桂浩然，王建，董雄德，陈丽，黄雅祺，陈志杰，韩士杰*

（1.河南省全球变化生态学国际联合实验室，河南大学生命科学学院，河南 开封 475004；2.河南省桃花峪黄河滩涂系统野外科学观测研究站，河南 荥阳 450100）

田间杂草是农业生产中不可忽视的问题。据报道，我国有杂草1 400余种，其中严重危害农业生产的有130余种，在田间杂草防治年投入费用高达235亿元的情况下，作物产量仍因杂草而减少5 000万t。田间杂草作为农田生态系统的重要组成部分，在防治的同时也需兼顾农田生态系统生物多样性的维持，应充分利用杂草，起到平衡土壤碳氮等养分循环的作用。

在20 世纪70 年代之前，大部分学者的关注点都放在化学除草剂施用上，自1970 年后，我国化学除草剂施用量大幅提升，近年来化学除草剂施用面积已逾60%，随着农药的大量使用以及农药中汞、铜等重金属的难降解问题，一系列生态环境危害风险逐步凸显，甚至在南北极都发生了农药残留事件。农药残留会导致土壤退化，进一步导致农田生态系统生物多样性的锐减。农田生物多样性对维持农田生态系统服务功能和农业可持续发展具有重要作用，甚至有整合分析提出农业生态系统物种多样性及其组成和生产力同等重要。如何权衡农业生态系统物种多样性和其产量一直是农业生产过程中的难题之一，这促使国内外学者的关注点开始转移至生物、生态及其他非化学除草的杂草治理方面。例如，利用冬季深耕翻暴露多年生杂草繁殖体，减少来年杂草发生密度；利用杂草种子在淹水条件下不易萌发特性，进行水层管理来控制杂草发生密度；控制播种密度及杂草上方作物高度，能影响杂草生物量进而影响作物产量。诸如此类的非化学除草防治手段能够在尽可能减少污染防治的同时改变农田生态系统植被群落结构，且不同的防治手段对杂草群落的影响不尽相同。如深耕会消减依靠繁殖体发生的杂草种类；水层管理可改变杂草萌发率，抑制不耐水淹种子的萌发；调整种植密度会影响光合利用效率较差的杂草种类的生长状况。因此，迫切需要思考每一种非化学除草防治手段下杂草群落的特异性变化及植被区系的分化，从而为杂草治理提供有针对性的、明确可行的方法指导。

秸秆还田作为一种传统的非化学除草防治手段，因秸秆类型多样、还田方式多变而对农田杂草群落多样性有着复杂的影响。同时，农作物秸秆也是我国乃至世界上数量最多的一种农业生产副产品，我国每年农作物秸秆资源量约占世界总量的30%，如何发挥秸秆平衡杂草多样性作用和改善田间养分价值是亟需思考的新课题。近年来一些研究发现，秸秆还田可有效补充和平衡土壤养分（碳、氮等）、改良土壤，合理的秸秆管理措施甚至能控制田间杂草的发生和密度，对于优化农田生态环境、促进农作物增产具有重要意义，被认为是高产田建设的基本措施之一。黄爱军等的研究发现太湖稻-油复种系统中，增加秸秆还田量能够显著提高油菜田春季杂草的总密度，而杂草生物量受秸秆还田时期的影响显著。韩惠芳等发现在全量秸秆还田下，不同耕作类型玉米地中杂草总密度显著高于无秸秆还田的对照地。付佑胜等的研究发现，随着秸秆覆盖量的减少，杂草（丁香蓼，）的发生比例明显增加。上述研究大多都集中于对作物生长季杂草治理的探索，但随着耕地轮作冬闲制度的不断推广，对农田冬闲期土壤养分续存及杂草群落区系的研究将越来越重要。此外，冬闲期因与作物生长季存在时间尺度上的划分，其间杂草群落具有在不影响来年杂草群落的发生和危害的基础上，良性地控制农田生态系统生物多样性的潜力，因此，对冬闲期农田生态系统多样性的探索和控制显得尤为必要。

目前关于田间杂草的控制实验大多都是考虑单一作物种植类型，少有对不同作物种植背景下对杂草群落的比较。NAGY 等在调查了299种不同类型的农田后，量化了作物类型、土壤养分参数、海拔等22个解释变量，通过冗余分析（Redundancy analysis，RDA）得出，作物类型对农田杂草群落的影响最为显著，虽然未涉及到冬闲期，但对于了解不同作物背景下的农田生态系统杂草群落区系的发展潜力依然意义重大。黄淮海平原作为我国主要的粮食生产基地，其农田生态系统规模庞大，作物类型多元复杂，作物播种面积占全国23.2%的水平，粮食产量更是达到全国总产量的28.9%。因此，开展黄淮海平原主要农作物（大豆、玉米、花生）秸秆还田对冬闲期田间杂草群落及来年作物长势的影响研究，对于深入理解冬闲期杂草发生模式具有重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

