不同轮作制度对定西地区农田杂草群落的影响

牛小霞，牛俊义

(1.甘肃省农业工程技术研究院， 甘肃 武威 733007； 2.甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州 730070)

不同轮作制度对定西地区农田杂草群落的影响

牛小霞1，牛俊义2

(1.甘肃省农业工程技术研究院， 甘肃 武威 733007； 2.甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州 730070)

为探讨不同轮作制度对定西地区农田杂草群落的影响，采用倒置“W”九点取样法，调查了定西地区7种不同轮作制度下田间杂草的种类、数量、地上生物量等。在试验田发现11个科共15种杂草；从杂草发生密度、地上生物量上看，苦苣菜、藜是农田优势杂草，防除的目的杂草；不同轮作田的杂草群落由优势杂草组成；从不同轮作田杂草群落的物种多样性来看，马铃薯胡麻轮作>马铃薯小麦轮作>胡麻小麦轮作>胡麻连作>小麦胡麻轮作>小麦马铃薯轮作>胡麻马铃薯轮作；对不同轮作田杂草群落进行聚类，可分为四类。通过对不同轮作田中杂草的密度、地上生物量和综合优势度比的综合分析，可以看出胡麻连作、小麦胡麻轮作、马铃薯胡麻轮作、小麦马铃薯轮作中杂草的危害性较大。马铃薯小麦轮作、胡麻小麦轮作和胡麻马铃薯轮作对杂草有一定的控制作用。

轮作；农田；杂草群落；物种多样性

作为农业生态系统的重要组成部分，杂草以顽强的生命力和繁殖力，与作物争水、争肥、争光和争地，严重影响了作物的产量和品质。然而，保持一定的杂草群落多样性对于保护害虫天敌、促进田间养分循环，维持土壤生物多样性，防止土壤流失和酸化，维持生态系统功能的正常发挥和保持生态平衡等具有重要作用[1-2]。国外对农田杂草群落动态及其影响因素已进行了较深入的研究[3-4]。我国对农田杂草群落的研究主要集中在农田杂草种类调查、群落消长规律和化学防除、耕作方法对杂草群落的影响因素方面[5]，而轮作方面的研究比较少。

轮作作为一项常见的农业技术措施，普遍应用于杂草防治、提高作物产量和改善农田生态环境，通过降低杂草密度，抑制杂草生长，降低主要杂草的物种优势度达到减轻杂草危害。研究表明，轮作可以改变土壤营养水平[7-8]、土壤酶含量和活性[9]、土壤微生物和动物的种群与数量[6]，这些条件的改变可以直接或间接地影响杂草群落和作物产量。不同轮作制度下作物属性的较大差异也是轮作影响杂草群落的重要原因，例如，特殊的生长习性和不同的资源竞争模式[6,10]。作物快速萌发和出苗、较快的叶面积和冠层发展、高叶面积指数和较长持续时间、较大植株高度等都有助于增加作物对杂草的竞争力[11]，因为作物冠层覆盖可以通过减少光照、降低土壤表面温度、物理阻止杂草生长来抑制杂草。另外，还有不同轮作制度下化感作用[12]对杂草生长及杂草种子库影响[13-14]的差异的报道。

甘肃定西地区属于黄土高原西部典型的半干旱旱作农业区，一年一熟，当地主要种植作物为马铃薯、小麦、玉米、胡麻等。关于田间杂草种类、轮作对杂草群落的影响国内外研究较少。本研究选择胡麻连作田、小麦胡麻轮作田、马铃薯胡麻轮作田、小麦马铃薯轮作田、马铃薯小麦轮作田、胡麻小麦轮作田、胡麻马铃薯轮作田的杂草为研究对象，研究不同轮作制度下田间杂草群落的变化规律，以期阐明不同轮作制度对田间杂草群落和多样性的影响差异，为合理选择轮作制度模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014年在定西市旱作农业科研推广中心西寨油料试验站进行，海拔2 050 m，年降水量390 mm，年平均气温6.3℃，年日照时数2 453 h，年无霜期213.3 d。该地区为黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区，降水主要分布在6—9月份。土壤为黄绵土，一年一熟。

