河北省夏玉米田雜草群落數(shù)量分析

李秉華， 張宏軍， 段美生， 劉小民， 王貴啟

（1．河北省農林科學院糧油作物研究所，石家莊 050035；2．農業(yè)部農藥檢定所，北京 100125；3．河北省邯鄲市農業(yè)局，邯鄲 056001）

玉米是世界重要的糧食作物，我國玉米近年播種面積逐步增加，2009年玉米播種面積超過水稻成為我國播種面積最大的作物，2011年玉米播種面積達3 354萬h m2，占農作物總播種面積的20．67%［1］。雜草群落是農田生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，一方面具有保持水土、改善土壤結構［2］和富集土壤重金屬元素［3－4］等有益的生態(tài)作用，另一方面雜草又與作物競爭水、肥、光等生態(tài)資源［5］，顯著影響農業(yè)生產［6－7］，雜草可造成夏玉米50%左右的產量損失［8］，因此草害是影響玉米生產的主要因素之一。通過雜草群落的調查和分析，可以明確雜草群落演替規(guī)律、生態(tài)環(huán)境變化和生物多樣性資源，以便創(chuàng)造可持續(xù)的農田生態(tài)環(huán)境。2004－2005年魏守輝等［9］對河北省的玉米田進行了雜草群落調查，其中河北省中部和南部地區(qū)夏玉米田的主要雜草為馬唐、牛筋草、鐵莧菜和馬齒莧。近年河北省夏玉米免耕播種面積不斷擴大、除草劑應用面積和強度增加、外來惡性雜草入侵等，是否造成該地區(qū)農田雜草群落的組成和結構等群落特征的改變則缺乏相關研究。

為了更詳細地掌握河北省夏玉米田雜草危害現(xiàn)狀和群落結構，2012年筆者針對河北省夏玉米田的雜草群落進行了調查，對雜草群落結構進行數(shù)量分析，以期為該地區(qū)農田雜草綜合治理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 研究地區(qū)概況和樣點分布

雜草群落的調查范圍為東經(jīng)114°38′～117°8′，北緯36°20′～39°28′，海拔7～58 m，屬溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，四季分明，年降水量500 mm左右，夏季高溫多雨，降水量占全年總降水量的71%，7月平均氣溫26℃左右［10］，適于玉米等秋糧作物生長。調查地點為石家莊、保定、廊坊、邢臺、邯鄲、衡水和滄州的27個縣市有代表性的夏玉米田，均為一年兩熟制的耕作制度，是河北省夏玉米的主產區(qū)。

1．2 調查方法和數(shù)據(jù)分析

田間調查于2012年7月下旬進行，采用改良的倒“W”9點取樣法［11］調查樣點內各雜草種的株數(shù)、株高、蓋度和鮮重，調查了27個地塊（圖2）共243個樣點，每個地塊面積不低于1 hm2，每個樣點面積為1 m2。

雜草的相對優(yōu)勢度（RA，relative abundant）的計算公式為：

RA ＝ （RW ＋RH ＋RD＋RF）×100／4，

式中：RW、RH、RD和RF分別為相對重量、相對高度、相對密度和相對頻率［12］。

物種豐富度采用Gleason指數(shù)（dGL），計算公式為：

式中：d是物種數(shù)目隨樣方增大而增加的速率，S為物種的數(shù)目，A為所調查的面積［13］。

Shannon－Wiener多樣性指數(shù)（H′）計算公式為：

式中：Pi是第i物種被第1次抽到的概率，Pi＝Ni／N，Ni為樣方中第i種雜草的密度，N 為該樣方中所有雜草密度的和。Si mpson優(yōu)勢度指數(shù)（D）計算公式為：

