長期不同施肥處理對黃壤性水稻田雜草生物多樣性的影響

冉海燕,黃興成,蘭獻敏,何秀龍,陳仕紅,葉照春

(1.貴州省農業科學院植物保護研究所,貴州貴陽 550006; 2.貴州省農業科學院土壤肥料研究所,貴州貴陽 550006;3.農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站,貴州貴陽 550006)

雜草是農田生態系統中的重要組成部分,耕作方法、種植模式、管理措施均會影響雜草群落多樣性及穩定性。在農田耕作管理中,施肥影響土壤屬性狀況,進而改變作物與雜草間的競爭關系。研究施肥對農田雜草生物多樣性的影響,揭示農田雜草生物多樣性對長期施肥的響應機制,對黃壤區農田雜草生物多樣性保護和生態控制具有重要意義。尹力初等在不同施肥處理對玉米田雜草的影響研究中,通過主成分分析指出,土壤速效磷、速效氮含量是影響田間雜草群落的主要因子[1];蔣敏等就長期不同施肥方式對太湖地區稻麥兩熟制條件下雜草群落的影響研究,明確指出土壤氮、磷、有機質含量是影響田面雜草密度和優勢種群分布的主要土壤養分因子[2];黃興成等研究了黃壤性稻田稗草發生特征對長期不同施肥的響應,結果表明有機肥提高了稗草的發生密度、單株穗數和總穗數,土壤磷含量是影響稗草密度和總穗數的直接因素[3];張志銘等在小麥—玉米和小麥—大豆輪作方式下,研究長期不同施肥方式對麥田雜草群落結構及多樣性的影響,不同施肥處理雜草群落存在顯著差異,且某些雜草對土壤養分表現出一定的依賴性[4];施林林等研究了不同施肥處理對稻麥輪作田雜草群落多樣性的影響,明確指出土壤養分盈虧決定了田面雜草密度和優勢種群,其中土壤氮含量對雜草群落的影響最顯著[5]。唐靜等從施肥模式對油菜、雜草、土壤養分及油菜-雜草空間分布影響開展研究,得出長期土壤養分虧缺會顯著影響作物-雜草生長與空間分布,雜草優勢群落存在顯著差異,平衡施肥有助于形成作物雜草良性競爭[6]。張鈺薇等在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研究中發現,施肥措施引起土壤鉀(K)含量的差異是影響冬季雜草群落的主要因素,土壤氮(N)、磷(P)含量的差異是影響土壤種子庫的主要因素[7]。前人的研究多集中在輪作對雜草群落的影響,但對冬季休耕、單一種植模式田間雜草群落特征變化的研究報道鮮見。本研究擬采用群落生態學方法,以期明確單一種植模式下,長期不同定位施肥處理對黃壤性稻田季雜草群落特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究依托于農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站的一項連續25年(1995—2020年)長期定位施肥試驗。試驗地位于貴州省貴陽市花溪區貴州省農業科學院內(106°39′52″ E,26°29′49″ N),地處黔中丘陵區,屬亞熱帶季風氣候,平均海拔1 071 m,年均氣溫15.3 ℃,年均日照時數1 354 h左右,相對濕度75.5%,全年無霜期270 d左右,年降水量1 100～1 200 mm。試驗地土壤為黃壤性水稻土黃泥田土種,1994 年采集基礎土樣,其耕層(0～20 cm)土壤基本性質如下:有機質含量44.9 g/kg,全氮含量 1.96 g/kg,全磷含量0.95 g/kg,全鉀含量16.4 g/kg,堿解氮含量159 mg/kg,有效磷含量13.4 mg/kg,速效鉀含量294 mg/kg,pH值為6.75,成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。試驗田水稻種植品種為茂優601,2020年5月26日施基肥并移栽,此時田間雜草未萌發;2020年6月1日施返青肥,田間雜草偶見萌發;2020年6月28日施分蘗肥,田間雜草2～4葉期。

