长期不同施肥对黄壤单季稻冬闲田春季杂草群落的影响

2023-12-05叶照春黄兴成冉海燕陈仕红兰献敏何秀龙杨叶华李渝

农业资源与环境学报 2023年6期

叶照春，黄兴成，冉海燕，陈仕红，兰献敏，何秀龙，杨叶华，李渝

（1.贵州省农业科学院植物保护研究所，贵阳 550006；2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006）

陆地生态系统中植物和土壤是紧密联系、相互关联的[1]。越来越多的研究表明，植物种类和植物性状可以影响植物与微生物的互作关系[2]和土壤的养分循环[3]。杂草作为农田生态系统中植物多样性的重要组成部分，能有效改善作物生态系统的结构，调节农田生物物种多样性和数量配置，促进土壤中矿质元素和有机质的循环和能量流转[4]。植物种类是独特的，每一种都会影响农田生态系统的功能[5]，其发生种类和数量能够客观反映其生境特征，对生境的土壤、水文、生态环境等具有指示性[6]，这对指导农田科学管理具有重要意义。反之，农田管理措施也能对田间杂草的种群组成及其生物多样性产生影响。施肥是田间管理的主要措施，大量实践表明，化肥虽能快速提高作物产量，但长期施用不仅会影响土壤结构、土壤肥力[7-10]，还会对土壤生物多样性等造成严重影响[11-13]，从而使杂草群落也随之发生变化[14-15]。例如：潘俊峰等[16]的研究表明，长期不同施肥措施显著改变了杂草的种群组成、群落数量和结构；冯伟等[17]的研究表明，长期均衡的施肥方式有利于维持土壤杂草种子库多样性，从而提高农田生态系统生产力和稳定性；Wan 等[18]的研究表明，晚稻田土壤中氮、磷、钾以及有机质含量都会影响杂草的群落结构；林新坚等[19]研究福建长期定位试验稻田杂草时发现，与不施肥处理相比，化肥+牛粪、化肥+秸秆还田及化肥均衡施用处理均降低了田间杂草群落的多样性指数。杂草群落变化反过来又影响土壤肥力变化，有研究表明杂草的生长与翻压能改善稻田土壤结构，提升土壤肥力[20]。当前，开展长期不同施肥方式下农田生态系统群落结构和生物多样性的变化规律研究已成为生态系统研究的重要内容之一[21]，它能够揭示物种间、生物与物理环境间紧密的相互作用关系，其表现出的多样性与生产力的关系更能真实地反映物种多样性在长期进化过程中对生产力的长期稳定效应，可为农田科学管理提供依据。因此，本研究立足于农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站的一项连续24 年长期施肥试验，开展黄壤单季稻冬闲田春季杂草群落多样性调查研究，探讨长期不同施肥条件下，黄壤稻田春季杂草群落的结构特征、多样性指数变化及其与土壤养分因子之间的关系，以期为农田杂草综合管理及多样性保护提供依据，促进农田生态系统的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

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，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d，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，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验于1994 年开始基础设施建设和匀地，1995 年开始连续监测。1994年采集基础土样，其耕层（0～20 cm）土壤基本性质为：有机质44.90 g·kg-1，全氮1.96 g·kg-1，全磷0.95 g·kg-1，全钾16.40 g·kg-1，碱解氮159.00 mg·kg-1，有效磷13.40 mg·kg-1，速效钾294.00 mg·kg-1，pH值6.75。

1.2 试验设计

试验采用大区对比试验设计，大区面积201 m2（35.7 m×5.6 m），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1/2 化肥）、CK（不施肥）。供试化肥为尿素（含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养分含量为N 2.7 g·kg-1、P2O51.3 g·kg-1、K2O 6.0 g·kg-1。不同处理施肥量见表1。试验每年种植一季中稻，每年4月中旬育秧，6月中旬插秧，10月中旬收割，生育期为185 d，冬季翻耕炕田。试验过程中不使用除草剂和杀虫剂等化学农药。所有处理除施肥差异外，其他农事活动均保持一致。

表1 不同处理施肥量Table 1 The application amount of fertilizer on the different treatments

1.3 调查方法

杂草调查于2019 年3 月12 日进行，为冬闲田春季杂草生长旺盛期。调查时将试验地不同处理大区沿长边3等分，设置3个调查取样重复小区，沿每个小区对角线随机选择3 点取样，样方面积0.25 m2（0.5 m×0.5 m），调查记录田间杂草种类，并将样方内所有杂草拔出，带回实验室分类统计株数、称量其生物量。

于2019 年11 月采集土壤样品，每个重复小区采用梅花布点法采集0～20 cm 耕层土样，土壤混合均匀后带回室内自然风干，研磨制样；测试有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾和pH 值8项指标，测试方法均参照《土壤农化分析》[22]。

