稻麦两熟制农田杂草群落形成及其养分驱动机制研究

摘要

农田杂草除与作物竞争水、肥、光照等自然资源有碍于作物高产外，也是农田生态系统的组成成份，能有效地改变作物生态系统的结构，促进土壤中的矿质元素和有机质的循环和能量流转，土壤杂草种子库是杂草存在的一种方式和生长过渡的纽带，与地上杂草群落共同构成杂草群落综合体。因此研究农田杂草群落，能为生物多样性的保护，粮食安全和生态系统的稳定提供依据。施肥显著加快了农田土壤肥力演变的进程，也直接影响了农田杂草的生长、群落演替及遗传进化，合理施肥能改善作物与杂草之间的竞争关系，减少杂草的密度，有效控制一些恶性杂草的发生，潜在降低农田杂草对作物干扰的同时，保持一定可控制杂草的生物多样性。
　　本文以太湖地区31年的长期肥料定位试验土壤为材料，采用镜检法对化肥区不施肥(C0)、单施氮肥(CN)、氮肥加磷肥(CNP)、氮肥加钾肥(CNK)、磷肥加钾肥(CPK)、氮磷钾3种肥料配施(CNPK)6个不同处理以及有机肥区单施有机肥(M0)、有机肥配施氮肥(MN)、有机肥配施氮磷肥(MNP)、有机肥配施氮钾肥(MNK)、有机肥配施磷钾肥(MPK)、有机肥配施氮磷钾肥6个不同处理的表层土壤(0-15cm)中杂草种子的种类进行鉴定并计数;2010-2012年间，在小麦的苗期、拔节期和收获期以及水稻的抽穗期、成熟期和收获期对以上12个长期不同施肥处理进行了杂草群落调查，研究杂草类型与密度的分布、杂草多样性指数的变化，分析了杂草群落的辛普森指数，香浓指数，丰富度指数和均匀度指数，并对杂草调查分析数据与土壤养分数据进行主成分分析和冗余分析。探明施肥对土壤杂草种子库及农田杂革群落的影响特征和方式，论证了施肥可显著改变农田杂草发生状况和杂草生物多样性并探讨了其原因，在此基础上提出了起主要作用的养分因子，为利用养分管理措施调节农田杂草，在控制杂草对农业危害的同时，保持一定农田可控杂草生物多样性和提高农作物产量提供基础。主要研究结果如下:
　　1.经过30年不同肥料管理田间下的稻麦复种连作，土壤养分含量各个指标之间差异显著。不施氮肥的C0和CPK处理，土壤全氮含量较初始土壤分别提高4.1％和23.1％，全氮含量最高的MKP处理较初始土壤提高了46.8％;不施磷处理N、NK，土壤全磷含量与初始土壤持平，全磷含量最高的MPK处理较初始土壤提高了600％，是差异最大的土壤养分指标。各个处理有效钾含量与初始值比都有不同程度的降低。施用有机肥对土壤养分各指标有显著影响，有机肥处理比无机肥处理在全氮、全磷、碱解氮、有效磷、有机质含量上分别高18.16％、112.74％、11.82％、159.42％、20.22％，有效钾含量有所降低，下降了15.47％，其中MNP处理的全磷含量比CNP处理高111.17％。表明有机肥的施用能提高除土壤有效钾以外的其它养分的指标值。各处理试验小区水稻和小麦的平均产量均呈锯齿状波动，受气候和其他因素影响不同年份间的产量变动差异较大。氮磷钾平衡施肥小麦产量最高，比CPK处理高142.09％，比CNK处理高58.23％，比CNP处理高14.10％，各施肥处理的水稻和小麦产量均有增长趋势，水稻增产趋势较小麦明显，而小麦产量年际间的波动较大。有机肥与化肥配施和秸秆还田较单施化肥或有机肥有更明显的增产效果。水稻产量的稳定性高于小麦，土壤中氮或磷元素的匮乏均能导致小麦产量的显著降低，有效钾含量差异并未显著影响水稻小麦产量。