1.2 試驗處理

2020年初分別采集并測定不同施肥處理0～20 cm土層土壤,試驗共設7個處理,NP(氮磷肥)、PK(磷鉀肥)、NK(氮鉀肥)、NPK(常量化肥)、M(單施有機肥)、1/2MNP(1/2有機肥替代化肥)、CK(不施肥)處理(表1)。

表1 試驗處理及不同施肥處理土壤基本性質Table 1 Basic properties of different treatments

1.3 試驗設計

黃壤稻田長期定位試驗采用大區對比試驗設計,小區面積200.99 m2(35.70 m×5.63 m),小區間用水泥田埂間隔,避免各小區間竄灌、竄排。供試化肥為尿素[含氮(N)46.0%]、過磷酸鈣(含P2O512.0%)和氯化鉀(含K2O 60%);有機肥為牛廄肥,鮮基養分多年測試平均N含量為 2.7 g/kg、P2O5含量為1.3 g/kg、K2O含量為 6.0 g/kg。不同處理施肥量如表2所示,自1995年試驗開始,各處理施肥量保持一致。

表2 不同施肥處理施肥量Table 2 Nutrient application rates of different treatments

1.4 調查方法

雜草種類調查:分別于2020年7月3日(水稻分蘗期)、8月3日(水稻抽穗期)、9月24日(水稻收獲期)對試驗處理農田雜草物種進行調查;將試驗地延長邊三等分,設置3個調查取樣重復小區,每個小區采用3點取樣調查法,樣方面積0.25 m2(0.5 m×0.5 m),調查田間雜草種類(即物種豐富度)、株數、蓋度、高度,水稻收獲期調查時將樣方內所有雜草帶回實驗室分類并稱其生物量。

雜草優勢種確定:為消除各種雜草不均衡分布的影響,采用包含雜草密度和頻度的相對優勢度(RA)作為衡量某種雜草重要程度的指標。其計算公式為:RA=(相對密度+相對頻度)/2,相對密度為小區中某種雜草的密度除以小區中所有雜草的密度之和,相對頻度為小區中某種雜草的頻度除以小區中所有雜草的頻度之和。

雜草群落的物種多樣性采用Shannon-Winener指數(H′)測度,群落均勻度采用Pielou指數(J)測度,群落優勢度采用Simpson指數(D)測度。測算公式如下:

H′=-∑Pi×lnPi;

(1)

J=H′/lnS;

(2)

(3)

式中:S為樣方內雜草種類數量;Pi為樣方中第i物種相對多度。

1.5 數據處理

數據采用Excel 2007、DPS 17.10軟件統計處理分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對雜草群落組成及發生特征的影響

如表3、表4、表5所示,該試驗雜草種類主要有稗[Echinochloacrusgalli(L.) P.Beauv.]、野荸薺[HeleocharisplantagineiformisTang et Wang]、野慈姑(SagittariatrifoliaL.)、節節菜[Rotalaindica(Willd.) Koehne]、陌上菜[Linderniaprocumbens(Krock.) Borbas]、異型莎草(CyperusdifformisL.)、鴨舌草[Monochoriavaginalis(Burm. F.) Presl ex Kunth]。水稻不同生育期雜草發生種類存在一定的差異,水稻分蘗期稻田雜草發生種類較少,僅稗草、野慈姑、野荸薺3種。隨著水稻的生長,節節菜、鴨舌草、異型莎草和陌上菜偶有發生,但發生不均勻;水稻收獲期1/2MNP、M、CK、NPK、NP、NK、PK處理區雜草發生豐富度分別為4、5、3、3、6、3、4,以NP處理最高,CK、NK、NPK處理最低。同一施肥處理對水稻不同生育期田間雜草發生種類無明顯影響。水稻不同生育期野荸薺發生密度均高于其他雜草且發生均勻,為田間主要優勢種雜草。

表3 長期不同施肥處理對水稻分蘗期雜草群落特征的影響Table 3 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the tillering stage of rice

表4 長期不同施肥處理對水稻孕穗期雜草群落特征的影響Table 4 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the booting stage of rice

表5 長期不同施肥處理對水稻收獲期雜草群落特征的影響Table 5 Effects of long-term different fertilization treatments on the characteristics of weed communities at the harvest stage of rice