1.4 数据处理

杂草密度为每平方米的杂草株数；相对丰度=（相对密度+相对频度）/2，其中相对密度为小区中某种杂草的密度与小区中所有杂草的密度之和的比值；相对频度为小区中某种杂草的频度与小区中所有杂草的频度之和的比值。将相对丰度作为衡量某种杂草重要程度的指标。

物种多样性指数计算公式如下：

式中：S为物种总数；N为样方中总个体数；Ni为样方中第i物种的个体数。

数据处理与统计分析采用Microsoft Office 2020和SPSS 16.0进行；图表采用Origin 2021制作；采用Canoco 5.0对土壤养分和杂草密度数据进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理对黄壤稻田土壤性质的影响

长期不同施肥处理下黄壤稻田土壤主要养分及pH 值发生明显变化（表2）。不同处理有机质含量在38.72～57.24 g·kg-1之间，全磷含量在0.80～1.10 g·kg-1之间，全钾含量在15.59～18.88 g·kg-1之间，全氮含量在1.82～2.76 g·kg-1之间，有效磷含量在8.33～18.80 mg·kg-1之间，碱解氮含量在116.00～188.67 mg·kg-1之间，速效钾含量在233.33～335.00 mg·kg-1之间；pH 值在6.42～7.02 之间。M 处理下有机质、全磷、全氮、碱解氮、速效钾含量最高，与1994 年背景值相比呈增长趋势，说明单施有机肥（M）有利于提升土壤养分。CK处理下pH值最大，M处理下pH值最小，与1994年pH 值比较，CK、NP、PK、NK 处理呈增长趋势，NPK 处理基本保持稳定，其余处理呈下降趋势。综合来看，长期施用有机肥或不施肥对土壤性质影响最大，长期施用有机肥有利于提升土壤肥力，使土壤pH值下降，长期不施肥或不平衡施肥造成土壤肥力下降、pH 值增加。

表2 长期不同施肥处理下土壤性质的变化Table 2 Changes of soil properties under the long-term different fertilization treatments

2.2 对黄壤稻田冬闲田春季杂草群落的影响

2.2.1 对黄壤稻田冬闲田春季杂草发生密度的影响

通过对试验田进行调查共发现冬闲田春季杂草17 种，隶属10 科、17 属（表3）。长期不同施肥处理冬闲田春季田间杂草总密度发生明显变化，其中M处理田间杂草群落总密度最高，为1 208.44 株·m-2，较CK（877.33 株·m-2）增加37.74%，NPK、1/2MNP 处理次之，分别为1 020.44、1 004.44 株·m-2，较CK 分别增加16.31%、14.49%；NP处理最低，为761.33 株·m-2，较CK 降低了13.22%（图1）。各处理间不同杂草密度也发生了变化，如棒头草在NK 处理下发生密度最高，为591.11 株·m-2，CK 处理次之，为506.67 株·m-2，而在M 处理下未发生；早熟禾在M 处理下发生密度最高，为586.67 株·m-2，1/2MNP处理次之，为126.67 株·m-2，而在其他处理发生较少或未发生；日本看麦娘在NPK 处理下发生密度最高，为572.89 株·m-2，NP 处理次之，为443.56 株·m-2，在NK 处理下发生密度仅为36 株·m-2；萹蓄在M 处理下未发生，其余处理均有发生。这充分证明了长期不同施肥处理对杂草种类及发生密度存在较大影响，特别是对同属禾本科的棒头草、早熟禾、日本看麦娘影响尤为明显。长期施用有机肥抑制了棒头草、萹蓄等的发生危害，使早熟禾上升为优势种群；长期施用无机化肥抑制了早熟禾发生危害，常量化肥（NPK）、氮磷肥（NP）处理下日本看麦娘上升为优势种群；磷亏缺抑制了日本看麦娘的发生危害，使棒头草上升为优势种群。这可能与不同杂草的养分需求差异或土壤环境适应性有关。

图1 长期不同施肥处理对黄壤稻田冬闲田春季杂草群落总密度、总生物量的影响Figure 1 The influences of long-term different fertilization treatments on the total density and total biomass of spring weed community in winter fallow paddy field of yellow soil under single-rice cropping system

表3 长期不同施肥处理下黄壤单季稻冬闲田春季杂草物种组成及密度（株·m-2）Table 3 Spring weeds species composition and density in winter fallow paddy field of yellow soil under single-rice cropping system with long-term different fertilization treatment（plants·m-2）

