陕北春季玉米田杂草种子库研究

李艳娥，周世斌，刘世鹏，3*

（1.延安大学 生命科学学院，陕西 延安 716000；2.汉中市留坝县农业经济发展与监督服务中心，陕西 汉中 723000；3.陕西省红枣重点实验室，陕西 延安 716000）

杂草土壤种子库是留存于土壤表层及土层中具有活力的杂草种子总称［1］。杂草种子库是田间杂草发生的根源，探明土壤杂草种子库的物种组成、储量及空间分布，预测杂草种群的发生规律，对于杂草的综合治理有重要意义。国内外学者对各种土壤种子库的基本特征［2-5］、动态变化因素［6-10］、不同耕作和轮作等农作方式［11-13］对种子库的影响等作了大量研究，但对不同立地条件下玉米田杂草种子库的研究鲜见报道。

玉米是中国第一大粮食作物，也是北方地区种植面积最大的农作物［14］。坪地、坡地、台地是陕北地区粮食作物种植的主要立地类型，本实验选取玉米田的这3 种样地为研究对象，旨在探明其杂草种子库的物种组成、密度、垂直分布、生活型以及多样性等特征，比较3种立地类型的差异性和相似性，以期为陕北地区玉米田杂草的预测预报和不同立地条件杂草防除的精细化管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省子长市，属于黄土丘陵沟壑区。地理位置北纬37°19′40″～37°47′19″，东经109°52′52″～109°95′42″，海拔高度1 042.2～1 244.8 m，属暖温带半干旱大陆性季风气候，平均气温10.1 ℃，年降水量583.4 mm，降雨主要集中在7—9 月，日照3 188.8 h，无霜期279 d。实验区土质为黄绵土，属典型的陕北农田。

1.2 样地设置与采样

取样采用大数量小样法。实验在2021年3月春播前取样，选择坪地、坡地、台地玉米田样地（50 m×50 m）各5 块，选择的15 块样地耕作模式和管护方式基本一致。每块样地采用对角线相交的五点采样法，即选取5个采样点。取样面积为10 cm×10 cm，深度为20 cm，分为0～＜5 cm、5～＜10 cm、10～＜15 cm和15～20 cm 4 个土层。将每块样地同一深度土层的土壤均匀混合后取五分之一装入带有标签的塑封袋中，当天带回实验基地用于种子萌发。

1.3 实验方法

实验采用室内种子萌发法［15-16］，将取回的土样去除小石块等杂质，加以揉碎、混合，然后置于底部铺有2 cm 无种子粗砂花盆中。定期用喷雾器给花盆浇水，保持土壤充分湿润，并定期观察记录萌发杂草数，计数鉴别后拔除。连续2 周无种子萌发时轻轻翻动一次土样继续观察，直到花盆内连续1 个月无种子萌发后结束实验。

1.4 数据计算

土壤种子库密度（ρ）：实验将10 cm×10 cm 取样面积内萌发的种子数量换算为1 m×1 m的数量来计算密度（粒·m-2）。植物生活型统计：通过查询《Plant life forms》确定杂草生活型，即分为一年生杂草（Th）和多年生杂草（Ph）。种子库多样性指数（H）、丰富度指数（M）、均匀度指数（E）和生态优势度指数（D）的计算方法参照文献方法［17］。利用式（1）计算Sorensen相似性系数。

其中，Sc表示相似性指数，w表示样地A 和B 中共有的杂草物种数；α表示样地A 所有杂草物种数；β表示样地B所有杂草物种数。

本研究实验数据用SPSS 25.0软件统计分析；用Origin 2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 物种组成及密度

种子库土样中共萌发杂草10 科24 种（见表1）。其中菊科（Asteraceae）种类最多，禾本科（Gramineae）次之。从萌发量来看，菊科最多，藜科（Chenopodiaceae）次之。就单种来说，黄花蒿（Artemisia.annua）萌发量最多，其次是苣荬菜（Sonchifolium.arvensis）和灰绿藜（Chenopodium glaucum）。从不同立地来看，坪地萌发7科19种，坡地萌发8科16种，台地萌发5科13种。3种样地共有科4科，共有种9种。各不相同，3种样地密度大小关系为：坪地（8 720±469 粒·m-2）＞坡地（4 960±434 粒·m-2）＞台地（3 560±299 粒·m-2），密度差异均显著（P＜0.05）。3种样地的优势科和优势种均有差异，其中共同优势科是菊科和藜科，共同优势种是苣荬菜。

表1 陕北春季玉米田土壤杂草种子库物种组成及密度

2.2 生活型特征

3 种样地的杂草生活型分为一年生Th 和多年生Ph（图1）。每种样地的Th 杂草物种数均多于Ph杂草物种数，Th 杂草物种数大小关系为：坪地＞坡地＞台地；Ph 杂草物种数大小关系为：坪地＞台地＞坡地。从密度来看，3 种样地Th 杂草型密度大小关系是：坪地（6 820 粒·m-2）＞坡地（3 360 粒·m-2）＞台地（1 760 粒·m-2），密度差异显著（P＜0.05）；Ph 杂草密度大小关系是：坪地（1 900 粒·m-2）＞台地（1 800 粒·m-2）＞坡地1 600 粒·m-2，但差异不显著（P＞0.05）。从整体来看，3 种样地Th 杂草14 种，密度和为11 940 粒·m-2，Ph 杂草10 种，密度和为5 300 粒·m-2，可见一年生杂草的物种数和密度均大于多年生杂草。其中，坪地的两种生活型杂草物种数与密度均高于坡地和台地。

