河北省玉米田雜草群落結(jié)構(gòu)分析

玉米是中國的三大谷物之一，也是重要的食品和工業(yè)材料。2004年我國玉米種植面積達(dá)2558萬hm2,居世界第2位,但單產(chǎn)為5154kg/hm2,僅占美國、以色列、新西蘭等國家的50%左右。雜草危害是影響作物產(chǎn)量的主要因素之一,我國玉米田每年草害面積約有667萬hm2,減產(chǎn)達(dá)10%以上,草害嚴(yán)重的田塊甚至顆粒無收。20世紀(jì)80年代的調(diào)查結(jié)果表明,玉米田雜草群落主要由馬唐、稗草、藜、反枝莧、牛筋草等雜草組成。在化學(xué)除草劑的長期作用下,近年來群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大改變,東北春玉米區(qū)鴨跖草、苣荬菜、問荊等雜草的危害程度不斷上升,逐步演變?yōu)樘镩g主要雜草,而華北夏玉米區(qū)難除雜草鐵莧菜、苘麻在田間的優(yōu)勢度顯著提高。田間草相的變化需要增大常規(guī)除草劑品種的劑量才能維持一定的防效,但隨著除草劑用量的加大,對環(huán)境產(chǎn)生的污染日益嚴(yán)重,并且會破壞農(nóng)田生物多樣性和導(dǎo)致雜草抗藥性的產(chǎn)生。保障生態(tài)和糧食安全,以及發(fā)展綠色食品生產(chǎn),已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)之一。要發(fā)展與環(huán)境相容的綜合控草措施,實(shí)現(xiàn)對雜草的可持續(xù)治理,必須掌握雜草在農(nóng)田中的發(fā)生規(guī)律。河北是我國的玉米主產(chǎn)區(qū)之一,本研究通過對不同地區(qū)、不同類型玉米田雜草群落的調(diào)查,旨在揭示田間雜草的發(fā)生危害狀況、雜草群落組成與環(huán)境因子及管理措施間的內(nèi)在聯(lián)系,為建立以生態(tài)控草措施為主的玉米田雜草可持續(xù)治理體系提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1帶濕半干旱地域性氣候條件河北省地處東經(jīng)113°27′~119°50′,北緯36°5′~42°40′之間,全省土地面積18.89萬km2,地勢西北高、東南低。屬溫帶濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫4~14℃,降水量為350~770mm,日照時數(shù)在2400~3077h之間。全省年光能總輻射量為4854~5981MJ/m2,≥0℃積溫為2100~5200℃,無霜期約80~205天。河北省農(nóng)作區(qū)劃按地帶劃分,大致是冀北高原為一年一熟低溫作物區(qū),冀北高原以南至長城以北為一年一熟中溫作物區(qū),長城以南至滹沱河以北為二年三熟作物區(qū),南部為一年二熟作物區(qū)。1.2樣點(diǎn)的選取2004~2005年6~9月在河北主要玉米產(chǎn)區(qū)承德(巴克什營、灤平、隆化、圍場、塞罕壩)、張家口(宣化、萬全、張北)、唐山(玉田、豐潤、豐南)、秦皇島(昌黎、秦皇島)、廊坊、涿州、保定(安新、新安)、石家莊(正定)、邢臺(高邑、南和、任縣、和陽)、衡水(冀州、馬頭里)、滄州和邯鄲等地區(qū)進(jìn)行調(diào)查取樣,共計58個縣市298個樣點(diǎn)(圖1)。調(diào)查采用倒置“W”9點(diǎn)取樣法,樣方面積為1m2,分別統(tǒng)計樣方中雜草的種類、密度,測量相應(yīng)的株高和鮮重。1.3elau均勻度指數(shù)及群落相似性的測定根據(jù)各樣點(diǎn)的調(diào)查數(shù)據(jù)計算其物種多樣性、相對優(yōu)勢度及群落的相似性。物種豐富度即樣方中包含的所有雜草種類數(shù)。