耕作和有機物料還田對黑土區坡耕地田間雜草群落和生物量的影響

呂倩倩 楊森 叢聰 周璇 王天舒 堯水紅

摘要：農田管理對雜草群落變化影響是現代生態農業關注的熱點問題，但耕作和有機物料還田作為最常見的農田管理方式對雜草群落和生物量的交互影響尚未探明。以黑龍江省海倫市一塊連續3年施行不同耕作方式[免耕（NT）、旋耕（RT）、旋耕+深松（RTS）、翻耕（PT）、翻耕+深松（PTS）、深翻耕（DPT）]和不同有機物料還田方式[無物料還田（0）、秸稈還田（1）、牛糞還田（2）]的玉米輪作農田為研究樣地，調查并比較了不同耕作與有機物料還田管理模式下農田春季雜草群落特征。研究發現，經過3年耕作配施有機物料還田，玉米地的田間雜草群落結構基本穩定，常見雜草有稗草、灰菜、節骨草、蓼吊子和鴨拓草，且這5種常見雜草占雜草群落總量的72.2%～81.9%，田間偶發雜草僅占雜草群落總量的18.1%～27.8%。但耕作配施有機物料還田后，玉米地常見雜草的出現頻次和種類在不同的年際間有一定的差異，耕作方式明顯影響稗草、灰菜和蓼吊子在雜草群落中的占比。無物料還田條件下，翻耕相較于免耕（NT），明顯降低農田雜草的生物量;且這一降低效益隨著翻耕措施的加強而加劇，即翻耕（PT）< 翻耕+深松（PTS）<深翻耕（DPT）。在秸稈還田的條件下，旋耕+深松（RTS）相較于免耕，在一定程度上增加了田間雜草的生物量;而在牛糞還田的條件下，旋耕（RT）及旋耕+深松（RTS）相較于免耕，顯著地增加了田間雜草的生物量（P<0.05）。在不同的耕作配施有機物料還田條件下，土壤的容重和含水量是造成雜草群落組成年際差異的主要農田環境因素。

關鍵詞：黑土坡耕地;耕作方式;有機物料還田;雜草群落;年度變化

中圖分類號： S181文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）24-0121-06

收稿日期：2021-03-16

基金項目：公益性行業（農業）科研專項（編號：201503119）;國家自然科學基金面上項目（編號：41771274）。

作者簡介：呂倩倩（1994—），女，山西忻州人，碩士，主要從事土壤生態研究。E-mail：1247902261@qq.com。

通信作者：堯水紅，博士，研究員，研究方向為土壤生態。E-mail：yaoshuihong@caas.cn。

近年來由于土地的分散經營，大動力及大型農機具在生產上的應用急劇下降，機械化深翻、深耕面積越來越少，淺旋、深松和免耕等小動力甚至無動力的保護性耕作措施在我國北方農業中逐漸占據重要的地位[1-2]。有機物料的施用可以提高土壤有機質，改善土壤結構，在一定程度上減少耕作帶來的水土流失[3]。目前，針對免耕、深松等保護性耕作配施有機物料還田的研究已經涉及作物產量[4]、土壤理化性狀和微生物群落[5]等多個方面。關于耕作配施有機物料還田的研究也多從農田土壤水分和營養條件著手[6-8]，考慮農田管理措施的蓄水保墑及節本增效能力。但是新的農田綜合管理措施出現后，原有的生態系統和生物體系，特別是病蟲草害的危害規律均會隨之發生改變[9-10]。

農田雜草與作物競爭光照、土壤養分與水分等資源，是影響作物生長導致減產的重要因素之一[2，11-12]。因而，為保證作物良好生長，就必須全面衡量雜草存在的利弊，在農田管理的過程中采用合理措施控制農田雜草的群落狀態[2]。Légère等通過多年研究發現，不同耕作措施對雜草多樣性影響不大，但在決定雜草群落組成方面起主要作用[13]。韓惠芳等的研究表明，秸稈還田條件下新型耕作方式提高雜草群落的多樣性[14]。李儒海等研究發現，長期單施化肥、配施豬糞或秸稈均能顯著改變田間雜草的群落組成[15];且王能偉等進一步研究發現，在不同耕作配施氮肥條件下，雜草的物種豐富度和均勻度隨施肥量的增加而升高[8]。因此，監測新的農田綜合管理措施（免耕、深松等保護性耕作配施有機物料還田）下雜草群落和生物量的變化，對作物生長及產地環境雜草防控都有重要的意義。

