長期不同施肥對冬閑期稻田土壤種子庫和地上雜草群落的影響

王衛(wèi)，陳安磊，謝小立*，楊菲,2，王飛,2

1. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙 410125；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

雜草作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，在農(nóng)田空閑期發(fā)揮著一定的生態(tài)功能，如光合固定CO2、活化土壤養(yǎng)分、保持水土以及對小動物和微生物的影響。然而，雜草通過與作物競爭陽光、養(yǎng)分等資源從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。土壤種子庫是指存在于土壤表面及土壤中存活種子的總和。土壤雜草種子庫既可以反映前期田間雜草發(fā)生狀況，又是潛在的雜草群落。研究土壤雜草種子庫可以更深入地了解田間雜草狀況，對雜草防控具有重要意義。從土壤種子庫的角度研究農(nóng)田雜草群落在我國起步較晚。雖然近 10多年有一些相關(guān)文獻(xiàn)出現(xiàn)，但由于地區(qū)之間生態(tài)條件變化、作物種類繁多、耕作制度復(fù)雜、施肥模式多樣以及其它不確定因素較多，所以尚有待更多的基礎(chǔ)性研究積累，尤其是在較為穩(wěn)定的農(nóng)田中進(jìn)行的研究。

水稻是我國主要的種植作物之一，種植面積接近3000萬hm2。施肥是提高水稻產(chǎn)量的必要手段，同時也對雜草群落產(chǎn)生影響。Wan等[1]對位于江西的一塊長期試驗稻田的晚稻生長季進(jìn)行了田間雜草群落調(diào)查，發(fā)現(xiàn)與其它缺素施肥處理（不施肥、PK、NK、NP）相比，平衡施肥（NPK）下的物種豐富度、多樣性和均勻度最低，而群落優(yōu)勢度最高，并認(rèn)為氮素是影響雜草群落的主要因素，其次是磷和鉀。Nie等[2]對位于湖南的一塊長期試驗稻田的晚稻生長季的調(diào)查表明不施肥和施PK肥處理的物種數(shù)和密度遠(yuǎn)高于施NK、NP和NPK處理，并認(rèn)為缺施氮肥比缺施磷肥和鉀肥對雜草群落的影響更大。李昌新等[3]對江西的一塊雙季稻田冬閑期的雜草群落進(jìn)行了調(diào)查，認(rèn)為長期秸稈還田、有機肥和配施無機肥均能影響雜草群落。Feng等[4]對太湖地區(qū)的一個長期不同施肥下的稻-油輪作田的土壤種子庫進(jìn)行了研究，結(jié)果表明與單施化肥和化肥配施豬糞相比，不施肥與化肥配施秸稈條件下的田間土壤雜草種子庫密度均最低，但其總物種數(shù)和多樣性較高。

目前，對雙季稻田的冬閑期雜草種子庫的研究鮮有報道。本研究選擇湖南地區(qū)一個連續(xù)不同施肥處理 20年后的雙季稻田為調(diào)查對象，考察了長期不同施肥對冬閑期稻田土壤雜草種子庫和雜草群落的影響，以期為稻田雜草防控和合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在中國科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進(jìn)行。該地處于 111°27′E，28°55′N，年平均氣溫為16.5 ℃，年降水量為1448 mm，年日照時數(shù)為1531 h，年太陽輻射總量為427.5 kJ?cm-2。供試土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的水稻土。

1.2 試驗設(shè)計

本研究在站內(nèi)長期施肥制度試驗田內(nèi)進(jìn)行（始于1990年）。種植制度為雙季稻，冬閑期種植紫云英作綠肥。本研究選擇4個處理：（1）不施化肥，收獲產(chǎn)品全部移出（CK）；（2）不施化肥，秸稈全量還田并種植綠肥，簡稱養(yǎng)分循環(huán)（OM）；（3）施用 N、P、K 化肥（NPK）；（4）施用 N、P、K 化肥，實行秸稈全量還田并種植綠肥（NPK+OM）。3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積為33 m2。春季耕田時將紫云英翻壓入泥作早稻基肥；早、晚稻秸稈均切成5～10 cm長段后直接還田；化肥為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。全年化肥施用量為尿素 406 kg?hm-2，過磷酸鈣 753 kg?hm-2，氯化鉀 398 kg?hm-2。2009年CK、OM、NPK和NPK+OM的全年的水稻產(chǎn)量分別為 6.0、8.8、11.6 和 12.6 t?hm-2。