2.2.2 对黄壤稻田冬闲田春季杂草生物量的影响

调查结果（图1）显示，长期不同施肥处理冬闲田春季田间杂草总生物量存在差异，M 处理田间杂草群落总生物量最高，为1 071.24 g·m-2，较CK 增加179.58%，1/2MNP 处理次之，为929.16 g·m-2，较CK 增加142.50%；CK处理最低，为383.16 g·m-2。各处理间不同杂草种类生物量也存在差异（表4），如在M 处理中早熟禾生物量（158.49 g·m-2）最高，棒头草生物量（未发生）最低；在NPK 处理中早熟禾生物量（未发生）最低；在NK 处理中棒头草生物量（213.24 g·m-2）最高；在1/2MNP处理中日本看麦娘生物量（197.11 g·m-2）最高；在NK 处理中日本看麦娘生物量（10.58 g·m-2）最低。总体来说，长期施用有机肥有利于大部分杂草生长，不施肥或不平衡施肥条件下多数杂草生长受到一定抑制。

表4 长期不同施肥处理下黄壤单季稻冬闲田春季杂草物种组成及生物量（g·m-2）Table 4 Spring weeds species composition and biomass in winter fallow paddy field of yellow soil under single-rice cropping system with long-term different fertilization treatment（g·m-2）

2.2.3 对黄壤稻田冬闲田春季杂草种群组成的影响

长期不同施肥处理导致冬闲田春季杂草优势种群发生改变（表5）。在CK、NPK 处理下田间优势杂草（相对丰度≥10%）为棒头草、日本看麦娘；在NP 处理下优势杂草为日本看麦娘、小飞蓬；在PK处理下优势杂草为棒头草、小飞蓬、日本看麦娘；在NK 处理下优势杂草为棒头草；在M、1/2MNP 处理下优势杂草为早熟禾、日本看麦娘、小飞蓬、牛繁缕。除泥胡菜、鼠麴草、钻叶紫菀、荠外，其余杂草在长期不同施肥处理下相对丰度存在差异。不同施肥处理下优势杂草种类发生变化，如M处理下棒头草、萹蓄等未发生，早熟禾上升为优势种群，NPK 处理下早熟禾未发生，日本看麦娘上升为优势种群。

表5 长期不同施肥处理水稻田冬闲季杂草相对丰度（%）Table 5 Relative abundance（RA）of weeds in winter fallow paddy field with long-term different fertilization treatments（%）

2.3 长期不同施肥处理下黄壤稻田冬闲田春季杂草生物多样性指数

由表6可知，PK 处理的物种数（14.33）、丰富度指数（4.71）、群落多样性指数（1.84）、均匀度指数（0.65）均最高，优势度指数（0.24）最低；NK 处理的优势度指数（0.55）最高，丰富度指数（3.65）、群落多样性指数（1.09）、均匀度指数（0.39）最低。与CK 处理相比，PK、1/2MNP 处理的物种数、丰富度指数、群落多样性指数、均匀度指数上升，优势度指数下降；NP 处理的群落多样性指数、均匀度指数上升，物种数、丰富度指数下降，优势度指数未发生变化；M 处理的均匀度指数上升，物种数、丰富度指数、优势度指数下降，群落多样性指数未发生变化；NK、NPK 处理的优势度指数上升，物种数、丰富度指数、群落多样性指数、均匀度指数下降。各处理的物种数、丰富度指数之间差异不显著，PK、1/2MNP 处理的群落多样性指数、均匀度指数显著高于NK 处理，NK 处理的优势度指数显著高于1/2MNP、PK、M处理。由于试验田不是完全封闭场所，不同施肥处理的物种数与CK 处理不完全是包含关系，甚至多于CK处理，这可能是周围环境杂草种子随气流等传播到试验田造成的。

表6 长期不同施肥处理下黄壤稻田冬闲田杂草群落结构特征Table 6 Structural characteristic of weeds community in yellow-soil winter fallow paddy field under different fertilization treatments

2.4 黄壤稻田冬闲田春季杂草密度与土壤养分因子的关系

采用冗余分析解析土壤理化性质对杂草密度的影响，结果（图2）表明不同施肥处理杂草密度明显不同，1/2MNP处理与M 处理相似，CK处理与NK处理相似，NP、PK 处理与NPK 处理相似。图2 显示，RDA 分析的第1轴、第2轴解释度分别为47.56%和9.95%，解释度合计为57.51%。土壤养分对杂草密度影响依次为土壤全氮>碱解氮>全磷>速效钾>pH>有机质>有效磷>全钾>速效钾，其中全氮（TN：42.8%，F=10.4，P=0.002）、碱解氮（TN：10.4%，F=4.0，P=0.002）和全磷（TN：4.8%，F=1.9，P=0.05）是影响杂草密度的关键因子。1/2MNP 处理和M 处理的杂草密度在pH 上的投影在负方向，其他处理则在正方向上，在全氮等养分上的投影相反，说明有机肥施用通过降低pH 和提升土壤养分与其他施肥处理形成差异。全氮、碱解氮与早熟禾、猪殃殃、小飞蓬、皱叶酸模、牛繁缕、日本看麦娘和附地菜呈明显锐角，为正相关关系，与其他杂草呈负相关关系，pH则相反。