Pielou均勻度指數(shù)（J）計算公式為：

J ＝ H′／l n S［14］，S是調查區(qū)域內的物種數(shù)目。

采用系統(tǒng)聚類的方法對雜草群落相似性進行分析，使用SPSS 12．0處理數(shù)據(jù)，聚類方法為組間均連法，測度使用Euclidean平方距離。主成分分析（principal components analysis，PCA）使用CANOCO 4．5，CANOCO是生態(tài)學中用于約束與非約束排序的常用工具。使用CANOCO對數(shù)據(jù)進行中心化處理后再進行PCA，結果中的箭頭射線代表物種，空心圓點代表調查地塊。物種的箭頭長度表示的是在排序空間內物種相對多度變化量的比例，沿著箭頭的方向為增大，反之為減小；物種射線間的夾角代表其相關性，夾角越小，物種間的相關性就越高，反之則相關性越低。

2 結果與分析

2．1 夏玉米耕作、種植情況和田間雜草種類

調查區(qū)域內以冬小麥和夏玉米一年兩熟的種植制度為主，夏玉米的主要耕作方式為帶茬免耕播種，占所調查地塊總數(shù)的92．6%。玉米均為等行距種植，株距為27～33 c m，行距為50～55 c m。該地區(qū)夏玉米田雜草共有48種，其中田間合計頻率≥5%的雜草有23種（表1），隸屬于12科22屬，包含雜草種類最多的科是禾本科，包含6種雜草，相對優(yōu)勢度之和為63．10%；其次是旋花科，包含4種雜草，相對優(yōu)勢度之和為6．16%。

2．2 雜草群落的相似性測定

以不同地塊和各雜草種的相對優(yōu)勢度構成矩陣進行系統(tǒng)聚類分析，結果表明：根據(jù)雜草群落的結構，所調查的27個地塊可分為2個聚類群，第Ⅰ聚類群中的成員由編號1～8和15～27的地塊組成，占調查地塊總數(shù)的77．78%；第Ⅱ聚類群中的成員由編號9～14的地塊組成，占調查地塊總數(shù)的22．22%（圖1）。從行政區(qū)劃可以看出，第Ⅰ聚類群中的聚類成員主要分布于廊坊、保定、石家莊、邢臺和邯鄲，地理位置上屬于冀中南山前平原［15］，第Ⅱ聚類群中的聚類成員主要分布于衡水和滄州，地理位置上屬于黑龍港地區(qū)［16］（圖2）。第Ⅰ聚類群中相對優(yōu)勢度較大的雜草有馬唐、狗尾草、牛筋草、反枝莧、鐵莧菜和打碗花，第Ⅱ聚類群中相對優(yōu)勢度較大的雜草有馬唐、狗尾草、牛筋草、鐵莧菜和馬齒莧（表1）。

表1 河北省夏玉米田的主要雜草1）Table 1 Weed speciesinfestedinsummermaizeinHebeiProvince

圖1 夏玉米田雜草群落相似性分析Fig．1 The si milarity measurementof weed community in summer maize by hierarchical cluster

圖2 夏玉米田雜草群落調查地塊的地理分布與群落相似性示意圖Fig．2 Distribution of the plots and si milarity of weed community

2．3 雜草群落物種多樣性測度

根據(jù)系統(tǒng)聚類分組的結果，分別對冀中南山前平原（第Ⅰ聚類群）和黑龍港地區(qū)（第Ⅱ聚類群）雜草群落的物種多樣性進行測度（表2）。黑龍港地區(qū)田間頻率≥5%的雜草種類比冀中南山前平原少4種，這兩個地區(qū)的Gleason指數(shù)比較相近，說明隨著取樣面積的增加物種的數(shù)目略增加，物種數(shù)目在這兩個地區(qū)單位面積上的分布基本一致。黑龍港地區(qū)的Si mpson指數(shù)是冀中南山前平原的2．92倍，說明黑龍港地區(qū)的優(yōu)勢草種在雜草群落中有較高的相對優(yōu)勢度，群落結構比較簡單。冀中南山前平原雜草群落的Shannon－Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)分別是黑龍港地區(qū)的1．45倍和1．36倍，說明冀中南山前平原雜草群落中各草種間聯(lián)系緊密，群落結構較黑龍港地區(qū)復雜，并且冀中南山前平原夏玉米田的優(yōu)勢雜草在群落中的相對優(yōu)勢度較低，各草種在該地區(qū)分布的均勻程度較高，與Si mpson指數(shù)的指示效果一致。

