长期不同施肥处理对黄壤性水稻田杂草生物多样性的影响

冉海燕,黄兴成,兰献敏,何秀龙,陈仕红,叶照春

(1.贵州省农业科学院植物保护研究所,贵州贵阳 550006; 2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所,贵州贵阳 550006;3.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站,贵州贵阳 550006)

杂草是农田生态系统中的重要组成部分,耕作方法、种植模式、管理措施均会影响杂草群落多样性及稳定性。在农田耕作管理中,施肥影响土壤属性状况,进而改变作物与杂草间的竞争关系。研究施肥对农田杂草生物多样性的影响,揭示农田杂草生物多样性对长期施肥的响应机制,对黄壤区农田杂草生物多样性保护和生态控制具有重要意义。尹力初等在不同施肥处理对玉米田杂草的影响研究中,通过主成分分析指出,土壤速效磷、速效氮含量是影响田间杂草群落的主要因子[1];蒋敏等就长期不同施肥方式对太湖地区稻麦两熟制条件下杂草群落的影响研究,明确指出土壤氮、磷、有机质含量是影响田面杂草密度和优势种群分布的主要土壤养分因子[2];黄兴成等研究了黄壤性稻田稗草发生特征对长期不同施肥的响应,结果表明有机肥提高了稗草的发生密度、单株穗数和总穗数,土壤磷含量是影响稗草密度和总穗数的直接因素[3];张志铭等在小麦—玉米和小麦—大豆轮作方式下,研究长期不同施肥方式对麦田杂草群落结构及多样性的影响,不同施肥处理杂草群落存在显著差异,且某些杂草对土壤养分表现出一定的依赖性[4];施林林等研究了不同施肥处理对稻麦轮作田杂草群落多样性的影响,明确指出土壤养分盈亏决定了田面杂草密度和优势种群,其中土壤氮含量对杂草群落的影响最显著[5]。唐静等从施肥模式对油菜、杂草、土壤养分及油菜-杂草空间分布影响开展研究,得出长期土壤养分亏缺会显著影响作物-杂草生长与空间分布,杂草优势群落存在显著差异,平衡施肥有助于形成作物杂草良性竞争[6]。张钰薇等在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研究中发现,施肥措施引起土壤钾(K)含量的差异是影响冬季杂草群落的主要因素,土壤氮(N)、磷(P)含量的差异是影响土壤种子库的主要因素[7]。前人的研究多集中在轮作对杂草群落的影响,但对冬季休耕、单一种植模式田间杂草群落特征变化的研究报道鲜见。本研究拟采用群落生态学方法,以期明确单一种植模式下,长期不同定位施肥处理对黄壤性稻田季杂草群落特征的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究依托于农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站的一项连续25年(1995—2020年)长期定位施肥试验。试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内(106°39′52″ E,26°29′49″ N),地处黔中丘陵区,属亚热带季风气候,平均海拔1 071 m,年均气温15.3 ℃,年均日照时数1 354 h左右,相对湿度75.5%,全年无霜期270 d左右,年降水量1 100～1 200 mm。试验地土壤为黄壤性水稻土黄泥田土种,1994 年采集基础土样,其耕层(0～20 cm)土壤基本性质如下:有机质含量44.9 g/kg,全氮含量 1.96 g/kg,全磷含量0.95 g/kg,全钾含量16.4 g/kg,碱解氮含量159 mg/kg,有效磷含量13.4 mg/kg,速效钾含量294 mg/kg,pH值为6.75,成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。试验田水稻种植品种为茂优601,2020年5月26日施基肥并移栽,此时田间杂草未萌发;2020年6月1日施返青肥,田间杂草偶见萌发;2020年6月28日施分蘖肥,田间杂草2～4叶期。

