不同施肥管理對“多花黑麥草-水稻”輪作系統雜草防控效應的影響

張鈺薇，何宏斌，程俊康，賈戊禹，楊衡榮，辛國榮

廣東省熱帶亞熱帶植物資源與利用重點實驗室/中山大學生命科學學院，廣東 廣州 510275

雜草是農業生態系統的重要組成部分，與農作物競爭有限的光、水、肥、空間，是造成的作物減產的主要因素之一。土壤雜草種子庫是指存在于土壤表面和土壤中存活雜草種子的總和，是雜草的潛在發生庫（王衛等，2010）。合理輪作是一項高效的生態控草措施（程傳鵬等，2013），能夠減輕雜草危害，改善雜草群落（楊濱娟等，2013），也能降低土壤雜草種子庫密度（唐杉等，2016）。多花黑麥草（Lolium multiflorum L.）是世界各地廣泛栽培的優良牧草，近年來，我國南方構建的“黑麥草-水稻（Oryza sativa L.）”草田輪作（簡稱IRR）系統能充分利用冬閑期間光、熱、水、土地等資源，促進南方冬季養殖業的發展，產生了良好的經濟、社會和生態效益（Yang et al.，2008）。施肥是黑麥草高產的必要手段（辛國榮等，2002），研究發現，施N對提高黑麥草產量尤為重要（占麗平，2011），并且種草期間施用復合肥比尿素更有利于后作水稻增產（辛國榮等，2000）。

合理施肥同時能減輕雜草危害。Wan et al.（2012）表明，水稻田土壤中的N、P、K含量都會影響雜草群落，并指出影響排序為 N＞P＞K。但 3種肥力因子對雜草的影響強弱在不同的農田環境研究尚未有統一結論。在研究輪作對雜草的影響時，應關注后續雜草發生的剩余效應（residual effect）（Musunda et al.，2015）。

先前的研究表明，在黑麥草與蔬菜輪作中，農田雜草密度與土壤雜草種子庫密度顯著低于蔬菜連作田和冬閑田（孫雪等，2011），但未見 IRR系統中雜草動態的相關報道。特別是在長江流域兩熟制地區，冬閑田閑置時間長，常常雜草叢生而產生大量雜草種子，嚴重影響后作水稻的生長。本研究在湖南湘西兩熟制地區引入“多花黑麥草-水稻”輪作模式，探討前作黑麥草不同施肥管理對黑麥草生長期間以及后作水稻生長期間雜草的防控效果，為水田雜草防控和合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設計

試驗地位于湖南省懷化市麻陽縣蘭村鄉（27°77′N，109°87′E）。屬亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，年均氣溫17.3 ℃，降雨量1300 mm，日照1421.8 h，無霜期255 d。試驗地為稻田，一年一季水稻。初始0－15 cm土壤養分含量為：有機質34.58 g·kg-1、全氮 2.06 g·kg-1、全磷 0.39 g·kg-1、全鉀 12.33 g·kg-1、堿解氮 202.40 mg·kg-1、速效磷 27.86 mg·kg-1、速效鉀 60.51 mg·kg-1。供試材料為特高多花黑麥草（Lolium muldflorum ‘Tetragold’），后作水稻品種為紅香68（Oryza sativa ‘Hongxiang 68’）。

試驗于2017年10月－2018年9月執行，分前作黑麥草（2017年10月－2018年5月）與后作水稻（2018年5－9月）兩個階段。黑麥草播種量為22.5 kg·hm-2，設置8個處理分別為冬閑、種草無肥、種草施不同梯度復合肥（N?P?K=15?15?15）、種草施不同梯度尿素（CH4N2O），具體處理如表1所示。每處理重復3次，小區面積為2×3 m2，隨機分布。