1.3 土壤種子庫鑒定與雜草群落調(diào)查

于2009年晚稻收割后取樣。用直徑為4 cm的土鉆，分別在小區(qū)中部21 m2（3 m×7 m）的范圍內(nèi)均勻取樣21鉆（取樣深度15 cm）作為一個土樣。將土樣置于室內(nèi)自然風(fēng)干，粉碎過0.2 mm網(wǎng)篩。萌發(fā)試驗在溫室內(nèi)進(jìn)行。使用直徑19 cm、高15 cm、底部有孔的塑料盆作為萌發(fā)器皿。將沙子（經(jīng)120 ℃烘箱處理24 h）裝進(jìn)塑料盆至13 cm高度，然后分別充分混勻各個小區(qū)的土樣，從每個土樣中量取 280 cm3土壤并平鋪于沙子上（土樣約 1 cm厚）。將塑料盆置于塑料箱內(nèi)，塑料箱內(nèi)水位保持3～5 cm，以保證萌發(fā)土壤濕潤。幼苗經(jīng)鑒定后去除，暫不能鑒定的幼苗移栽于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至可鑒定為止。萌發(fā)試驗從2010年5月至10月。當(dāng)連續(xù)4周萌發(fā)土壤中無新幼苗出現(xiàn)時結(jié)束實驗。于冬閑期進(jìn)行地上雜草群落調(diào)查。每個小區(qū)調(diào)查 10個樣方，記錄物種和數(shù)量。樣方為圓形，直徑15 cm。對于小區(qū)中能發(fā)現(xiàn)的數(shù)量很少的物種，統(tǒng)計其數(shù)量并除以小區(qū)面積來計算密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤種子庫密度以萌發(fā)土樣重量、總土樣重量和取樣面積進(jìn)行換算。地上雜草密度以雜草數(shù)量和取樣面積換算。稻田種子庫和地上雜草物種多樣性采用如下指標(biāo)計算：以總密度D和物種豐富度（R）度量種子庫大小，R=(S-1)/lnN；生態(tài)優(yōu)勢度以Simpson指數(shù)（λ）度量，λ=∑Pi2；物種多樣性以Shannon-Wiener指數(shù)（H’）度量，H’=﹣∑PilnPi；群落均勻度以 Pielou指數(shù)（E）度量，E=H’/lnS。種子庫與地上植物的物種共有度用Sorensen相似性系數(shù)（SC）測度，SC=2j/(a﹢b)。其中Pi=Ni/N，Ni為樣方中第i個物種的個體數(shù)，N為所有物個體之和，S為物種數(shù)，j為種子庫和地上雜草共有物種數(shù)，a為種子庫的物種數(shù)，b為地上雜草種數(shù)。因為水稻和紫云英為人為種植植物，故不在本研究統(tǒng)計范圍之內(nèi)。所有數(shù)據(jù)采用Excel軟件計算，采用SPSS 15統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤種子庫與地上雜草物種組成

在一個內(nèi)外環(huán)境相對穩(wěn)定的開放稻田系統(tǒng)中，稻田土壤雜草種子庫的種子種類約為10種左右[5]。本研究土壤樣品中共檢出雜草種子16種（表1）。從總體上看，圓葉節(jié)節(jié)菜 Rotala rotundifolia(Buch.-Ham) Koehne占29.9%，稻搓菜Lapsanastrum apogonoides Maxim占 29.0%，水莧菜 Ammannia baccifera L.占10.0%，陌上菜Lindernia procumbens(Krock.) Philcox占 9.4%，水馬齒 Callitriche stagnalis占8.9%，看麥娘Alopecurus aequalis Sobol占4.9%。不同處理的優(yōu)勢種又有所不同：在CK處理中為圓葉節(jié)節(jié)菜（31.8%）>稻搓菜（28.6%）>水馬齒（15.5%）>看麥娘（7.7%）>槽稈荸薺Eleocharis eguietiformis (Meinsh.) B. Fedsch（5.9%）>陌上菜（5.1%）>水莧菜（4.4%）；在OM處理中為圓葉節(jié)節(jié)菜（41.8%）>稻搓菜（31.5%）>碎米莎草（Cyperus iria L.）（11.0%）；在NPK處理中為稻搓菜（40.8%）>圓葉節(jié)節(jié)菜（29.1%）>陌上菜（19.7%）>水馬齒（5.4%）；在 NPK+OM 處理中為水莧菜（68.4%）>陌上菜（8.4%）>水馬齒（7.5%）>稻搓菜（6.1%）>看麥娘（5.9%）。

