桂浩然，王建，董雄德，陳麗，黃雅祺，陳志杰，韓士杰*

（1.河南省全球變化生態(tài)學(xué)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南省桃花峪黃河灘涂系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 滎陽(yáng) 450100）

田間雜草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可忽視的問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，我國(guó)有雜草1 400余種，其中嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有130余種，在田間雜草防治年投入費(fèi)用高達(dá)235億元的情況下，作物產(chǎn)量仍因雜草而減少5 000萬(wàn)t。田間雜草作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在防治的同時(shí)也需兼顧農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的維持，應(yīng)充分利用雜草，起到平衡土壤碳氮等養(yǎng)分循環(huán)的作用。

在20 世紀(jì)70 年代之前，大部分學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)都放在化學(xué)除草劑施用上，自1970 年后，我國(guó)化學(xué)除草劑施用量大幅提升，近年來(lái)化學(xué)除草劑施用面積已逾60%，隨著農(nóng)藥的大量使用以及農(nóng)藥中汞、銅等重金屬的難降解問(wèn)題，一系列生態(tài)環(huán)境危害風(fēng)險(xiǎn)逐步凸顯，甚至在南北極都發(fā)生了農(nóng)藥殘留事件。農(nóng)藥殘留會(huì)導(dǎo)致土壤退化，進(jìn)一步導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的銳減。農(nóng)田生物多樣性對(duì)維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用，甚至有整合分析提出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性及其組成和生產(chǎn)力同等重要。如何權(quán)衡農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性和其產(chǎn)量一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的難題之一，這促使國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)移至生物、生態(tài)及其他非化學(xué)除草的雜草治理方面。例如，利用冬季深耕翻暴露多年生雜草繁殖體，減少來(lái)年雜草發(fā)生密度；利用雜草種子在淹水條件下不易萌發(fā)特性，進(jìn)行水層管理來(lái)控制雜草發(fā)生密度；控制播種密度及雜草上方作物高度，能影響雜草生物量進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。諸如此類(lèi)的非化學(xué)除草防治手段能夠在盡可能減少污染防治的同時(shí)改變農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被群落結(jié)構(gòu)，且不同的防治手段對(duì)雜草群落的影響不盡相同。如深耕會(huì)消減依靠繁殖體發(fā)生的雜草種類(lèi)；水層管理可改變雜草萌發(fā)率，抑制不耐水淹種子的萌發(fā)；調(diào)整種植密度會(huì)影響光合利用效率較差的雜草種類(lèi)的生長(zhǎng)狀況。因此，迫切需要思考每一種非化學(xué)除草防治手段下雜草群落的特異性變化及植被區(qū)系的分化，從而為雜草治理提供有針對(duì)性的、明確可行的方法指導(dǎo)。

秸稈還田作為一種傳統(tǒng)的非化學(xué)除草防治手段，因秸稈類(lèi)型多樣、還田方式多變而對(duì)農(nóng)田雜草群落多樣性有著復(fù)雜的影響。同時(shí)，農(nóng)作物秸稈也是我國(guó)乃至世界上數(shù)量最多的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品，我國(guó)每年農(nóng)作物秸稈資源量約占世界總量的30%，如何發(fā)揮秸稈平衡雜草多樣性作用和改善田間養(yǎng)分價(jià)值是亟需思考的新課題。近年來(lái)一些研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可有效補(bǔ)充和平衡土壤養(yǎng)分（碳、氮等）、改良土壤，合理的秸稈管理措施甚至能控制田間雜草的發(fā)生和密度，對(duì)于優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)具有重要意義，被認(rèn)為是高產(chǎn)田建設(shè)的基本措施之一。黃愛(ài)軍等的研究發(fā)現(xiàn)太湖稻-油復(fù)種系統(tǒng)中，增加秸稈還田量能夠顯著提高油菜田春季雜草的總密度，而雜草生物量受秸稈還田時(shí)期的影響顯著。韓惠芳等發(fā)現(xiàn)在全量秸稈還田下，不同耕作類(lèi)型玉米地中雜草總密度顯著高于無(wú)秸稈還田的對(duì)照地。付佑勝等的研究發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈覆蓋量的減少，雜草（丁香蓼，）的發(fā)生比例明顯增加。上述研究大多都集中于對(duì)作物生長(zhǎng)季雜草治理的探索，但隨著耕地輪作冬閑制度的不斷推廣，對(duì)農(nóng)田冬閑期土壤養(yǎng)分續(xù)存及雜草群落區(qū)系的研究將越來(lái)越重要。此外，冬閑期因與作物生長(zhǎng)季存在時(shí)間尺度上的劃分，其間雜草群落具有在不影響來(lái)年雜草群落的發(fā)生和危害的基礎(chǔ)上，良性地控制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的潛力，因此，對(duì)冬閑期農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性的探索和控制顯得尤為必要。