结合定西地区农业种植以小麦、马铃薯和胡麻三种作物为主的情况，胡麻品种选用定亚22号，种植密度为750 万粒·hm-2；马铃薯品种为新大平，种植密度为52 500 株·hm-2；小麦品种为甘春25号，种植密度为375 万株·hm-2。试验共设7个处理，胡麻连作(FF)、小麦胡麻轮作(WF)、马铃薯胡麻轮作(PF)、胡麻小麦轮作(FW)、胡麻马铃薯轮作(FP)、小麦马铃薯轮作(WP)、马铃薯小麦轮作(PW)。3次重复，共21个小区。小区长5 m，宽3 m，面积15 m2，四周设1 m保护行。氮、磷施用量采用当地最佳施肥量：胡麻112.5 kg·hm-2(纯N)，75 kg·hm-2(P2O5)；马铃薯：225 kg·hm-2(纯N)，150 kg·hm-2(P2O5)；小麦：150 kg·hm-2(纯N)，112.5 kg·hm-2(P2O5)；氮、磷均作为基肥施用。

1.2 调查项目、时间及方法

本研究于2014年5月30日苗期进行田间杂草调查，采用倒置“W”九点取样法，每样方面积1 m2，计数各样方内的杂草种类与数量，并称量地上部鲜重。

1.3 数据处理

所得数据用Excel 2010进行整理汇总；用DPS数据统计软件进行统计分析及方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作方式对农田杂草种类和密度的影响

在试验田发现11个科共15种杂草，在胡麻连作田和小麦胡麻轮作田发现11种杂草，胡麻小麦轮作田发现10种杂草，小麦马铃薯轮作田发现9种杂草，马铃薯胡麻轮作田和胡麻马铃薯轮作田发现8种杂草，马铃薯小麦轮作田发现7种杂草。胡麻连作田和小麦胡麻轮作田杂草种类最多，而马铃薯胡麻轮作田杂草种类少，表现出一定的控草作用。就轮作田杂草总密度而言，胡麻连作田的杂草密度最大，其次是小麦胡麻轮作田、马铃薯胡麻轮作田、小麦马铃薯轮作田、马铃薯小麦轮作田、胡麻小麦轮作田，胡麻马铃薯轮作田最小。胡麻连作、小麦胡麻轮作和马铃薯胡麻轮作三种轮作田杂草总密度差异显著，小麦马铃薯轮作和胡麻马铃薯轮作两种轮作差异显著，胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作两种轮作差异不显著(P<0.05)。因此，对于胡麻田和马铃薯田，合理的轮作可以降低田间杂草总密度。

不同轮作田杂草发生密度最大的是苦苣菜和藜，分别占胡麻连作、小麦胡麻轮作、马铃薯胡麻轮作、胡麻小麦轮作、胡麻马铃薯轮作、小麦马铃薯轮作、马铃薯小麦轮作田杂草总密度的86.38%、88.31%、72.28%、84.83%、79.45%、85.68 %、84.02%。常见杂草是稗草、野荞麦、大刺儿菜、野胡萝卜、狗尾草、打碗花、芸芥，其余杂草为偶发性杂草。不同处理下杂草的发生密度差异较大。就苦苣菜而言，马铃薯胡麻轮作田与胡麻连作田和小麦胡麻轮作田差异显著；小麦马铃薯轮作和胡麻马铃薯轮作两种轮作差异显著；胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作两种轮作差异不显著。藜在马铃薯胡麻轮作田和小麦胡麻轮作田差异显著；在胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作两种轮作差异显著；在小麦马铃薯轮作和胡麻马铃薯轮作两种轮作差异不显著。由此可见，不同轮作方式可以显著影响主要杂草的发生密度(P<0.05)。

表1 不同轮作田杂草密度/(株·m-2)

注：同行数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；FF—胡麻连作田，WF—小麦胡麻轮作田，PF—马铃薯胡麻轮作田，FW—胡麻小麦轮作田，WP—小麦马铃薯轮作田，FP—胡麻马铃薯轮作田，PW—马铃薯小麦轮作田；下同。

Note: different letters in the same row showed significant difference among treatments at 0.05 level. FF—continuous flax, WF—wheat-flax rotation, PF—potato-flax rotation, FW—flax-wheat rotation, WP—wheat-potato rotation, FP—flax-potato rotation, PW—potato-wheat rotation; the same below.

