杂草是农田生态系统的生物组分，维持适当数量的杂草对保护农田生物多样性发挥着重要作用^{[1, 2]}，但杂草往往与作物竞争水、肥、光等自然资源，影响作物生长与产量^[3]。目前肥料和除草剂是农田生态系统主要的投入品^[4]，施肥改变土壤养分含量及其结构，直接提高作物的产量及竞争优势，从而改变农田中杂草群落的演替过程^[5]。太湖地区是我国典型的稻麦两熟制高产区域，20世纪50年代，化学肥料开始逐渐取代有机肥，土壤养分和杂草群落也随之发生了变化。研究表明，土壤养分含量显著影响农田杂草的密度、多样性指数以及群落结构^{[6, 7, 8]}。朱文达等^[9]发现莎草科和马齿苋科杂草在缺磷的处理中没有出现，而在补充磷钾处理中却是优势种群，不同杂草种群对养分的需求和响应是不同的，而这种差异及其产生的竞争力差异将直接导致杂草群落结构发生变化。Major和Everaarts研究都表明，有机肥的施入能降低杂草密度，同时增加杂草群落多样性指数^{[10, 11]}。这些结论为不同肥料管理条件下农田杂草群落的研究提供了基础，但这些研究大多基于旱地进行，而在我国典型的稻麦两熟制农田中杂草群落对不同有机、无机肥料的响应缺乏直接研究，因此，本研究立足于太湖地区31a的长期定位施肥试验，探讨长期不同施肥处理下麦田杂草群落的异质性及其养分影响因素，为农田杂草的生态治理、农田杂草多样性的保护提供依据。

长期定位试验田位于江苏太湖地区苏州市农业科学院 (31°27′45″N；120°25′57″E)。该地区属于北亚热带季风气候，年日照时数3 039 h，降雨量1 128 mm，平均温度15.7 ℃，有效积温(>10 ℃)4 947 ℃。供试土壤为黄土沉积物发育而来的微酸性重壤质黄泥土。试验始于1980年，试验地土壤背景值为：pH值 6.8，容重1.26 g/cm³，0—15 cm耕层土壤的基本理化指标如下：有机质24.2 g/kg，全氮1.43 g/kg，全磷428.0 mg/kg，速效磷8.4 mg/kg，速效钾127.0 mg/kg，缓效钾 237.0 mg/kg。

试验为裂区设计，主区有两个处理，即(1)只施化肥区(C),(2)有机肥(菜籽饼)加化肥区(M)。副区有6个处理：不施肥(0)、单施氮肥(N)、氮肥加磷肥(NP)、氮肥加钾肥(NK)、磷肥加钾肥(PK)、氮磷钾3种肥料全施(NPK)，3重复顺序排列。小区面积为20 m²(4 m×5 m)，区间用花岗岩板材与水泥作永久性田埂分隔，中间有灌渠通各小区。供试作物除1993年夏熟作物为油菜、2000年为蚕豆以外，其余均为稻麦复种连作。除1982年为三熟制外，其余均为二熟制。N处理施氮肥(尿素)150—300 kg · hm^-2 · a^-1(以纯氮计)，约50％作基肥，20％作蘖肥，30％作穗肥；P处理施肥(过磷酸钙)55.8 kg · hm^-2 · a^-1，全部作基肥；K处理施钾肥(氯化钾)137.5 kg · hm^-2 · a^-1，50％作基肥，50％作穗肥。有机肥：菜饼1 250 kg · hm^-2 · a^-1，全部作基肥。稻季麦季均为化学除草，12个处理中除草剂使用一致，稻季在水稻移栽后3—5 d施药，使用苄 · 丁 · 异丙隆750—900 g/hm²，30%苄嘧 · 丙草胺可湿粉剂1.5—1.8 L/hm²；麦季在小麦播种后30—40 d施药，使用1.5—1.875 L/hm²。

杂草调查选择在2011—2012年小麦苗期(2011年11月29日)、拔节期(2012年3月10日)及成熟期(2012年5月29日)，用0.3 m×0.3 m铁框在每个小区内随机套取5点，收集所有田面杂草，并带回实验室分离并鉴定。杂草鉴定主要参考《中国农田杂草彩色图谱》^[12]，并通过中国杂草信息系统中的内容描述进行比对。