目前關(guān)于田間雜草的控制實(shí)驗(yàn)大多都是考慮單一作物種植類(lèi)型，少有對(duì)不同作物種植背景下對(duì)雜草群落的比較。NAGY 等在調(diào)查了299種不同類(lèi)型的農(nóng)田后，量化了作物類(lèi)型、土壤養(yǎng)分參數(shù)、海拔等22個(gè)解釋變量，通過(guò)冗余分析（Redundancy analysis，RDA）得出，作物類(lèi)型對(duì)農(nóng)田雜草群落的影響最為顯著，雖然未涉及到冬閑期，但對(duì)于了解不同作物背景下的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)雜草群落區(qū)系的發(fā)展?jié)摿σ廊灰饬x重大。黃淮海平原作為我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)基地，其農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模龐大，作物類(lèi)型多元復(fù)雜，作物播種面積占全國(guó)23.2%的水平，糧食產(chǎn)量更是達(dá)到全國(guó)總產(chǎn)量的28.9%。因此，開(kāi)展黃淮海平原主要農(nóng)作物（大豆、玉米、花生）秸稈還田對(duì)冬閑期田間雜草群落及來(lái)年作物長(zhǎng)勢(shì)的影響研究，對(duì)于深入理解冬閑期雜草發(fā)生模式具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于開(kāi)封市水稻鄉(xiāng)農(nóng)場(chǎng)（34°49'13″N，114°18'18″E）。土壤質(zhì)地為沙壤土，年均溫14.52 ℃，年均降水量627.5 mm，雨熱同期，是典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。黃淮海平原是我國(guó)的第二大平原，是我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)之一，主要農(nóng)作物有小麥（）、玉米（）、花生（）、大豆（）、水稻（）等。其中開(kāi)封地區(qū)主要種植冬小麥、玉米、花生和大豆，其主要耕作方式為玉米、花生和大豆分別與冬小麥輪作，但也存在不與冬小麥輪作的情況，即僅在生長(zhǎng)季種植，隨后進(jìn)入冬閑的方式。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018 年進(jìn)行了樣地布置，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了玉米、花生和大豆3種作物，每個(gè)作物設(shè)置3個(gè)處理：雙倍秸稈還田（DS）、全量秸稈還田（FS）以及秸稈去除（SR），其中玉米全秸稈量為5 280 kg·hm，花生全秸稈量為1 800 kg·hm，大豆全秸稈量為 2 850 kg·hm。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共設(shè)置27個(gè)樣方，隨機(jī)區(qū)組分布，每個(gè)樣方大小為10 m×10 m，隔離帶寬大于0.5 m，具體樣地示意圖如圖1 所示。在2020 年4 月28 日進(jìn)行3 種作物的種植，期間正常管理，正常施肥、除草、除蟲(chóng)。于2020 年10 月依次進(jìn)行收獲。收獲后，在秸稈去除處理組的樣方內(nèi)，將所有秸稈收回；在全量秸稈還田處理的樣方內(nèi)，將秸稈就地粉碎成1~5 cm 長(zhǎng)段后覆蓋于土表，此時(shí)土壤不進(jìn)行翻耕。在雙倍秸稈還田處理組的樣方內(nèi)，覆蓋兩倍于全量秸稈還田處理的粉碎后秸稈。來(lái)年播種前對(duì)土壤進(jìn)行翻耕。

