土壤酸化对农田杂草群落组成的影响

张 震，刘 静，王力超，董召荣

(1. 安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2. 安徽农业大学农学院，合肥 230036)

土壤退化是在自然及人为影响下土壤质量及其生产力持续下降甚至完全丧失的过程[1]。目前已经成为严重的全球环境问题之一[2]，加剧人口、资源、环境之间的矛盾，影响着人类生存、繁衍。其中，土壤酸化是土壤退化的一种重要表现形式[3]。随着土壤中的H+和Al3+数量增加，土壤盐基饱和度下降会破坏土壤中原有酸碱平衡和缓冲能力，从而加剧土壤酸化[4]。土壤自然状态下的酸化过程较为缓慢。但是随着工业发展、人类活动如化学肥料的不合理施用和大气酸沉降等，加快了土壤酸化过程[5]。土壤酸化不仅严重限制了部分地区的农业生产，还会对农业生态环境带来严重威胁[6]。

土壤酸化问题在我国普遍存在，热带、亚热带地区等南方地区尤为突出，但是土壤酸化北移的趋势也十分明显[6-7]。近几十年以来，华北潮土区和东北黑土区的土壤受酸沉降和过量施用氮肥的影响，土壤酸化程度也显著加快[6]，华北潮土区土壤pH下降了0.9，东北黑土区pH 下降了0.33[7]，全国农田土壤pH 平均下降了0.5[8]。强酸性土壤（pH＜5.5）的面积已由20 世纪80 年代的约1.69 亿亩增加到21 世纪初的约2.26 亿亩[9]。随着未来农田集约化发展和粮食需求进一步增加，农田土壤酸化还将持续加重[8]。

相关研究显示，长期过量施用化学氮肥是我国农田土壤酸化加速的主因[10]。土壤酸化会造成农田土壤质量和生产力下降，使得植物生长发育受到严重制约，从而造成农作物减产。田间杂草作为农田生态系统的重要组分，其较高的植物多样性是稳定农田生态系统的基础[11]，对维持农业生态系统的稳定和平衡具有重要意义[12]。研究表明土壤酸化会导致喜酸性杂草成为单一优势种群，从而加重农田草害影响农业生产[13]，土壤酸化会通过降低生物多样性、改变生物群落结构[14]，影响农田生态系统稳定性。因此，维持适当数量和种类的杂草不仅有利于保持土壤水肥，还可以维持农业景观的生物多样性和提高农业利用效率[15-17]。陈欣等研究表明农业生态系统杂草多样性的保持，有利于保护天敌控制农业害虫[16]；Norris 等也发现杂草与节肢动物之间的相互作用对害虫综合防治有一定的影响[17]。水田生态系统中，杂草具有消除和减轻污染作用，稻田中常见的浮萍对镉离子有较强的富集作用，农田灌溉沟渠保持一定的杂草如空心莲子草和鸭舌草，有利于灌溉水的净化[12]。同时杂草也具有保持土壤水肥的效应，张磊等发现田间保留的杂草能够提高表层土壤水分含量，杂草保留区中土壤速效养分（碱解氮、速效磷和速效钾）储量最高，表现出较高的土壤养分供给能力[18]。当前，国内外学者对不同施肥方式和耕作方式导致土壤酸化的相关问题进行大量研究，在土壤酸化机理研究方面取得显著成果[4,19-21]。除自然原因和酸沉降外，汪吉东等[22]研究表明，不合理施用化肥导致的土壤酸化问题越来越突出。张逸飞等[23]发现，单一种植方式也会造成土壤酸化和土壤酸缓冲能力下降。现阶段研究大量集中于不同施肥方式和耕作方式对杂草群落的影响[11,22-23]，对土壤酸化条件下农田杂草群落组成及其多样性影响研究相对较少。本研究通过定位实验，探究土壤酸化下农田杂草群落的物种组成状况，分析不同酸化程度下农田杂草群落的特征变化，阐释酸化程度与农田杂草群落多样性之间的关系，以期为农田杂草的防控与管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于安徽农业大学大杨镇高新技术农业园（31°21'36″ N，116°27 '01″ E），属亚热带湿润性季风气候，四季分明，雨热同期，多年平均气温15.3 ℃、平均日照数2 100 h、平均无霜期227 d、平均降水量近1 000 mm，降水量主要集中在5—9月份。农田种植以小麦-水稻轮作为主。

1.2 实验设计

2017 年11 月对预留田地（实验面积为120 m2）进行土壤酸化处理[10,19]，通过添加不同浓度的盐酸（HCl）处理，试剂浓度为 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，经过180 d 的熟化处理，至土壤pH稳定。共得到4 个水平的酸化处理（pH=4.6、5.3、5.6、6.8），原始耕地土壤作为对照组（pH=7.2），共计5 个处理，每个处理3 个重复。每个重复面积为2 m×2 m，为避免相互影响每个处理之间设置2 m隔离带，且用1 m 高塑钢板埋入地50 cm 进行隔离。