2.2 不同轮作制度对杂草地上生物量的影响

杂草地上总生物量最大的是胡麻连作田，其次是小麦胡麻轮作田、马铃薯胡麻轮作田、小麦马铃薯轮作田、胡麻小麦轮作田、胡麻马铃薯轮作田，马铃薯小麦轮作田最小。马铃薯胡麻轮作与胡麻连作和小麦胡麻轮作的地上总生物量差异显著，小麦马铃薯轮作和胡麻马铃薯轮作两种轮作差异显著，胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作两种轮作差异不显著(P<0.05)。与胡麻连作、小麦胡麻轮作比较，马铃薯胡麻轮作可以明显降低胡麻田杂草地上总生物量；与小麦马铃薯轮作相比，胡麻马铃薯轮作能降低马铃薯田杂草地上总生物量。

胡麻连作田地上生物量最大的杂草是苦苣菜、藜、大刺儿菜，占胡麻田杂草地上总生物量的94.67%；小麦胡麻轮作田地上部生物量最大的杂草是苦苣菜、藜、大刺儿菜，占胡麻田杂草地上部总生物量的88.16%；马铃薯胡麻轮作田地上部生物量最大的杂草是藜、苦苣菜、稗草，占胡麻田杂草地上部总生物量的86.56%；小麦马铃薯轮作田地上部生物量最大的杂草是苦苣菜、大刺儿菜，占马铃薯田杂草地上部总生物量的96.28%；胡麻小麦轮作田地上部生物量最大的杂草是苦苣菜、大刺儿菜，占小麦田杂草地上部总生物量的73.24%；胡麻马铃薯轮作田地上部生物量最大的杂草是苦苣菜，占马铃薯田杂草地上部总生物量的74.3%。马铃薯小麦轮作田地上部生物量最大的杂草是苦苣菜、藜，占小麦田杂草地上部总生物量的82.86%。

就不同轮作方式对杂草地上生物量影响而言，在马铃薯胡麻轮作田中藜的地上部总生物量显著高于胡麻连作和小麦胡麻轮作，在胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作二者间差异显著，在小麦马铃薯轮作和胡麻马铃薯轮作两种轮作差异不显著；而苦苣菜地上部总生物量在胡麻连作田和小麦胡麻轮作田较大，较其他轮作处理差异显著，在马铃薯小麦轮作田中最小。稗草和大刺儿菜在不同轮作处理中差异显著，其余杂草在不同轮作方式中差异不明显(P<0.05)。从地上生物量的角度对杂草进行分析，既反映了不同轮作农田杂草生物量的主要组成，量化在田间的优势度，又表明了不同轮作农田环境对杂草生长的影响。

表2 不同轮作田杂草生物量/(g·m-2)

2.3 不同轮作制度对杂草群落综合优势度的影响

从杂草发生的综合优势度来看，苦苣菜和藜为该地区田间杂草的综合优势杂草。常见杂草在不同轮作处理的农田优势度差异不显著(P<0.05)。不同轮作田中的杂草群落构成主要以优势杂草为主，但是不同的轮作模式造成杂草的发生也各有差异。胡麻连作田的优势杂草为苦苣菜、藜、大刺儿菜，形成以苦苣菜+藜+大刺儿菜+稗草为主的杂草群落；小麦胡麻轮作田的优势杂草为苦苣菜、藜，形成以苦苣菜+藜+稗草+大刺儿菜+野荞麦为主的杂草群落；马铃薯胡麻轮作胡麻田的优势杂草为藜、苦苣菜、稗草，形成以藜+苦苣菜+稗草+野荞麦+野胡萝卜+狗尾草为主的杂草群落；胡麻小麦轮作小麦田的优势杂草为苦苣菜、藜，形成以苦苣菜+藜+稗草+野荞麦为主的杂草群落；小麦马铃薯轮作马铃薯田的优势杂草为苦苣菜、大刺儿菜，形成以苦苣菜+大刺儿菜+藜+稗草为主的杂草群落；胡麻马铃薯轮作马铃薯田的优势杂草为苦苣菜、藜，形成以苦苣菜+藜+稗草+大刺儿菜为主的杂草群落；马铃薯小麦轮作小麦田的优势杂草为苦苣菜、藜，形成以苦苣菜+藜+稗草+野荞麦+大刺儿菜为主的杂草群落。表明苦苣菜、藜、稗草、大刺儿菜为农田防除的目的杂草，将为杂草的防治提供了可靠的依据。