图1 杂草种子库不同立地类型种子库生活型分布

2.3 垂直分布特征

样地种子库密度垂直分布情况如图2所示。在0～＜5 cm 土层深度：坪地密度显著大于坡地和台地（P＜0.05），坡地和台地密度差异不显著（P＞0.05）；在5～＜10 cm 土层深度，3 种样地密度差异均不显著（P＞0.05）；在10～＜15 cm 土层深度，3 种样地密度差异均显著（P＜0.05）；在15～＜20 cm 土层深度，3 种样地密度差异均不显著（P＞0.05）。总体来看，在前3 层（0～＜15 cm）3 种样地都随土壤深度增加有显著的递减趋势（P＜0.05）；到第4 层（15～＜20 cm）台地和坡地的密度有回升趋势，坪地密度没有变化。且从图2 可知，3 种样地的密度在垂直分布的变化趋势上显著程度有所差异。

图2 杂草种子库不同立地类型密度垂直分布

2.4 多样性特征

通过方差分析得知（表2），陕北春季玉米田土壤杂草种子库的多样性指数（H）和生态优势度指数（D）在台地、坡地、坪地3种立地类型之间无明显变化，差异均不显著（P＞0.05）。台地的丰富度指数（M）显著小于坪地和坡地（P＜0.05）；坡地与坪地的M差异不显著（P＞0.05）。坪地的均匀度指数（E）显著小于坡地和台地（P＜0.05），坡地与台地的E差异不显著（P＞0.05）。

表2 陕北春季玉米田土壤杂草种子库不同立地类型多样性指数特征

2.5 相似性特征

根据表2可知坪地、坡地、台地的物种数分别为19 种、16 种和13 种。表1 可知，坪地与坡地共有种为13 种，根据Sc相似性系数公式（1）可得出Sc为0.74；坪地与台地共有种为12 种，由公式得出Sc为0.75；坡地和台地共有种为9 种，得出Sc为0.62。由此可知，3种样地的Sc范围为0.62～0.75，其中坪地与台地的物种相似度最高，是极为相似；台地与坡地、坡地与坪地物种均为中度相似［18］。

3 讨论

陕北春季玉米田样地土壤种子库共萌发杂草24 种10 科，以菊科、藜科和禾本科为主，其中菊科杂草种类最多，这与查顺清等［19］对本地区杂草调查结果种类相近。3种样地的土壤杂草种子库密度范围是3 560～8 720 粒·m-2，这与刘济明等［20］对玉米耕地杂草种子库研究中的春季数据一致，也与ZHANG 等［21］对土壤种子库的研究结果密度区间一致。3种样地密度差异显著，坪地＞坡地＞台地，这可能与3 种立地的海拔高度、保水能力和空气流通等环境因素差异有关。

本研究在前3 层（0～＜15 cm）3 种立地类型密度随深度增加有显著的递减趋势；坡地与台地在第4层（15～20 cm）相对于第3层（10～＜15 cm）物种数和密度均有回升趋势，但不显著。0～＜15 cm 的变化趋势与李有志等［22］的研究结果一致。

样地中一年生杂草多于多年生杂草，与黄茂林等［23］、李国旗等［24］对西北地区土壤种子库的研究结果一致。这种生活型分布可能与植物生活史对策和当地气候等生态环境有关。该研究区3种样地的物种相似性系数范围在0.62～0.75之间，杂草相似度比较高。3 种立地的杂草物种多样性指数差异整体趋势不显著，与立地类型没有明显关联，此结果与李智［25］对陕北地区不同立地土壤种子库的研究结果一致。

4 结论

本研究探明了陕北春季玉米田杂草种子库基本特征，可为本地区杂草管理提供依据。该研究发现不同立地类型杂草种子库密度差异显著，坪地＞坡地＞台地，但物种相似性系数比较高。鉴于此，不同立地类型的农田应采取差异性的杂草防治措施，但可相互借鉴。目前，人工除草是陕北地区农业种植中最繁重和耗时的生产环节，使用除草剂除草已成大趋势。探明杂草种类可为除草剂的使用提供参考，如根据不同立地相似度比较高的特征，在除草剂种类选择上可互相参考，但鉴于密度差异显著，在除草剂剂量选择上要有所不同。另外，3种立地类型的杂草种子库密度差异可为玉米种植在立地类型的选择上提供参考。杂草种子库垂直结构明显，如何根据这些特征用不同深度的耕作方式和管护方式来生态控草，有待下一步探究。总之，本研究探明了陕北地区3种主要立地类型的杂草种子库基本特征，可为本地区杂草的预测预报和杂草分立地精准防控管理提供科学依据，为改变当季见草控草的盲目被动除草模式提供参考。