圖1 田間樣地示意圖Figure 1 Schematic diagram of field plot

1.3 雜草物種調(diào)查、土壤含水率測(cè)定

2021年4月作物播種前對(duì)冬閑田雜草進(jìn)行調(diào)查。首先進(jìn)行初步調(diào)查，在保證調(diào)查樣方能涵蓋整個(gè)樣方內(nèi)所有物種的前提下，確定樣方調(diào)查小面積為1 m×1 m，并用波蘭TDR/MUX/mpts 水分測(cè)定儀對(duì)樣方內(nèi)土壤體積含水量進(jìn)行測(cè)定。于9 月作物生長(zhǎng)季后期用同樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生長(zhǎng)季雜草調(diào)查。

1.4 土壤取樣及處理

2021 年4 月對(duì)各處理樣方表層土壤（0~5 cm）進(jìn)行取樣，采用隨機(jī)取樣法對(duì)每個(gè)處理樣方取5 鉆土，混合為一個(gè)全土土樣。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室即用2 mm篩去除石礫、根系、枯落物，完全風(fēng)干后研磨過(guò)0.15 mm篩，利用半常量元素分析儀（vario EL Ⅲ，Elementar，Germany）測(cè)定土壤總碳和總氮含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用 Shannon 多樣性指數(shù)（'）、Shannon 均勻度指數(shù)（）、Margalef 物種豐富度指數(shù)（）3 個(gè)指標(biāo)來(lái)計(jì)算雜草生物多樣性，其中'能夠?qū)μ镩g雜草物種豐富度以及物種均勻度進(jìn)行綜合量度，能夠衡量田間雜草群落數(shù)量分布的均勻程度，能夠衡量特定雜草群落中雜草種類(lèi)的豐富度。其計(jì)算公式為：

式中：為各調(diào)查樣方中1 m×1 m 調(diào)查面積內(nèi)所有雜草的總數(shù)，為各調(diào)查樣方中1 m×1 m 調(diào)查面積內(nèi)某種雜草的數(shù)量，為各調(diào)查樣方中1 m×1 m 調(diào)查面積內(nèi)雜草種類(lèi)數(shù)量。

使用RGui 4.1.1 對(duì)不同秸稈還田處理及不同作物種類(lèi)下的土壤總碳、總氮、碳氮比、'、、、含水量進(jìn)行雙因素方差分析。用RGui 中的vegan 包對(duì)玉米和大豆秸稈處理下的雜草群落進(jìn)行基于Bray-Cur?tis 距離的非度量多維尺度分析（Non-metric multidi?mensional scaling，NMDS）。通過(guò) RGui 以作物種類(lèi)分組對(duì)包括秸稈處理在內(nèi)的所有解釋變量進(jìn)行主成分分析（Principal component analysis，PCA）。使用RGui中g(shù)gplot2進(jìn)行圖形可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間雜草物種組成及主要雜草種類(lèi)

2.1.1 冬閑期主要雜草物種組成及主要雜草種類(lèi)

冬閑期出現(xiàn)的雜草共有16 種，分屬12 科16 屬（表1）。其中，菊科4 屬4 種，占總種數(shù)和總屬數(shù)的25.00%，為發(fā)生種類(lèi)最大的科；其次為十字花科2屬2種，占總種數(shù)和總屬數(shù)的12.50%。玄參科、藜科、禾本科、石竹科、莎草科、柳葉菜科、蝶形花科、酢漿草科、牻牛兒苗科、大麻科各1屬1種，分別占總屬數(shù)和總種數(shù)的6.25%。其中，一年生雜草有6種，多年生雜草有7種，多生活史雜草有3種，分別占總種數(shù)的37.50%、43.75%和18.75%，外來(lái)雜草有9種，占總種數(shù)的56.25%。