1.2 试验处理

2020年初分别采集并测定不同施肥处理0～20 cm土层土壤,试验共设7个处理,NP(氮磷肥)、PK(磷钾肥)、NK(氮钾肥)、NPK(常量化肥)、M(单施有机肥)、1/2MNP(1/2有机肥替代化肥)、CK(不施肥)处理(表1)。

表1 试验处理及不同施肥处理土壤基本性质Table 1 Basic properties of different treatments

1.3 试验设计

黄壤稻田长期定位试验采用大区对比试验设计,小区面积200.99 m2(35.70 m×5.63 m),小区间用水泥田埂间隔,避免各小区间窜灌、窜排。供试化肥为尿素[含氮(N)46.0%]、过磷酸钙(含P2O512.0%)和氯化钾(含K2O 60%);有机肥为牛厩肥,鲜基养分多年测试平均N含量为 2.7 g/kg、P2O5含量为1.3 g/kg、K2O含量为 6.0 g/kg。不同处理施肥量如表2所示,自1995年试验开始,各处理施肥量保持一致。

表2 不同施肥处理施肥量Table 2 Nutrient application rates of different treatments

1.4 调查方法

杂草种类调查:分别于2020年7月3日(水稻分蘖期)、8月3日(水稻抽穗期)、9月24日(水稻收获期)对试验处理农田杂草物种进行调查;将试验地延长边三等分,设置3个调查取样重复小区,每个小区采用3点取样调查法,样方面积0.25 m2(0.5 m×0.5 m),调查田间杂草种类(即物种丰富度)、株数、盖度、高度,水稻收获期调查时将样方内所有杂草带回实验室分类并称其生物量。

杂草优势种确定:为消除各种杂草不均衡分布的影响,采用包含杂草密度和频度的相对优势度(RA)作为衡量某种杂草重要程度的指标。其计算公式为:RA=(相对密度+相对频度)/2,相对密度为小区中某种杂草的密度除以小区中所有杂草的密度之和,相对频度为小区中某种杂草的频度除以小区中所有杂草的频度之和。

杂草群落的物种多样性采用Shannon-Winener指数(H′)测度,群落均匀度采用Pielou指数(J)测度,群落优势度采用Simpson指数(D)测度。测算公式如下:

H′=-∑Pi×lnPi;

(1)

J=H′/lnS;

(2)

(3)

式中:S为样方内杂草种类数量;Pi为样方中第i物种相对多度。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2007、DPS 17.10软件统计处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对杂草群落组成及发生特征的影响

如表3、表4、表5所示,该试验杂草种类主要有稗[Echinochloacrusgalli(L.) P.Beauv.]、野荸荠[HeleocharisplantagineiformisTang et Wang]、野慈姑(SagittariatrifoliaL.)、节节菜[Rotalaindica(Willd.) Koehne]、陌上菜[Linderniaprocumbens(Krock.) Borbas]、异型莎草(CyperusdifformisL.)、鸭舌草[Monochoriavaginalis(Burm. F.) Presl ex Kunth]。水稻不同生育期杂草发生种类存在一定的差异,水稻分蘖期稻田杂草发生种类较少,仅稗草、野慈姑、野荸荠3种。随着水稻的生长,节节菜、鸭舌草、异型莎草和陌上菜偶有发生,但发生不均匀;水稻收获期1/2MNP、M、CK、NPK、NP、NK、PK处理区杂草发生丰富度分别为4、5、3、3、6、3、4,以NP处理最高,CK、NK、NPK处理最低。同一施肥处理对水稻不同生育期田间杂草发生种类无明显影响。水稻不同生育期野荸荠发生密度均高于其他杂草且发生均匀,为田间主要优势种杂草。

表3 长期不同施肥处理对水稻分蘖期杂草群落特征的影响Table 3 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the tillering stage of rice

表4 长期不同施肥处理对水稻孕穗期杂草群落特征的影响Table 4 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the booting stage of rice

表5 长期不同施肥处理对水稻收获期杂草群落特征的影响Table 5 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the harvest stage of rice