東北黑土區坡耕地是我國玉米的黃金生產帶[16-17]，在區域乃至全國糧食生產安全起著十分重要的作用。耕作、秸稈的直接或過腹還田將改變土壤的溫度、濕度及養分，影響農田雜草的生長發育過程[7，14]，改變田間雜草群落組成，導致部分草害孳生，影響作物產量，因此有必要對其進行專門的研究。國內外學者在研究農田管理措施對雜草群落變化的影響時，大多僅分析了不同耕作[4，18]、秸稈還田[19-20]或綜合管理措施下[14，21]雜草群落的當季現狀，甚少有研究監測不同農田管理措施下雜草群落的多年動態。本研究選取典型黑土區坡耕地農田為試驗對象，連續3年監測不同耕作配合有機物料還田處理后，玉米田雜草的群落組成和生物量的變化，以期探明新農田綜合管理措施下雜草群落演變的主控因素，為建立雜草綜合防控技術提供數據支撐，為黑土區農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點為黑龍江省海倫市中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土水土流失監測站（47°21′N，126°50′E），試驗地塊為東北典型的漫崗坡耕地，坡度約為3°，海拔210 m，處于溫帶大陸性季風氣候區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫為1.5 ℃，年均降水量為530 mm，有效積溫 2 450 ℃，日照時間2 600～2 800 h，無霜期約 120 d。土壤類型為黃土母質發育的典型黑土，2015年試驗開始前0～20 cm土壤的理化性質為pH值5.92、有機質含量20.16 g/kg、全氮含量1.53 g/kg、速效鉀含量226.2 mg/kg、有效磷含量31.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，耕作方式為主處理，包括免耕（NT）、旋耕（RT）、旋耕+深松（RTS）、翻耕（PT）、翻耕+深松（PTS）和深翻耕（DPT）6種方式。有機物料還田為副處理，包括無物料還田（0）、秸稈還田（1）和牛糞還田（2）3種方式。每個處理設3次重復，共18個主處理區，54個裂區，每個裂區面積為55 m2。其中，免耕+無物料還田的NT0處理為其他處理的對照。

旋耕的深度為15 cm，采用東方紅1GQN-280K旋耕機對淺層土壤進行旋耕同時起壟;翻耕的深度為20 cm，深翻耕的深度為 30 cm，小區內翻耕處理均使用鐵鍬按設定深度人工翻扣土壤，然后旋耕起壟;深松的深度為30 cm，采用豪豐1S-250深松機對土壤進行松動后旋耕起壟。免耕（NT）處理，按區組設計將秸稈和牛糞均勻撒施于地表;僅旋耕（RT）或翻耕的處理（PT和DPT）按區組設計將秸稈和牛糞撒施于地表后耕作混拌于土壤中;耕作+深松的處理（RTS和PTS）將秸稈和牛糞撒施于深松溝內，深松后耕作起壟。秸稈粉碎成約5 cm，全量還田，還田量為12 t/hm2;牛糞為玉米秸過腹后腐熟肥料，還田量為8 t/hm2。

1.3 雜草調查方法

試驗從2015年開始布設，于2015年、2016年和2017年連續3年在玉米大喇叭口期田間調查雜草群落。具體調查方法如下：在每個處理區隨機設置 3個 1 m×1 m 的樣方，進行雜草種類的抽樣調查。根據抽樣結果，在保證基本包含整個樣地所有雜草種類的前提下，確定樣方的最小合理面積為0.5 m×0.5 m 的樣方。調查項目包括雜草種類、雜草群落組成（統計主要雜草類型在總群落中的占比，作為評價雜草群落變化指標）和雜草干物質量（取1 m2 雜草105 ℃ 殺青，60 ℃ 烘干至恒質量）。