表1 冬閑期田間主要雜草種類(lèi)Table 1 Main weed species in winter fallow field

2.1.2 生長(zhǎng)季主要雜草物種組成及主要雜草種類(lèi)

在作物生長(zhǎng)季，實(shí)驗(yàn)樣地內(nèi)的主要雜草為12 種，分屬 8 科12 屬（表 2）。其中，禾本科 3 屬 3 種，菊科 3屬3 種，共占總種數(shù)和總屬數(shù)的50.00%，為發(fā)生種類(lèi)最大的兩科。大戟科、莎草科、藜科、馬齒莧科、旋花科、莧科各1 屬1 種，分別占總屬數(shù)和總種數(shù)的8.33%。其中，一年生雜草有10 種，占總種數(shù)的83.33%，多生活史雜草有2種，占總種數(shù)16.67%，無(wú)多年生雜草，外來(lái)雜草有5種，占總種數(shù)的41.67%。

表2 來(lái)年生長(zhǎng)季主要田間雜草種類(lèi)Table 2 Main weed species in subsequently growing season

2.1.3 冬閑期和生長(zhǎng)季雜草群落相似性比較

對(duì)比冬閑期和作物生長(zhǎng)季雜草群落發(fā)現(xiàn)，兩時(shí)期共同出現(xiàn)的雜草僅有5 種，分別是禾本科的狗尾草，莎草科的香附子，菊科的苦荬菜、鬼針草以及藜科的灰綠藜（表1、表2）。且通過(guò)非度量多維尺度分析（圖2）得知，冬閑期雜草群落與生長(zhǎng)季雜草群落之間的的相似性較低，即冬閑期雜草群落對(duì)來(lái)年生長(zhǎng)季雜草群落的影響較小。

圖2 基于Bray-Curtis距離的非度量多維尺度分析冬閑期與作物生長(zhǎng)季的田間雜草區(qū)系Figure 2 The Non-metric multidimensional scaling（NMDS）based on Bray-Curtis distance of weed flora in winter fallow period and growing season

2.2 不同秸稈覆蓋處理下3種農(nóng)作物田間雜草發(fā)生差異

3 種不同作物類(lèi)型的田間雜草多樣性在SR 處理下的差異并不顯著，但其差異隨著秸稈還田處理的變化而出現(xiàn)顯著分化（表3）。而在DS 處理下，3 種農(nóng)作物田間雜草的多樣性差異顯著，其Shannon 多樣性指數(shù)表現(xiàn)為大豆>花生>玉米，Shannon 均勻度指數(shù)表現(xiàn)為大豆>玉米（<0.01）、大豆>花生（<0.01），Margalef物種豐富度指數(shù)表現(xiàn)為大豆>玉米（<0.01）、花生>玉米（<0.01）。同種作物在不同秸稈還田處理下，其田間雜草發(fā)生情況的差異也隨作物種類(lèi)的不同而有所不同（表3）。在玉米地中，隨著秸稈還田處理的變化，其田間雜草的發(fā)生情況表現(xiàn)為：SR 和FS 的雜草區(qū)系Shannon多樣性指數(shù)要顯著大于DS（<0.01），DS處理下田間雜草的Shannon均勻度指數(shù)顯著小于SR，DS 下雜草的Margalef 物種豐富度指數(shù)顯著低于FS 和SR（<0.01）；相反，在大豆地中，F(xiàn)S 和DS 處理下的田間雜草Shannon多樣性指數(shù)顯著大于SR（<0.01），DS下田間雜草的Shannon 均勻度指數(shù)顯著高于FS 和SR兩種處理（<0.01）；而在花生地中，不同秸稈還田處理下田間雜草的3種多樣性指數(shù)都不顯著。

表3 不同秸稈覆蓋處理下3種農(nóng)作物田間雜草的Shannon多樣性指數(shù)、Shannon均勻度指數(shù)及Margalef物種豐富度指數(shù)Table 3 The Shannon's diversity index，Shannon's evenness index and Margalef's richness index of weeds in three different crop fields under different straw treatments

