摘 要 研究长期不同施肥下黄壤性稻田稗草发生特征，明确稗草发生与长期不同施肥水稻产量和土壤性质变异的响应关系.基于农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站的一项连续 23 年不同施肥管理水稻试验，选取不施肥( CK) 、单施氮肥( N) 、磷钾肥( PK) 、氮磷肥 ( NP) 、氮钾肥( NK) 、常量化肥( NPK) 、1 /4 有机肥替代化肥( 1 /4MNP) 、1 /2 有机肥替代化肥 ( 1 /2MNP) 、单施有机肥( M) 和常量有机肥化肥配施( MNPK) 10 个处理，采用田间调查法调查各处理稗草发生密度、单株穗数、总穗数、穗粒数、千粒重和穗粒重等植物学参数; 采用方差分析明确不同处理稗草发生差异，采用直线拟合、相关分析和通径分析明确杂草发生特征对水稻产量和土壤性质的响应.结果表明: 长期不同施肥处理导致黄壤性稻田稗草发生特征显著变异，稗草的密度、单株穗数和总穗数均以 MNPK 处理最高，其次是 1 /4MNP 处理.相较常量化肥处理，长期不施肥( CK) 和不平衡施肥( N、PK、NK、NP) 各处理稗草发生的密度显著降低，施用有机肥各处理( 1 /4MNP、1 /2MNP、M、MNPK) 稗草的单株穗数显著增加.稗草的发生密度和总穗数与水稻产量呈极显著的正相关性，拟合直线的决定系数分别为 0.622 和 0.624.土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾与稗草发生参数之间存在显著至极显著的相关性; 通径分析表明，土壤全氮含量对稗草单株穗数发生有直接正效应，全磷含量是影响稗草密度和总穗数的主要因素，速效钾含量对穗粒数和穗粒重影响最大.长期不同施肥导致黄壤性稻田稗草发生特征变异，施用有机肥提高了稗草的发生密度、单株穗数和总穗数.土壤全磷含量是黄壤性稻田稗草密度和总穗数发生变异的直接影响因素.
关键词 长期施肥; 稗草; 杂草种子; 黄壤性稻田; 土壤性质
农田杂草是农田生态系统的重要组成成分，其发生种类和数量能够客观反映其生境特征，对生境的土壤、水文、生态环境等具有指示性[1-3].同时，农田的环境条件变异促进杂草的趋异性进化，导致了农田生物多样性的分异[4-5].施肥管理是农田耕作管理的核心，长期不同的施肥管理方式改变了土壤的基本性质[6-7]，显著影响着农田杂草生物多样性发生特征[8-9]，进而能够影响到整个生态过程[1]. 因此，明确农田杂草发生特征与长期不同施肥下作物产量和土壤性质变异的响应关系，能够为农田杂草生态演变和生态控制提供依据.近年来，国内外学者对施肥模式差异导致的农田杂草变异作了大量研究.潘俊峰等[10]研究表明，长期不同施肥显著改变了杂草的种群组成、群落数量和结构.冯伟等[11]研究了长期不同施肥对农田杂草种子库的影响，结果表明，长期均衡的施肥方式有利于维持土壤杂草种子库多样性，有利于提高农田生态系统生产力和稳定性.尹力初等[12]研究表明，长期施肥导致土壤速效磷变异是影响农田杂草种群组成变异的首要因子.Lal 等[13]研究表明，施用磷肥和有机肥促进了杂草群落组成的变化，平衡施肥会导致杂草密度降低，但不会导致物种消除或阻碍生物多样性.前人研究主要集中于对整个群落结构和生物多样性的综合评价，由于不同杂草的物候期差异和不同物种杂草对土壤性质的响应差异，很难对施肥导致某一特定物种杂草的发生变异特征及其与作物产量和土壤变异的响应关系进行客观评价，对单种杂草的发生特征及其对不同施肥的响应综合评估亦 较 少. 稗 草 ( Echinochloa) 是我国危害最为严重的恶性杂草，短期内的施肥差异[14]和长期不同施肥措施[15-16]可以改变稗草的密度、分蘖数、生物量等发生参数.然而，目前国内关于稻田稗草发生变异及其对长期施肥的响应机制仍缺乏清晰的认识.为此，本研究基于农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站的一项连续 23 年长期不同施肥稻田试验，以稻田恶性杂草稗草为研究对象，调查评估长期不同施肥因素控制下稗草发生特征变异，揭示稗草发生与土壤性质和水稻产量变异的响应关系.