研究地点位于开封市水稻乡农场（34°49'13″N，114°18'18″E）。土壤质地为沙壤土，年均温14.52 ℃，年均降水量627.5 mm，雨热同期，是典型的暖温带大陆性季风气候。黄淮海平原是我国的第二大平原，是我国粮食的主产区之一，主要农作物有小麦（）、玉米（）、花生（）、大豆（）、水稻（）等。其中开封地区主要种植冬小麦、玉米、花生和大豆，其主要耕作方式为玉米、花生和大豆分别与冬小麦轮作，但也存在不与冬小麦轮作的情况，即仅在生长季种植，随后进入冬闲的方式。

1.2 实验设计

于2018 年进行了样地布置，实验设置了玉米、花生和大豆3种作物，每个作物设置3个处理：双倍秸秆还田（DS）、全量秸秆还田（FS）以及秸秆去除（SR），其中玉米全秸秆量为5 280 kg·hm，花生全秸秆量为1 800 kg·hm，大豆全秸秆量为 2 850 kg·hm。每个处理设置3个重复，共设置27个样方，随机区组分布，每个样方大小为10 m×10 m，隔离带宽大于0.5 m，具体样地示意图如图1 所示。在2020 年4 月28 日进行3 种作物的种植，期间正常管理，正常施肥、除草、除虫。于2020 年10 月依次进行收获。收获后，在秸秆去除处理组的样方内，将所有秸秆收回；在全量秸秆还田处理的样方内，将秸秆就地粉碎成1~5 cm 长段后覆盖于土表，此时土壤不进行翻耕。在双倍秸秆还田处理组的样方内，覆盖两倍于全量秸秆还田处理的粉碎后秸秆。来年播种前对土壤进行翻耕。

图1 田间样地示意图Figure 1 Schematic diagram of field plot

1.3 杂草物种调查、土壤含水率测定

2021年4月作物播种前对冬闲田杂草进行调查。首先进行初步调查，在保证调查样方能涵盖整个样方内所有物种的前提下，确定样方调查小面积为1 m×1 m，并用波兰TDR/MUX/mpts 水分测定仪对样方内土壤体积含水量进行测定。于9 月作物生长季后期用同样的标准进行生长季杂草调查。

1.4 土壤取样及处理

2021 年4 月对各处理样方表层土壤（0~5 cm）进行取样，采用随机取样法对每个处理样方取5 钻土，混合为一个全土土样。土样带回实验室即用2 mm筛去除石砾、根系、枯落物，完全风干后研磨过0.15 mm筛，利用半常量元素分析仪（vario EL Ⅲ，Elementar，Germany）测定土壤总碳和总氮含量。

1.5 数据处理

利用 Shannon 多样性指数（'）、Shannon 均匀度指数（）、Margalef 物种丰富度指数（）3 个指标来计算杂草生物多样性，其中'能够对田间杂草物种丰富度以及物种均匀度进行综合量度，能够衡量田间杂草群落数量分布的均匀程度，能够衡量特定杂草群落中杂草种类的丰富度。其计算公式为：

式中：为各调查样方中1 m×1 m 调查面积内所有杂草的总数，为各调查样方中1 m×1 m 调查面积内某种杂草的数量，为各调查样方中1 m×1 m 调查面积内杂草种类数量。

使用RGui 4.1.1 对不同秸秆还田处理及不同作物种类下的土壤总碳、总氮、碳氮比、'、、、含水量进行双因素方差分析。用RGui 中的vegan 包对玉米和大豆秸秆处理下的杂草群落进行基于Bray-Cur⁃tis 距离的非度量多维尺度分析（Non-metric multidi⁃mensional scaling，NMDS）。通过 RGui 以作物种类分组对包括秸秆处理在内的所有解释变量进行主成分分析（Principal component analysis，PCA）。使用RGui中ggplot2进行图形可视化。

