千金子与异型莎草对直播水稻产量的影响及其生态经济阈值研究*

田志慧, 陆俊尧, 袁国徽, 沈国辉**

(1.上海市农业科学院生态环境保护研究所 上海 201403; 2.华东师范大学生态与环境科学学院 上海 200241)

稻田杂草与水稻(Oryza sativa)竞争光照、土壤养分、水分和生存空间等资源, 是影响水稻产量和品质的重要生物因子之一[1-2]。不同地区[3-4]和不同稻作方式[5]、施肥方式[6]影响下稻田杂草的种类组成与群落多样性已有大量研究, 从发生频率、发生量及危害程度等方面看, 千金子(Leptochloa chinensis)和异型莎草(Cyperus difformis)均为典型的稻田优势杂草。千金子为禾本科千金子属一年生草本植物, 其茎基部各节可生出匍匐茎及不定根并横向延伸, 分蘖能力极强, 是遍及世界水稻主产区的恶性杂草之一[7-8]。由于直播水稻面积不断增加、稻田杂草群落结构变化以及除草剂的长期单一使用, 导致直播稻田千金子发生量和占总草的比例不断增加, 对水稻生产的危害程度不断加重[9]。异型莎草为莎草科莎草属一年生草本植物, 常与其他杂草一起构成稻田的主要杂草群落, 是对水稻产量危害较大的主要恶性杂草之一[10]。近年来, 对千金子和异型莎草的研究多集中于其生物生态学特性与发生规律[11]、防除措施[12-13]、除草剂药效和抗药性[14-16]等方面, 而关于其在直播稻田中的生态经济阈值的研究相对较少。张颂函等[17]研究了千金子在直播稻田的发生规律和对水稻产量的损失率, 建立了千金子的生态除草阈值模型; 董立尧等[18]建立了千金子不同密度与水稻有效穗、每穗实粒数、千粒重、产量及其损失率间的函数关系式, 并推导出水直播稻田千金子的生态经济阈值模型; 吴尚等[19]研究发现千金子密度与早稻、中稻和晚稻的产量损失呈幂函数增长趋势, 通过对经济阈值的分析, 化学药剂防除千金子的经济阈值表现为早稻＜晚稻＜中稻; 朱文达等[20]研究了湖北地区中熟晚粳稻受千金子的干扰情况, 得出千金子的经济阈值为5.39 株·m-2。喻如俊[21]的研究发现, 在相同栽培条件下, 早稻产量的损失主要受异型莎草穴夹率及其分蘖株数两个因子影响; 王金其等[22]对直播稻田水莎草(Cyperus juncellus)的发生与防治进行的研究表明, 草稻共生时期和杂草数量是水莎草造成水稻产量损失的主要因子。上述研究仅限于考察单个杂草物种对水稻产量的影响及其经济阈值, 而对于两种以上杂草对水稻的危害及其生态经济阈值尚不清楚。本研究旨在明确直播稻田不同密度千金子与异型莎草组合以及与水稻不同共生时间条件下对水稻产量的影响, 探明千金子和异型莎草复合的生态经济阈值以及防除临界期, 为科学防除杂草并从源头上降低除草剂使用量提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料和样地

试验在上海市农业科学院庄行综合试验站进行。试验田地势平坦, 土质为黄泥土, 肥力均匀, 灌溉方便, pH 为6.9, 有机质含量20 g·kg-1, 前茬作物为小麦(Tritium aestivum)。试验田用不透水PVC 板插入土中80 cm 隔成面积1.5 m2的小区, 各小区可单排单灌。供试水稻品种为‘青香软粳’, 人工水直播, 水稻为催芽播种, 芽为半粒谷长, 播种量为75.0 kg·hm-2。2018年6月7日将催芽过的水稻种子定量、均匀播撒在每个小区中, 每天检查水稻种子的出苗情况, 查缺补漏, 确保播种的种子顺利成活长出幼苗。试验田按照水稻栽培管理要求和病虫害发生情况, 进行水浆管理、肥料运筹和病虫害防治工作。

1.2 试验设计

组合杂草密度对水稻产量的影响试验设置千金子与异型莎草组合共13 个处理, 各处理千金子密度(株·m-2)+ 异型莎草密度(株·m-2)分别为: 0+0 (CK)、2+0、2+2、2+4、2+8、4+0、4+2、4+4、4+8、8+0、8+2、8+4 和8+8, 各处理杂草与水稻在整个生育期共生。