2.4 不同轮作制度对杂草群落生物多样性的影响

小麦胡麻轮作、马铃薯胡麻轮作和胡麻连作的胡麻田中的物种丰富度最大，但是三者差异不显著；其次是胡麻马铃薯轮作和小麦马铃薯轮作的马铃薯田，二者差异不显著；胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作的小麦田最小，二者差异也不显著。从群落优势度指数(D)来看，胡麻马铃薯轮作田和小麦马铃薯轮作田最低，其他不同轮作处理间差异不显著。就物种多样性指数(H′)而言，由高到低排序为马铃薯胡麻轮作田>胡麻小麦轮作田>胡麻连作田>马铃薯小麦轮作田>小麦胡麻轮作田>小麦马铃薯轮作>胡麻马铃薯轮作田，马铃薯胡麻轮作田与小麦胡麻轮作田和胡麻连作田差异显著，马铃薯小麦轮作田和胡麻小麦轮作田二者差异不显著，小麦马铃薯轮作和胡麻马铃薯轮作田二者差异显著，表明不同轮作方式显著改变了胡麻和马铃薯田杂草群落的物种多样性。杂草群落的均匀度由高到低依次是马铃薯胡麻轮作田、马铃薯小麦轮作田、胡麻小麦轮作田、胡麻连作田、小麦胡麻轮作田、小麦马铃薯轮作、胡麻马铃薯轮作田；差异显著性和Shannon指数(H′)相同，表明不同轮作方式改变了胡麻和马铃薯田杂草群落的均匀度。

表3 不同轮作田杂草的综合优势度

表4 不同轮作田杂草群落多样性

注：同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: different letters in the same column showed significant difference among treatments at 0.05 level.

2.5 不同轮作田杂草群落的相似性

采用DPS二元数据相似性计算不同轮作田之间的相似性系数。由表5可以看出，不同轮作田杂草群落相似性系数最大的是胡麻马铃薯轮作田和小麦马铃薯轮作田，相似性系数是0.94；其次是胡麻马铃薯轮作田与胡麻小麦轮作田，相似性系数是0.89；胡麻小麦轮作田与胡麻连作田、胡麻小麦轮作田与小麦胡麻轮作田，相似性系数均为0.86。小麦胡麻轮作田与马铃薯胡麻轮作田的杂草群落相似性系数为0.84，这和小麦马铃薯轮作田与胡麻小麦轮作田、胡麻马铃薯轮作田与胡麻连作田、胡麻马铃薯轮作田与小麦胡麻轮作田的杂草群落相似性系数一样。不同轮作田的杂草群落相似性系数最低的是小麦马铃薯轮作田与马铃薯胡麻轮作田，为0.71。

表5 不同轮作田杂草群落的相似性指数

2.6 不同轮作田杂草群落的聚类分析

利用DPS系统聚类，欧氏距离的最短距离法对不同轮作处理进行聚类，可分为四类。马铃薯胡麻轮作田为Ⅰ类；胡麻连作田和小麦胡麻轮作田Ⅱ类，胡麻小麦轮作田和马铃薯小麦轮作田Ⅲ类，小麦马铃薯轮作田和胡麻马铃薯轮作田Ⅳ类。说明胡麻田、小麦田、马铃薯田杂草群落具有相似性；马铃薯胡麻轮作对胡麻田杂草群落影响比较大，单独分为一类；胡麻和小麦都是密植作物，植株高度接近，生育期基本一致，因而胡麻连作田和小麦胡麻轮作田为一类。Ⅰ类的物种丰富度和群落优势度显著大于Ⅱ类，物种多样性和群落均匀度均差异不显著。物种丰富度在Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类之间差异显著；群落优势度在Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类间差异不显著，但前三类与Ⅳ类之间差异显著；物种多样性在Ⅰ类，Ⅱ类和Ⅲ类三者间差异显著，Ⅰ类和Ⅳ类二者间差异不显著。