表1 不同處理及代碼Table 1 Different treatment and codes

黑麥草播種前對除CK、NF處理外的每個小區施基肥（復合肥）150 kg·hm-2，剩下的肥料根據設定的施肥量，分別在每次黑麥草刈割后施入（每次用量相同）。設置4次刈割，時間分別為：2018年1月17日、3月19日、4月9日、5月14日。2018年 5－9月期間進行水稻栽培，黑麥草收獲后，每處理每小區隨機用鏟子挖取0－20 cm土層土壤約10 kg，裝桶（d=35 cm，h=40 cm），每處理為3桶重復，加水浸泡后攪拌，待平衡。4月25號將育好的水稻秧苗移栽于桶內，每桶3株。水稻生長期間施復合肥，基肥量和追肥量分別為674.0 k·hm-2和337.5 kg·hm-2。

1.2 測定內容及方法

1.2.1 雜草的調查方法

黑麥草生長期間共進行3次調查，時間分別為2018年3月19日、4月9日、5月14日。每小區隨機選取1個30 cm×30 cm樣方，統計其中雜草密度及種類，統計后拔除雜草。在草地中對單個的草本植物個體往往難以區分，故對于叢生草本通常以株叢計數，根莖禾草植物則以地上枝條計數，本研究雜草密度以（枝條/樣方）表示（章家恩，2012）。

1.2.2 土壤雜草種子庫的調查方法

黑麥草種植前，采取本底土壤，后期土壤采集與田間地上部雜草調查同期進行。采用直徑4.5 cm圓柱形取土器，每小區隨機選取3個點，取0－20 cm土柱，然后將同一小區土柱充分混合，最后得到每小區1個土樣，每處理3個重復土樣，風干。采用鏡檢法（馬波等，2004）統計其中的雜草種子密度。

1.2.3 黑麥草的產量調查

每次刈割時，各小區隨機選3個50 cm×50 cm樣方，留茬5 cm左右刈割，稱取鮮質量；每次刈割產量相加得總鮮草產量。帶回實驗室在烘箱中105 ℃殺青 30 min，75 ℃烘干至恒質量，稱取干質量。

1.2.4 土壤理化性質測定方法

土壤風干后過篩，采用電位法測定土壤 pH；擴散吸收法測定土壤全氮、鉬銻抗比色法測定土壤全磷、原子分光光度法測定土壤全鉀；擴散吸收法測土壤堿解氮、鉬銻抗比色法測定土壤速效磷、火焰光度法測定土壤速效鉀；采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質含量（鮑士旦，2000；魯如坤，2000）。

1.3 統計方法

雜草群落多樣性指數采用Shannon（H′）：

式中pi=n/N，N為雜草總密度，n為某種雜草的密度；

優勢度指數采用Simpson（D）：

均勻度指數采用Pielou（J）：

S為物種數。

試驗結果取重復觀測值的平均值，用SPSS 17.0統計軟件對雜草密度、雜草種子庫密度、雜草群落多樣性指數、黑麥草產量進行方差分析（ANOVA）、平均數差異顯著性分析（Duncan檢驗，P＜0.05）和相關性分析（Pearson correlation，Sig. 2-tailed）。使用Canoco 5軟件分別對土壤理化數據和雜草密度、雜草種子庫密度進行冗余分析（RDA）。

2 結果與分析

2.1 黑麥草的產量

無肥處理的黑麥草鮮、干草產量均顯著低于其它處理（P＜0.05）。不同復合肥處理間黑麥草鮮草產量表現為F2＞F3＞F1，其中F1鮮草產量顯著低于F2和 F3（P＜0.05），后兩者差異不顯著；黑麥草鮮草產量隨著尿素施肥量的增加呈現上升趨勢，N3處理產量最高，達80.42 t·hm-2，但不同尿素處理間差異不顯著。F2處理的干草產量顯著高于其它處理（P＜0.05），達 12.93 t·hm-2，其余施肥處理間黑麥草干草產量無顯著差異（圖1）。

圖1 冬種黑麥草不同施肥措施對鮮草和干草總產量的影響Fig. 1 Effects of different fertilization treatments on total yield of fresh and dry ryegrass