表2 不同地區(qū)雜草群落物種多樣性指數(shù)比較Table 2 Comparison of species diversity indices in different weed communities

2．4 雜草群落PCA結果

對冀中南山前平原的雜草群落進行PCA（圖3a），第一主成分和第二主成分的方差百分比分別為20．8%和14．4%，累計方差百分比為35．3%。從結果可以看出，馬唐、狗尾草、牛筋草和反枝莧等相對優(yōu)勢度較高的草種在圖中分布比較分散，彼此的相關性較低，其他各草種在各個方向的分布也比較均勻，表明優(yōu)勢草種在群落中的相對優(yōu)勢度較低，各草種在群落中的分布也比較均勻。相對優(yōu)勢度最大的三種雜草（馬唐、狗尾草和牛筋草）的相對優(yōu)勢度之和為54．72%。

對黑龍港地區(qū)的雜草群落進行PCA（圖3 b），第一主成分和第二主成分的方差百分比分別為38．2%和24．5%，累計方差百分比為62．7%。該地區(qū)雜草群落PCA排序圖中，各草種的分布主要集中在三個方向。第一個方向中相關度較高的雜草種類有馬唐、狗尾草、牛筋草、鐵莧菜、馬齒莧和藜，占該地區(qū)雜草相對優(yōu)勢度的78．95%，其中相對優(yōu)勢度最大的3種雜草（馬唐、狗尾草和牛筋草）的相對優(yōu)勢度之和達64．82%，是冀中南山前平原這3種雜草相對優(yōu)勢度之和的1．18倍，優(yōu)勢雜草分布明顯集中。第二個方向中相關度較高的雜草有反枝莧、苘麻、虎尾草、刺兒菜、苦荬菜、藤長苗、牽牛、酸模葉蓼等，該組雜草的相對優(yōu)勢度之和為13．67%。第三個方向相關度較高的雜草有打碗花、萹蓄、醴腸和野高粱，該組雜草的相對優(yōu)勢度之和為7．38%。

圖3 不同地區(qū)雜草群落PCA排序圖Fig．3 PCA or dination graph of weed community in different regions

3 結論與討論

農田生態(tài)系統(tǒng)作為半人工的生態(tài)系統(tǒng)，人類活動對其具有深入、復雜的影響［17］。雜草種群的分布，是雜草對生態(tài)因子長期適應的結果［18］，而且雜草在土壤中積累了數(shù)量巨大的種子庫。因此，除非耕作方式、種植制度、化學除草等人類活動或者其他生態(tài)因子發(fā)生明顯改變，農田雜草群落才可能發(fā)生演替。黃頂菊是原產于南美洲的惡性雜草，2003年在河北省被發(fā)現(xiàn)［19］，具有極強的競爭優(yōu)勢［20］，但在近年的雜草群落調查中并未發(fā)現(xiàn)黃頂菊侵入該地區(qū)的玉米田造成群落演替，說明黃頂菊在與本地物種的競爭過程中處于劣勢［21］，以及本地物種具有維持群落相對穩(wěn)定性的作用。

由于生態(tài)環(huán)境比較接近，河北省夏玉米田的雜草群落中，不同地區(qū)間雜草群落的組成種類比較相似，相對優(yōu)勢度最大的3種雜草均為馬唐、狗尾草和牛筋草。但是不同草種在不同地區(qū)雜草群落中的相對優(yōu)勢度差異較大，根據(jù)這種雜草群落結構在數(shù)量上的不同，河北省夏玉米田的雜草群落可分為冀中南山前平原和黑龍港地區(qū)2種類型。河北省夏玉米田的優(yōu)勢雜草有馬唐、狗尾草、牛筋草、鐵莧菜、反枝莧和打碗花，與魏守輝等［9］的調查結果基本一致，其中馬唐和牛筋草的相對優(yōu)勢度變化不大，說明近年該地區(qū)夏玉米田雜草群落的種類組成比較穩(wěn)定，但是狗尾草、反枝莧和打碗花在群落中的相對優(yōu)勢度上升明顯，鐵莧菜和馬齒莧則有所下降，說明近年該地區(qū)的雜草群落在結構上有一定改變。依據(jù)本次調查所得到的結果，可以針對不同地

