王衛(wèi)，陳安磊，謝小立*，楊菲,2，王飛,2

1. 中國(guó)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(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 中國(guó)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(duì)小動(dòng)物和微生物的影響。然而，雜草通過(guò)與作物競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)光、養(yǎng)分等資源從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降。土壤種子庫(kù)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(kù)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(kù)可以更深入地了解田間雜草狀況，對(duì)雜草防控具有重要意義。從土壤種子庫(kù)的角度研究農(nóng)田雜草群落在我國(guó)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(guó)主要的種植作物之一，種植面積接近3000萬(wàn)hm2。施肥是提高水稻產(chǎn)量的必要手段，同時(shí)也對(duì)雜草群落產(chǎn)生影響。Wan等[1]對(duì)位于江西的一塊長(zhǎng)期試驗(yàn)稻田的晚稻生長(zhǎng)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(shì)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(duì)位于湖南的一塊長(zhǎng)期試驗(yàn)稻田的晚稻生長(zhǎng)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(duì)雜草群落的影響更大。李昌新等[3]對(duì)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(zhǎng)期秸稈還田、有機(jī)肥和配施無(wú)機(jī)肥均能影響雜草群落。Feng等[4]對(duì)太湖地區(qū)的一個(gè)長(zhǎng)期不同施肥下的稻-油輪作田的土壤種子庫(kù)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(kù)密度均最低，但其總物種數(shù)和多樣性較高。

目前，對(duì)雙季稻田的冬閑期雜草種子庫(kù)的研究鮮有報(bào)道。本研究選擇湖南地區(qū)一個(gè)連續(xù)不同施肥處理 20年后的雙季稻田為調(diào)查對(duì)象，考察了長(zhǎng)期不同施肥對(duì)冬閑期稻田土壤雜草種子庫(kù)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(yàn)在中國(guó)科學(xué)院桃源農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)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(shí)數(shù)為1531 h，年太陽(yáng)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(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在站內(nèi)長(zhǎng)期施肥制度試驗(yàn)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(gè)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(jiǎn)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(shí)行秸稈全量還田并種植綠肥（NPK+OM）。3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為33 m2。春季耕田時(shí)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(zhǎng)段后直接還田；化肥為尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀。全年化肥施用量為尿素 406 kg?hm-2，過(guò)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(kù)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(gè)土樣。將土樣置于室內(nèi)自然風(fēng)干，粉碎過(guò)0.2 mm網(wǎng)篩。萌發(fā)試驗(yàn)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(gè)小區(qū)的土樣，從每個(gè)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(rùn)。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(yàn)從2010年5月至10月。當(dāng)連續(xù)4周萌發(fā)土壤中無(wú)新幼苗出現(xiàn)時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。于冬閑期進(jìn)行地上雜草群落調(diào)查。每個(gè)小區(qū)調(diào)查 10個(gè)樣方，記錄物種和數(shù)量。樣方為圓形，直徑15 cm。對(duì)于小區(qū)中能發(fā)現(xiàn)的數(shù)量很少的物種，統(tǒng)計(jì)其數(shù)量并除以小區(qū)面積來(lái)計(jì)算密度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤種子庫(kù)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(kù)和地上雜草物種多樣性采用如下指標(biāo)計(jì)算：以總密度D和物種豐富度（R）度量種子庫(kù)大小，R=(S-1)/lnN；生態(tài)優(yōu)勢(shì)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(kù)與地上植物的物種共有度用Sorensen相似性系數(shù)（SC）測(cè)度，SC=2j/(a﹢b)。其中Pi=Ni/N，Ni為樣方中第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)，N為所有物個(gè)體之和，S為物種數(shù)，j為種子庫(kù)和地上雜草共有物種數(shù)，a為種子庫(kù)的物種數(shù)，b為地上雜草種數(shù)。因?yàn)樗竞妥显朴槿藶榉N植植物，故不在本研究統(tǒng)計(jì)范圍之內(nèi)。所有數(shù)據(jù)采用Excel軟件計(jì)算，采用SPSS 15統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(kù)與地上雜草物種組成

在一個(gè)內(nèi)外環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的開放稻田系統(tǒng)中，稻田土壤雜草種子庫(kù)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(shì)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(jì)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(zhǎng)期不同施肥下稻田土壤種子庫(kù)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(kù)與地上雜草的群落特征

稻田土壤種子庫(kù)群落特征分析見(jiàn)表 2。土壤種子庫(kù)密度數(shù)量級(jí)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(kù)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(duì)土壤種子庫(kù)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(zhǎng)期不同施肥下稻田土壤種子庫(kù)群落特征Table 2 Community structure features of weeds seed bank under long-term different fertilization treatments

表3 長(zhǎng)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(jiàn)表 3。隨著施肥程度（CK

2.3 土壤種子庫(kù)和地上雜草的群落相似性

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

表4 長(zhǎng)期不同施肥下稻田土壤種子庫(kù)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(zhǎng)，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(kù)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(kù)密度和多樣性指數(shù)傾向于下降。其他的學(xué)者通過(guò)對(duì)作物生長(zhǎng)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(jī)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(guò)增加蓋度抑制雜草。Kristensen等[10]試驗(yàn)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(guò)增加播種量抑制雜草生長(zhǎng)，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(kù)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(shí)行養(yǎng)分循環(huán)均能抑制雜草，兩種施肥模式結(jié)合起來(lái)效果更佳，并能增加水稻產(chǎn)量。潘俊峰等[12]也認(rèn)為長(zhǎng)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(kù)群落的穩(wěn)定。有研究[13]表明：在作物生長(zhǎng)一致的情況下，施加低C/N比有機(jī)物會(huì)降低種子庫(kù)密度，這可能與雜草種子對(duì)微生物降解的抵抗力有關(guān)[14]。

一般來(lái)說(shuō)，自然狀態(tài)中的土壤種子庫(kù)與地上植被在種類組成上并沒(méi)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(kù)與地上植被關(guān)系密切[16]，種子庫(kù)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(kù)和冬閑期地上雜草的群落相似性指數(shù)在0.6以上。因?yàn)殡s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(shí)間有關(guān)。在沒(méi)有作物的競(jìng)爭(zhēng)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(lái)看，冬閑期地上雜草主要優(yōu)勢(shì)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(shí)行養(yǎng)分循環(huán)使生態(tài)優(yōu)勢(shì)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(kù)表現(xiàn)較為一致。李昌新等[3]的調(diào)查結(jié)果也表明長(zhǎng)期秸稈還田和有機(jī)肥施用顯著降低雜草多樣性。然而施加化肥或/和實(shí)行養(yǎng)分循環(huán)使雜草密度傾向于上升，這與土壤種子庫(kù)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(zhǎng)。冬閑期雜草萌發(fā)使部分種子庫(kù)消亡，降低了稻季草害風(fēng)險(xiǎn)，這可能也是施肥降低種子庫(kù)密度的原因之一。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)連續(xù)不同施肥處理 20年后的雙季水稻試驗(yàn)田的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)土壤種子庫(kù)雜草共計(jì) 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(yàn)區(qū)地上雜草共計(jì)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(kù)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(kù)密度和 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)傾向于下降，Simpson優(yōu)勢(shì)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(shì)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(kù)以及地上雜草群落特征，可以得出平衡施加化肥和實(shí)行養(yǎng)分循環(huán)均能抑制雜草，兩種施肥模式結(jié)合起來(lái)效果更佳，且能獲得更高的產(chǎn)量。

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