每年小麦收获后用土钻(直径3.30 cm)在每个小区按对角线布点法取0—15 cm土壤样品5个，按将不同小区中所取土壤按处理编号混匀带回实验室测定。土壤全氮用开氏法消煮测定，全磷用H₂SO₄-HC1O₄消煮钼锑抗比色法测定，碱解氮用碱解扩散法测定，有效磷用碳酸氢钠法测定，有效钾用乙酸铵提取法测定，有机质用重铬酸钾容量法测定^[13]。

依据取样调查密度换算成大田实际密度。杂草的物种多样性采用指数测定。

物种多样性Shannon指数

式中,S为物种数，是单个处理中所包含的所有杂草类数；P_i为第i种物种的比例多度，P_i= n_i/N ，n_i为第i个物种的个体数，N为样方中所有物种总个体数。

群落优势度Simpson指数

群落均匀度Pielou指数 J= H′ /lnS

丰富度指数Margalef指数 R= (S-1) /lnN

数据基本处理与统计分析采用Excel 2003和SPSS 16.0；对土壤养分数据和杂草密度数据进行的冗余分析采用Canoco4.5；绘图采用Origin8.5。

测定结果表明(表 1)，农田土壤养分含量差异显著，且两年趋势一致。以2012年为例，所有处理土壤全氮含量均比初始土壤值有所增加，增幅在7.69%—46.8%，以MNPK处理全氮含量最高，且施用有机肥处理增加的幅度比仅无机肥处理高；不施磷的CN、CNK处理，土壤总磷含量与初始土壤持平，各施磷处理土壤总磷、Olsen-P含量都有明显提高，含量最高的MPK处理，较初始土壤全P和Olsen-P分别提高了248.83%和659.52%，说明施用磷肥能导致土壤磷的积累；各个处理有效钾含量与初始值比都有不同程度的降低，以CPK处理为最高，CNK次之；施肥也导致土壤有机质含量的增加，并以NPK处理最高。

同列不同字母表示不同处理间的显著差异(P<0.05)C0(不施肥)、CN(单施氮肥)、CNP(氮磷肥配施)、CNK(氮钾肥配施)、CPK(磷钾肥配施)、CNPK(氮磷钾肥配施)；M0(单施有机肥)、MN(有机肥配施氮肥)、MNP(有机肥配施氮磷肥)、MNK(有机肥配施氮钾肥)、MPK(有机肥配施磷钾肥)、MNPK(有机肥配施氮磷钾肥)

试验结果表明各时期处理间的杂草密度差异显著(图 1)，苗期杂草密度最大的C0处理比密度最小的CNPK高293.99%，拔节期杂草密度最大的C0处理比密度最小的MNPK处理高1070.07%。随着小麦生育期，农田杂草密度也有变化，各个处理拔节期的杂草平均密度最高，比最低的成熟期高出140.76%，这与小麦生育阶段对杂草竞争优势的变化有关。在小麦各个时期均以C0(不施肥)、CPK(磷钾肥配施)、M0(单施有机肥)、MPK(有机肥配施氮磷肥)这4个不施氮肥处理的杂草密度为最高。在小麦苗期MN(有机肥配施氮肥)、MNP(有机肥配施氮磷肥)、MNK(有机肥配施氮钾肥)、MNPK(有机肥配施氮磷钾肥)这4个有机肥处理的杂草密度多于CN(单施氮肥)、CNP(氮磷肥配施)、CNK(氮钾肥配施)、CNPK(氮磷钾肥配施)4个化肥处理，而拔节期和成熟期则低于这些化肥处理，尤其是在小麦成熟期MN(有机肥配施氮肥)、MNP(有机肥配施氮磷肥)、MNK(有机肥配施氮钾肥)、MNPK(有机肥配施氮磷钾肥)这4个有机肥处理中基本没有杂草，这主要是苗期小麦竞争优势弱，施有机肥的处理土壤养分含量高，杂草生长旺盛，而到小麦拔节后至成熟这个阶段，施入有机肥的小麦长势好，竞争优势明显，导致有机肥区杂草密度下降。可见，施入氮肥和有机肥能有效减少杂草的密度。

图 1 长期施肥处理下小麦苗期、拔节期、成熟期杂草的密度 Fig. 1 Weed density under long-term different fertilization treatments at wheat seeding,jointing and ripening stage 注解