由Bray-Curtis 距離得知，3 種不同作物類(lèi)型的樣地在SR 處理下的雜草群落相似度較高。除此之外，花生樣地在3 種不同秸稈還田處理下的雜草群落相似度均較高，而玉米和大豆在不同秸稈還田處理下的差異明顯，并且這種差異隨著秸稈還田梯度逐漸擴(kuò)大（表4）。以兩種秸稈還田處理下（包括FS和DS兩種處理）的3種不同作物類(lèi)型為6個(gè)分類(lèi)單元，以各樣地的物種種類(lèi)為依據(jù)進(jìn)行非度量多維尺度分析（NMDS），結(jié)果表明，玉米地和大豆地在秸稈還田處理下的雜草群落分化最為明顯（圖3）。

表4 9種不同處理下樣地間的Bray-Curtis距離Table 4 The Bray-Curtis distance of nine kinds of plots under different treatments

圖3 基于Bray-Curtis距離的非度量多維尺度分析3種作物在兩種秸稈還田處理下的田間雜草區(qū)系Figure 3 The Non-metric Multidimensional Scaling（NMDS）based on Bray-Curtis distance of weed flora in fields of three different crops under two straw returning treatments

2.3 不同秸稈覆蓋處理下3種農(nóng)作物田地土壤理化性質(zhì)的差異

研究結(jié)果表明，不同作物類(lèi)型田地的土壤理化性質(zhì)對(duì)秸稈還田處理的響應(yīng)各有不同。其中玉米地和大豆地對(duì)秸稈還田處理的響應(yīng)較為敏感，而花生地對(duì)秸稈還田處理的響應(yīng)不敏感。在SR 處理下，3 種不同作物樣地間的各指標(biāo)差異都不顯著，僅總碳含量表現(xiàn)為大豆地顯著高于花生地（<0.01）（表5）。

同種作物類(lèi)型在不同秸稈處理下的土壤總氮含量具體表現(xiàn)為：大豆地中DS>FS（<0.01）、DS>SR（<0.01），而在玉米和花生地中，其土壤總氮含量在不同秸稈還田處理下的差異并不顯著。在FS處理下，3種作物田地土壤總氮含量無(wú)顯著差異。然而，在DS 處理下，不同作物田地土壤總氮含量開(kāi)始出現(xiàn)分化，表現(xiàn)為大豆>玉米>花生（<0.01）（表5）。

表5 不同秸稈覆蓋處理下3種農(nóng)作物田地土壤理化性質(zhì)Table 5 The soil physical and chemical properties of weeds in three different crop fields under different straw treatments

同種作物類(lèi)型在不同秸稈處理下的土壤總碳含量具體表現(xiàn)為：大豆地中DS>SR（<0.05），而在玉米地中表現(xiàn)為DS>FS>SR（<0.01），花生地土壤總碳含量在不同秸稈還田處理下均不顯著。在FS 處理下，玉米和大豆地的土壤總碳含量均顯著高于花生地（<0.01）。在 DS 處理下，3 種作物類(lèi)型田地土壤總碳含量的差異則表現(xiàn)為玉米>大豆>花生（<0.01）（表5）。

不同處理間的土壤碳氮比表現(xiàn)為：大豆地中DS

玉米和大豆的土壤含水量對(duì)不同秸稈還田處理的響應(yīng)顯著，而花生地的土壤含水量則對(duì)秸稈還田處理并不敏感。其土壤含水量具體表現(xiàn)為：大豆地中DS>FS、DS>SR（<0.01），玉米地中FS>SR、DS>SR（<0.01），而3種秸稈還田處理下的花生地土壤含水量間的差異并不顯著。不同作物樣地的土壤含水量在FS處理下出現(xiàn)分化，表現(xiàn)為玉米>大豆（<0.01）、玉米>花生（<0.01）、大豆>花生（<0.05），在DS 處理下為玉米>花生（<0.01）、大豆>花生（<0.01）（表5）。