2 结果与分析

2.1 田间杂草物种组成及主要杂草种类

2.1.1 冬闲期主要杂草物种组成及主要杂草种类

冬闲期出现的杂草共有16 种，分属12 科16 属（表1）。其中，菊科4 属4 种，占总种数和总属数的25.00%，为发生种类最大的科；其次为十字花科2属2种，占总种数和总属数的12.50%。玄参科、藜科、禾本科、石竹科、莎草科、柳叶菜科、蝶形花科、酢浆草科、牻牛儿苗科、大麻科各1属1种，分别占总属数和总种数的6.25%。其中，一年生杂草有6种，多年生杂草有7种，多生活史杂草有3种，分别占总种数的37.50%、43.75%和18.75%，外来杂草有9种，占总种数的56.25%。

表1 冬闲期田间主要杂草种类Table 1 Main weed species in winter fallow field

2.1.2 生长季主要杂草物种组成及主要杂草种类

在作物生长季，实验样地内的主要杂草为12 种，分属 8 科12 属（表 2）。其中，禾本科 3 属 3 种，菊科 3属3 种，共占总种数和总属数的50.00%，为发生种类最大的两科。大戟科、莎草科、藜科、马齿苋科、旋花科、苋科各1 属1 种，分别占总属数和总种数的8.33%。其中，一年生杂草有10 种，占总种数的83.33%，多生活史杂草有2种，占总种数16.67%，无多年生杂草，外来杂草有5种，占总种数的41.67%。

表2 来年生长季主要田间杂草种类Table 2 Main weed species in subsequently growing season

2.1.3 冬闲期和生长季杂草群落相似性比较

对比冬闲期和作物生长季杂草群落发现，两时期共同出现的杂草仅有5 种，分别是禾本科的狗尾草，莎草科的香附子，菊科的苦荬菜、鬼针草以及藜科的灰绿藜（表1、表2）。且通过非度量多维尺度分析（图2）得知，冬闲期杂草群落与生长季杂草群落之间的的相似性较低，即冬闲期杂草群落对来年生长季杂草群落的影响较小。

图2 基于Bray-Curtis距离的非度量多维尺度分析冬闲期与作物生长季的田间杂草区系Figure 2 The Non-metric multidimensional scaling（NMDS）based on Bray-Curtis distance of weed flora in winter fallow period and growing season

2.2 不同秸秆覆盖处理下3种农作物田间杂草发生差异

3 种不同作物类型的田间杂草多样性在SR 处理下的差异并不显著，但其差异随着秸秆还田处理的变化而出现显著分化（表3）。而在DS 处理下，3 种农作物田间杂草的多样性差异显著，其Shannon 多样性指数表现为大豆>花生>玉米，Shannon 均匀度指数表现为大豆>玉米（<0.01）、大豆>花生（<0.01），Margalef物种丰富度指数表现为大豆>玉米（<0.01）、花生>玉米（<0.01）。同种作物在不同秸秆还田处理下，其田间杂草发生情况的差异也随作物种类的不同而有所不同（表3）。在玉米地中，随着秸秆还田处理的变化，其田间杂草的发生情况表现为：SR 和FS 的杂草区系Shannon多样性指数要显著大于DS（<0.01），DS处理下田间杂草的Shannon均匀度指数显著小于SR，DS 下杂草的Margalef 物种丰富度指数显著低于FS 和SR（<0.01）；相反，在大豆地中，FS 和DS 处理下的田间杂草Shannon多样性指数显著大于SR（<0.01），DS下田间杂草的Shannon 均匀度指数显著高于FS 和SR两种处理（<0.01）；而在花生地中，不同秸秆还田处理下田间杂草的3种多样性指数都不显著。

表3 不同秸秆覆盖处理下3种农作物田间杂草的Shannon多样性指数、Shannon均匀度指数及Margalef物种丰富度指数Table 3 The Shannon's diversity index，Shannon's evenness index and Margalef's richness index of weeds in three different crop fields under different straw treatments

由Bray-Curtis 距离得知，3 种不同作物类型的样地在SR 处理下的杂草群落相似度较高。除此之外，花生样地在3 种不同秸秆还田处理下的杂草群落相似度均较高，而玉米和大豆在不同秸秆还田处理下的差异明显，并且这种差异随着秸秆还田梯度逐渐扩大（表4）。以两种秸秆还田处理下（包括FS和DS两种处理）的3种不同作物类型为6个分类单元，以各样地的物种种类为依据进行非度量多维尺度分析（NMDS），结果表明，玉米地和大豆地在秸秆还田处理下的杂草群落分化最为明显（图3）。