1.4 數據統計

不同的耕作配施有機物料還田對雜草群落組成、生物量影響的數據處理使用單因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）;各處理條件下雜草群落組成和生物量差異影響因素采用多因素方差分析（Multi-way ANOVA）;各處理雜草群落結構的年際差異和主要影響因素采用主成分分析（PCA）完成。數據分析的統計軟件為SPSS 19.0，作圖軟件為Origin 9.0。

2 結果與分析

2.1 耕作和有機物料還田對雜草群落組成的影響

從玉米田的雜草群落3年連續監測結果可知，在大喇叭口期耕作和有機物料還田的18個處理下共統計到5種單種占比大于1%的田間常見雜草（稗草、灰菜、節骨草、蓼吊子和鴨拓草），這5種常見雜草占雜草群落總量的72.2%～81.9%;其他如沁麻果、澇豆秧、蒼耳、苣荬菜、打碗花和不知名的田間偶發雜草，因其單種占比均小于1%，因此都歸為其他類，占雜草群落總量的18.1%～27.8%（圖1）。

在不同的耕作配施有機物料還田條件下，常見雜草的出現頻次有一定差異。無物料還田免耕（NT0）、翻耕（PT0）和翻耕+深松（PTS0）處理，在2015年度 5種常見雜草均有發現，但旋耕（RT0）、旋耕+深松（RTS0）和深翻耕（DPT0）處理只發現4種常見雜草;秸稈還田和牛糞還田的免耕（NT）、旋耕（RT）和翻耕（PT）處理，5種田間常見雜草均有發現，但旋耕+深松（RTS）、翻耕+深松（PTS）和深翻耕（DTP）處理的田間常見雜草為2～4種，均少于免耕處理。在2016年度，PT0、 PTS0、 DPT0、 PTS1、DPT1、 RTS2、 PTS2 和DPT2單種占比大于1%的田間常見雜草僅發現3～4種（圖1）;而在2017年RT0、 RTS0、 RTS1、 DPT1、RT2 、RTS2和DPT2單種占比大于1%的田間常見雜草均發現4種（圖1）。

由玉米田的雜草群落3年連續監測結果也發現，各處理雜草群落組成在年際間有明顯差異。2015年的雜草群落組成，除DPT0外的17個處理均是稗草占比最高（30.0%～69.4%，圖1）。2016年免耕的NT0、NT1和NT2處理是蓼吊子所占比例最高外，分別為50.0%、30.0%和25.1%，稗草和灰菜次之（16.1%～25.1%）;除3個免耕處理外，其他15個處理的雜草群落組成中均為灰菜所占比例最高（35.8%～54.5%），蓼吊子所占比例次之（8.5%～35.4%），稗草再次之（2.4%～9.6%，圖1）。2017年免耕的NT0、NT1和NT2處理均是灰菜所占比例最高，分別為54.3%、53.3%和54.9%;稗草次之，分別為11.8%、12.5%和11.1%;蓼吊子、節骨草和鴨拓草等3種雜草所占比例較小（1.5%～6.8%）;而除3個免耕處理外，其他15個處理的雜草群落組成中也是灰菜所占比例最高（54.8%～69.4%），但稗草、蓼吊子、節骨草和鴨拓草等4種雜草所占比例相當，所占比例變幅范圍在0%～10.3%之間。

2.2 耕作和有機物料還田對雜草生物量的影響

由玉米田雜草群落3年連續監測結果（圖2）發現，各處理生物量在年際間有明顯差異。各處理總體為2015年生物量最高，變幅為15.4～478.9 kg/hm2;2017年生物量居中， 變幅為14.6～241.5 kg/hm2;2016年生物量最低，變幅為6.48～121.8 kg/hm2。3種物料還田條件下，耕作對雜草生物量均有顯著影響（P<0.05）。2015年和2016年無物料還田的處理雜草生物量最大值要明顯低于秸稈還田和牛糞還田的處理，而2017年牛糞還田的處理要顯著高于無物料和秸稈還田的方式。