3 討論

3.1 不同秸稈還田處理對(duì)3種作物冬閑期田間雜草群落的直接影響

玉米和大豆樣地在秸稈還田后出現(xiàn)了雜草區(qū)系的分化，主要表現(xiàn)為秸稈添加會(huì)增加大豆樣地中雜草群落多樣性，而玉米樣地雜草群落多樣性會(huì)隨著秸稈還田梯度的增加而降低。NMDS的結(jié)果顯示，玉米和大豆樣地中雜草區(qū)系的相似度也隨著秸稈還田梯度增加而降低。玉米秸稈還田處理下雜草多樣性降低可能是由于本實(shí)驗(yàn)秸稈還田屬于秸稈覆蓋還田，在一定程度上會(huì)抑制雜草種子萌發(fā)及風(fēng)傳種的定植，相比于大豆和花生，玉米秸稈量較大，特別是在雙倍秸稈添加處理下，其田間雜草多樣性顯著降低。王國(guó)忠等也認(rèn)為秸稈還田對(duì)田間雜草的影響具有一定的不確定性，這種不確定性在一定程度上是由秸稈還田方式、秸稈種類(lèi)以及秸稈量導(dǎo)致的。而大豆秸稈還田后所引起的雜草多樣性提升可能是由于外源還田秸稈本身的高氮含量有利于雜草種子的萌發(fā)，同時(shí)提高其萌發(fā)溫度生態(tài)位寬度，其次，適量的大豆秸稈還田還能夠減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤濕度，從而利于雜草的發(fā)生和生長(zhǎng)，這與本研究結(jié)果中大豆地在雙倍秸稈還田處理下相比秸稈移除顯著提升了土壤含水量是一致的。

3.2 不同秸稈處理通過(guò)改變土壤碳氮而對(duì)冬閑期雜草群落產(chǎn)生的間接影響

研究發(fā)現(xiàn)大豆秸稈還田會(huì)顯著提升土壤總氮含量，在2 年的實(shí)驗(yàn)處理期內(nèi)，玉米秸稈還田會(huì)顯著提升土壤總碳含量，從而導(dǎo)致隨著秸稈還田梯度增加，大豆地土壤碳氮比會(huì)隨秸稈添加梯度增加而下降，而玉米地土壤碳氮比會(huì)隨秸稈還田梯度增加而升高。這可能是不同作物本身秸稈化學(xué)計(jì)量比不同導(dǎo)致的。秸稈還田后，隨著秸稈的淋溶和分解，土壤有機(jī)碳含量增加，在處理期間提高了土壤總碳的含量，主成分分析也表明秸稈還田梯度與土壤總碳有明顯的正相關(guān)關(guān)系。因此，探究在外源碳添加條件下土壤碳氮比的變化，本質(zhì)是評(píng)價(jià)其土壤有機(jī)碳礦化積累量和碳固存的平衡。不同空間尺度上的研究都發(fā)現(xiàn)秸稈添加處理下，秸稈碳氮比與有機(jī)碳礦化積累量呈負(fù)相關(guān)，張繼旭等通過(guò)不同秸稈添加的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)比較得出玉米秸稈的土壤碳礦化積累量最高。以往研究發(fā)現(xiàn)大豆秸稈碳氮比約為75，而玉米秸稈碳氮比高達(dá)107，這就導(dǎo)致還田的高碳氮比玉米秸稈與原位土壤耦合形成的碳庫(kù)的有機(jī)碳礦化速率要低于難分解有機(jī)碳固存的速率，造成還田后土壤碳素積累、土壤碳氮比升高的情況，反之碳氮比相對(duì)較低的大豆秸稈在輸入土壤后會(huì)提高其土壤碳礦化速率，并且同時(shí)向土壤中輸入氮素，進(jìn)而降低土壤碳氮比。