Shannon-Wiener指數(shù)H′=-∑Pi·lnPi,Pi=Ni/N,Ni為樣方中第i種雜草的密度,N為樣方中雜草的總密度;Simpson指數(shù)D=∑Pi2;Pielou均勻度指數(shù)J=H′/lnS。相對優(yōu)勢度(relativeabundance)RA=(RD+RH+RW+RF)/4,其中RD為相對密度(relativedensity),即某雜草的密度占總密度的比例;RH為相對高度(relativeheight),即某雜草的總高度占樣方中所有雜草高度的比例;RW為相對重量(relativeweight),即某雜草的鮮重占樣方中雜草總鮮重的比例;RF為相對頻度(relativefrequency),即雜草出現(xiàn)的樣方數(shù)占所有雜草出現(xiàn)的總樣方數(shù)的比例。用Sorenson指數(shù)(Cs)測定群落相似性,Cs=2j/(a+b),其中j為群落A與B所共有的物種數(shù),a為群落A含有的全部物種數(shù),b為群落B含有的全部物種數(shù)。研究數(shù)據(jù)使用Excel2000進(jìn)行處理,并用DPS2000(DataProcessingSystem,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))進(jìn)行統(tǒng)計及聚類分析。2結(jié)果與分析2.1葉植物的雜草種類河北省玉米田雜草有136種(含變種),隸屬于34科、97屬,其中蕨類植物1科、1屬、1種;單子葉植物6科、22屬、27種;雙子葉植物27科、64屬、108種。菊科、禾本科、藜科和蓼科的雜草種類較多,分別有23種、17種、11種和9種,共占雜草種類的44.1%;其次是豆科、薔薇科、莎草科和十字花科。雜草種類最多的屬是藜屬和蓼屬,分別有7種雜草;蒿屬(5種)、莎草屬(4種)和委陵菜屬(4種)次之。2.2河北地區(qū)優(yōu)勢雜草根據(jù)雜草的優(yōu)勢度、出現(xiàn)頻度及其在各地區(qū)的具體發(fā)生情況,可以將河北省的玉米田雜草劃分為4種類型,即優(yōu)勢雜草、區(qū)域性優(yōu)勢雜草、常見雜草和一般雜草。優(yōu)勢雜草在河北各地區(qū)發(fā)生優(yōu)勢度和頻度都較高,對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量影響嚴(yán)重,防除較為困難。河北省玉米田的優(yōu)勢雜草有馬唐Digitariasanguinalis、反枝莧Amaranthusretroflexus、稗Echinochloacrusgalli、馬齒莧Portulacaoleracea、藜Chenopodiumalbum、狗尾草Setariaviridis、鐵莧菜Acalyphaaustralis、刺兒菜Cephalanoplossegetum、田旋花Convolvulusarvensis等9種。牛筋草Eleusineindica、鴨跖草Commelinacommunis、灰綠藜Chenopodiumglaucum、打碗花Calystegiahederacea、苦荬菜Ixerisdenticulata、苣荬菜Sonchusbrachyotus、蘆葦Phragmitesaustralis、蒺藜Tribulusterrestris、野稷Panicummiliaceumvar.ruderale、碎米莎草Cyperusiria等10種雜草,在河北局部地區(qū)或某些特定類型玉米田發(fā)生的優(yōu)勢度及頻度較大,對玉米的產(chǎn)量影響較嚴(yán)重,防除也較困難,為區(qū)域性優(yōu)勢雜草。