無物料還田條件下，旋耕+深松（RTS0）處理的雜草生物量在這3年中均表現為與免耕處理（NT0）差異不顯著，而旋耕（RT0）處理，除2017年外，其余2年也表現為與免耕處理（NT0）差異不顯著;但翻耕（PT0）、翻耕+深松（PTS0）和深翻耕（DPT0）處理的雜草生物量在這3年中均表現為低于免耕處理（NT0），且這一降低效應隨著翻耕措施的加強而加劇。秸稈還田條件下，旋耕+深松（RTS1）處理的雜草生物量在這3年中均表現為高于免耕（NT1）處理，而旋耕（RT1）處理，除2015年外，其余2年也表現為與免耕處理（NT1）差異不顯著;但2015年的翻耕（PT1）、2016年的翻耕（PT1）和翻耕+深松（PTS1）處理的雜草生物量均與免耕處理（NT1）差異不顯著，深翻耕（DPT0）這3年中則表現為顯著低于免耕處理（NT1）。牛糞還田條件下，旋耕（RT2）和旋耕+深松（RTS2）處理的雜草生物量在這3年中均表現為顯著高于免耕處理（NT2）;除2017的翻耕+深松（PTS2）處理的雜草生物量外，其他翻耕（PT2）、翻耕+深松（PTS2）和深翻耕（DPT2）處理均與免耕處理（NT2）差異不顯著（圖2）。

2.3 雜草群落組成及生物量年際變化的影響因素分析

從表1可以看出，不同耕作方式對雜草群落組成中稗草、灰菜以及蓼吊子這3種常見雜草有顯著的影響;秸稈還田方式僅顯著影響稗草的占比（P<0.05），雜草群落內稗草、節骨草、灰菜、蓼吊子和其他雜草所占比例在2015年、2016年和2017 年3個年際間均存在顯著差異（P<0.001）。此外，耕作方式和有機物料還田均對雜草生物量造成顯著影響（P<0.05），雜草生物量在這3年間存在顯著差異（P<0.001）。

本研究利用主成分分析進一步探明了造成雜草群落組成年際變化的農田環境影響因素（圖3）。由圖3可知，除去5種常見雜草外，沁麻果、澇豆秧、蒼耳和其他田間偶發雜草，因其單種占比小，對雜草群落組成年際變化無顯著影響。雜草生長期間的累積降水和積溫僅對雜草的干質量、鮮質量有一定的影響，但對雜草群落組成年際變化也無顯著影響。此外，土壤容重和含水量等農田環境因子是雜草群落組成年際差異的主要影響因素。

3 討論與結論

3.1 耕作和有機物料還田對雜草群落組成的影響

田間管理是作物生產中最重要的環節之一，雜草群落組成的變化在一定程度上反映了管理措施的合理性和有效性[2，22-24]。本研究發現，長期不同耕作方式配施有機物料還田處理下，夏玉米地田間常見雜草種類穩定，但常見雜草出現頻次有一定的差異。本區域田間常見雜草為稗草、灰菜、節骨草、蓼吊子和鴨拓草，是夏玉米生長季雜草防治的主要對象。常見雜草出現頻次差異的主要原因是耕作及有機物料還田改變土壤水分、養分以及溫度等狀況[7，25]，且不同雜草種子會根據自身生長環境的要求而選擇性萌發導致[19]。此外，雜草種子的埋藏深度和水分、光照等發生改變，決定了其種子萌發成為優勢雜草的可能。本研究中無秸稈還田免耕處理的優勢雜草的演變顯著區別于旋耕和翻耕，耕作方式顯著影響雜草種子的垂直分布[21]和萌發條件[19]。有機物料還田對夏玉米田雜草的影響可能與土壤溫度的變化有關。低溫條件下有機物料還田能提高土壤溫度，有利于多年生雜草的安全越冬，這可能是本研究秸稈還田和牛糞還田條件下，田間優勢雜草由一年生的稗草轉變為多年生灰菜的一個重要原因。低溫條件下有機物料還田利于多年生雜草越冬的結論與韓惠芳等在華北區域的研究結果[14]一致。