两种杂草的组合与水稻不同共生时间对水稻产量的影响试验在上述试验设置的平均密度(千金子4.67 株·m-2和异型莎草3.50 株·m-2)上展开, 设置杂草组合与水稻共生0 d、15 d、30 d、45 d、60 d和水稻全生育期共生(140 d)6 个水平。

杂草选用人工辅助移栽的方法, 水稻直播当天在苗床上撒播杂草种子, 水稻播种后一周内, 挑选长势良好且均匀的杂草幼苗进行人工配置, 将千金子和异型莎草按照设定的密度组合分别移植入小区, 在水稻间进行均匀定植。每个处理小区设置3次重复, 随机区组排列。整个试验过程中, 定期检查每个小区内水稻和杂草的生长情况, 使水稻密度和杂草密度均控制在设计的水平上, 并人工拔除小区内出现的其他杂草。

1.3 调查方法与数据处理

水稻成熟时进行取样测产, 每个小区取0.25 m2样方, 对样方内水稻有效穗数、每穗实粒数、千粒重及总重进行测定, 计算理论产量和损失率。

试验数据经Excel 软件统计汇总, 显著性检验应用单因素方差分析(one-way AVOVA)新复极差测验法(Duncan)进行, 相关性分析采用Pearson 相关系数法, 相关通径分析使用逐步回归法实现, 各分析在SPSS 25.0 软件中完成。

采用线性、对数、二次曲线、幂函数和指数函数等5 种回归模型对不同密度和共生时间下两种杂草组合与水稻产量损失率进行拟合, 根据曲线拟合程度、显著性水平及实际生产情况等, 选出最佳的拟合模型。

稻田的经济危害允许水平(LEI, %)按照现阶段水稻实际生产条件进行计算, 计算公式[23]为:

式中: C 表示杂草防除费用(元·hm-2), Y 为水稻预期产量(kg·hm-2), P 为稻谷市场价格(元·hm-2), E 为杂草防除效果(%), F 为杂草在生态经济阈值水平上所产生的经济效益(元·hm-2)。

以目前的水稻生产水平为准, 水稻预期产量(Y)按照8 000 kg·hm-2计算, 稻谷市场价格(P)以2.9 元·kg-1计算; 根据目前农业生产实际情况, 采用人工除草时, 稻田杂草防除的费用(C)约为1 200 元·hm-2, 杂草防除效果(E)在80%左右。根据现阶段水直播稻田生产实践情况, 估得稻田杂草在生态经济阈值水平上所产生的经济效益(F)约为30 元·hm-2。由经济危害允许水平计算公式计算得出稻田杂草的经济危害允许水平为6.60%。

2 结果与分析

2.1 不同密度千金子与异型莎草组合对水稻产量的影响

2.1.1 对水稻产量性状的影响

对水稻产量性状的分析结果表明, 水稻与不同密度千金子和异型莎草全生育期共生条件下, 当两种杂草密度均不断增加或当一种杂草密度固定不变, 另一种杂草密度逐渐增加时, 水稻的有效穗数、每穗实粒数和千粒重均呈现逐渐减少的趋势(表1)。当千金子密度和异型莎草密度均≤2 株·m-2时, 水稻的有效穗数、每穗实粒数和千粒重与空白对照相比均无显著差异, 但是当千金子和异型莎草密度为(2+4)株·m-2或(4+0)株·m-2时, 水稻的有效穗数、每穗实粒数和千粒重均显著低于空白对照。单位面积千金子和异型莎草总株数相同时, 两种杂草的不同组合对水稻产量性状的影响不同, 当千金子密度和异型莎草密度分别为2 株·m-2和8 株·m-2时, 水稻有效穗数为281.67 穗·m-2, 每穗实粒数为79.80, 千粒重为26.97 g; 而千金子密度和异型莎草密度分别为8 株·m-2和2 株·m-2时, 水稻有效穗数为172.67 穗·m-2, 每穗实粒数为74.50, 千粒重为26.70 g。相关性分析结果(表2)表明, 千金子密度与水稻有效穗数和每穗实粒数均呈极显著负相关, 与水稻千粒重呈显著负相关; 异型莎草密度与水稻每穗实粒数呈极显著负相关, 与水稻有效穗数呈显著负相关, 与水稻千粒重无显著相关性。

