稻鸭共育对直播水稻田间杂草群落组成及多样性的影响

梁玉刚，周 晶，余政军，李静怡，黄 璜，赵正洪

(1.湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128；3.娄底职业技术学院，湖南 娄底 417000；4.长沙师范学院 经济管理学院，湖南 长沙 410100)

直播水稻因具有省工省时、节本高效等优势，在我国南方稻作区特别是在湖南、江西、江苏、浙江等水稻主产地区已被种粮散户广泛应用[1-3]。由于直播水稻田间前期干湿交替，秧苗覆盖度低，十分利于杂草的萌发和生长，杂草表现为出土早、数量大、种类多，与水稻争夺光照、水分、养分、温度等资源及其生长空间，是造成水稻减产的关键因子之一[4-6]。许多研究证实，受杂草竞争干扰及危害可导致水稻产量损失10%以上[7-9]。为减轻杂草对水稻的危害，常规稻作化学除草已成为全球现代水稻生产的重要组成部分。然而，化学除草剂的大量使用和过度依赖，不仅导致农业生产成本增加、环境污染加剧、作物品质下降[10]，且长期使用种类有限的除草剂将导致抗/耐药性杂草的演化，加剧抗性杂草的群落演替[11-12]；同时使得稻田生物多样性降低，制约了有益生物种群，稻田生态系统稳定遭到破坏[13]。因此，高效、绿色防控田间杂草，维持农田生态系统稳定，保障粮食安全，已经成为全球农业可持续发展的重要战略目标之一。

国内外学者研究认为，农田杂草维持在一定数量，有利于农田生态系统的平衡和稳定[14-16]。稻田养鸭已在中国稻作文化中传承千余年，有着显著的生态、社会和经济效益，已广泛应用于稻作生产。已有研究证实，稻鸭共育模式对水稻病虫害和杂草有显著的防控作用，能减少化学农药的用量和次数，达到绿色防控的目的[17]。随着我国有机水稻种植面积的扩大，稻鸭共育生态种养模式日益受到农户青睐而被广泛应用于农业生产。前人研究证实，稻鸭共育模式能显著降低移栽水稻田间杂草密度和种类，控草效果可达到90%以上[18-20]，并且揭示了稻鸭共育模式控制杂草的机理，可概括为鸭子不仅采食杂草植株，还采食其籽实、块茎与根茎，而且鸭子的活动使水变浑，影响透光，可抑制大部分杂草种子萌发和生长[21-24]。因而，关于稻鸭共育模式对移栽水稻田间杂草的控制效果、杂草群落演替和土壤种子库等影响已有明确认识，而有关稻鸭共育对直播水稻田间杂草的防控效果和群落动态变化等尚无报道。为此，本试验开展了稻鸭共育模式下直播水稻田间杂草群落组成和多样性动态变化的研究，以揭示其杂草防控的效果，为直播水稻养鸭开展杂草防控与治理提供一定理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点与材料

试验于2015—2016 年在湖南省浏阳市北盛镇科研基地进行。该地区位于北纬28°16′，东经113°63′，属于亚热带季风湿润气候。供试水稻品种为中早39；鸭子品种为湖南本地麻鸭；尿素总氮≥46.40%；复合肥料总养分≥45%。

1.2 试验设计

设不喷施除草剂(CK)、喷施除草剂(RH)、养鸭不喷施除草剂(DK)和养鸭喷施除草剂(DH)4个处理，3次重复，共12个小区，小区面积330 m2。各小区均用泥巴砌成宽约0.35 m，高约0.30 m的田埂并进行覆膜。所有养鸭处理均用尼龙网、竹竿和铁丝等组成的材料围住，并在小区适宜位置搭设鸭棚以供鸭子喂食与休息。