2.2 不同施肥处理对水稻不同生育期田间杂草多样性的影响

如表6所示,水稻不同生育期杂草群落多样性指数存在差异。水稻分蘖期CK处理Shannon、Pielou指数最高。水稻孕穗期、收获期PK处理Shannon、Pielou指数最高。水稻分蘖期、孕穗期、收获期Simpson指数最高的分别是NP、M、CK处理。方差分析结果表明,水稻分蘖期、孕穗期不同施肥处理间杂草Shannon、Pielou、Simpson指数差异不显著;水稻收获期PK处理杂草Shannon、Pielou指数与其他各处理间差异显著,Simpson指数与其他各处理(除NK处理外)间差异显著。

表6 不同施肥处理对水稻不同生育期田间杂草多样性影响Table 6 Effects of different fertilization treatments on weed diversity in rice fields at different growth stages

2.3 不同施肥处理对水稻收获期杂草生物量的影响

1/2MNP、M、CK、NPK、NP、NK、PK处理杂草总草生物量分别为578.53、573.63、481.28、528.48、413.95、294.17、232.64 g;其中,1/2MNP处理区杂草总生物量最高,PK处理杂草总生物量最低。由图1可知,不均衡施肥处理(NP、NK、PK)的杂草总生物量低于有机肥处理(1/2MNP、M)和均衡施肥(NPK)处理;1/2MNP、M处理区杂草总生物量与CK、NPK、NP处理区杂草总生物量差异不显著,与NK、PK处理区差异显著。

3 讨论与结论

耕作模式、土壤肥力、种植制度等是影响作物生长和田间杂草种群演替的重要因素[8-11],其中施肥是农田生态系统中的一种重要的农作管理措施,长期施肥处理影响了土壤养分空间差异,进而改变了杂草种群结构[12-13]。杂草的发生和危害程度与土壤肥力存在一定的关联作用[14],在本试验中,NP处理田间杂草丰富度最高,其次为M处理,CK、NPK、NK处理区杂草丰富度与其他处理相比较低。

农业生产中,田间杂草种群随着农作物生育期的变化存在季相变化的特点[15-16], 董春华等在双季稻红壤稻田长期定位施肥试验中发现红壤早稻田间杂草与施肥模式和水稻生育期存在紧密的关系[17]。本试验结果表明,水稻不同生育期,田间杂草发生种类存在差异,随着水稻的生长,杂草发生种类增多,杂草发生密度增加。水稻分蘖期稻田杂草主要为野荸荠和野慈姑,水稻孕穗期后稗草、节节菜、异型莎草等杂草偶有发生,但不同施肥处理间杂草发生种类仍存在较大的差异性。

不同养分元素对杂草群落的调节能力存在差异。本试验中,土壤养分元素对杂草生物量的积累表现出显著的差异,长期不均衡施肥处理(NP、NK、PK)的杂草生物量均低于均衡施肥处理(NPK),这与万开元等在长期施肥对砂姜黑土田冬小麦杂草群落的影响研究结果[12]一致。众多研究结果表明,土壤种子库是杂草危害的潜在力量,长期不同施肥处理对土壤杂草种子库具有显著的影响,进而影响地上部分杂草群落组成[18-19],降低土壤杂草种子库是减少杂草对作物危害的有效手段。耕作措施、水肥管理、作物特性均会影响作物田间杂草种群变化,根据作物和杂草的生长特性和肥力需求,合理布局可有效降低杂草对作物造成的危害。

长期定位不同施肥处理显著加快土壤肥力的演变,杂草种群组成及发生量存在差异。本试验中,磷肥主要影响杂草发生种类,氮肥对杂草多样性及生物量的影响较显著。农田杂草发生具有显著的季相变化,随着水稻不断生长发育,杂草种群组成及发生特征发生明显改变;同一施肥处理下,杂草种群与水稻生育期无明显相关性。