　　2.供试土壤杂草种子库的密度差异显著，其中MNPK处理的种子密度最低，仅为密度最大CPK处理的20.25％（图1）。各有机肥处理的平均种子密度比化肥处理的降低48.71％(F=29.822，p＜0.001)。比较施有机肥与对应化肥处理的土壤杂草种子库密度，MPK处理的杂草种子密度比CPK处理减少了74.80％(t=25.218，p＜0.001)，降幅最明显，而MNP处理只比CNP处理减少了0.039％(t=0.607，p=0.576)，差异不显著。长期施用有机肥能极显著减少土壤杂草种子库数量，与化肥配施还能减少不同氮磷钾肥对土壤杂草种子库的影响效应，平衡不同施肥处理间的差异;雨久花科的鸭舌草、玄参科的陌上菜、千屈菜科的水苋菜的种子密度分别占种子库总密度的20.78％、15.83％、10.37％，为优势种;蓼科的酸模叶蓼，菊科的鼠曲草、耳叶水苋，莎草科的牛毛毡、异型莎草分别占种子库总密度的9.04％，6.02％、5.54％，5.82％、5.77％，为亚优势种，这些杂草种子密度大且广泛分布于各个处理，这也是危害太湖地区农田的主要杂草种群;长期施用有机肥的处理比化肥处理的香浓指数、辛普森指数的平均值变化很小。有机、无机肥对应处理间杂草种子库的群落多样性指数差异不同，C0与M0处理各项群落多样性指数均无显著差异，但显著高于其它处理。在各处理中，有机、无机均衡施肥的MNPK处理中不仅保持了较高的多样性指数和均匀度指数，物种数及Margalef指数也显著高于其余各个施肥处理，这表明有机、无机均衡施肥是维持农田生态系统稳定的措施。化肥、化肥与有机肥的互作效应对物种数及多样性指数均具有极显著影响，有机肥对物种数、Margalef、 Equitability均有极显著影响，而对Simpson index及Shannon index没有显著影响。施入有机肥能提高土壤杂草种子库群落的辛普森、香浓及均匀度指数，使群落结构趋了二稳定;就土壤养分系统本身而言，土壤有机质及全氮含量是影响土壤杂草种子库分布的主要环境因子。长期有机无机肥料单一或配合投入可显著影响稻麦两熟制农田土壤杂草种子库的群落组成，均衡施肥能降低优势杂草种子种群的优势地位，抑制其发生危害程度，提高农田生态系统的生产力及稳定性。
　　3.小飞蓬、看麦娘、大巢菜、稻槎菜、通泉草是本地区小麦生长期的主要杂草类型，随着小麦的生长以及氮肥、有机肥的施入，杂草密度呈下降趋势;施入有机肥降低了麦季杂草的群落多样性指数，在小麦生长的不同时期均衡施肥的CNPK处理以及不施肥的C0处理的群落各项多样性指数能维持在一个较高的水平。RDA分析显示土壤氮含量以及有机质含量与第一排序轴相关性大，是对杂草分布影响最大的两个土壤养分因子。太湖地区稻麦两熟制条件下，长期有机无机肥料单一或配合投入可显著影响麦田杂草的群落组成，其中氮肥和有机肥的施入能显著降低杂草密度;土壤养分的差异影响田面杂草密度和优势种群，均衡施肥能降低优势杂草种群的优势地位，抑制其发生危害程度，提高农田生态系统的生产力及稳定性。
　　4.随着水稻的生育进程，田间杂草密度增大，而NP肥的配施也能有效减少本试验区田间杂草的密度;牛毛毡、鸭舌草、耳叶水苋、水蕨是水稻生长期的主要杂草类型;在施入P肥的处理中，莎草科杂草密度减少甚至消失，鸭舌草密度则增加，耳叶水苋和水蕨则是在没有施肥的C0处理生长最好;氮磷配施减少群落的丰富度的同时能增加群落的均匀度，人为干预相对最少的C0处理方式有利于群落结构的稳定发展;RDA分析显示影响稻田中杂草分布的土壤养分因子主要为氮、磷和有机质，而土壤钾含量对杂草的总体分布情况影响相对较小。太湖地区稻麦两熟制条件下，长期不同施肥方式可显著影响稻田杂草的群落组成，土壤养分库的差异性影响田面杂草密度和优势种群分布。