2015，2016年均于4月5日播种。4个处理均采用精量穴直播机播种，每穴播种量6粒，播种株行距20 cm×25 cm，用种量90 kg/hm2。CK和DK处理均不喷施除草剂，RH和DH处理均在水稻五叶期喷施除草剂，除草剂喷施36～48 h后，所有处理均灌水2～3 cm深。在分蘖始期追施尿素180 kg/hm2，分蘖盛期追施复合肥料525 kg/hm2，追肥前保持田间水层深3～4 cm。水分管理方式为水稻五叶期前田间保持干湿交替且无水层，分蘖期采取湿润灌溉促分蘖，水层深度2～4 cm；分蘖后期及茎蘖数达到有效穗数80%时，适当晒田；抽穗开花期及乳熟期湿润灌溉，水层深1 cm，水耗尽后3～4 d再灌水；黄熟期晒田。DK和DH处理在水稻株高30 cm左右投放20日龄幼鸭180只/hm2。幼鸭投放后根据鸭子食量、田间食物、鸭子生长等情况，做好饵料补投，并注重引导鸭子在田中均匀作业。结合每天早、晚巡田，观察鸭子取食、活动等情况，并严防鸭子外逃和天敌的伤害，并于水稻乳熟期收回鸭子。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量考察 水稻成熟收割前调查水稻有效穗数，每小区调查25蔸，按平均值取样5蔸考种，5次重复。实际产量计量时每个小区取样5点，每点取样面积10 m2(5 m ×2 m)，人工脱粒后置于太阳下晒干，然后风选称质量。

1.3.2 杂草调查方法 沿小区四角呈对角线方向15点取样，采用样框法调查杂草种类和每种杂草数量，每个样框面积1 m2(1 m×1 m)。水稻五叶期进行第1次杂草调查，随后在水稻分蘖盛期、抽穗期、乳熟期各调查1次。杂草群落动态变化以第1次杂草调查为始，放鸭入田后每隔10 d调查1次，并且在鸭子收回前1 d(乳熟期)止。

1.4 数据处理分析

杂草每平方米株数代表杂草密度；样方中所有杂草种类数代表物种丰富度(S)[25]；Shannon-Wiener 指数：H′=-∑Pi·lnPi[26]；Simpson优势度指数：D=1-∑Pi2[27]；Pielou均匀度指数：E=H′/lnS[28]；式中，Pi=Ni/N，N为样方中个体总数，Ni为样方中第i物种的个体数。相对优势度RA=(RD+RF)/2，其中RD为相对密度，即某杂草的密度占总密度的比例；RF为相对频度，即某小区杂草出现的样方数占小区所有杂草出现的总样方数的比例[29]。

采用Microsoft Word 2007制表，用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0统计分析软件进行数据处理、制图和统计分析，并用最小显著差法(LSD)进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水稻产量

由表1可知，与CK处理相比，2015，2016年2 a中RH、DH和DK处理的水稻平均产量均显著增加，平均增幅分别为195.18%，190.75%，49.13%。产量构成因素中，2 a中RH和DH处理的水稻平均有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量均未达到显著性差异，但较DK处理的水稻有效穗数、穗粒数、结实率和千粒质量均呈显著增加(P<0.05)；2 a中DK处理的水稻平均有效穗数和结实率较CK均呈显著增加，增幅分别为7.22%和8.94百分点。可见，DH和RH较DK和CK处理均能显著增加水稻产量。

表1 水稻产量及产量构成因素Tab.1 Yield and yield formation of rice

2.2 杂草密度和群落动态变化

由图1，2可知，2 a中CK处理杂草密度和单子叶杂草均在放鸭20 d增加到最大值，20～60 d呈降低趋势；2015年双子叶杂草和阔叶杂草在放鸭10～60 d呈降低趋势，2016年在放鸭10～20 d呈增加趋势，在20～60 d呈降低趋势；2015，2016年禾本科杂草和莎草科杂草分别在放鸭20，30 d达到最大值，随后均呈降低趋势。DK处理杂草密度、单子叶杂草、双子叶杂草和阔叶杂草在放鸭20 d内均呈快速降低趋势，随后放缓，其中双子叶杂草和阔叶杂草在放鸭10 d内的降幅极为明显；禾本科杂草在放鸭40 d内降幅缓慢，在40 d后趋于稳定；莎草科杂草在放鸭前20 d有增有减，20～40 d降幅缓慢，40～60 d降幅趋缓。RH和DH处理喷施除草剂后，杂草密度和各杂草群落在放鸭10 d内均呈快速降低趋势，在10～30 d降幅缓慢，其中RH处理在30～60 d趋于稳定。