2.2 雜草群落組成與密度

冬種黑麥草期間，主要雜草有看麥娘（Alopecurus aequalis）、雀舌草（Stellaria uliginosa）、甜茅（Glyceria acutiflora）、沼生水馬齒（Callitriche palustris）、黃鶴菜（Youngia japonica）、揚子毛莨（Ranunculus sieboldii）、酸模葉蓼（Polygonum lapathifolium）、鴨跖草（Commelina communis）、稗草（Echinochloa crusgalli），在黑麥草不同生長時期，雜草組成及優勢種有一定的變化（表2）。3－5月調查期間，優勢雜草從先至后的出現順序為：看麥娘+雀舌草－雀舌草+甜茅－甜茅+稗草。3月以看麥娘、雀舌草為最優勢雜草，分別占雜草總密度77.94%、18.12%，其中無肥（NF）處理的雀舌草密度比例顯著高于其它處理（P＜0.05），達39.40%。4月，CK處理以雀舌草、甜茅為主要優勢雜草的群落，分別占 46.11%、26.73%；復合肥（F）與尿素（N）處理組仍以看麥娘、雀舌草為主要優勢雜草，分別占42.95%、34.54%；而NF處理以雀舌草的密度比例最高，達 41.81%。5月，CK處理以稗草、甜茅為主要雜草，分別占51.12%、30.73%；種草區則以雀舌草、甜茅密度最高，分別占50.08%、28.81%。稗草幾乎不在種草區發生，可見黑麥草區雜草的演替速度有所延緩。F區與N區的雜草組成相似，不同施肥量處理間雜草組成無顯著差異。

表2 冬種黑麥草不同施肥處理對主要雜草相對密度的影響Table 2 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on dominant weeds abundance %

各生長時期處理間的雜草密度差異顯著（表3）。3月，冬閑處理（CK）雜草密度顯著高于種草區，而不同種草處理間無顯著差異。4月，CK處理雜草密度同樣顯著大于種草區；不同種草處理間以 N2、N3處理密度較低，分別比 CK處理低89.43%、89.87%（P＜0.05）。5月，CK處理的雜草密度與3、4月相比顯著減少（P＜0.05）；不同處理間F1處理雜草密度最高，顯著高于F2處理與N1、N2、N3處理。可見，施入尿素與中等施量的復合肥能有效減少雜草密度。

由表4可知，經一季黑麥草種植后，不同施肥種類對雜草群落多樣性指數影響顯著。與復合肥（F）、無肥（NF）區相比，冬閑（CK）與尿素（N）區的多樣性指數顯著較高，優勢度指數顯著較低，均勻度指數較高但未達顯著水平。說明 CK與 N區，雜草物種多樣性高，優勢雜草危害較低，群落分布較均勻；其次是NF區；而F區特別是F1處理，雜草物種多樣性顯著降低、優勢雜草優勢度顯著升高、群落分布較不均勻。

表3 冬種黑麥草不同施肥處理對雜草總密度動態的影響Table 3 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on total weed density

表4 冬種黑麥草期間不同施肥措施下雜草群落結構特征Table 4 Community structure features of weeds under different fertilization treatments

表5 冬種黑麥草期間不同施肥處理對主要雜草種子相對密度（%）的影響Table 5 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on dominant weeds seed abundance (%)