1.3 调查方法

2018 年6 月上旬对实验范围内的各个酸化处理区进行随机取样调查。每个处理随机设置6 个0.5 m×0.5 m 的样方。测定样方内杂草植物种类、高度、密度、频度。按照杂草的形态进行植物学鉴定分类，主要参考李扬汉《中国杂草志》[24]。野外未能识别的杂草编号存样，带回实验室继续鉴别。

1.4 数据分析

某种杂草的重要值[25]IV=相对密度（RD）+相对盖度（RC）+相对频度（RF）

其中，相对密度（RD）为群落中某种植物的密度占群落总密度的的百分比，相对盖度（RC）为群落中某种植物的分盖度占群落内总盖度的百分比，相对频度（RE）分别为群落内某种植物出现的频度占群落内所有植物出现的总频度的百分比。

用 Shannon-Wiener 多样性指数（H′）、 Simpson优势度指数（C）、Pielou 均匀度指数（E）和Margalef丰富度指数（D），作为表征不同酸化处理区农田杂草群落多样性基本特征。

各指数计算公式如下[25]。

式中：S表示样方物种数；N表示所有物种总个体数；Pi表示第i个种的个体数占所有物种个体总数的百分比（Pi=Ni/N），Ni表示第i个种的个体数。

杂草群落相似度采用Jaccard 指数[26]进行计算，表示不同酸化处理内杂草群落间的物种相似，数字越大表明物种相似度越高。Jaccard 指数（C） ：

其中，j表示任意两个处理中共有杂草物种数，a、b分别为两个处理内的杂草物种数。

利用Excel 2007 统计处理田间杂草的种类、密度和盖度等相关数据，得到杂草多样性评估指标；采用IBM SPSS statistics 20 软件进行进一步处理分析，采用差异显著性分析采用邓肯多重比较法分析各酸化处理与杂草群落多样性指数的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同酸化土壤程度下农田的杂草组成

调查发现，实验区杂草共11 科18 属 19 种，1 435 株；其中，一年生杂草主要有菵草（Beckmannia syzigachne）、稗草（Echinochloa crusgalli）、婆婆纳（Veronica didyma）等16 种，占物种种类的84.21%，其植株数量为所有物种株数的79.6%；多年生杂草有珍珠菜（Lysimachia clethroides）、白茅（Imperata cylindrica）2 种，占物种种类的10.53%，植株数量为所有物种株数的17.9%；一年生或两年生杂草有一年蓬（Erigeron annuus），占物种种类的5.26%，植株数量为所有物种株数的0.82%。其中，酸化处理区内的杂草共7 科10 种11 属，1 190 株，占物种种类的 52.63%，植株数量为所有物种株数的82.93%，且多为一年生杂草。农田杂草组成受土壤酸化影响，物种逐渐单一。但各处理区杂草数量变化较大，其中一年生的稗草、菵草在不同酸化处理区均有生长，占所有物种株数的80.2%，是不同酸化区的重要杂草（见表1）。

表1 不同酸化程度下农田杂草物种组成与植株数量Table 1 Composition and the number of weed under different degrees of acidification

2.2 不同酸化处理下农田中杂草重要值和优势种分析

在各个处理中，稗草和罔草均呈现明显优势度，牵牛花、细叶旱芹及一年蓬等杂草则受土壤酸化程度影响，重要值降低，在群落中的地位也逐渐下降。在pH=4.6、5.5 和6.3 农田土壤酸化处理条件下稗草的重要值都在1.50 以上（表2），与其他植物在酸化处理条件下的重要值相比，呈现了绝对优势；罔草次之，其他优势种受酸化影响数量变化明显。pH=6.8 处理条件下，白茅取代稗草成为主要优势种，菵草的重要值虽有所下降，但仍占据第二地位成为亚优势种。各个处理内杂草优势物种已经出现较大差异，说明土壤酸化会改变原有群落杂草分布格局，产生新的优势种。

表2 不同酸化农田杂草的重要值Table 2 Important value analysis of weeds under different degrees of acidification

图1 不同酸化处理下农田杂草群落多样性分析Figure 1 Weed community diversity index under different degrees of acidification

表3 不同酸化处理中农田杂草物种相似性分析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杂草多样性及其指数特征

受土壤酸化环境的影响，杂草的 Shannon-Wiener 多样性指数、Simpson 多样性指数、Margalef丰富度指数和Pielou 均匀度指数随着酸化程度加重均呈下降趋势，见图1。其中Shannon-Wiener 和Simpson 多样性指数上，见图1（a）和图1（b），各处理间均存在显著性差异（P＜0.01）；Margalef丰富度指数上，见图1（c），仅酸化处理（pH=4.6、5.5）间差异不明显；Pielou 均匀度指数，图1（d），pH=6.3 与6.8 的处理区域内杂草群落无显著性差异；综合来看，对照区农田（pH=7.2）从生物多样性的物种丰富度、均匀度指数来看，杂草群落结构较复杂，稳定性强；土壤酸化程度加重，农田杂草群落由原本群落种类丰富、分布均匀趋于单一分散，生物多样性下降，群落杂草优势种更加突出。