萹蓄Polygonumaviculare、蒼耳Xanthiumsibiricum、問荊Equisetumarvense、卷莖蓼Polygonumconvolvulus、香附子Cyperusrotundus、朝天委陵菜Potentillasupina、野西瓜苗Hibiscustrionum、酸模葉蓼Polygonumlapathifolium、豬毛菜Salsolacollina、地錦Euphorbiahumifusa、裂葉牽牛Pharbitisnil、紫花地丁Violaphilippica、曼陀羅Daturastramonium、龍葵Solanumnigrum、葎草Humulusscandens、鬼針草Bidensbipinnata、圓葉牽牛Pharbitispurpurea、鱧腸Ecliptaprostrata、苘麻Abutilontheophrasti、蘿摩Metaplexisjaponica、尖頭葉藜Chenopodiumacuminatum等21種雜草雖然在大部分玉米區(qū)都有發(fā)生,但優(yōu)勢度和頻度都不大,對玉米產(chǎn)量造成的影響較小,為玉米田常見雜草。此外,有些雜草僅在河北局部發(fā)生,優(yōu)勢度和頻度較小,對玉米的生長影響極微,為一般雜草。主要有小藜Chenopodiumserotinum、艾蒿Artemisiaargyi、大刺兒菜Cephalanoplossetosum、地膚Kochiascoparia、叉分蓼Polygonumdivaricatum、巨大狗尾草Setariaviridisvar.gigantea、二裂委陵菜Potentillabifurca、兩棲蓼Polygonumamphibium、沼生蔊菜Rorippaislandica、鼬瓣花Galeopsisbifida、水蓼Polygonumhydropiper、芥菜Brassicajuncea、野薄荷Menthahaplocalyx、大狗尾草Setariafaberii、苦苣菜Sonchusoleraceus、鶴虱Lappulamyosotis、牻牛兒苗Erodiumstephanianum、畫眉草Eragrostispilosa、堿蓬Suaedaglauca、半夏Pinelliaternata、白穎苔草Carexrigescens、苦蕎麥Fagopyrumtataricum、野胡蘿卜Daucuscarota、星星草Puccinelliatenuiflora、廣布野豌豆Viciacracca、白茅Imperatacylindricavar.major、野菊Dendranthemaindicum、苦蘵Physalisangulata、球果蔊菜Rorippaglobosa、紫苜蓿Medicagosativa、虎尾草Chlorisvirgata、芝麻菜Erucasativa、野艾蒿Artemisialavandulaefolia、大尾搖Heliotropiumindicum、地榆Sanguisorbaofficinalis、紅足蒿Artemisiarubripes、野胡麻Dodartiaorientalis、夏至草Lagopsissupina、馬藺Irislacteavar.chinensis、禾葉苦荬Ixerisgraminea、地梢瓜Cynanchumthesioides、柳葉刺蓼Polygonumbungeanum、市藜Chenopodiumurbicum、蒙古蒿Artemisiamongolica、白頂早熟禾Poaacroleuca、甘草Glycyrrhizauralensis、披堿草Elymusdahuricus、光鱗水蜈蚣Kyllingabrevifoliavar.leiolepis、鴉蔥Scorzoneraruprechtiana、圓葉錦葵Malvarotundifolia、山野豌豆Viciaamoena、旋復(fù)花Inulajaponica、石胡荽Centipedaminima、藍(lán)堇草Leptopyrumfumarioides、野大豆Glycinesoja、野燕麥Avenafatua、小花鬼針草Bidensparviflora、雀稗Paspalumthunbergii、小花糖芥Erysimumcheiranthoides、鵝絨藤Cynanchumchinense、牛皮消Cynanchumauriculatum、陌上菜Linderniaprocumbens、刺莧Amaranthusspinosus、阿穆爾莎草Cyperusamuricus、紫蘇Perillafrutescens、通泉草Mazusjaponicus、黃花蒿Artemisiaannua、卷耳Cerastiumarvense、牛膝菊Galinsogaparviflora、丁香蓼Ludwigiaprostrata、菊葉香藜Chenopodiumfoetidum、龍芽草Agrimoniapilosa、田皂角Aeschynomeneindica、旱雀麥Bromustectorum、巴天酸模Rumexpatientia、雨久花Monochoriakorsakowii、鹽地堿蓬Salsolasalsa、鵝絨委陵菜Potentillaanserina、毛茛Ranunculusjaponicus、獨(dú)行菜Lepidiumapetalum、香薷Elsholtziaciliata、白車軸草Trifoliumrepens、旋鱗莎草Cyperusmichelianus、水芹Oenanthejavanica、匍匐委陵菜Potentillareptans、煙管頭草Carpesiumcernuum、粟米草Mollugostricta、酸漿Physalisalkekengi、大地錦Euphorbianutans、雜配藜Chenopodiumhybridum、腋花莧Amaranthusroxburghianus、地黃Rehmanniaglutinosa、蒲公英Taraxacummongolicum、大麻Cannabissativa、車前Plantagoasiatica、豚草Ambrosiaartemisiifolia等96種。2.3能量分布及分布特點(diǎn)從雜草的發(fā)生優(yōu)勢度來看,馬唐是各地區(qū)玉米田的主要優(yōu)勢雜草,綜合優(yōu)勢度達(dá)22.85,其次為反枝莧、稗、馬齒莧、藜、狗尾草、鐵莧菜、牛筋草等(表1)。河北各地區(qū)玉米田雜草的發(fā)生有較大的差異,但田間雜草群落基本上以這些優(yōu)勢雜草為主構(gòu)成,各地區(qū)玉米田雜草的發(fā)生及群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。張家口地區(qū):地處河北西北部的冀北高原,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫6℃左右,全年干旱少雨,年降水量300~550mm,無霜期80~150天,土壤主要為栗鈣土和栗褐土。本地區(qū)玉米田雜草的發(fā)生以旱生性雜草為主,反枝莧和狗尾草為主要優(yōu)勢種,其次為灰綠藜、藜、打碗花、稗及苦荬菜,形成以反枝莧+狗尾草+灰綠藜+藜為主的旱生性雜草群落。藜科雜草在本地區(qū)發(fā)生較為普遍,灰綠藜、藜、小藜的總體優(yōu)勢度達(dá)17.36。此外,本地區(qū)蒺藜、野稷、萹蓄、卷莖蓼、蒼耳等旱生性雜草的發(fā)生優(yōu)勢度顯著高于其它地區(qū)。承德地區(qū):位于河北東北部,地處內(nèi)蒙古高原向華北平原的過渡地帶,為大陸性山地型季風(fēng)氣候。年均溫8.9℃,大于10℃有效積溫1800~3700℃,年降雨量400~800mm,無霜期62~182天,土壤類型主要為褐土和棕壤。本地區(qū)馬唐和稗的發(fā)生優(yōu)勢度較高,反枝莧、藜、苣荬菜和鴨跖草次之,形成馬唐+稗+反枝莧+藜的雜草群落。其它發(fā)生優(yōu)勢度較大的雜草有地膚、鐵莧菜、田旋花、馬齒莧、叉分蓼及問荊等。唐山-秦皇島地區(qū):位于河北東部,北依燕山,南臨渤海,地形以山地、丘陵和濱海平原為主。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年均溫10.1~12.5℃,無霜期176~181天,降水量694~760mm。土壤類型以褐土、棕壤和潮土為主,自然肥力較高。