2.3 雜草種子庫組成與密度

在進行地上部雜草密度調查的同時，對土壤雜草種子庫也進行調查。結果顯示不同采樣時間下所檢出的主要雜草種子種類相同，為看麥娘、雀舌草、鴨舌草（Monochoria vaginalis）、沼生水馬齒、蓮子草（Alternanthera Sessilis），共占雜草種子庫總密度的92.77%（表5）。不同處理間雜草種子庫組成差異顯著。冬閑（CK）、無肥（NF）區在 3次調查期間均以看麥娘和雀舌草的密度最高，分別占種子庫密度36.72%、35.62%與26.93%、27.50%。復合肥區以鴨舌草、沼生水馬齒密度最高，分別占20.66%、19.39%；看麥娘、雀舌草的密度比例隨著時間延續不斷增加，5月分別比 3月增加了127.34%（P＜0.05）、44.00%；而不同復合肥施肥量處理間種子庫組成差異不明顯。尿素區在3次調查中均以沼生水馬齒密度最高，占種子庫密度的28.60%；5月看麥娘與雀舌草分別比3月顯著增加了 81.45%（P＜0.05）、141.64%（P＜0.05）；不同尿素處理間看麥娘、雀舌草的密度比例隨著施肥量增加而下降，而沼生水馬齒、鴨舌草的比例呈上升趨勢。可見，冬種黑麥草期間主要增加了看麥娘、雀舌草在雜草種子庫中的比例。

不同處理間土壤雜草種子庫密度差異顯著（表6）。3月，冬閑（CK）種子庫密度最高，顯著高于F1、F2、F3、N1、N3處理。4月，不同處理間無顯著差異，N2處理最高。5月種草后，種草區種子庫密度均少于CK區，其中F2處理最小，與CK處理相差65.49%（P＜0.05）；其余種草處理間差異不顯著。與土壤雜草種子庫本底值（11月）相比，種草后CK處理增加了22.60%種子庫密度（P＞0.05），而種草區均相對減少，其中F2處理顯著減少了57.69%（P＜0.05），其余處理種草前后差異不顯著。

表6 冬種黑麥草不同施肥處理對土壤雜草種子庫總密度的影響Table 6 Effects of different winter ryegrass fertilization treatments on total density of weed seed bank

圖2 雜草密度與環境因子的RDA二維排序圖Fig.2 A two-dimensional graph of RDA ordination for weeds density and environment factors

2.4 冬種黑麥草期間雜草密度、雜草種子庫密度與土壤環境因子的相關性

對9種主要雜草與雜草總密度和8種土壤理化性質進行RDA分析，可從整體上反映雜草物種與土壤理化的關系，也可反映不同雜草對養分環境要求的相似程度（圖 2）。第一、第二排序軸特征值分別為 0.3609、0.0909，土壤理化變量對雜草密度變量的總解釋率為56.0%。不同箭頭之間的垂直投影長度可以反映兩者之間的相關性：在整個冬季種植過程，看麥娘、黃鶴菜、沼生水馬齒、雀舌草等冬季雜草與總密度的正相關性較大，而稗草、甜茅、揚子毛莨、鴨拓草等春季出現的雜草則相關性較低。大多數雜草耐貧瘠，與土壤速效養分因子相關性較低或呈負相關。全 K（貢獻率 16.5%，P=0.024）、堿解 N（貢獻率 15.4%，P=0.024）對雜草群落影響最顯著。所以土壤養分因子中，對雜草群落的影響為：K＞N＞P，土壤 K含量與雜草總密度呈正效應，特別是對看麥娘、雀舌草等冬季優勢雜草的正效應更強；而土壤 N素的增加起到相反作用；土壤 P與雜草密度呈負相關，但相關性較低。

對6種主要雜草種子密度與總密度和8種土壤理化因子進行RDA分析（圖3）。結果表明，第一、二排序軸特征值分別為 0.1682、0.0654，總解釋率30.7%。從不同箭頭之間的垂直投影長度可知：雜草種子密度與土壤養分因子大體上呈正相關，特別是與速效養分的相關性較顯著。看麥娘、雀舌草與速效 P含量相關性最大，而鴨舌草、甜茅、沼生水馬齒、蓮子草與堿解 N含量相關性最大。各土壤理化因子中，速效P（貢獻率9.9%，P=0.004）、堿解N（貢獻率7.3%，P=0.02）、速效K（貢獻率6.6%，P=0.02）3個因子對雜草種子庫影響顯著。說明土壤P肥力對種子密度影響最顯著，其次是N與K肥力。