目录

论文说明

摘要

杂草中文名与拉丁文对照词

第一章 文献综述

1 研究的背景、目的与意义

1．1 研究背景

1．2 研究目的、意义

2 研究的主要内容

3 研究方法

4 拟解决的关键科学问题

5 本文的特色与创新之处

6 研究进展

6．1 长期不同施肥方式对稻麦生长的影响

6．2 农田生态系统中杂草的作用效应

6．3 施肥对土壤杂草种子库及田面杂草的影响

6．4 施肥对杂草群落形成的机理探讨

7 研究展望

参考文献

第二章：长期不同施肥方式对土壤肥力及稻麦产量的影响

0 前言

1 材料和方法

1．1 试验地点

1．2 试验设计

1．3 样品采集

1．4 土壤养分测定

2 结果与分析

2．1 长期肥料定位试验下土壤养分的差异性

2．2 长期不同施肥处理土壤基本养分指标与土壤pH之间的相关性

2．3 长期肥料定位试验下水稻产量特征

2．4 长期肥料定位试验下小麦产量特征

2．5 长期不同施肥处理下稻麦作物产量与土壤养分因子之间的关系

3 讨论

4 结论

参考文献

第三章 长期不同施肥方式对稻麦两熟制农田土壤杂草种子库多样性的影响

0 前言

1 材料和方法

1．1 试验地点

1．2 试验材料

1．3 样品采集

1．4 样品处理与种子鉴定

1．5 土壤养分测定

1．6 数据处理与分析

2 结果与分析

2．1 长期施肥处理下土壤杂草种子库密度

2．2 长期施肥处理下土壤杂草种子库物种组成

2．3 长期施肥处理下土壤杂草种子库的群落结构特征

2．4 长期不同施肥处理下土壤杂草种子库的群落相似性

2．5 土壤杂草种子库与土壤坏境因子的相关性

3 讨论

4 结论

参考文献

第四章 长期不同施肥方式对麦田杂草群落的影响

0 前言

1 研究区域与研究方法

1．1 试验地点

1．2 试验材料

1．3 调查方法

1．4 土壤取样及养分测定

1．5 数据处理与分析

2 结果与分析

2．1 长期施肥处理下杂草密度

2．2 小麦生育期田间杂草物种组成

2．3 杂草的群落多样性特征

2．4 杂草分布与土壤养分因子的关系

3 讨论与小结

4 结论

参考文献

第五章 长期不同施肥方式对稻田杂草群落的影响

0 前言

1 研究区域与研究方法

1．1 试验地点

1．2 试验材料

1．3 调查方法

1．4 土壤取样及养分测定

1．5 数据处理与分析

2 结果与分析

2．1 长期不同施肥对杂草密度的影响

2．2 长期不同施肥对水稻生育期田间杂草物种组成的影响

2．3 长期不同施肥对杂草的群落多样性特征的影响

2．4 稻田杂草分布与土壤养分因子的关系

3 讨论与小结

4 结论

参考文献

第六章 结论与讨论

1 结论

1．1 长期不同施肥方式对土壤养分库容的影响

1．2 长期不同施肥处理下稻麦作物产量的分异

1．3 长期不同施肥处理下土壤杂草种子库的特征

1．4 长期不同施肥处理下麦季田面杂草群落特征

1．5 长期不同施肥处理下稻季田面杂草群落特征

2 讨论

2．1 太湖地区稻麦两熟制农田杂草群落异构性的特征

2．2 太湖地区稻麦两熟制农田杂草群落异构性的成因分析

2．3 基于作物高产的农田土壤植物群落形成的养分驱动机制研究

参考文献

致谢

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