表4 9种不同处理下样地间的Bray-Curtis距离Table 4 The Bray-Curtis distance of nine kinds of plots under different treatments

图3 基于Bray-Curtis距离的非度量多维尺度分析3种作物在两种秸秆还田处理下的田间杂草区系Figure 3 The Non-metric Multidimensional Scaling（NMDS）based on Bray-Curtis distance of weed flora in fields of three different crops under two straw returning treatments

2.3 不同秸秆覆盖处理下3种农作物田地土壤理化性质的差异

研究结果表明，不同作物类型田地的土壤理化性质对秸秆还田处理的响应各有不同。其中玉米地和大豆地对秸秆还田处理的响应较为敏感，而花生地对秸秆还田处理的响应不敏感。在SR 处理下，3 种不同作物样地间的各指标差异都不显著，仅总碳含量表现为大豆地显著高于花生地（<0.01）（表5）。

同种作物类型在不同秸秆处理下的土壤总氮含量具体表现为：大豆地中DS>FS（<0.01）、DS>SR（<0.01），而在玉米和花生地中，其土壤总氮含量在不同秸秆还田处理下的差异并不显著。在FS处理下，3种作物田地土壤总氮含量无显著差异。然而，在DS 处理下，不同作物田地土壤总氮含量开始出现分化，表现为大豆>玉米>花生（<0.01）（表5）。

表5 不同秸秆覆盖处理下3种农作物田地土壤理化性质Table 5 The soil physical and chemical properties of weeds in three different crop fields under different straw treatments

同种作物类型在不同秸秆处理下的土壤总碳含量具体表现为：大豆地中DS>SR（<0.05），而在玉米地中表现为DS>FS>SR（<0.01），花生地土壤总碳含量在不同秸秆还田处理下均不显著。在FS 处理下，玉米和大豆地的土壤总碳含量均显著高于花生地（<0.01）。在 DS 处理下，3 种作物类型田地土壤总碳含量的差异则表现为玉米>大豆>花生（<0.01）（表5）。

不同处理间的土壤碳氮比表现为：大豆地中DS

玉米和大豆的土壤含水量对不同秸秆还田处理的响应显著，而花生地的土壤含水量则对秸秆还田处理并不敏感。其土壤含水量具体表现为：大豆地中DS>FS、DS>SR（<0.01），玉米地中FS>SR、DS>SR（<0.01），而3种秸秆还田处理下的花生地土壤含水量间的差异并不显著。不同作物样地的土壤含水量在FS处理下出现分化，表现为玉米>大豆（<0.01）、玉米>花生（<0.01）、大豆>花生（<0.05），在DS 处理下为玉米>花生（<0.01）、大豆>花生（<0.01）（表5）。

3 讨论

3.1 不同秸秆还田处理对3种作物冬闲期田间杂草群落的直接影响

玉米和大豆样地在秸秆还田后出现了杂草区系的分化，主要表现为秸秆添加会增加大豆样地中杂草群落多样性，而玉米样地杂草群落多样性会随着秸秆还田梯度的增加而降低。NMDS的结果显示，玉米和大豆样地中杂草区系的相似度也随着秸秆还田梯度增加而降低。玉米秸秆还田处理下杂草多样性降低可能是由于本实验秸秆还田属于秸秆覆盖还田，在一定程度上会抑制杂草种子萌发及风传种的定植，相比于大豆和花生，玉米秸秆量较大，特别是在双倍秸秆添加处理下，其田间杂草多样性显著降低。王国忠等也认为秸秆还田对田间杂草的影响具有一定的不确定性，这种不确定性在一定程度上是由秸秆还田方式、秸秆种类以及秸秆量导致的。而大豆秸秆还田后所引起的杂草多样性提升可能是由于外源还田秸秆本身的高氮含量有利于杂草种子的萌发，同时提高其萌发温度生态位宽度，其次，适量的大豆秸秆还田还能够减少土壤水分蒸发，提高土壤湿度，从而利于杂草的发生和生长，这与本研究结果中大豆地在双倍秸秆还田处理下相比秸秆移除显著提升了土壤含水量是一致的。