图选项

调查结果显示(表 2—表 4)，在小麦不同生育阶段，杂草的种类组成及优势种均有一定的变化。小麦苗期共调查到杂草16种，隶属于8科，其中小飞蓬、看麦娘、大巢菜、稻槎菜分别占19.32%、16.13%、15.68%、13.65%，是小麦苗期的主要优势杂草种群；小麦拔节期共调查到杂草11种，隶属于7科，其中大巢菜、看麦娘、稻槎菜、通泉草分别占33.53%、14.97%、13.33%、12.28%，是本时期的主要优势杂草种群；小麦成熟期共调查到杂草11种，隶属于9科，其中通泉草、菵草、大巢菜、小飞蓬分别占25.48%、17.04%、15.52%、15.04%，是小麦成熟期的主要优势杂草种群。因此小飞蓬、看麦娘、大巢菜、稻槎菜、通泉草、菵草是本地区小麦生长期的主要杂草类型。小麦拔节期比苗期减少的主要是冬季冻死的泥花草、石龙尾、耳叶水苋、水苋菜和节节菜等残留的稻田杂草，是拔节期杂草种类减少的主要原因；小麦成熟期相比拔节期，减少的杂草类型有：鼠麹草、泥胡菜、山苦荬、牛繁缕和附地菜，增加的杂草类型有：野胡萝卜、菵草、萤蔺和半边莲，这主要是成熟期小麦的竞争优势明显，麦季杂草也成熟死亡，同时一些稻季杂草开始生长，这和杂草在长期与稻麦竞争过程中所形成的生长机制有关。

长期不同施肥处理下杂草群落多样性差异显著(表 5—表 7)，各多样性指数在不同时期变化趋势一致，总体来说，施入有机肥使多样性指数下降，尤其是杂草的物种数和Margalef指数。在小麦苗期，CNPK处理的Shannon指数和Simpson指数最高，除了M0处理，施入有机肥的各个处理显著低于各个化肥处理；Pielou指数在各个不同施肥处理间差异不显著。在小麦拔节期的Shannon指数和Simpson指数，CNPK处理的也是最高，MPK则是最低，显著低于其余各个处理，CPK、CNP和MNP这3个处理也处于较低水平，其余各个处理差异不显著；Pielou指数MPK最低，其余各个有机肥处理都处于较高水平。在小麦成熟期，4个有机肥处理中没有出现杂草，Shannon指数、Simpson指数以及Margalef指数C0处理最高，CNP处理最低，Pielou指数则是CPK和M0处理显著低于其余各个处理。可见，施入有机肥降低了麦季杂草的群落多样性指数，在小麦生长的不同时期C0处理以及均衡施肥的CNPK处理群落多样性指数能维持在一个较高的水平。

采用冗余分析(RDA)对所调查的12个不同处理的杂草分布和土壤环境养分指标进行空间分析，箭头表示土壤环境因子，12个实心正方形代表不同施肥处理，空心三角形代表不同类型的杂草。RDA排序图(图 2)从整体上反映了不同时期麦田杂草分布与土壤养分因子间的关系，同时也反映出不同杂草种类对生态环境要求的相似程度。

图 2 小麦苗期、拔节期、成熟杂草分布与环境因子的RDA二维序列图 Fig. 2 A two-dimensional graph of RDA ordination for weed and environment factor at wheat seeding,jointing and ripening stage

图选项

在小麦苗期，第一、第二排序轴特征值分别为0.409、0.214，土壤全N、碱解N、有机质与第一排序轴相关系数分别为-0.868、-0.869、-0.839；而第二排序轴与各养分因子相关性不大；小麦拔节期，第一、第二排序轴特征值分别为0.496、0.166，土壤全N、碱解N、有机质与第一排序轴相关系数分别为-0.876、-0.914、-0.841；而第二排序轴与各养分因子相关性不大；小麦成熟期，第一、第二排序轴特征值分别为0.500、0.103，土壤全N、碱解N、有机质与第一排序轴相关系数分别为-0.702、-0.765、-0.679；第二排序轴与各养分因子相关性也不大；综之，在小麦生长期间，影响麦田中杂草分布的土壤养分因子主要为氮和有机质。