圖3 雜草種子庫與環境因子的RDA二維排序圖Fig. 3 A two-dimensional graph of RDA ordination for weeds seedbank and environment factors

2.5 冬種黑麥草對后作水稻雜草的影響

后作水稻的栽培期間，主要雜草有：浮萍（Lemna minor）、鴨舌草、無芒稗（Echinochloa crusgali）、蓮子草、陌上菜（Lindernia procumbens）、節節菜（Rotala indica）（圖4）。與冬閑（CK）相比，冬種黑麥草對后作水稻雜草密度影響不顯著，但呈現雜草減少的趨勢（除N2處理和N3處理外）。復合肥（F）區雜草密度較低，其中F2處理比CK處理低 63.64%。尿素（N）區雜草密度均高于 F區，其中N2、N3處理雜草密度分別比CK處理高54.55%、4.03%。說明冬種黑麥草期間單施較多尿素比施用復合肥有增加后作水稻雜草密度的風險，合理搭配NPK施肥極其重要。

圖4 不同黑麥草施肥處理對后作水稻雜草密度的影響Fig. 4 Effects of different ryegrass fertilization treatments on weed density in subsequent rice season

2.6 水稻期間雜草密度與冬季雜草密度、雜草種子庫密度的關系

通過相關性分析，探討農田雜草密度與土壤雜草種子庫之間的關系（表 7）。結果顯示，雜草密度與土壤雜草種子庫密度呈現不顯著正相關關系。水稻期間的雜草密度與4－5月的雜草種子庫密度呈極顯著正相關（P＜0.01），說明前作土壤雜草種子密度顯著影響后作水稻的雜草發生。

表7 雜草密度、土壤雜草種子庫密度與水稻期間雜草密度的關系Table 7 Relationship between weed density, seed bank density and weed density in subsequent rice season

3 討論

平衡施肥是施用最適合作物生長的 N、P、K肥的量（Tang et al.，2014）。施林林等（2013）在為期30年的稻麥輪作研究中指出NPK平衡施肥田雜草密度最少，并且水稻產量最高；Lal et al.（2014）在為期43年的稻-稻試驗田中發現施NPK與其它單、雙養分處理相比，對雜草的生長抑制最佳，且不會破壞雜草群落的生物多樣性；王衛等（2013）在湖南雙季稻田進行了20年施肥試驗，結果發現施 NPK配合秸稈還田對雜草的抑制效果最佳，而施肥不均衡，雜草密度普遍較高，特別是單施PK（程傳鵬等，2013；Tang et al.，2014；Jiang et al.，2018）。本研究比較了施用復合肥與尿素農田雜草的發生情況，發現肥料種類對前作黑麥草的雜草密度影響不明顯，但單施尿素超過 540 kg·hm-2刺激了后作水稻的雜草發生；從剩余效應的角度驗證了平衡施用 NPK的重要性。平衡施肥下，作物形成更封閉的作物層以進一步限制雜草群落所接收的光照，這是控制雜草最重要的機理之一（Yin et al.，2006）。相似的，Petr et al.（1991）研究了施肥對大麥田雜草的影響，指出適宜的施肥管理主要通過增強作物的光照與養分競爭能力，從而影響雜草群落。Buchanan et al.（2016）認為，不同的冬季覆蓋作物種類對雜草的抑制機理主要為生物量效應，即作物的生物量在抑草過程中起主要作用。

施肥導致的土壤養分差異將影響雜草群落結構（蔣敏等，2014）。冬種黑麥草期間不同施肥處理區中，無肥區的闊葉雜草比例較大，這可能與該區黑麥草生長弱所導致的透光度較高有關；Florence et al.（2015）發現了闊葉型雜草競爭力與光照強度的正向關系。復合肥區和尿素區的雜草組成相似，不同在于復合肥區的雀舌草密度較大，而尿素區的沼生水馬齒密度較大，說明土壤養分對兩個物種有明顯的選擇作用；RDA圖顯示出雀舌草與K有更高的相關性，而沼生水馬齒與N相關性更高，這表明了兩者分別對兩種養分有更高效的利用機制。