3.2 不同秸秆处理通过改变土壤碳氮而对冬闲期杂草群落产生的间接影响

研究发现大豆秸秆还田会显著提升土壤总氮含量，在2 年的实验处理期内，玉米秸秆还田会显著提升土壤总碳含量，从而导致随着秸秆还田梯度增加，大豆地土壤碳氮比会随秸秆添加梯度增加而下降，而玉米地土壤碳氮比会随秸秆还田梯度增加而升高。这可能是不同作物本身秸秆化学计量比不同导致的。秸秆还田后，随着秸秆的淋溶和分解，土壤有机碳含量增加，在处理期间提高了土壤总碳的含量，主成分分析也表明秸秆还田梯度与土壤总碳有明显的正相关关系。因此，探究在外源碳添加条件下土壤碳氮比的变化，本质是评价其土壤有机碳矿化积累量和碳固存的平衡。不同空间尺度上的研究都发现秸秆添加处理下，秸秆碳氮比与有机碳矿化积累量呈负相关，张继旭等通过不同秸秆添加的室内实验比较得出玉米秸秆的土壤碳矿化积累量最高。以往研究发现大豆秸秆碳氮比约为75，而玉米秸秆碳氮比高达107，这就导致还田的高碳氮比玉米秸秆与原位土壤耦合形成的碳库的有机碳矿化速率要低于难分解有机碳固存的速率，造成还田后土壤碳素积累、土壤碳氮比升高的情况，反之碳氮比相对较低的大豆秸秆在输入土壤后会提高其土壤碳矿化速率，并且同时向土壤中输入氮素，进而降低土壤碳氮比。

主成分分析结果表明，用于评价杂草多样性的3种指数均与土壤碳氮比呈明显的负相关关系（图4）。玉米秸秆量大且碳氮比高，导致还田后田间土壤碳氮比显著高于其他两种作物样地。过高的碳氮比不适宜土壤微生物生存，且氮素的缺乏也难以供给多样性过高的农田杂草区系，从而促使随秸秆还田量的增加，杂草区系多样性下降。大豆作为固氮植物，其秸秆在还田分解后使得土壤的氮含量上升，从而为杂草生长和发生提供了良好的养分，且其低碳氮比的秸秆也显著降低了土壤的碳氮比，在双倍秸秆还田处理下，土壤碳氮比下调至27，接近土壤微生物最适宜进行分解活动的碳氮比。合理的土壤碳氮比可为微生物提供充足的底物，使其新陈代谢更加旺盛，分解土壤中有机物的速率更快，其释放的矿质养分就更容易被杂草所吸收利用。而花生秸秆虽然也有较低的碳氮比，但是其氮素主要积累于生物量集中的地下部分，因此其秸秆还田量较低，可延续的养分有限，导致其间杂草群落多样性变化并不明显。

图4 不同类型农作物样地主成分分析（PCA）Figure 4 The principal component analysis（PCA）of plots for different types of crop

生长季时期杂草多样性主要受施肥的影响而形成以禾本科（如马唐）为优势种的杂草群落，两时期共同出现的杂草仅有5 种，分别是禾本科的狗尾草，莎草科的香附子，菊科的苦荬菜、鬼针草以及藜科的灰绿藜，这表明冬闲期的杂草与作物生长季的杂草并没有明显的相关关系。因此，适当的秸秆添加能够在不影响来年作物生长季杂草危害的情况下提高农田生态系统生物多样性。冬闲期杂草多样性的提高在一定程度上也可促进土壤碳氮循环，改善农田土壤。通过合理的农业管理措施可促进农田生态系统多样性和土壤养分的良性循环。

4 结论

（1）不同作物秸秆还田对冬闲期田间杂草发生的影响不同。大豆地田间杂草多样性在秸秆还田处理下显著增加，而玉米地田间杂草多样性在秸秆还田处理下会显著降低，且二者田间杂草区系的差异随着秸秆添加量增加而扩大，花生地田间杂草多样性对秸秆还田处理的响应则并不显著。

（2）由于不同秸秆自身碳氮比不同，不同秸秆还田处理下土壤碳氮的变化也不同。大豆秸秆还田会显著提升土壤总氮含量，而玉米秸秆还田则会显著提升土壤总碳含量，随着秸秆还田量的增加，大豆地土壤碳氮比下降，而玉米地土壤碳氮比升高，花生地土壤碳氮比在秸秆还田处理下变化不显著。此外，秸秆还田后的土壤碳氮比与田间杂草群落多样性显著负相关。

（3）冬闲期杂草群落多样性与来年生长季杂草群落差异较大，因此冬闲期杂草群落多样性变化并不会影响来年生长季杂草的发生。因而，基于本实验研究结果，在冬闲期针对不同秸秆特性进行还田，可以在一定程度上控制田间杂草群落的组成，提高农田生态系统多样性，进而改善土壤碳氮养分，为来年作物种植提供良好的土壤基础。