經(jīng)調(diào)查，冬閑期地上雜草共計10種（表1）。從總體上看，看麥娘占94.4%，稻搓菜占3.8%，圓葉節(jié)節(jié)菜占1.0%。不同處理的物種分布較為一致：在CK處理中為看麥娘（87.1%）>稻搓菜（8.1%）>圓葉節(jié)節(jié)菜（3.4%）；在 OM 處理中為看麥娘（91.3%）>稻搓菜（5.4%）>圓葉節(jié)節(jié)菜（1.3%）；在NPK處理中為看麥娘（96.0%）>稻搓菜（3.1%）>水馬齒（0.7%）>圓葉節(jié)節(jié)菜（0.2%）；在NPK+OM處理中為看麥娘（98.6%）>稻搓菜（1.0%）>圓葉節(jié)節(jié)菜（0.1%）。

表1 長期不同施肥下稻田土壤種子庫和地上雜草物種組成Table 1 Communities of weeds seed bank and weeds aboveground under long-term different fertilization treatments

2.2 土壤種子庫與地上雜草的群落特征

稻田土壤種子庫群落特征分析見表 2。土壤種子庫密度數(shù)量級介于 104～105粒?m-2，這與王一專等[5]的研究結(jié)果一致。除種子密度以外，土壤種子庫其他各群落特征指標(biāo)在不同處理間未達(dá)到顯著性差異，但不同施肥對土壤種子庫的影響也具有一定規(guī)律。從表 2可以看出，隨著施肥程度（CK

表2 長期不同施肥下稻田土壤種子庫群落特征Table 2 Community structure features of weeds seed bank under long-term different fertilization treatments

表3 長期不同施肥下稻田地上雜草群落特征Table 3 Community structure features of weeds aboveground under long-term different fertilization treatments

稻田雜草群落特征分析見表 3。隨著施肥程度（CK

2.3 土壤種子庫和地上雜草的群落相似性

土壤種子庫與地上植被間的相似性是研究者很感興趣的一個生態(tài)學(xué)問題。土壤種子庫與地上植被的關(guān)系主要用相似性的大小來描述[6]。土壤種子庫和地上雜草的群落相似性分析見表 4。不同施肥處理下的土壤種子庫和地上雜草的群落相似性指數(shù)均≥0.6，處理間無顯著性差異，但隨著施肥程度的提高，土壤種子庫和地上雜草的群落相似性傾向于降低。

表4 長期不同施肥下稻田土壤種子庫與地上雜草群落相似性Table 4 Community similarity between seed bank and weeds aboveground under long-term different fertilization treatments