農業生產中，維持適宜的土壤養分水平能有效控制雜草，使雜草與作物生長達到有益生產的平衡（董春華等，2015）。Tang et al.（2014）在冬小麥田進行了連續11年的定位施肥試驗，結果表明土壤養分對雜草群落的影響程度大小為 P＞N＞K，且P與多數雜草密度呈顯著負相關。Jiang et al.（2018）同樣在冬小麥田進行了長達31年的定位試驗，發現土壤N、P水平與大多數雜草密度呈負相關，土壤有效 K水平則與多數雜草密度呈正相關，但影響程度較低。相似的，多數前人均表明 K與雜草發生之間較低的相關性，但Grant et al.（2007）發現，K肥能夠顯著促進某些雜草如藜（Chenopodium album）等的生長，但對作物小麥、油菜無明顯增產作用。本研究同樣驗證了土壤N、P含量與雜草密度的負相關，但強調了土壤 K含量與雜草總密度特別是看麥娘等冬季雜草的正相關。潘福霞等（2012）指出，看麥娘喜P、N肥，但對K肥有較強的耐受能力；在這里，可能由于黑麥草對土壤N、P養分的吸收力更強，使土壤積累更多 K被雜草所利用；應重視土壤K水平對雜草群落的影響。

土壤雜草種子庫與地上植被的關系尚未有統一結論，但在耕地等頻繁干擾地帶兩者關系或較為密切（林志靈等，2008）。本研究發現，雜草種子庫密度與后作水稻的雜草密度呈顯著正相關，說明IRR系統雜草種子庫能有效預測雜草的持續危害。本研究還發現，各土壤養分水平與雜草種子庫密度呈正相關，潘俊峰等（2014）也發現了施肥量與雜草種子密度的正相關；這與地上部雜草密度與土壤養分水平的關系呈相反趨勢。根據最優防御假說（The optimal defence hypothesis），可能是由于雜草在處于競爭劣勢時會在短時間內分配更多的資源用于生殖，而減少營養生長的投入（Blossey et al.，1995）。萬開元等（2010）發現，施用N肥是雜草種子庫增加的主要因素；本研究 RDA結果表明，養分因子對雜草種子庫的影響程度大小為P＞N＞K，說明本試驗條件下，維持適宜的土壤P、N水平對控制土壤雜草種子庫有重要意義。

值得注意的是，后作水稻期間生長的鴨舌草、蓮子草等優勢雜草并未在冬種黑麥草期間生長，種子庫中所檢出的種子主要來源于前作水稻。從結果可知，冬種黑麥草對這些雜草種子的后續萌發產生了作用，且不同的前作施肥管理可產生抑制或刺激的作用，積累于土壤的養分可能影響雜草種子的萌發。此外黑麥草的化感作用也可能是原因之一，高承芳等（2014）驗證了黑麥草植株具有化感能力，并指出該能力隨著施N量的增加而減弱。需進一步探討黑麥草化感作用、土壤養分對雜草種子萌發的影響等問題，以期深入研究持續控制雜草的機理。

4 結論

在湘西兩熟制地區構建的“黑麥草-水稻”輪作系統中，冬種黑麥草期間雜草密度隨著黑麥草生長呈現先增后減的變化趨勢，與冬閑田相比，種草田延緩了農田雜草的演替，顯著降低了地上部雜草與土壤雜草種子庫的密度，并存在減少后作水稻雜草發生的趨勢。不同施肥措施顯著影響了冬季雜草群落結構和密度；本研究條件下，冬季施用 1500 kg·hm-2復合肥在保證黑麥草高產的同時，是最有利于雜草防控的施肥措施；而單施尿素超過 540 kg·hm-2會有增加后作水稻雜草的風險。土壤全 K含量是對冬季雜草群落影響最積極的養分因子；雜草種子庫與土壤速效N、P、K呈正相關，其中N、P兩個土壤因子的影響較大。