产量随着尿素施肥量的增加呈现上升趋势，N3处理产量最高，达80.42 t·hm-2，但不同尿素处理间差异不显著。F2处理的干草产量显著高于其它处理（P＜0.05），达 12.93 t·hm-2，其余施肥处理间黑麦草干草产量无显著差异（图1）。

图1 冬种黑麦草不同施肥措施对鲜草和干草总产量的影响Fig. 1 Effects of different fertilization treatments on total yield of fresh and dry ryegrass

2.2 杂草群落组成与密度

冬种黑麦草期间，主要杂草有看麦娘（Alopecurus aequalis）、雀舌草（Stellaria uliginosa）、甜茅（Glyceria acutiflora）、沼生水马齿（Callitriche palustris）、黄鹤菜（Youngia japonica）、扬子毛莨（Ranunculus sieboldii）、酸模叶蓼（Polygonum lapathifolium）、鸭跖草（Commelina communis）、稗草（Echinochloa crusgalli），在黑麦草不同生长时期，杂草组成及优势种有一定的变化（表2）。3－5月调查期间，优势杂草从先至后的出现顺序为：看麦娘+雀舌草－雀舌草+甜茅－甜茅+稗草。3月以看麦娘、雀舌草为最优势杂草，分别占杂草总密度77.94%、18.12%，其中无肥（NF）处理的雀舌草密度比例显著高于其它处理（P＜0.05），达39.40%。4月，CK处理以雀舌草、甜茅为主要优势杂草的群落，分别占 46.11%、26.73%；复合肥（F）与尿素（N）处理组仍以看麦娘、雀舌草为主要优势杂草，分别占42.95%、34.54%；而NF处理以雀舌草的密度比例最高，达 41.81%。5月，CK处理以稗草、甜茅为主要杂草，分别占51.12%、30.73%；种草区则以雀舌草、甜茅密度最高，分别占50.08%、28.81%。稗草几乎不在种草区发生，可见黑麦草区杂草的演替速度有所延缓。F区与N区的杂草组成相似，不同施肥量处理间杂草组成无显著差异。

表2 冬种黑麦草不同施肥处理对主要杂草相对密度的影响Table 2 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on dominant weeds abundance %

各生长时期处理间的杂草密度差异显著（表3）。3月，冬闲处理（CK）杂草密度显著高于种草区，而不同种草处理间无显著差异。4月，CK处理杂草密度同样显著大于种草区；不同种草处理间以 N2、N3处理密度较低，分别比 CK处理低89.43%、89.87%（P＜0.05）。5月，CK处理的杂草密度与3、4月相比显著减少（P＜0.05）；不同处理间F1处理杂草密度最高，显著高于F2处理与N1、N2、N3处理。可见，施入尿素与中等施量的复合肥能有效减少杂草密度。

由表4可知，经一季黑麦草种植后，不同施肥种类对杂草群落多样性指数影响显著。与复合肥（F）、无肥（NF）区相比，冬闲（CK）与尿素（N）区的多样性指数显著较高，优势度指数显著较低，均匀度指数较高但未达显著水平。说明 CK与 N区，杂草物种多样性高，优势杂草危害较低，群落分布较均匀；其次是NF区；而F区特别是F1处理，杂草物种多样性显著降低、优势杂草优势度显著升高、群落分布较不均匀。

表3 冬种黑麦草不同施肥处理对杂草总密度动态的影响Table 3 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on total weed density

表4 冬种黑麦草期间不同施肥措施下杂草群落结构特征Table 4 Community structure features of weeds under different fertilization treatments

表5 冬种黑麦草期间不同施肥处理对主要杂草种子相对密度（%）的影响Table 5 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on dominant weeds seed abundance (%)