2.4 不同酸化程度下农田杂草物种组成相似性

分析不同酸化处理下的农田杂草物种相似性（表3），结果表明：各处理间杂草群落的物种组成差异性较大。其中pH=5.5 处理和pH=6.3 处理条件中物种相似性最高，相似性指数达0.80；pH=6.3 处理区与对照区（pH=7.2）相似指数最低，为0.20；pH=4.6 处理和pH=5.5 处理区的相似性指数为0.60；pH≤6.3 的酸化处理条件下，农田杂草群落间物种组成相似指数均大于0.50，其他处理间物种的相似性指数均小于0.4。表明土壤酸化对植物种类影响较大，改变了部分物种在群落中的优势度。

3 讨论与结论

农田杂草群落处在人工频繁干扰的独特生境之中，作为农田生态系统的重要组成部分, 在维持生态系统平衡中起着重要作用，其群落组成不仅受气候条件、作物类型、耕作措施影响，还受到土壤类型等因素的作用[27]。当其影响因素发生变化时，农田杂草群落也发生变化，有学者发现苏州地区机插水稻田比常规水育移栽稻田和直播稻田更利于阔叶类杂草的发生[28]，李淑顺等[29]研究发现不同栽培模式6种稻作模式中麦套稻的杂草危害程度最高，庄家文等[30]发现单一栽培模式下，生活史和作物生产相适应的一年生杂草大量暴发。本研究发现，农田酸化后杂草种类明显减少，群落中以一年生禾本科杂草为主，且杂草的植株数量呈先上升后下降趋势（特别是禾本科类杂草），且在酸化程度较重（pH≤6.3）的处理间，杂草物种相似性较高，禾本类杂草成为群落优势种。该结果与彭清青等[31]研究结果相一致，即酸胁迫有利于提高禾草类种子的萌发率，同时有研究表明禾本科类杂草具有生态适应性、抗逆性和对酸性条件耐受力强等特点[32]，适当酸处理会促进种子萌发，改变群落的杂草群落组成[33]。

谢一鸣等[34]研究指出生境的综合特征与群落物种组成特征间具有显著关联，物种多样性则从不同角度衡量物种群落稳定性，当群落多样性、物种丰富度和均匀度指数越大，物种的优势度越小，则群落结构越复杂，其反馈系统也越强大，对于环境的变化或来自物种群落内部种群波动的缓冲作用越强，物种群落也越稳定，这样的杂草群落中优势种不太突出[35-36]。本研究也证实这一观点，农田杂草杂草群落的α 多样性指数、丰富度指数和均匀度指数随酸化加重而降低，群落稳定性下降，群落中优势种更突出。在酸化农田中一年生禾本科杂草植株在群落中占比达80.2%，稗草、罔草等杂草成为田间主要优势种，加剧了农田草害爆发，农田草害的爆发不仅是生态失衡的表现更是严重制约农作物生长的表现。这可能与土壤H+浓度过高时导致其根系生长受阻，破坏成长机制[37]，种间作用使某些竞争能力弱的物种（旋花科、大戟科等）在环境中被优势种剔除，增强优势物种聚集格局[38]，物种间表现出更高的相似性。

农业实际生产中，化学肥料的大量实施，导致农田酸化严重，成为南北方农业种植一大问题。如何有效提高氮肥利用率，改良酸化农田土壤，保持农田生态系统稳定成为一大难题。研究表明农田杂草群落多样性主要与耕作施肥及栽培方式的变化、单一除草剂的长期使用、农田气候的稳定性等有关[39]。李昌新等[40]提出秸秆还田和有机肥施用对冬闲田冬春季杂草群落的调控效应显著，并指出平衡施用 N、P、K 肥, 并配合施用有机肥（猪粪和秸秆），不仅有利于促进作物的生长，保持农田生态系统中一定水平的杂草生物多样性，也有利于降低某些优势杂草在群落中的优势地位。陈森等[41]认为茶园覆盖与间作不仅在一定程度上能够降低土壤的pH、有效防控茶园杂草，还有利于培肥土壤。周海燕等[42]研究也表明使用石灰氮，有助于缓解土壤酸化程度，杂草防治效果也随着上升。

因此，为促进农业增产，采用各种积极有效措施维持土壤适宜pH 值，能够有效控制农田中杂草的发生，促进杂草和农作物之间形成一定平衡关系[43]，降低农田草害的暴发，同时，在农业管理中要密切关注常见杂草和一般性杂草，重视田间与优势杂草的生态学特性相似程度较高的杂草，降低其转变为优势杂草的可能性[44]，从而使使杂草危害降低。

本研究通过定位实验，分析了不同酸化程度下农田杂草群落组成和杂草群落多样性的变化，阐明了土壤酸化降低了杂草群落的多样性、改变了农田杂草群落结构，提高了耕地草害的发生机率，影响了农田生态系统功能正常发挥。在农业实际生产中分析土壤酸度与农田杂草群落结构的关系，能够有效降低草害，做到科学治草。