3幅排序图中处理分布趋势一致，C0处理相对独立，与其余各个处理之间距离相对较远，CNP、CNPK和MNP、MNPK两对处理之间的距离最近，各个排序图中大部分杂草处于土壤肥力因子箭头的反方向，与土壤肥力因子呈负相关关系，耐贫瘠。土壤含氮量和有机质含量对杂草分布影响较大。

长期肥料施用能提高土壤中相应营养元素的含量，作物的生长通常能抑制绝大部分杂草的发生，通过增加作物竞争优势和培育农田生境来综合治理杂草的方法越来越受到关注，施肥是最有效直接的措施，肥料在增加作物产量的同时能有效减少杂草密度^{[14, 15, 16, 17]}。Moss等在研究英国洛桑实验站麦田杂草群落时发现，土壤无机氮水平是决定部分杂草出现频率的关键因子^[18]，本研究结果同样表明施入氮肥能显著减少麦田杂草密度，其主要原因可能是氮肥是增加小麦产量的主要养分因子，而小麦的旺盛生 长能抑制绝大多数杂草的发生。施入有机肥使处理中杂草种类和密度都有不同程度的减少，氮肥及有机肥的施入通过改变小麦与杂草的竞争关系从而使麦田杂草密度显著减少，富营养土壤中形成的优势杂草种群能与小麦一起限制其余杂草生长，而贫瘠土壤限制作物生长，从而为杂草提供更多的水、热、光等资源和空间，同时小麦栽培过程一般都加入除草管理措施，因此结合农田杂草防除，通过合理施用氮肥、有机肥能更有效地减少麦田的杂草密度，提高小麦的竞争优势。

化肥、有机肥的投入能显著增加土壤中氮磷钾的含量，改变农田养分生境，影响农田生态系统的物种构成。本研究结果表明：不同施肥处理下杂草群落组成差异明显，施肥导致的土壤养分差异将影响农田杂草的种内和种间竞争，决定杂草的类型^{[19, 20, 21]}。Yin等^[22]在封丘旱地田间调查试验中发现了均衡施肥模式下杂草群落多样性指数增加，作物产量增加。本研究结果也显示在小麦生长的不同时期C0处理以及均衡施肥的CNPK处理群落多样性指数都能维持在一个较高的水平。生态系统的功能由系统中物种的种类及数量决定，不同物种间对不同养分的需求差异性越大，系统中养分的保留会越多^{[23, 24, 25]}，Wardle等在研究中发现多样性高的系统能更好的应对环境变化^{[26, 27]}，均衡施肥的处理相对其余处理更能形成稳定的系统，保持农田的生产力和稳定性。

Katharine的研究则表明土壤氮素减少能加大杂草种内竞争，磷则更多的影响种间竞争^[28]，不同施肥措施影响本试验区麦田杂草的分布，RDA结果显示土壤有机质及氮含量是影响杂草分布的主要环境因子，化肥和有机肥的施用直接改变土壤理化性状，不同类型化肥有机肥的配施在提高作物竞争优势的同时影响不同杂草的种内和种间竞争，导致在不同的处理间杂草分异差异显著。适宜的养分管理能改善作物与杂草之间的竞争关系，在降低杂草对作物产量影响的同时保持一定可控制杂草的生物多样性，使整个稻麦生产系统提高生产力趋于稳定。

氮肥和有机肥的施入不同程度导致田间杂草总密度的下降，且有机肥的施用对杂草密度的控制效果更加显著。杂草密度随着小麦生育进程总体呈现先增加后减少的变化趋势，MN、MNP、MNK、MNPK 4个则呈持续下降的特征，至小麦成熟期杂草基本消失，杂草种类在小麦苗期最多，越冬过后不同施肥处理中有不同程度的减少。施入有机肥使麦季杂草的群落多样性指数下降，尤其是杂草的物种数和丰富度指数，均衡施肥的处理中农田生态系统的生物多样性维持在较高的水平，化学氮磷钾肥的配合施用有利于形成生产力高、群落结构稳定的系统。土壤含氮量和有机质含量是对麦季杂草分布影响最大的两个土壤养分因素，土壤有效钾含量对杂草分布影响则最小。

致谢: 感谢南京农业大学杂草研究室的强胜老师、扬州大学金银根老师以及袁术忠老师在杂草辨认鉴定上给予的帮助，感谢扬州大学农学院徐辰武老师、顾世良老师在文章数据处理分析过程中给予的帮助。