馬唐在本地區(qū)為群落優(yōu)勢種,發(fā)生優(yōu)勢度高達(dá)33.40,其次為馬齒莧、鴨跖草、稗、反枝莧及鐵莧菜等,主要形成以馬唐+馬齒莧+鴨跖草+稗+反枝莧的雜草群落。本區(qū)馬齒莧、鴨跖草、碎米莎草、鱧腸、苘麻的發(fā)生危害較其它地區(qū)嚴(yán)重。石家莊地區(qū):包括河北中部及南部地帶,位于華北大平原,其間有部分山地及丘陵。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫約11.8~13.3℃,≥0℃積溫4814.7~5005.7℃,降水量450~570mm,日照時數(shù)2400~2700h,無霜期190~205天。本區(qū)土壤類型多樣,以褐土和潮土分布最廣。馬唐和牛筋草在本區(qū)的發(fā)生優(yōu)勢度較大,形成馬唐+牛筋草+鐵莧菜+馬齒莧的主要雜草群落,其它雜草如稗、刺兒菜、田旋花、反枝莧、香附子等在某些田塊也上升為主要雜草。與其它地區(qū)相比,牛筋草、刺兒菜、田旋花、香附子在本區(qū)的發(fā)生量較大,而反枝莧、藜的發(fā)生量較小。2.4地區(qū)生態(tài)性雜草群落特征承德和張家口地區(qū)玉米田雜草群落的物種豐富度較高,分別有雜草69和60種,石家莊和唐山-秦皇島地區(qū)次之(表2)。承德和張家口兩地區(qū)地貌復(fù)雜,海拔高度差異較大,山地、丘陵、平原各類型田塊均有分布,并且該地區(qū)氣候多變,年均溫和降雨相差懸殊,導(dǎo)致雜草的發(fā)生種類較為豐富。據(jù)調(diào)查,承德地區(qū)藜屬的雜草種類非常豐富,藜、小藜、灰綠藜、雜配藜、平臥藜Chenopodiumprostratum、菊葉香藜、尖頭葉藜、市藜等均有發(fā)生。從群落多樣性來看,也以張家口和承德地區(qū)的物種多樣性較高,香農(nóng)指數(shù)均在3.0以上。張家口地區(qū)玉米田物種豐富度較承德地區(qū)低,但物種多樣性較高,可能是由于控草措施的差異造成的。張家口地區(qū)農(nóng)田主要進(jìn)行人工除草,化學(xué)除草面積較承德地區(qū)小,而化學(xué)除草對物種的選擇壓力大,對生物多樣性影響顯著,從而造成承德地區(qū)物種多樣性指數(shù)較低。從衡量群落物種優(yōu)勢集中性的辛普森指數(shù)來看,承德地區(qū)(0.093)高于張家口地區(qū)(0.068),但顯著低于廣泛進(jìn)行化學(xué)除草的石家莊及唐山-秦皇島地區(qū),除地區(qū)間的自然氣候因素外,同樣有可能是由于化學(xué)除草的選擇作用使某些非目標(biāo)雜草上升為優(yōu)勢種群造成的。從各地區(qū)雜草群落的均勻度指數(shù)來看,以張家口地區(qū)較高,承德、唐山-秦皇島及石家莊地區(qū)次之,這與其它指數(shù)反映的趨勢較為一致。2.5立地條件對主要立地生態(tài)因子的影響從不同地區(qū)雜草群落物種組成的相似性來看,石家莊與唐山-秦皇島地區(qū)的群落結(jié)構(gòu)最為相似,Sorensen群落相似性指數(shù)達(dá)0.544,而與張家口及承德地區(qū)的群落組成差異較大,Sorensen指數(shù)均在0.4以下(圖2)。究其原因,可能是由于石家莊和唐山-秦皇島地區(qū)均以平原為主,年均溫和降雨量差異不大,氣候類型比較一致。同理,承德與張家口地區(qū)地理緯度相近,玉米田均以丘陵和山地為主,年均溫在10℃以下,因而這兩地區(qū)田間雜草的發(fā)生及群落結(jié)構(gòu)組成較為相似,Sorensen指數(shù)達(dá)0.488,高于與石家莊及唐山-秦皇島地區(qū)雜草群落的相似性。3河北地區(qū)玉米田雜草群落結(jié)構(gòu)雜草的發(fā)生及群落結(jié)構(gòu)組成受到多方面因素的制約,其中自然地理環(huán)境、農(nóng)田生態(tài)條件及雜草管