2.2 不同施肥處理對水稻不同生育期田間雜草多樣性的影響

如表6所示,水稻不同生育期雜草群落多樣性指數存在差異。水稻分蘗期CK處理Shannon、Pielou指數最高。水稻孕穗期、收獲期PK處理Shannon、Pielou指數最高。水稻分蘗期、孕穗期、收獲期Simpson指數最高的分別是NP、M、CK處理。方差分析結果表明,水稻分蘗期、孕穗期不同施肥處理間雜草Shannon、Pielou、Simpson指數差異不顯著;水稻收獲期PK處理雜草Shannon、Pielou指數與其他各處理間差異顯著,Simpson指數與其他各處理(除NK處理外)間差異顯著。

表6 不同施肥處理對水稻不同生育期田間雜草多樣性影響Table 6 Effects of different fertilization treatments on weed diversity in rice fields at different growth stages

2.3 不同施肥處理對水稻收獲期雜草生物量的影響

1/2MNP、M、CK、NPK、NP、NK、PK處理雜草總草生物量分別為578.53、573.63、481.28、528.48、413.95、294.17、232.64 g;其中,1/2MNP處理區雜草總生物量最高,PK處理雜草總生物量最低。由圖1可知,不均衡施肥處理(NP、NK、PK)的雜草總生物量低于有機肥處理(1/2MNP、M)和均衡施肥(NPK)處理;1/2MNP、M處理區雜草總生物量與CK、NPK、NP處理區雜草總生物量差異不顯著,與NK、PK處理區差異顯著。

3 討論與結論

耕作模式、土壤肥力、種植制度等是影響作物生長和田間雜草種群演替的重要因素[8-11],其中施肥是農田生態系統中的一種重要的農作管理措施,長期施肥處理影響了土壤養分空間差異,進而改變了雜草種群結構[12-13]。雜草的發生和危害程度與土壤肥力存在一定的關聯作用[14],在本試驗中,NP處理田間雜草豐富度最高,其次為M處理,CK、NPK、NK處理區雜草豐富度與其他處理相比較低。

農業生產中,田間雜草種群隨著農作物生育期的變化存在季相變化的特點[15-16], 董春華等在雙季稻紅壤稻田長期定位施肥試驗中發現紅壤早稻田間雜草與施肥模式和水稻生育期存在緊密的關系[17]。本試驗結果表明,水稻不同生育期,田間雜草發生種類存在差異,隨著水稻的生長,雜草發生種類增多,雜草發生密度增加。水稻分蘗期稻田雜草主要為野荸薺和野慈姑,水稻孕穗期后稗草、節節菜、異型莎草等雜草偶有發生,但不同施肥處理間雜草發生種類仍存在較大的差異性。

不同養分元素對雜草群落的調節能力存在差異。本試驗中,土壤養分元素對雜草生物量的積累表現出顯著的差異,長期不均衡施肥處理(NP、NK、PK)的雜草生物量均低于均衡施肥處理(NPK),這與萬開元等在長期施肥對砂姜黑土田冬小麥雜草群落的影響研究結果[12]一致。眾多研究結果表明,土壤種子庫是雜草危害的潛在力量,長期不同施肥處理對土壤雜草種子庫具有顯著的影響,進而影響地上部分雜草群落組成[18-19],降低土壤雜草種子庫是減少雜草對作物危害的有效手段。耕作措施、水肥管理、作物特性均會影響作物田間雜草種群變化,根據作物和雜草的生長特性和肥力需求,合理布局可有效降低雜草對作物造成的危害。

長期定位不同施肥處理顯著加快土壤肥力的演變,雜草種群組成及發生量存在差異。本試驗中,磷肥主要影響雜草發生種類,氮肥對雜草多樣性及生物量的影響較顯著。農田雜草發生具有顯著的季相變化,隨著水稻不斷生長發育,雜草種群組成及發生特征發生明顯改變;同一施肥處理下,雜草種群與水稻生育期無明顯相關性。