主成分分析結(jié)果表明，用于評(píng)價(jià)雜草多樣性的3種指數(shù)均與土壤碳氮比呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4）。玉米秸稈量大且碳氮比高，導(dǎo)致還田后田間土壤碳氮比顯著高于其他兩種作物樣地。過(guò)高的碳氮比不適宜土壤微生物生存，且氮素的缺乏也難以供給多樣性過(guò)高的農(nóng)田雜草區(qū)系，從而促使隨秸稈還田量的增加，雜草區(qū)系多樣性下降。大豆作為固氮植物，其秸稈在還田分解后使得土壤的氮含量上升，從而為雜草生長(zhǎng)和發(fā)生提供了良好的養(yǎng)分，且其低碳氮比的秸稈也顯著降低了土壤的碳氮比，在雙倍秸稈還田處理下，土壤碳氮比下調(diào)至27，接近土壤微生物最適宜進(jìn)行分解活動(dòng)的碳氮比。合理的土壤碳氮比可為微生物提供充足的底物，使其新陳代謝更加旺盛，分解土壤中有機(jī)物的速率更快，其釋放的礦質(zhì)養(yǎng)分就更容易被雜草所吸收利用。而花生秸稈雖然也有較低的碳氮比，但是其氮素主要積累于生物量集中的地下部分，因此其秸稈還田量較低，可延續(xù)的養(yǎng)分有限，導(dǎo)致其間雜草群落多樣性變化并不明顯。

圖4 不同類(lèi)型農(nóng)作物樣地主成分分析（PCA）Figure 4 The principal component analysis（PCA）of plots for different types of crop

生長(zhǎng)季時(shí)期雜草多樣性主要受施肥的影響而形成以禾本科（如馬唐）為優(yōu)勢(shì)種的雜草群落，兩時(shí)期共同出現(xiàn)的雜草僅有5 種，分別是禾本科的狗尾草，莎草科的香附子，菊科的苦荬菜、鬼針草以及藜科的灰綠藜，這表明冬閑期的雜草與作物生長(zhǎng)季的雜草并沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。因此，適當(dāng)?shù)慕斩捥砑幽軌蛟诓挥绊憗?lái)年作物生長(zhǎng)季雜草危害的情況下提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性。冬閑期雜草多樣性的提高在一定程度上也可促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)，改善農(nóng)田土壤。通過(guò)合理的農(nóng)業(yè)管理措施可促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性和土壤養(yǎng)分的良性循環(huán)。

4 結(jié)論

（1）不同作物秸稈還田對(duì)冬閑期田間雜草發(fā)生的影響不同。大豆地田間雜草多樣性在秸稈還田處理下顯著增加，而玉米地田間雜草多樣性在秸稈還田處理下會(huì)顯著降低，且二者田間雜草區(qū)系的差異隨著秸稈添加量增加而擴(kuò)大，花生地田間雜草多樣性對(duì)秸稈還田處理的響應(yīng)則并不顯著。

（2）由于不同秸稈自身碳氮比不同，不同秸稈還田處理下土壤碳氮的變化也不同。大豆秸稈還田會(huì)顯著提升土壤總氮含量，而玉米秸稈還田則會(huì)顯著提升土壤總碳含量，隨著秸稈還田量的增加，大豆地土壤碳氮比下降，而玉米地土壤碳氮比升高，花生地土壤碳氮比在秸稈還田處理下變化不顯著。此外，秸稈還田后的土壤碳氮比與田間雜草群落多樣性顯著負(fù)相關(guān)。

（3）冬閑期雜草群落多樣性與來(lái)年生長(zhǎng)季雜草群落差異較大，因此冬閑期雜草群落多樣性變化并不會(huì)影響來(lái)年生長(zhǎng)季雜草的發(fā)生。因而，基于本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，在冬閑期針對(duì)不同秸稈特性進(jìn)行還田，可以在一定程度上控制田間雜草群落的組成，提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)多樣性，進(jìn)而改善土壤碳氮養(yǎng)分，為來(lái)年作物種植提供良好的土壤基礎(chǔ)。