图2 长期不同施肥处理土壤理化性质与杂草密度的RDA二维序列图Figure 2 The RDA 2-dimension sequence plot of soil physicochemical properties and weed density treated with long-term different fertilization

3 讨论

休耕田杂草是农田休闲期土壤速效养分的持久保持者，因此研究黄壤单季稻冬闲田春季杂草群落结构，对农田养分的生物截获、生物多样性保护和农田杂草的高效综合防治具有重要意义。贵州作为黄壤单季稻生产区，其春季杂草还田具有绿肥功效，对稳定土壤养分及循环、维持土壤肥力、促进水稻稳产高产发挥着重要作用。

大量研究证明长期施肥可改变杂草群落物种组成，抑制杂草生长并降低危害程度。本研究结果表明，长期不同施肥措施改变了土壤养分状况及土壤环境，从而导致杂草种类、密度、生物量、群落结构及生物多样性的变化，这与前人研究基本一致[23-26]。这些变化为黄壤单季稻冬闲田春季杂草田间综合管理及应用提供了较好的理论支撑。本研究发现长期施用有机肥处理区棒头草未发生，而缺磷（NK）处理区棒头草发生密度为591.11 株·m-2；不施肥处理区（CK）棒头草发生密度为506.67 株·m-2，是该处理区的优势杂草，其余处理区棒头草有不同程度发生，说明长期施用有机肥能较好地抑制棒头草等发生危害。在长期缺磷（NK）、平衡施用无机化肥（NPK）处理区早熟禾未发生，而长期单施有机肥（M）处理区早熟禾发生密度为586.67 株·m-2，1/2 有机肥替代1/2 化肥（1/2MNP）处理区早熟禾发生密度为126.67 株·m-2，不施肥处理区（CK）早熟禾发生密度为17.33 株·m-2，其余长期无机化肥施用区早熟禾发生较少，说明长期无机化肥施用能显著抑制早熟禾等发生危害。缺磷（NK）处理区日本看麦娘发生密度为36.00 株·m-2，显著低于其他处理，说明磷亏缺有利于抑制日本看麦娘等发生危害。本研究还发现不同处理对杂草种类的影响存在显著差异，这可能是不同杂草对环境适应性（如pH变化等）不同以及养分需求和吸收利用能力差异所致，但具体是何种因素主导杂草群落演替仍需进一步研究。如果是土壤养分变化主导杂草群落演替，可能是杂草种类对养分需求差异的表现，因此利用杂草物种多样性或选择具有富集养分功能的植物进行绿肥还田调控或维持土壤养分平衡，对促进深层土壤营养物质转移到土壤上层供作物吸收具有重要意义。长期施用有机肥不仅提升了黄壤土肥力，还能抑制贵州夏熟作物田优势杂草棒头草的发生危害，实现田间土壤培肥和控草等多重生态效益，有利于促进农田生态系统的可持续高效发展。因此，生产上可根据田间杂草发生情况合理选择相应的施肥措施控制田间杂草危害，同时也可培育春季杂草或构建功能性植物多样性还田，充分利用冬闲季光热资源获取更多杂草生物量，促进土壤养分的良性循环，维持土壤肥力的稳定性。

由于不同杂草对养分的需求和响应存在差异，氮、磷、钾养分施用的种类显著影响农田杂草群落。本研究分析表明全氮、碱解氮和全磷是影响杂草密度的关键因子，这与蒋敏等[27]得到的影响稻田杂草分布的土壤养分因子主要为氮、磷和有机质的结果相一致。同时，本研究还表明缺氮导致杂草群落多样性指数增加、优势度指数降低，物种群落结构相对复杂；缺磷导致杂草群落多样性指数降低、优势度指数增加，物种群落结构相对简单。这与董春华等[20]的研究结果相一致，其研究发现影响杂草种类发生的关键因素是磷，而决定优势杂草群落的主要因素是氮素；但与施林林等[28]的研究中氮磷亏缺导致杂草群落多样性高于氮磷钾均衡施肥的结论存在一定差异，这可能是不同区域气候环境、耕作制度、杂草群落及其动态变化等因素差异引起的。

农田生态环境是一个复杂的生态系统，杂草发生与土壤理化性质、农田微生态、气候环境、作物种类及种植制度等密切相关。本试验研究了贵州黄壤稻田24 年长期不同施肥措施对春季杂草群落的影响，结果表明科学合理施肥不仅可以提升土壤肥力，而且能抑制农田杂草的危害。但其抑制机理仍需进一步研究，以更好地发挥合理施肥对黄壤稻田优势杂草的抑制作用，选择具有富集养分功能的植物进行绿肥还田，进而调控或维持土壤养分平衡，促进深层土壤营养物质转移到土壤上层供作物吸收，促进土壤养分良性循环。