图1 2015年水稻直播不同处理下杂草密度和群落动态变化Fig.1 Weeds density and community dynamic changes under rice direct seeding in 2015

图2 2016年直播水稻不同处理下杂草密度和群落动态变化Fig.2 Weeds density and community dynamic changes under rice direct seeding in 2016

2.3 水稻乳熟期杂草群落的防控效果

由表2可知，2 a中CK和DK处理在水稻乳熟期的杂草群落均由单子叶杂草、双子叶杂草、阔叶杂草、禾本科杂草和莎草科杂草组成；2015年RH处理杂草群落由单子叶杂草和禾本科杂草组成，2016年由单子叶杂草、禾本科杂草和莎草科杂草组成；DH处理均无杂草群落出现。与CK处理相比，2 a中DK处理单子叶杂草、双子叶杂草、阔叶杂草、禾本科杂草和莎草科杂草平均防控效果分别为44.59%，82.27%，72.04%，37.64%，49.72%，控草总效果为47.00%；RH处理分别为93.46%，100.00%，100.00%，90.38%,96.85%，控草总效果为93.88%；DH处理防控效果均达到100.00%。

表2 直播水稻不同处理下乳熟期杂草群落的防控效果Tab.2 Prevention and control of weeds in the milk ripe stage under rice direct seeding

2.4 杂草种类和密度

由表3可知，2015，2016年CK处理在五叶期—乳熟期杂草种类分别由12种降至11，9种，DK处理分别降至6，8种，RH处理分别降至2，3种，DH处理均降至0种。2 a中CK处理的杂草密度在五叶期—分蘖盛期呈增加趋势，分蘖盛期—乳熟期均呈减少趋势；DK、RH和DH处理在五叶期—乳熟期均呈减小趋势，其中以DH处理降幅最快，DK处理降幅最慢；与CK处理相比，DK处理不同种类杂草密度在分蘖盛期和抽穗期整体差异显著，乳熟期均达到显著性差异；RH和DH处理在分蘖盛期、抽穗期和乳熟期均达到显著性差异(P<0.05)。

表3 直播水稻不同处理对田间杂草种类和密度的影响Tab.3 Effect of different treatment on weeds variety and density under rice direct seeding 株/m2

2.5 杂草相对优势度

杂草在群落中的相对优势度可以反映稻田杂草群落结构组成的动态变化。由表4可知，2015年中DH和RH处理在分蘖盛期的稗草、异型莎草和千金子的优势度均显著高于DK和CK(P<0.05)，RH处理在抽穗期和乳熟期的稗草和千金子的优势度均显著高于DK和CK(P<0.05)；2016年中RH处理在分蘖盛期—乳熟期的稗草、异型莎草和千金子的优势度均显著高于DK和CK(P<0.05)。同时CK处理在分蘖盛期、抽穗期和乳熟期的优势杂草分别为异型莎草+千金子+矮慈姑+鱧肠、稗草+鸭舌草+异型莎草+千金子和稗草+异型莎草+千金子；DK处理在分蘖盛期、抽穗期和乳熟期的优势杂草均为稗草+鸭舌草+异型莎草+千金子，优势杂草总和分别占到总杂草比例的71.20%，92.29%和94.03%；RH处理在分蘖盛期、抽穗期和乳熟期的优势杂草分别为稗草+异型莎草+千金子、稗草+千金子和稗草+千金子；DH处理于2015年分蘖盛期的优势杂草为稗草+异型莎草+千金子，除五叶期外，其余时期均无优势杂草发生。

表4 直播水稻不同处理对杂草相对优势度的影响Tab.4 Effect of different treatment on weeds relative dominance under rice direct seeding

2.6 杂草群落结构

由表5可知，2 a中CK在分蘖盛期、抽穗期和乳熟期的单子叶杂草、双子叶杂草、阔叶杂草、禾本科杂草和莎草科杂草均显著高于DK、RH和DH处理(P<0.05)；从变化幅度上看，以DK处理变化幅度最大，单子叶杂草和禾本科杂草在水稻乳熟期已分别占到总杂草比例的97.57%和64.97%，而双子叶杂草和阔叶杂草所占比例为2.43%和8.55%；RH处理在喷施除草剂后，单子叶杂草和禾本科杂草群落的优势极为明显；DH处理在喷施除草剂和养鸭共同处理后，可将田间杂草全部清除掉，以至无杂草群落出现。

