不同土地利用方式對山東丘陵農(nóng)田雜草群落結(jié)構(gòu)與動態(tài)的影響

趙濱 司紀(jì)升 李升東 王法宏 王宗帥

摘要：為了探明不同土地利用方式對丘陵地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，本研究于2015年春季在山東省臨朐縣（丘陵山區(qū)）選擇傳統(tǒng)耕作方式的麥地和谷子地、近10～20年因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整而呈現(xiàn)的菜地、果園及撂荒地為對象，系統(tǒng)分析該5種土地利用方式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分、雜草群落結(jié)構(gòu)及多樣性變化狀況。結(jié)果表明：土壤理化性質(zhì)，菜地、桃園中土壤總有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）和全磷（TP）含量明顯高于撂荒地、小麥地和谷子地；菜地土壤中有效磷（AP）和電導(dǎo)率（EC）顯著高于其它4種土地利用方式。雜草群落結(jié)構(gòu)：5種土地利用方式下雜草群落的相似系數(shù)為0.05～0.46；撂荒地的雜草豐富度最高（9.83），菜地最低（3.33）；小麥地DA雜草功能群占絕對優(yōu)勢，撂荒地MA雜草種群占絕對優(yōu)勢。谷子地和桃園中雜草功能群分布較為均衡，前者以MA和DP兩種功能群為主，后者以MA和MP兩種功能群為主。植物多樣性：撂荒地和谷子地高，分別達(dá)1.74和1.73，桃園、小麥地和菜地依次遞減。

關(guān)鍵詞：土地利用方式；雜草群落結(jié)構(gòu)；生物多樣性；土壤養(yǎng)分；山東丘陵

中圖分類號：S451文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2017）05-0091-06

Effects of Different Land Use Patterns on Community Structure and

Dynamics of Weeds in Hilly Regions of Shandong Province

Zhao Bin1，Si Jisheng2，Li Shengdong2，Wang Fahong2，Wang Zongshuai2

（1. College of Agronomy and Plant Protection， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China；

2. Crop Research Institute， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan 250100， China）

AbstractIn order to clarify the effects of different land use patterns on farmland ecosystem in hilly regions， the experiment was carried out in spring of 2015 in Linqu County， Shandong Province. Two traditional land use patterns （wheat and millet fields） and three novel land use patterns （vegetable fields， peach orchards and abandoned lands） were selected as experimental objects.The soil nutrients， weed community structure and biodiversity were investigated and analyzed under the five land use patterns.The results indicated that the vegetable fields and peach orchards had obviously higher soil organic carbon （SOC）， total nitrogen （TN） and total phosphorus contents compared with the abandoned lands， wheat fields and millet fields. The soil available phosphorus （AP） and electric conductance （EC） of vegetable fields were significantly higher compared with the other land use patterns. The similarity coefficient of weed communities under the 5 land use patterns was 0.05～0.46. The species richness（SR） of abandoned lands was the highest （9.83）， while that of vegetable fields was the lowest （3.33）.The DA functional group reigned supreme in wheat fields， and the MA functional group reigned supreme in abandoned lands.The millet fields and peach orchards had relatively even distribution of weed functional groups， and the former was dominated by the MA and DP functional groups while the latter was dominated by the MA and DP functional groups.The abandoned lands and millet fields had higher plant diversity with the diversity indexes as 1.74 and 1.73 respectively， and the diversity index of peach fields， wheat fields and vegetable fields decreased in turn.

KeywordsLand use pattern；Weed community structure；Biodiversity； Soil nutrients；Hilly regions of Shandong Province