2.3 杂草种子库组成与密度

在进行地上部杂草密度调查的同时，对土壤杂草种子库也进行调查。结果显示不同采样时间下所检出的主要杂草种子种类相同，为看麦娘、雀舌草、鸭舌草（Monochoria vaginalis）、沼生水马齿、莲子草（Alternanthera Sessilis），共占杂草种子库总密度的92.77%（表5）。不同处理间杂草种子库组成差异显著。冬闲（CK）、无肥（NF）区在 3次调查期间均以看麦娘和雀舌草的密度最高，分别占种子库密度36.72%、35.62%与26.93%、27.50%。复合肥区以鸭舌草、沼生水马齿密度最高，分别占20.66%、19.39%；看麦娘、雀舌草的密度比例随着时间延续不断增加，5月分别比 3月增加了127.34%（P＜0.05）、44.00%；而不同复合肥施肥量处理间种子库组成差异不明显。尿素区在3次调查中均以沼生水马齿密度最高，占种子库密度的28.60%；5月看麦娘与雀舌草分别比3月显著增加了 81.45%（P＜0.05）、141.64%（P＜0.05）；不同尿素处理间看麦娘、雀舌草的密度比例随着施肥量增加而下降，而沼生水马齿、鸭舌草的比例呈上升趋势。可见，冬种黑麦草期间主要增加了看麦娘、雀舌草在杂草种子库中的比例。

不同处理间土壤杂草种子库密度差异显著（表6）。3月，冬闲（CK）种子库密度最高，显著高于F1、F2、F3、N1、N3处理。4月，不同处理间无显著差异，N2处理最高。5月种草后，种草区种子库密度均少于CK区，其中F2处理最小，与CK处理相差65.49%（P＜0.05）；其余种草处理间差异不显著。与土壤杂草种子库本底值（11月）相比，种草后CK处理增加了22.60%种子库密度（P＞0.05），而种草区均相对减少，其中F2处理显著减少了57.69%（P＜0.05），其余处理种草前后差异不显著。

表6 冬种黑麦草不同施肥处理对土壤杂草种子库总密度的影响Table 6 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on total density of weed seed bank

图2 杂草密度与环境因子的RDA二维排序图Fig.2 A two-dimensional graph of RDA ordination for weeds density and environment factors

2.4 冬种黑麦草期间杂草密度、杂草种子库密度与土壤环境因子的相关性

对9种主要杂草与杂草总密度和8种土壤理化性质进行RDA分析，可从整体上反映杂草物种与土壤理化的关系，也可反映不同杂草对养分环境要求的相似程度（图 2）。第一、第二排序轴特征值分别为 0.3609、0.0909，土壤理化变量对杂草密度变量的总解释率为56.0%。不同箭头之间的垂直投影长度可以反映两者之间的相关性：在整个冬季种植过程，看麦娘、黄鹤菜、沼生水马齿、雀舌草等冬季杂草与总密度的正相关性较大，而稗草、甜茅、扬子毛莨、鸭拓草等春季出现的杂草则相关性较低。大多数杂草耐贫瘠，与土壤速效养分因子相关性较低或呈负相关。全 K（贡献率 16.5%，P=0.024）、碱解 N（贡献率 15.4%，P=0.024）对杂草群落影响最显著。所以土壤养分因子中，对杂草群落的影响为：K＞N＞P，土壤 K含量与杂草总密度呈正效应，特别是对看麦娘、雀舌草等冬季优势杂草的正效应更强；而土壤 N素的增加起到相反作用；土壤 P与杂草密度呈负相关，但相关性较低。

对6种主要杂草种子密度与总密度和8种土壤理化因子进行RDA分析（图3）。结果表明，第一、二排序轴特征值分别为 0.1682、0.0654，总解释率30.7%。从不同箭头之间的垂直投影长度可知：杂草种子密度与土壤养分因子大体上呈正相关，特别是与速效养分的相关性较显著。看麦娘、雀舌草与速效 P含量相关性最大，而鸭舌草、甜茅、沼生水马齿、莲子草与碱解 N含量相关性最大。各土壤理化因子中，速效P（贡献率9.9%，P=0.004）、碱解N（贡献率7.3%，P=0.02）、速效K（贡献率6.6%，P=0.02）3个因子对杂草种子库影响显著。说明土壤P肥力对种子密度影响最显著，其次是N与K肥力。