从水稻产量分析, 随着千金子和异型莎草密度增加, 水稻产量逐渐降低, 由7 748.57 kg·hm-2降至2 236.37 kg·hm-2, 产量损失率为0.12%～71.14%(表1)。当千金子和异型莎草密度均≤2 株·m-2时, 水稻产量与 空白对照无显著差异, 产量损失率低于3.39%; 在杂草组合密度相同的条件下, 两种杂草的密度组合不同, 造成的水稻产量损失率存在显著差异, 如当千金子密度为4 株·m-2, 异型莎草密度为2 株·m-2时, 水稻产量损失率为24.89%, 而当异型莎草密度为4 株·m-2, 千金子密度为2 株·m-2时, 水稻产量损失率为14.30%, 说明千金子和异型莎草的密度对水稻产量的影响程度存在差异。相关性分析结果(表2)表明, 千金子密度与水稻产量损失率呈极显著正相关, 异型莎草密度与水稻产量损失率呈显著正相关。

表1 不同密度千金子和异型莎草组合对水稻产量性状的影响 Table 1 Effects of different densities of Leptochloa chinensis and Cyperus difformis on rice yield traits

表2 千金子和异型莎草密度与水稻产量性状的相关性 Table 2 Correlation between densities of Leptochloa chinensis and Cyperus difformis and yield traits of rice

由不同杂草密度下水稻产量性状与产量损失率的相关性分析结果(表2)可知, 有效穗数、每穗实粒数和千粒重与产量损失率均为极显著负相关, 且相关程度为有效穗数＞每穗实粒数＞千粒重。水稻各产量性状间, 有效穗数与每穗实粒数、千粒重与每穗实粒数均呈极显著正相关, 千粒重与有效穗数呈显著正相关。可知随着千金子和异型莎草密度的增加, 水稻有效穗数和每穗实粒数显著降低, 进而导致水稻减产。

2.1.2 千金子+异型莎草复合密度与水稻产量损失率的最佳回归模型

千金子密度和异型莎草密度对水稻产量和产量损失率的影响程度不同。相关系数矩阵(表2)表明, 千金子和异型莎草的密度与水稻产量损失率均存在显著正相关, 且相关程度为千金子密度＞异型莎草密度。

千金子密度和异型莎草密度对水稻产量构成损失的通径分析可知, 千金子密度影响水稻产量损失率的直接效应为0.687 2, 通过异型莎草影响产量损失率的间接效应为0.074 5; 异型莎草密度直接影响产量损失率的直接效应为0.518 7, 异型莎草通过千金子影响产量损失率的间接效应为0.098 7。说明千金子密度和异型莎草密度对水稻产量损失率的影响均以直接作用为主, 且千金子密度对产量损失率的影响程度更大, 当千金子密度每增加1 个单位时, 可直接导致0.687 2 个标准单位的水稻产量损失; 当异型莎草密度每增加1 个单位时, 可直接导致0.518 7个标准单位的水稻产量损失。按照两者对水稻产量损失率的直接效应系数, 千金子对水稻产量损失造成的影响是异型莎草的1.32 倍, 据此将千金子和异型莎草不同密度的组合转换为千金子+异型莎草的复合密度, 复合密度即千金子密度×(1+1.32)。

采用5 种拟合模型对千金子+异型莎草复合密度与水稻产量损失进行曲线拟合和回归分析。通过回归分析结果(表3)可知, 5 种拟合模型的R2依次为二次曲线＞线性＞幂函数＞对数＞指数, 直线函数的F值最高, 且5 种模型均能较好地表示千金子+异型莎草复合密度与水稻产量损失率之间的关系(P＜0.01)。根据各回归模型的R2值、F 值、显著性以及曲线与实测值的拟合效果, 并结合农业生产实际情况综合分析, 直线函数模型 y=4.905x-13.696 (R2=0.836, F=51.104, P=0.000)能最好地拟合千金子+异型莎草复合密度与水稻产量损失率间的关系。

2.1.3 千金子+异型莎草生态经济阈值的确定

根据稻田杂草经济危害允许水平(6.60%)和水稻产量损失率与千金子+异型莎草复合密度的最佳关系模型y=4.905x-13.696, 计算得出直播稻田千金子+异型莎草防除的生态经济阈值。人工防除千金子与异型莎草复合杂草的生态经济阈值为4.14 株·m-2, 即当直播稻田千金子+异型莎草复合密度达4.14 株·m-2以上时, 即需要进行人工防除。