土地利用方式的改變可以影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分狀況、雜草群落的結(jié)構(gòu)和組成[1-3]。張心昱等[4]研究表明，菜地和果園等高投入地塊土壤養(yǎng)分水平較高，撂荒地次之，玉米地、大豆地等低投入地塊土壤養(yǎng)分總體含量偏低。谷艷芳等[5]比較了撂荒地、葡萄園、玉米地、大豆地、小麥地及棄耕地等6類不同土地利用方式對黃河沖積平原中雜草群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)僅葡萄園等果園地塊雜草群落結(jié)構(gòu)較為合理。山東省丘陵面積廣闊，區(qū)域內(nèi)光、熱資源豐富，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式多樣，土地生產(chǎn)潛力大。近20年來，為了獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益，大量農(nóng)民外出務(wù)工和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換為高投入的菜地、果園和撂荒地，這種現(xiàn)象在山東省丘陵地區(qū)比較突出。有鑒于此，筆者選擇濰坊市臨朐縣五井鎮(zhèn)（36°24′N，118°29′E）為研究對象，對山東省丘陵地區(qū)的農(nóng)田、果園、菜地以及撂荒地的土壤養(yǎng)分狀況、雜草群落結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行初步研究，以期為該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)合理利用和保護(hù)提供一定理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1調(diào)查與取樣

臨朐縣五井鎮(zhèn)為典型丘陵山區(qū)，農(nóng)耕歷史悠久，耕作制度為一年兩熟，主要糧食作物為小麥、玉米和谷子，果園和菜地分布廣泛。氣候為溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季分明，雨熱同期，干濕季明顯，年平均降雨量700 mm左右，年平均氣溫12.4℃，年平均日照2 578.6 h，無霜期191 d。于2015年春季（4月份），選擇有代表性的農(nóng)用土地類型，在樣地內(nèi)均勻分布調(diào)查點。土地類型包括小麥地、谷子地、有10～20年種植史的桃園和菜地、撂荒地進(jìn)行調(diào)查取樣，每種土地利用方式調(diào)查15塊樣地。樣方采用5點取樣法，桃園取樣面積為1.5×1.5=2.25 m2，其它取樣面積均為1×1=1 m2，記錄樣方內(nèi)雜草種類以及各種雜草在樣地的田間密度。同時向土地經(jīng)營者調(diào)查耕作和除草方法（表1）。

1.2土壤養(yǎng)分測定

土壤有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；pH用電位法測定；總鹽（EC）用電導(dǎo)率儀測定[6]。土壤總有機(jī)碳（SOC）采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；全氮（TN）采用濃硫酸消煮-半微量凱氏法測定；全磷（TP）采用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測定[6]。

1.3雜草種群數(shù)量特征處理方法

雜草按Puricelli功能群分類方法分為單子葉短期生植物功能群（monocoly ledonous and annual & biennial，MA）、雙子葉短期生植物功能群（dicoty ledonous and annual & biennial，DA）、單子葉多年生植物功能群（monocoly ledonous perennial，MP）和雙子葉多年生植物功能群（dicoty ledonous and perennial，DP）4種功能類群。用Benger-Parker多度（Pi）、Shannon均勻度指數(shù)（J）和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）、Simpson優(yōu)勢集中度（C）、Sorensen群落相似系數(shù)（V）、物種豐富度（S）[7，8]表示雜草種群數(shù)量特征。計算公式為：

（1）Pi=ni/N ， ni為每個類群的個體數(shù)， N 為總個體數(shù)；

（2）H′=-∑Pi lnPi；

（3）J=（-∑Pi lnPi）/lnS，S為各樣地雜草群落中的物種數(shù)；

（4）C=∑Pi2。

1.4數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel和SPSS統(tǒng)計軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，均值進(jìn)行t檢驗和方差分析。運用SigmaPlot 12.0軟件繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同土地利用方式下土壤養(yǎng)分狀況

土壤有機(jī)質(zhì)（碳）含量的高低和土壤養(yǎng)分狀況的好壞直接相關(guān)，不同土地利用方式對丘陵地區(qū)土壤養(yǎng)分情況的影響存在顯著差異（表2）。桃園和菜地中SOC含量較高，其次為撂荒地和小麥地，谷子地最低。在低投入的谷子地中SOC/TN最高，其次是小麥地和撂荒地，而高投入的桃園和菜地最低，說明谷子地土壤更有利于SOC的積累。