3.2 耕作和有機物料還田對雜草生物量的影響

田間雜草的綜合防控主要是控制雜草的生物量，避免雜草與作物競爭農田生態系統地上地下資源。耕作措施在防除雜草發生的實踐過程中已得到大量的驗證，牛新勝等在我國華北平原冬小麥/夏玉米輪作體系中研究發現，半免耕處理在夏玉米季雜草平均生物量低于全免耕處理[7];杜艷偉等在山西春玉米田間試驗中也發現，雜草發生情況從重到輕依次是免耕處理、秋季深松處理、春季深松處理和傳統翻耕處理，雜草生物量隨耕作強度的增加而降低[25]。本研究的結果與這些結論一致，本研究發現，在無物料還田的條件下，翻耕相較于免耕，顯著降低農田雜草的生物量，且這一降低效益隨著翻耕措施的加強（翻耕<翻耕+深松<深翻耕）而加劇。有機物料還田對田間雜草生物量的影響因物料的還田方式、配比及類型的不同而存在顯著差異。張麗娟等研究發現，作物秸稈因化感作用對農田雜草生長有明顯的抑制[26-27];李儒海等在江蘇的長期定位試驗也發現，化肥配施秸稈或豬糞均在一定程度上減少雜草的生物量及密度，抑制雜草的危害[15];但李昌新等研究卻發現，長期施用豬糞顯著提高稻田冬春雜草密度和生物量[20]。耕作配施有機物料還田后對雜草生長的影響因耕作方式及有機物料組合類型的不同也會產生不一樣的效應。韓惠芳等在華北區域的研究發現，在秸稈全量還田條件下耕作導致雜草種類和總密度降低[14];牛永志等在江蘇稻麥輪作田卻發現秸稈還田增加各耕作處理春秋季雜草種子的密度[21]。本研究發現秸稈還田條件下，旋耕+深松處理相較于免耕在一定程度上增加田間雜草的生物量;而牛糞還田條件下，旋耕及旋耕+深松處理相較于免耕顯著地增加田間雜草的生物量，其原因一方面可能是因為有機物料還田能疏松土壤、增強蓄水和水分入滲的作用[3];另一方面可能是有機物料還田，尤其是牛糞還田可以為雜草生長提供充足的養分，增加雜草的生物量[7-8]。

3.3 雜草群落組成及生物量年際變化的影響因素分析

雜草群落動態監測是解釋農業管理措施下雜草種群性狀特征反應的有效手段[10，12，28]，能為農田生態系統綜合管理和可持續發展提供強有力的支撐。趙玉信等通過文獻數據分析比較了不同土壤耕作和水肥管理措施下雜草群落的變化[2];韓惠芳等通過5年的連續監測比較了土壤耕作及秸稈還田對夏玉米田雜草生物多樣性的影響[14]。在黑土坡耕地這樣不斷受到人為管理措施干擾的農田生態系統中，雜草群落組成高度動態且具有長期性和隱蔽性。本研究通過連續3年田間監測發現，在不同的耕作配施有機物料措施下，雜草群落組成在年際間均存在顯著差異，雜草群落優勢物種由稗草轉變為蓼吊子和灰菜。此外，在黑土區氣候變化的條件下，農田雜草的發生和分布與環境特征相關聯。本研究利用主成分分析發現，造成雜草群落組成年際差異的主要環境因素為土壤容重和含水量。Bàrneri等利用一組長期耕作和雜草管理的案例分析，也驗證了耕作制度對水分和養分的調控是改變雜草種類組成最直接生態因素這一觀點[10]。因此，針對黑土區坡耕地不同耕作配施有機物料還田管理措施下雜草的綜合管控，應加強雜草群落演替的長期監測。基于環境因素動力學來監測雜草群落對耕作及有機物料還田等農田管理措施干擾的反應，對正確地評價雜草群落演替及其在農田生態系統中的生態風險有重要研究意義。

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