图3 杂草种子库与环境因子的RDA二维排序图Fig. 3 A two-dimensional graph of RDA ordination for weeds seedbank and environment factors

2.5 冬种黑麦草对后作水稻杂草的影响

后作水稻的栽培期间，主要杂草有：浮萍（Lemna minor）、鸭舌草、无芒稗（Echinochloa crusgali）、莲子草、陌上菜（Lindernia procumbens）、节节菜（Rotala indica）（图4）。与冬闲（CK）相比，冬种黑麦草对后作水稻杂草密度影响不显著，但呈现杂草减少的趋势（除N2处理和N3处理外）。复合肥（F）区杂草密度较低，其中F2处理比CK处理低 63.64%。尿素（N）区杂草密度均高于 F区，其中N2、N3处理杂草密度分别比CK处理高54.55%、4.03%。说明冬种黑麦草期间单施较多尿素比施用复合肥有增加后作水稻杂草密度的风险，合理搭配NPK施肥极其重要。

图4 不同黑麦草施肥处理对后作水稻杂草密度的影响Fig. 4 Effects of different ryegrass fertilization treatments on weed density in subsequent rice season

2.6 水稻期间杂草密度与冬季杂草密度、杂草种子库密度的关系

通过相关性分析，探讨农田杂草密度与土壤杂草种子库之间的关系（表 7）。结果显示，杂草密度与土壤杂草种子库密度呈现不显著正相关关系。水稻期间的杂草密度与4－5月的杂草种子库密度呈极显著正相关（P＜0.01），说明前作土壤杂草种子密度显著影响后作水稻的杂草发生。

表7 杂草密度、土壤杂草种子库密度与水稻期间杂草密度的关系Table 7 Relationship between weed density, seed bank density and weed density in subsequent rice season

3 讨论

平衡施肥是施用最适合作物生长的 N、P、K肥的量（Tang et al.，2014）。施林林等（2013）在为期30年的稻麦轮作研究中指出NPK平衡施肥田杂草密度最少，并且水稻产量最高；Lal et al.（2014）在为期43年的稻-稻试验田中发现施NPK与其它单、双养分处理相比，对杂草的生长抑制最佳，且不会破坏杂草群落的生物多样性；王卫等（2013）在湖南双季稻田进行了20年施肥试验，结果发现施 NPK配合秸秆还田对杂草的抑制效果最佳，而施肥不均衡，杂草密度普遍较高，特别是单施PK（程传鹏等，2013；Tang et al.，2014；Jiang et al.，2018）。本研究比较了施用复合肥与尿素农田杂草的发生情况，发现肥料种类对前作黑麦草的杂草密度影响不明显，但单施尿素超过 540 kg·hm-2刺激了后作水稻的杂草发生；从剩余效应的角度验证了平衡施用 NPK的重要性。平衡施肥下，作物形成更封闭的作物层以进一步限制杂草群落所接收的光照，这是控制杂草最重要的机理之一（Yin et al.，2006）。相似的，Petr et al.（1991）研究了施肥对大麦田杂草的影响，指出适宜的施肥管理主要通过增强作物的光照与养分竞争能力，从而影响杂草群落。Buchanan et al.（2016）认为，不同的冬季覆盖作物种类对杂草的抑制机理主要为生物量效应，即作物的生物量在抑草过程中起主要作用。

施肥导致的土壤养分差异将影响杂草群落结构（蒋敏等，2014）。冬种黑麦草期间不同施肥处理区中，无肥区的阔叶杂草比例较大，这可能与该区黑麦草生长弱所导致的透光度较高有关；Florence et al.（2015）发现了阔叶型杂草竞争力与光照强度的正向关系。复合肥区和尿素区的杂草组成相似，不同在于复合肥区的雀舌草密度较大，而尿素区的沼生水马齿密度较大，说明土壤养分对两个物种有明显的选择作用；RDA图显示出雀舌草与K有更高的相关性，而沼生水马齿与N相关性更高，这表明了两者分别对两种养分有更高效的利用机制。