區(qū)雜草群落的結構制定相應的雜草治理措施，對農田生態(tài)系統(tǒng)進行綜合管理。

［1］ 中國統(tǒng)計年鑒編委會．中國統(tǒng)計年鑒2012［M］．北京：中國統(tǒng)計出版社，2013．

［2］ 黃宇，鄒冬生，王華．龍須草水土保持效益研究［J］．中國生態(tài)農業(yè)學報，2004，12（2）：152－154．

［3］ 郭水良，黃朝表，邊媛，等．金華市郊雜草對土壤重金屬元素的吸收與富集作用（Ⅱ）－雜草－土壤間重金屬元素關系的主成分分析［J］．上海交通大學學報（農業(yè)科學版），2002，20（2）：137－140．

［4］ 韋朝陽，陳同斌．重金屬超富集植物及植物修復技術研究進展［J］．生態(tài)學報，2001，21（7）：1196－1203．

［5］ Aldrich R J．Predicting crop yield reductions from weeds［J］．Weed Technology，1987，1（3）：199－206．

［6］ 于金鳳，王金信，陳茂學，等．麥田混生雜草生態(tài)經(jīng)濟閾值的研究［J］．植物保護，2002，28（5）：13－15．

［7］ 馮建永，龐民好，劉穎超，等．棉田黃頂菊的經(jīng)濟閾值及競爭臨界期［J］．植物保護學報，2009，36（6）：561－566．

［8］ 李秉華，張永信，邊全樂，等．免耕夏玉米田雜草防治關鍵期研究［J］．中國生態(tài)農業(yè)學報，2013，21（8）：998－1003．

［9］ 魏守輝，張朝賢，翟國英，等．河北省玉米田雜草組成及群落特征［J］．植物保護學報，2006，33（2）：212－218．

［10］河北省地方志編纂委員會．河北省志：自然地理志［M］．石家莊：河北科學技術出版社，1993．

［11］張朝賢，胡祥恩，錢益新，等．江漢平原麥田雜草調查［J］．植物保護，1998，24（3）：14－16．

［12］Shrest ha A，Knezeric S Z，Roy R C，et al．Effectof tillage，cover crop and cr op r otation on the co mposition of weed flora in a sandy soil［J］．Weed Research，2002，42（1）：76－87．

［13］馬克平．生物群落多樣性的測度方法：Ⅰα多樣性的測度方法（上）［J］．生物多樣性，1994，2（3）：162－168．

［14］馬克平，劉玉明．生物群落多樣性的測度方法：Ⅰα多樣性的測度方法（下）［J］．生物多樣性，1994，2（4）：231－239．

［15］孫世剛，李英杰，張建斌．河北省山前平原糧食生產能力估算［J］．華北農學報，2009，24（S1）：344－348．

［16］許月卿．區(qū)域耕地動態(tài)變化及可持續(xù)利用評價——以河北省黑龍港地區(qū)為例［J］．地理科學進展，2002，21（1）：35－42．

［17］尹飛，毛任釗，傅伯杰，等．農田生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其形成機制［J］．應用生態(tài)學報，2006，17（5）：929－934．

［18］Ciuber kis S，Ber notas S，Raudonius S，et al．Effectof weed emer gence ti me and inter vals of weed and cr op co mpetition on potato yield［J］．Weed Technology，2007，21（1）：213－218．

［19］劉全儒．中國菊科植物一新歸化屬——黃菊屬［J］．植物分類學報，2005，43（2）：178－180．

［20］任艷萍，江莎，古松，等．外來植物黃頂菊（Flaveria bidentis）的研究進展［J］．熱帶亞熱帶植物學報，2008，16（4）：390－396．

［21］呂遠，王貴啟，鄭麗，等．入侵植物黃頂菊與本地植物的競爭［J］．生態(tài)學雜志，2011，30（4）：677－681．