菜地和桃園土壤中TN和TP含量較高，小麥地和撂荒地居中，谷子地最低。其中菜地TP含量超過1.0 g/kg，AP含量顯著高于其它土地利用方式，桃園次之，而其它土地利用方式下AP差異不顯著。菜地的電導(dǎo)率（EC）也顯著高于其它土壤。桃園、菜地等高投入土壤的pH值較高。

MA、DP分別只占有6.1%和12.1%；撂荒地雜草功能群相對多度，MA高達(dá)77.3%，占絕對優(yōu)勢，DA、DP和MP各占9.0%、7.7%和2.3%；桃園地雜草功能群以MP和MA為主，分別為39.0%和36.4%，DA和DP 只占到17.4%和10.2%；菜地雜草功能群以DA為主，占到60.5%，其次為MP 15.8%，DP和MA較少，分別只占到12.2%和9.8%；谷子地雜草功能群以MA和DP為主，分別為49.1%和40.0%，DA較低只占7.3%，MP最低，僅3.6%。

2.3不同土地利用方式下雜草多樣性

不同土地利用方式下雜草多樣性統(tǒng)計結(jié)果見圖2。撂荒地的物種豐富度（9.83）顯著高于其它地塊，桃園和谷子地次之，小麥地（3.83）和菜地（3.30）的物種豐富度低。多樣性指數(shù)H′表現(xiàn)為撂荒地1.74>谷子地1.73>桃園地1.37>小麥地1.26>菜地1.08，其中撂荒地和谷子地兩者間差異不顯著（P<0.05）。雜草的均勻度指數(shù)表現(xiàn)為小麥地和谷子地顯著高于其它地塊。同時雜草田間優(yōu)勢度除谷子地外均表現(xiàn)為農(nóng)田高于或顯著高于撂荒地，表現(xiàn)為菜地0.38>桃園地0.37>小麥地0.31>撂荒地0.25>谷子地0.20，其中菜地和桃園地差異并不顯著。

2.4不同土地利用方式下雜草群落的相似系數(shù)

由表3可以看出，小麥地-撂荒地與桃園-撂荒地的雜草群落相似系數(shù)顯著高于其它地塊之間的相似系數(shù)，分別為0.40和0.46，其中菜地-小麥地、谷子地-小麥地雜草群落相似系數(shù)低，分別為0.08和0.05。桃園-菜地和桃園-谷子地雜草群落相似系數(shù)差異并不顯著。

3討論

為追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，該區(qū)域農(nóng)民更熱衷于將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樘覉@和菜地。其中，桃園較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用地來說減少了耕作次數(shù)，降低了對土壤環(huán)境的人為擾動，總體上有利于SOC的積累，是該區(qū)域較為理想的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。菜地是以大量化肥及有機(jī)肥施入為前提，耕作及灌溉過于頻繁，雖然其土壤養(yǎng)分含量最高，但極易發(fā)生農(nóng)業(yè)非點源污染，所以應(yīng)改變菜地的水肥管理方式，如大力推廣秸稈還田、保護(hù)性耕作（少耕、免耕、秸稈覆蓋等）[11]，減少化肥的投入，適當(dāng)增施有機(jī)肥，并且灌溉次數(shù)應(yīng)維持在一年1～2次。