1 研究地区与研究方法
1. 1 试验地概况
本研究依托于农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站的一项连续 23 年长期施肥试验.试验地位于贵州省贵阳市花溪区贵州省农业科学院内 ( 106°39'52″ E，26°29'49″ N) ，地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔 1071 m，年均气温 15.3 ℃，年均日照时数 1354 h 左右，相对湿度 75.5%，全年无霜期 270 d 左右，年降水量 1100 ～ 1200 mm.试验地土壤为黄壤性水稻土黄泥田土种，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物. 该长期定位试验于1994 年开始基础设施建设和匀地，1995 年开始连续监测.1994 年采集基础土样，其耕层( 0 ～ 20 cm) 土壤基本性质为: 有机质 44.9 g·kg -1 ，全氮 1.96 g·kg -1 ，全磷 0.95 g·kg-1 ，全钾 16. 4 g·kg-1 ，碱解氮 159 mg·kg-1 ，有 效 磷 13. 4 mg · kg-1 ，速 效 钾 294 mg·kg-1 ，pH 值为 6.75.
1. 2 试验设计
试验采用大区对比试验设计，小区面积 201 m2 ( 35.7 m×5.6 m) ，设置 10 个施肥管理处理，分别为不施肥( CK) 、单施氮肥( N) 、磷钾肥( PK) 、氮磷肥 ( NP) 、氮钾肥( NK) 、常量化肥( NPK) 、1 /4 有机肥替 代 化 肥 ( 1 /4MNP ) 、1 /2 有机肥替代化肥 ( 1 /2MNP) 、单施有机肥( M) 和常量有机肥化肥配施( MNPK) ，未 设 重 复. 供试化肥为尿素 ( 含 N 46.0%) 、过磷酸钙( 含 P2O5 12. 0%) 和氯化钾( 含 K2O 60%) ; 有机肥为牛厩肥，鲜基养分多年测试平均含 N 2. 7 g · kg-1 、P2O5 1. 3 g · kg-1 、K2O 6. 0 g·kg-1 ，不同处理施肥量见表 1.试验每年种植一季中稻，每年 4 月中旬育秧，6 月中旬插秧，10 月中旬收割，生育期约 185 d，冬季翻耕炕田.试验过程中不使用除草剂和杀虫剂等化学农药.所有处理除施肥差异外，其他农事活动均一致.
稗草物种鉴定为光头稗( Echinochloa colonum) .稗草发生调查于 2017 年 9 月 25 日开始，此时稗草处于成熟期，水稻处于黄熟期.由于试验未置重复，本 研究将试验地延长边3等分，设置3个调查取样重复小区.采用田间调查方法，记录重复小区内稗草的密度、单株穗数和总穗数; 在各小区取 4 个成熟稗穗，烘干脱粒，考察穗粒重和千粒重，根据穗粒重和千粒重计算每穗粒数.水稻成熟后全小区收获测定水稻籽粒产量.
土壤样品于 2016 年 11 月采样，每个重复小区采用梅花布点法，采集 0 ～ 20 cm 耕层土样，土壤混合均匀后带回室内自然风干，研磨制样; 测试有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾和 pH 值共 8 项指标，全部测试方法均参照《土壤农化分析》[17]进行.
1. 3 数据处理
数据整理和作图采用 Excel 2016.统计分析采用 SPSS 17.0，用 LSD 法( α = 0.05) 进行差异显著性检验.稗草发生与水稻产量和土壤性质采用线性回归、相关分析和通径分析.图表中数据为平均值±标准差.
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2 结果与分析
2. 1 长期不同施肥对稗草发生数量的影响
经过 23 年长期不同施肥，黄壤性稻田稗草发生密度、单株穗数和总穗数均产生了显著的变异( 图 1) .稗草发生密度以氮钾( NK) 处理最低，常量有机肥化肥配施( MNPK) 处理最高，MNPK 处理稗草密度是 NK 处理的 10.6 倍.不施肥( CK) 和缺素施肥 ( N、PK、NK、NP) 处理稗草密度显著低于常规施肥处理( NPK) ，CK、N、PK、NK 和 NP 处理较 NPK 处理稗草发生密度分别低 31.9%、52.8%、56.9%、81.9% 和 69.4%.不同施肥处理间稗草单株穗数存在显著差异，与 NPK 处理相比，单施氮肥( N) 处理和施用有机肥各处理( 1 /4MNP、1 /2MNP、M 和MNPK) 稗草的单株穗数均显著增加，N、1 /4MNP、1 /2MNP、M 和 MNPK 处理较 NPK 处理稗草单株穗数分别增加了 143%、205%、108%、106% 和 232%. 不同施肥处理中，MNPK 处理稗草发生总穗数最高，NK 处理最低; 施用有机肥各处理( 1 /4MNP、1 /2MNP、M 和MNPK) 稗草发生总穗数显著高于不施肥( CK) 和偏施化肥各处理( N、PK、NK、NP 和 NPK) .表明长期施用有机肥增加了黄壤性稻田稗草发生的密度、单株穗数和总穗数，而不平衡施肥导致了稗草发生密度和总穗数的降低.