2.2 不同共生时间下千金子与异型莎草组合对水稻产量的影响

2.2.1 对水稻产量性状的影响

由表4 可知, 在千金子4.67 株·m-2和异型莎草3.50 株·m-2的平均密度下, 随着千金子和异型莎草与水稻共生时间由0 d 增加到水稻全生育期, 水稻有效穗数、每穗实粒数和千粒重均呈现下降趋势, 其中, 千金子和异型莎草与水稻共生15 d 之内, 水稻有效穗数、每穗实粒数和千粒重与空白对照均无显著差异。共生时间超过30 d 之后, 三者与空白对照均差异显著。由相关性分析结果(表5)可知, 共生时间与有效穗数呈极显著负相关关系, 与每穗实粒数呈显著负相关关系, 与千粒重并无显著相关性。

表3 千金子+异型莎草复合密度(x)与水稻产量损失率(y)的回归分析 Table 3 Regression analysis between composite density of Leptochloa chinensis and Cyperus difformis (x)and rice yield loss rate (y)

表4 千金子与异型莎草组合与水稻共生时间对水稻产量性状的影响 Table 4 Effects of coexistence periods of Leptochloa chinensis and Cyperus difformis with rice on rice yield traits

随着千金子和异型莎草与水稻的共生时间增加, 水稻产量总体呈逐渐降低趋势, 由7 711.77 kg·hm-2显著降至5 138.33 kg·hm-2(表4)。其中, 千金子和异型莎草与水稻共生15 d 时, 水稻产量与对照处理无显著差异, 产量损失率为2.01%, 说明15 d 之内的千金子和异型莎草生长对水稻产量没有显著影响; 千金子和异型莎草与水稻共生30 d、45 d、60 d 和全生育期时, 水稻产量逐渐降低, 产量损失率逐渐增加, 但相邻处理间差异不显著。由相关性分析(表5)可得, 共生时间与产量损失率之间呈显著正相关。

由水稻各产量性状与产量损失率间的相关性分析结果(表5)可知, 有效穗数、每穗实粒数和千粒重与产量损失率呈显著负相关, 相关程度为有效穗数＞每穗实粒数＞千粒重。水稻各产量性状间, 每穗实粒数与千粒重、千粒重与有效穗数均呈显著正相关, 有效穗数与每穗实粒数呈极显著正相关。可知千金子和异型莎草与水稻共生时间不同程度影响了有效穗数、每穗实粒数和千粒重, 进而导致水稻减产。

表5 千金子和异型莎草与水稻共生时间与水稻产量性状的相关性 Table 5 Correlation between coexistence periods of Leptochloa chinensis and Cyperus difformis with rice and rice yield traits

2.2.2 千金子+异型莎草共生时间与水稻产量损失率的最佳回归模型

通过回归分析结果(表6)可知, 5 种拟合模型的R2依次为二次曲线＞对数＞幂函数＞线性＞指数, 对数函数的F值最大; 二次曲线和对数函数模型能较好地表示千金子+异型莎草和水稻共生时间与水稻产量损失率之间的关系(P＜0.05), 其他3 种模型均无显著性。根据各回归模型的R2值、F 值、显著性以及曲线与实测值的拟合效果, 并结合农业生产实际情况综合分析, 对数曲线模型y=13.839lnx-32.394 (R2=0.949, F=55.835, P=0.005)能最好地拟合千金子+异型莎草和水稻共生时间与水稻产量损失率间的关系。

表6 千金子和异型莎草与水稻共生时间(x)与水稻产量损失率(y)的回归分析 Table 6 Regression analysis between coexistence periods of Leptochloa chinensis and Cyperus difformis with rice (x)and rice yield loss rate (y)

2.2.3 千金子+异型莎草防除临界期的确定

根据稻田杂草经济危害允许水平(6.60%)和千金子和异型莎草不同共生时间与水稻产量损失率的最佳关系模型 y=13.839lnx-32.394, 得出直播稻田千金子和异型莎草组合的防除临界期。计算结果表明, 在6.60%的经济危害允许水平下, 人工防除千金子与异型莎草组合的防除临界期为16.7 d, 即当稻田千金子和异型莎草与水稻共生时间达16.7 d时, 水稻产量损失开始发生, 为避免后续产量损失的加重, 需要在此临界期之前对千金子和异型莎草进行防除。