不同土地利用方式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)雜草群落的結(jié)構(gòu)組成和多樣性等是生態(tài)因子和人為干擾共同作用的結(jié)果。首先，雜草的萌發(fā)、生長、種群的構(gòu)建等均與除草措施、小氣候條件（光照、溫度、土壤肥力條件等）以及耕作制度相關(guān)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)近年來多采用化學(xué)除草劑除草，導(dǎo)致除草劑敏感型物種受到限制、田間優(yōu)勢種單一、雜草多樣性減少，同時增加了非敏感性雜草物種[6]，如豬殃殃、酸模等。土地耕作方式也影響到雜草的群落結(jié)構(gòu)[12]，在區(qū)域尺度上，相同地區(qū)大體上具有相同的雜草資源。一年生雜草群體主要來自于土壤種子庫，耕作活動容易打破土壤種子庫的種子休眠，促進(jìn)雜草種子萌發(fā)和幼苗生長，因此農(nóng)田中一年生雜草與土壤種子庫的關(guān)系更為密切[13，14]。谷子地的耕作時間是3月份，所以耕作活動很可能打破了土壤種子庫的種子休眠，促進(jìn)一年生雜草群體的萌發(fā)和幼苗生長；而小麥地耕作時間是去年的10月份，所以4月份調(diào)查雜草群落小麥地一年生雜草群落較少，小麥地和谷子地雜草相似度較低。其次，由于人為干擾，作物具有爭奪更多可利用環(huán)境資源的優(yōu)勢，但不同作物與雜草的競爭強度和所爭奪的資源存在差異，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：①作物的種植密度大能截獲大量的太陽輻射，灌層下弱光照使雜草光合作用受到影響，增加雜草的死亡率，降低雜草的競爭能力；②作物對土壤中氮、磷、鉀等土壤養(yǎng)分的利用優(yōu)勢，增加了作物優(yōu)勢度，減少了雜草的物種豐富度和物種多樣性[15，16]。撂荒地雜草間自由競爭，一些生長力強、傳播廣、抗逆性強的雜草如狗尾草、旋復(fù)花能占據(jù)大量資源，成為撂荒地的優(yōu)勢種群，同時直接或間接地影響撂荒地中其它雜草種類的生存和分布。

4結(jié)論

4.1從該地區(qū)的土壤理化性質(zhì)狀況來看，其土壤養(yǎng)分情況總體處于中等偏低水平，只有菜地和桃園中土壤TP和AP含量較為合理。這與劉世梁在臥龍濕潤高山地區(qū)林地土壤養(yǎng)分含量的研究結(jié)果一致[9]。肥料的投入量對土壤的化學(xué)性質(zhì)影響較大，菜地和果園中施氮磷肥較多，小麥地施入較少；谷子地施肥水平最低。這與張心昱在北京市延懷盆地研究的施肥水平與土壤中的TN、TP和AP含量水平相一致[10]。在研究區(qū)域內(nèi)的所有農(nóng)田中，化肥的施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出有機(jī)肥投入量，菜地和桃園施肥量過高，這在一定程度上帶來資源浪費和環(huán)境污染。

4.2不同土地利用方式下丘陵雜草群落結(jié)構(gòu)中種群的組成差異較大，小麥地和谷子地雜草種群與種植作物和耕作制度有關(guān)，撂荒地和桃園地雜草組成與土地利用方式改變的時間長短關(guān)系密切。不同土地利用方式下物種的相對多度分布格局不同，優(yōu)勢種差別較大，多度分布不均勻；撂荒地常見雜草種類和偶見雜草種類多、相對分布均勻，這在一定程度上說明其植物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高。

4.3不同土地利用方式影響植物功能群的豐富度和每個功能區(qū)多度分布格局，桃園和谷子地人為活動均小于小麥地和菜地，4個功能群分布格局比較均衡。小麥地和菜地雜草功能群多樣性偏低，而且小麥地單一雜草功能群麥瓶草占絕對優(yōu)勢，菜地?zé)o占絕對優(yōu)勢的雜草功能群。受人為干擾最小的撂荒地雜草功能群分布也不均勻，其中狗尾草和早熟禾兩個功能群具有優(yōu)勢。撂荒地雜草多樣性指數(shù)保持最高，且均勻度指數(shù)也最高，優(yōu)勢集中度低；在4月份小麥地由于人為干擾較為嚴(yán)重所以田間雜草種群多樣較低，雜草種群優(yōu)勢集中度較高；而4月份尚處于谷子幼苗期，所以人為干擾強度降低，田間多樣性都表現(xiàn)為增加。桃園雜草生長環(huán)境單一，春季多樣性稍高于小麥，略低于谷子地，多樣性沒有顯著的變化。菜地生長環(huán)境也較為單一，春季和秋季多樣性均低于其它地塊，沒有顯著的季節(jié)變化。

各地塊的水肥條件、季節(jié)差異、輪作制度各種生態(tài)因子和人為因素都同樣影響到雜草的群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性，特別是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中各個因子如何相互作用、共同影響農(nóng)田雜草的群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究。

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