表5 直播水稻不同处理对田间杂草群落组成的影响Tab.5 Effect of different treatment on weeds community formation 株/m2

2.7 杂草生物多样性

由表6可知，CK处理在分蘖盛期—乳熟期杂草物种丰富度最大，在分蘖盛期显著高于RH和DH处理，在抽穗期和乳熟期均显著高于其他3个处理。CK处理的Shannon-Wiener 指数值最高，DK和RH处理次之，DH处理最低。物种优势度可以反映田间主要杂草危害的情况，优势度降低表明优势种杂草地位降低及危害减轻；从Simpson 指数来看，CK处理杂草优势度在分蘖盛期—乳熟期均最高，DK和RH处理次之，DH处理最低，但CK和DK处理两者之间差异均不显著。杂草在群落中所处的地位可以用群落均匀度进行反映，田间杂草越趋于均匀分布说明杂草群落均匀度越高，田间杂草没有优势种群发生危害；从Pielou 均匀度指数来看，CK、DK和RH处理均匀度指数在五叶期—乳熟期整体呈降低趋势，其中RH处理降幅最大，说明3个处理均有优势杂草出现，但3个处理之间整体差异却不显著。

表6 直播水稻不同处理对杂草生物多样性的影响Tab.6 Effect of different treatment on weeds biodiversity under rice direct seeding

3 结论与讨论

3.1 稻鸭共育下直播水稻田间杂草密度和群落动态变化

张勇等[30]研究认为，直播水稻田间杂草发生有3个高峰期，分别是水稻直播后3～4 d、水稻四～五叶期和七～八叶期。这与本研究CK处理田间杂草发生规律类似。RH和DH处理均采用喷施除草剂控制田间杂草，田间杂草发生规律已有详细报道，因此，本研究重点论述CK和DK处理二者田间杂草的动态变化。本研究还发现，DK处理杂草密度、单子叶杂草、双子叶杂草和阔叶杂草在放鸭20 d内降幅明显，且放鸭20 d后对双子叶杂草和阔叶杂草仍具有很好的防控效果；禾本科杂草在放鸭40 d内的降幅缓慢，在40 d后趋于稳定；莎草科杂草在放鸭前20 d有增有减，20～40 d降幅缓慢，40 d后趋于稳定。这表明直播水稻前期田间保持干湿交替有利于杂草的生长，放鸭入田后对已生长的禾本科杂草和莎草科杂草的防控效果减弱。

3.2 稻鸭共育对直播水稻田间杂草防控情况

一般而言，除草剂在推荐使用剂量下不会对适用作物造成药害，但除草剂的使用对作物仍是一种胁迫，可能影响作物生长和产量的提高[31]。同时长期使用种类有限的除草剂，抗药性杂草逐渐成为优势种群，加快田间杂草群落的演替，对作物潜在性危害加大。稻鸭共育模式通过鸭子不间断劳作替代人为杂草管理，显著降低移栽水稻田间杂草发生密度和种类，对杂草防控率可达90%以上[18-19，21，32]。本研究表明，2 a中DK处理杂草防控率的均值为47.00%，与前人的研究结果不一致。造成这一现象，一方面可能是前人研究鸭子对杂草的防控作用，基本上是在水稻育秧移栽下开展，此时的稻田翻耕不久，有利于将田间杂草翻入泥中或粉碎还田，水稻插秧后又保持田间浅水，对新生杂草的出土具有一定抑制作用，秧苗返青后将幼鸭放入稻田，起到进一步控草作用；另一方面可能是直播水稻田间前期管理以湿润为主，此时秧苗小，杂草个体生长空间相对较大，利于杂草出土和生长，因而杂草种类较多、密度高且危害较重[33-34]；为了防止鸭子对水稻秧苗破坏，一般水稻分蘖始期(五叶期后)才会将幼鸭放入稻田，此时杂草的发生种类多且数量大，在田间已经初步形成危害，降低了鸭子对杂草的防控作用。