3 讨论

研究杂草对水稻生长指标和产量的制约, 确定杂草与水稻竞争临界期, 可为更加合理地进行人工、化学、机械防除稻田杂草提供科学依据[24]。稻田优势杂草尤其是恶性杂草, 往往具有很强的种间竞争能力[25], 国内外学者已针对作物与杂草的种间竞争关系开展了多项研究[26-27], 并多用数学模型进行描述[28]。目前国内外对于稻田杂草影响水稻产量和杂草生态经济阈值模型的研究, 多集中于单一杂草种类。对于人工防除稻田千金子的生态经济阈值, 张颂函等[17]研究结果为1.73～2.31 株·m-2, 董立尧等[18]研究结果为3.47 株·m-2, 吴尚等[19]研究结果为2.26～3.56 株·m-2, 朱文达等[20]研究结果为5.39 株·m-2。本研究得出直线函数模型y=4.905x-13.696 能最准确地反映出千金子+异型莎草复合密度与直播水稻产量损失率间的变化趋势, 在此基础上计算得出人工防除千金子与异型莎草复合时的生态经济阈值为 4.14 株·m-2。农业生产实践中, 杂草种类繁多且往往混合生长, 复合杂草生态经济阈值研究更符合稻田杂草实际发生情况。

稻田杂草和水稻处于不同的生育期时, 两者间的竞争关系也会随之发生改变。研究发现稻田杂草的除草时间和留草时间会影响到杂草与水稻的竞争关系[29]。研究直播稻田杂草与水稻的竞争关系发现, 水稻生育前期的营养生长是抑制稻田杂草的关键[30], 稻田中杂草和水稻几乎一起出苗, 甚至杂草先于水稻出苗, 竞争问题更为严重[31]。同时, 随着杂草和水稻共生时间的延长, 竞争带来的损失就会更大[32]。本研究得出千金子和异型莎草不同共生时间与水稻产量损失率的最佳关系模型为y=13.839lnx-32.394; 根据稻田杂草经济危害允许水平计算出人工防除千金子与异型莎草复合种群的防除临界期为16.7 d, 这是防除杂草的最后机会, 即在防除临界期前进行杂草防除才是经济有效的。本研究结果与董立尧等[18]、薛连秋等[33]相关研究在同一时间范围内, 且与稻田稗(Echinochloa crusgalli)、千金子等优势杂草的发生时间规律相吻合。防除临界期是杂草与作物争夺光热水肥的关键时期, 且因两者的种类、种植方式、防除措施的不同而呈现出不同程度的差异性[34], 在杂草与水稻共生时间达到防除临界期时进行防除, 权衡杂草对于整个生态系统的积极与消极作用, 尽可能地最大化积极作用, 也将其造成的产量损失率控制在预估的经济危害允许水平之内。

水直播是本地区水稻种植的最主要方式, 而千金子和异型莎草则是水直播稻田出现频率最高、为害最为严重的杂草种群之一。为了控制杂草的为害, 目前生产上通常需要使用3～4 次除草剂进行防除, 对农田生态环境保护造成了较大压力。当前, 病虫害的防治通常在其为害达到防治指标时才使用农药, 而人们对杂草的防除理念却仍然沿用着古代农耕“除小除早, 见草即除, 除草必净”的传统除草原则[35], 这与生态农业“注重经济效益, 兼顾生态效益”的管理模式不吻合。本研究提出了只有当千金子与异型莎草复合为害达到生态经济阈值即杂草防除指标时才进行防除的理念, 这对改变杂草防除的传统理念, 弥补当前稻田杂草没有防除指标指导的现状, 避免除草剂盲目使用, 减少除草剂使用次数, 降低除草剂使用剂量、节约除草成本、保护农田生态环境具有积极的指导意义。当然, 当田间杂草为害达到生态经济阈值时, 必须在防除临界期之内, 选用针对性强的除草剂及时进行有效防控。否则, 一旦错过防除最佳时间、或因除草剂品种选择不当、使用剂量不准确, 均会导致杂草防除失控, 对水稻产量造成较大影响。

4 结论

本研究结果表明, 随着千金子和异型莎草组合密度的增加及与水稻共生时间的延长, 水稻的产量性状受到明显影响, 具体表现为有效穗数、每穗实粒数和千粒重的显著下降, 从而导致水稻产量的降低。低密度或短共生时间内的两种杂草组合对水稻产量基本没有影响, 此时进行杂草防除则无经济效益, 因此生产上无需“见草即除”。从密度梯度看, 在组合杂草与水稻整个生育期共生条件下, 当杂草复合密度达到4.14 株·m-2时, 则必须对其进行防除; 从共生时间的尺度看, 在试验设置密度条件下, 必须在水稻种植后的16.7 d 进行杂草防除, 否则将对水稻产量和经济效益造成明显影响。本研究结果对避免除草剂盲目使用、减少除草剂使用次数、降低除草剂用量、节约除草成本和保护农田生态环境具有指导作用。