图1 不同轮作方式下杂草群落的聚类分析

Fig.1 The dendrogram of the weed communities in different rotation fields

3 讨 论

合理的轮作制度可以形成不利于杂草生长的生态环境，可以有效地防除杂草。单一作物的持续种植增加了优势杂草的数量，降低了杂草的生物多样性[21]，冬小麦长期连作导致旱雀麦严重发生；而春小麦长期连作导致狐尾草和野燕麦发生[22]。轮作可以减少某些杂草的优势度而增加另外一些杂草的优势度[23]。Cathcart等[24]研究发现当轮作作物较少时，油菜田杂草物种和种群多样性也减少。相同作物采取不同轮作顺序也会对杂草种类和数量造成较大影响，尤其是生长特性差异比较大的作物(玉米、小麦、油菜、马铃薯、大豆等)轮作[25-26]。徐艳丽等[25-27]研究了同一地区不同轮作制度和轮作作物条件下不同作物田的杂草群落，小麦连作田杂草密度和数量最大，玉米-大豆-小麦轮作杂草最少。不同前茬作物影响麦田杂草的数量和伴生的杂草种类，大豆抑制了杂草发生，尤其是玉米-大豆-小麦轮作前茬是玉米，更加抑制了田间杂草，小麦连作则使与小麦伴生的杂草发生更加严重[27]。本研究结果显示，与胡麻连作田相比，小麦胡麻轮作和马铃薯胡麻轮作明显降低了胡麻田杂草种类，杂草总密度和总生物量；而且马铃薯胡麻轮作明显降低了主要杂草的密度和生物量。比较胡麻小麦轮作和马铃薯小麦轮作，马铃薯小麦轮作减少了田间杂草种类，而胡麻小麦轮作增加了大刺儿菜的密度和生物量。对于马铃薯田而言，胡麻马铃薯轮作减少了杂草种类，杂草总密度和生物量；也减少了主要杂草的密度和生物量；明显降低了苦苣菜的综合优势度；上述结果和前人的研究结果一致[22-27]。

轮作区别于单作的最主要特征是作物多样，作物多样性高的轮作有利于杂草群落物种多样性的保持。杂草物种丰富度、多样性、优势度和均匀度是从不同角度衡量群落稳定性的重要指标，杂草物种丰富度、多样性与均匀度越大，优势度越小，则物种群落的结构越复杂，其反馈系统也越强大，对于环境的变化或来自物种群落内部种群波动的缓冲作用越强，物种群落也越稳定，这样的杂草群落优势种不太突出，杂草不容易严重发生[28]。不同轮作制度下作物特殊的生长习性和资源竞争模式的差异是导致轮作影响杂草群落的重要原因[29]。保护农业生态系统中杂草生物多样性以及发挥其在维持生态平衡中的作用逐渐受到人们重视，有效控制农业生态系统中杂草的同时，也应适当地保护生物多样性[15]。本研究结果显示，就杂草的多样性而言，物种丰富度小麦胡麻轮作田优于马铃薯胡麻轮作田和胡麻连作田，小麦马铃薯轮作优于胡麻马铃薯轮作田。就物种多样性和均匀度而言，马铃薯胡麻轮作优于胡麻连作田和小麦胡麻轮作田；马铃薯小麦轮作田优于胡麻小麦轮作田；小麦马铃薯轮作优于胡麻马铃薯轮作。从群落优势度指数来看，胡麻马铃薯轮作田和小麦马铃薯轮作田最低，其他不同轮作处理间差异不显著。综合所述，马铃薯胡麻轮作优于小麦胡麻轮作和胡麻连作，马铃薯小麦轮作优于胡麻小麦轮作，胡麻马铃薯轮作优于小麦马铃薯轮作。

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Effects of different rotation on farmland weed community in Dingxi

NIU Xiao-xia1, NIU Jun-yi2

(1.GansuProvincialInstituteofAgriculturalEngineeringandTechnology,Wuwei,Gansu733007,China;2.AgronomyCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

To explore effects of different rotation on farmland weed community in Dingxi, a survey was conducted by the method of inverted W-sampling to determine species, quantity and aboveground biomass of weeds in different rotation fields.There were 15 weed species of 11 families in different rotation fields. According to the weed density and aboveground biomass, the predominant species wereSonchusoleraceusL. andChenopodiumalbum. The species diversity index rank in different rotation fields was potato-flax rotation, potato-wheat rotation, flax-wheat rotation, continuous flax, wheat-flax rotation, wheat-potato rotation, flax-potato rotationin sequence. The different weed community clustered four groups. Based on the density, aboveground biomass and summed dominance ratio of weed in different rotation field, the damage of weeds was greater in continuous flax field, wheat-flax rotation field, potato-flax rotation field, wheat-potato rotation field. The potato-wheat rotation, flax-wheat rotation and flax-potato rotation showed certain control ability in the type and quantity of weeds.

rotations; farmland; weed community; species diversity

1000-7601(2017)04-0223-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.34

2016-05-20

国家现代农业产业技术体系建设专项( CARS-17-GW-9)；国家自然科学基金(31360315)

牛小霞(1986—)，女，甘肃会宁人，硕士，助理研究员，主要从事作物栽培及大麦育种工作。 E-mail:519077253@qq.com。

牛俊义(1957—)，男，教授，博士生导师，主要从事作物栽培与生理生态研究。 E-mail:niujy@gsau.edu.cn。

S344.1

A