3 討論

施肥促進(jìn)作物生長，使作物更快地占據(jù)有利的空間，從而抑制草害的發(fā)生。種子庫能反映此前地上雜草群落狀況。在本研究中，隨著施肥程度的提高，水稻產(chǎn)量增加，種子庫密度和多樣性指數(shù)傾向于下降。其他的學(xué)者通過對作物生長季地上雜草群落的調(diào)查也得出類似的結(jié)論。李儒海等[7]的研究數(shù)據(jù)顯示平衡施加化肥或配施有機肥處理的地上雜草密度在15～25株?m-2之間，而不施肥或僅施氮肥處理的地上雜草密度分別為 48和142株?m-2。Nie等[2]和Marcinkeviciene等[8]認(rèn)為作物冠層通光率是影響雜草的主要因素之一。Uchino等[9]的研究表明作物套作通過增加蓋度抑制雜草。Kristensen等[10]試驗證明增加作物密度可以增加作物的生物量和產(chǎn)量并降低雜草生物量。Chauhan等[11]建議通過增加播種量抑制雜草生長，減少因草害引起的差量損失。但也有不一致的研究結(jié)論，如Feng等[4]等的研究顯示不施肥與化肥配施秸稈條件下的田間土壤雜草種子庫密度和物種多樣性大小較為一致，且顯著低于單施化肥和化肥配施豬糞處理。本研究表明平衡施加化肥和實行養(yǎng)分循環(huán)均能抑制雜草，兩種施肥模式結(jié)合起來效果更佳，并能增加水稻產(chǎn)量。潘俊峰等[12]也認(rèn)為長期平衡施肥既有利于作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，也有利于農(nóng)田土壤種子庫群落的穩(wěn)定。有研究[13]表明：在作物生長一致的情況下，施加低C/N比有機物會降低種子庫密度，這可能與雜草種子對微生物降解的抵抗力有關(guān)[14]。

一般來說，自然狀態(tài)中的土壤種子庫與地上植被在種類組成上并沒有必然的聯(lián)系[15]。也有學(xué)者認(rèn)為頻繁干擾地帶（如耕地）中土壤種子庫與地上植被關(guān)系密切[16]，種子庫與地上植被物種的差異隨干擾程度增大而降低[17]。在本研究中，土壤種子庫和冬閑期地上雜草的群落相似性指數(shù)在0.6以上。因為雜草的發(fā)生存在季節(jié)性，所以相似性指數(shù)與田間調(diào)查的時間有關(guān)。在沒有作物的競爭壓力下，冬閑期的雜草群落主要受土壤養(yǎng)分的影響。從冬閑期雜草群落的調(diào)查來看，冬閑期地上雜草主要優(yōu)勢種為看麥娘，這與李昌新等[3]的調(diào)查結(jié)果一致。施加化肥或/和實行養(yǎng)分循環(huán)使生態(tài)優(yōu)勢度傾向于變大，多樣性指數(shù)和物種豐富度傾向于下降。這與土壤種子庫表現(xiàn)較為一致。李昌新等[3]的調(diào)查結(jié)果也表明長期秸稈還田和有機肥施用顯著降低雜草多樣性。然而施加化肥或/和實行養(yǎng)分循環(huán)使雜草密度傾向于上升，這與土壤種子庫表現(xiàn)不一致。其可能原因是施肥處理有利于雜草種子的萌發(fā)。例如Lundy等[18]的研究表明表施磷酸鈣可以增加一些特定雜草種群的生長。冬閑期雜草萌發(fā)使部分種子庫消亡，降低了稻季草害風(fēng)險，這可能也是施肥降低種子庫密度的原因之一。

4 結(jié)論

通過對連續(xù)不同施肥處理 20年后的雙季水稻試驗田的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)土壤種子庫雜草共計 16種，其中圓葉節(jié)節(jié)菜占29.9%，稻搓菜占29.0%，水莧菜占 10.0%，陌上菜占 9.4%，水馬齒占 8.9%，看麥娘占4.9%；試驗區(qū)地上雜草共計10種，其中看麥娘占94.4%，稻搓菜占3.8%，圓葉節(jié)節(jié)菜占1.0%。土壤種子庫和地上雜草的群落相似性指數(shù)在0.6以上，并隨著施肥程度的提高傾向于下降。群落特征分析表明，隨著施肥程度的提高，土壤種子庫密度和 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)傾向于下降，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)傾向于升高；隨著施肥程度的提高，地上雜草群落Simpson優(yōu)勢度指數(shù)顯著提高，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著下降，物種豐富度和Pielou均勻度指數(shù)傾向于下降，雜草密度傾向于上升。綜合不同施肥下的水稻產(chǎn)量水平和土壤種子庫以及地上雜草群落特征，可以得出平衡施加化肥和實行養(yǎng)分循環(huán)均能抑制雜草，兩種施肥模式結(jié)合起來效果更佳，且能獲得更高的產(chǎn)量。

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