3.3 稻鸭共育对直播水稻田间杂草群落结构的影响

Doucet等[35]认为，杂草管理措施是影响田间杂草种群密度和群落结构的一种比农作方式更为重要的环境限制因子。本研究表明，与CK处理相比，2 a中DK处理杂草群落各组成部分在水稻分蘖盛期、抽穗期和乳熟期均呈显著降低的趋势，而在水稻乳熟期形成以稗草、千金子、鸭舌草和异型莎草等组成的单子叶杂草成为绝对的优势杂草，比例占到总杂草的97.57%，双子叶杂草和阔叶杂草基本绝迹，这说明稻鸭共育易加快直播田杂草群落结构的演替，可能与鸭子食性和单子叶杂草本身生态适应性、抗逆性和生长势强有关[36]。同时2 a中DK处理禾本科杂草比例占到总杂草的64.97%，为优势杂草。目前，稗草和千金子已成为我国南方稻区最主要的两大恶性杂草。Chauhan等[37]研究认为，1株水稻和4株稗草共生时，水稻减产86%；张自常等[38]研究认为，稗草密度为6株/m2，水稻产量至少降低10.8%；吴尚等[39]研究认为，千金子密度为3株/m2时，水稻产量至少损失7.47%。稻鸭共育下虽能有效降低直播水稻田间杂草群落组成，但也筛选出了生态适应性、抗逆性和生长势强的优势杂草群落。

3.4 直播水稻杂草防控与生物多样性保持

在农业生态系统中，生物多样性在调节田间小气候、防止土壤侵蚀、消除环境污染、抵御外来物种入侵和维持生态系统平衡等方面具有重要作用，为作物生长发育奠定了基础[15，40]。Wardle等[41-42]研究发现，生物多样性对环境的波动起到缓和作用，多样性高的系统能更好地应对环境变化。本研究表明，2 a中DK处理杂草多样性均低于CK处理，高于RH处理，但DK和CK处理的Simpon指数和Pielou均匀度指数整体差异不显著，与RH处理差异显著，这说明DK处理对杂草虽然具有一定的防控作用，但控草效果不明显，草害的发生导致水稻减产严重。

稻田养鸭能够改变农田杂草群落组成和杂草多样性，增加移栽水稻田间杂草种子库输出，减轻杂草的危害[43]。除草剂作为控制杂草的主要措施在提高农作物产量的同时，也造成了农药残留、环境污染、生物多样性减少等生态问题，导致农田区域生态承载力下降[44]。本研究表明，DK处理对杂草的防控虽有一定效果，但易筛选出优势杂草群落以及加快杂草群落演替，将对水稻生长发育产生危害。针对直播稻田杂草发生早、数量和种类多以及鸭子防控禾本科杂草效果不理想，本研究提出一种假设，是否可以在水稻三～五叶期减少除草剂使用剂量控制杂草生长速度和出土数量，在水稻分蘖期放入鸭子控制田间杂草，达到除草剂和鸭子双重控草的功效，对于此种设想仍需进一步开展试验研究加以验证。同时也应结合化肥和有机肥均衡配施[45]、合理的耕作制度[44]等措施开展杂草治理，减少对化学除草剂的依赖，以此控制优势杂草对作物的危害，稳步提升稻田杂草多样性，发挥农田生态系统自我调控功能和最大的生态效应，提高稻作生态效益。

喷施除草剂(RH)和养鸭喷施除草剂(DH)均有显著的控草作用，养鸭不喷施除草剂(DK)能够降低稻田杂草发生种类和密度，改变杂草群落组成结构和杂草多样性，而对杂草的控制效果明显低于控草处理，杂草防控效果不佳，并且杂草群落出现了以稗草+鸭舌草+异型莎草+千金子组成的优势杂草，Simpon指数和Pielou 均匀度指数与不喷施除草剂(CK)整体差异不显著，导致稻田优势种杂草在田间发生了危害。因此，直播水稻栽培不可盲目借鉴稻鸭共育模式对移栽水稻田间杂草防控的技术，应根据不同稻作生态区的杂草发生规律和危害程度，科学合理地使用除草剂，并结合农艺、生态调控等措施综合治理杂草，在保障水稻高产、高效、优质的同时，保持稻田生态系统的稳定性。