2. 2 长期不同施肥对稗草种子发生特征的影响
不同施肥各处理稗草种子穗粒数、千粒重和穗粒重发生特征如图 2.稗草穗粒数以单施氮肥( N) 和氮磷肥( NP) 处理最低，单施有机肥( M) 处理最高;稗草穗粒数随着有机肥替代比例的增加呈增加趋势，表明有机肥替代有利于稗草的穗粒数发育.稗草种子千粒重以 NK 处理最低，1 /4 有机肥替代化肥 ( 1 /4MNP) 处理最高.不同处理穗粒重发生规律与穗粒数规律一致，氮磷处理穗粒重最低，单施有机肥处理最高.表明长期有机肥替代化肥对稗草的穗粒数和穗粒重形成有利，缺钾( N、NP 处理) 对稗草穗粒数、千粒重和穗粒重形成不利.
2. 3 稗草发生特征对水稻产量的响应
水稻籽粒产量与稗草发生特征参数的直线拟合关系如图 3.水稻籽粒产量与稗草发生密度和总穗数的拟合直线决定系数分别为 0.622 和 0.624，直线斜率均为正.表明在本研究条件下，稗草的发生密度和总穗数与作物籽粒产量有正相关性，较高的稗草发生密度和总穗数能够反映作物的高产.单株穗数、穗粒数、千粒重和穗粒重与水稻产量的相关性在统计图 2 不同施肥处理稗草穗粒数、千粒重和穗粒重的差异 Fig.2 Difference in seed number per panicle，1000-seed mass and seed mass per panicle of Echinochloa under different fertilization treatments.上均不显著.
2. 4 长期不同施肥条件下稗草发生和水稻籽粒产量对土壤性质的响应
长期施肥深刻地改变了土壤的基本性质，并导致各施肥处理的土壤性质分异( 表 2) .经过 22 年的连续不同施肥措施，除单施氮肥处理外，不施肥和其他施肥处理土壤有机质均较初始年份增加，以单施有机肥处理最高.不施肥和各种施肥处理土壤全氮含量均有所提升，以 MNPK 处理最高，PK 处理最低.不同施肥方式导致土壤全磷和有效磷发生显著变异，长期不施磷肥各处理( CK、N、NK) 的土壤全磷和有效磷含量均降低，显著低于施用化学磷肥和有机肥 各 处 理 ( PK、NP、NPK、1 /4MNP、1 /2MNP、M、 MNPK) .土壤全钾和速效钾含量均较初始年份有所降低，全钾含量以 PK 和 NPK 处理最低，速效钾含量以 NP 处理最低.不同处理土壤 pH 值以不施肥和单施氮肥处理较高.
稗草的发生特征和水稻籽粒产量与土壤性质之间存在显著的相关性( 表 3) .稗草发生密度与土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾呈显著正相关关系，其中全磷和有效磷与稗草密度的相关性最高，表明土壤总磷水平和供磷能力越高，稗草的发生密度越大.这与 MNPK 处理具有最高的土壤全磷含量和最高的稗草密度的结果一致.稗草单株穗数与土壤全氮、全磷、碱解氮和有效磷呈显著正相关关系.稗草总穗数和穗粒重与土壤性质的相关性规律与稗草发生密度一致.土壤全钾和 pH 值对稗草发生的各特征参数均无显著的相关性.水稻籽粒产量除与土壤速效钾含量和 pH 值相关不显著外，与有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮和有效磷均呈显著正相关关系，其中与全磷和有效磷含量相关性最高，相关系数分别达 0.945 和 0.943. 通径分析表明，土壤全氮含量直接影响稗草单株穗数形成，直接通径系数为0.738; 全磷含量是影响稗草发生密度、总穗数和水稻籽粒产量的主要因素，直接通径系数分别为 0.862、0.877 和 0.945; 土壤速效钾含量对稗草穗粒数和穗粒重的影响最大.