农业生产中，维持适宜的土壤养分水平能有效控制杂草，使杂草与作物生长达到有益生产的平衡（董春华等，2015）。Tang et al.（2014）在冬小麦田进行了连续11年的定位施肥试验，结果表明土壤养分对杂草群落的影响程度大小为 P＞N＞K，且P与多数杂草密度呈显著负相关。Jiang et al.（2018）同样在冬小麦田进行了长达31年的定位试验，发现土壤N、P水平与大多数杂草密度呈负相关，土壤有效 K水平则与多数杂草密度呈正相关，但影响程度较低。相似的，多数前人均表明 K与杂草发生之间较低的相关性，但Grant et al.（2007）发现，K肥能够显著促进某些杂草如藜（Chenopodium album）等的生长，但对作物小麦、油菜无明显增产作用。本研究同样验证了土壤N、P含量与杂草密度的负相关，但强调了土壤 K含量与杂草总密度特别是看麦娘等冬季杂草的正相关。潘福霞等（2012）指出，看麦娘喜P、N肥，但对K肥有较强的耐受能力；在这里，可能由于黑麦草对土壤N、P养分的吸收力更强，使土壤积累更多 K被杂草所利用；应重视土壤K水平对杂草群落的影响。

土壤杂草种子库与地上植被的关系尚未有统一结论，但在耕地等频繁干扰地带两者关系或较为密切（林志灵等，2008）。本研究发现，杂草种子库密度与后作水稻的杂草密度呈显著正相关，说明IRR系统杂草种子库能有效预测杂草的持续危害。本研究还发现，各土壤养分水平与杂草种子库密度呈正相关，潘俊峰等（2014）也发现了施肥量与杂草种子密度的正相关；这与地上部杂草密度与土壤养分水平的关系呈相反趋势。根据最优防御假说（The optimal defence hypothesis），可能是由于杂草在处于竞争劣势时会在短时间内分配更多的资源用于生殖，而减少营养生长的投入（Blossey et al.，1995）。万开元等（2010）发现，施用N肥是杂草种子库增加的主要因素；本研究 RDA结果表明，养分因子对杂草种子库的影响程度大小为P＞N＞K，说明本试验条件下，维持适宜的土壤P、N水平对控制土壤杂草种子库有重要意义。

值得注意的是，后作水稻期间生长的鸭舌草、莲子草等优势杂草并未在冬种黑麦草期间生长，种子库中所检出的种子主要来源于前作水稻。从结果可知，冬种黑麦草对这些杂草种子的后续萌发产生了作用，且不同的前作施肥管理可产生抑制或刺激的作用，积累于土壤的养分可能影响杂草种子的萌发。此外黑麦草的化感作用也可能是原因之一，高承芳等（2014）验证了黑麦草植株具有化感能力，并指出该能力随着施N量的增加而减弱。需进一步探讨黑麦草化感作用、土壤养分对杂草种子萌发的影响等问题，以期深入研究持续控制杂草的机理。

4 结论

在湘西两熟制地区构建的“黑麦草-水稻”轮作系统中，冬种黑麦草期间杂草密度随着黑麦草生长呈现先增后减的变化趋势，与冬闲田相比，种草田延缓了农田杂草的演替，显著降低了地上部杂草与土壤杂草种子库的密度，并存在减少后作水稻杂草发生的趋势。不同施肥措施显著影响了冬季杂草群落结构和密度；本研究条件下，冬季施用 1500 kg·hm-2复合肥在保证黑麦草高产的同时，是最有利于杂草防控的施肥措施；而单施尿素超过 540 kg·hm-2会有增加后作水稻杂草的风险。土壤全 K含量是对冬季杂草群落影响最积极的养分因子；杂草种子库与土壤速效N、P、K呈正相关，其中N、P两个土壤因子的影响较大。