2020, Vol. 28
2. 广东省生态循环农业重点实验室/广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心/农业部华南热带农业环境重点实验室 广州 510642
2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco-Circular Agriculture/Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-Agriculture and Circular Agriculture/Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Guangzhou 510642, China
杂草是农业生态系统中不容忽视的组分, 绝大部分杂草会降低作物的产量和品质, 对农业经济造成较大损失[1]。与作物相比, 杂草抵抗胁迫的能力更强。以杂草对作物造成的平均减产量为8%来估算, 每年杂草使我国农业经济的直接损失高达900多亿元[2], 其中外来植物的大量入侵给不同地区的农业经济和生态环境造成了严重的危害[3]。三叶鬼针草(Bidens pilosa L.)为外来入侵杂草, 原产于热带美洲, 其种子产量高, 且具有倒刺, 易于传播, 生长和繁殖速度快、植株高大且化感能力强[4], 易对入侵地的生物多样性造成严重损害[5]。三叶鬼针草广泛分布于我国华中、华南、华东、西南等广大地区[6], 是一种恶性杂草, 在入侵地可以迅速形成大片密集成丛的单优群落。随着气候变暖的加重, 三叶鬼针草在我国的入侵范围扩大、蔓延速度加快, 危害也越来越重[7]。广东地处华南地区, 年平均气温22.3 ℃, 年平均降雨量1 926.2 mm, 气候条件十分适宜三叶鬼针草的生长, 在一些坡地和路边等区域容易形成单优群落, 导致一些原本有使用价值的农田或地块因难以清除三叶鬼针草而荒置, 造成土地资源的浪费[8]。
当前, 杂草防治方法主要有物理防治、化学防治和生物防治3类。由于化学防治杂草具有成本低、效果显著和易大面积操作等优点, 施用化学除草剂目前仍占据主导地位[9], 但化学防治同时也带来了严重的生态环境危害和农产品安全问题[10-12], 因此, 一些高效的杂草生态防治措施日益受到关注。当前对三叶鬼针草的防治也主要是使用化学除草剂。郭成林等[13]使用8种除草剂对三叶鬼针草的防除效果进行研究, 结果表明, 500 g·L−1的特丁噻草隆对三叶鬼针草的防除效果最佳; 邓玲姣等[14]的研究结果表明, 防治路边或高大乔木林里的三叶鬼针草, 使用百草枯100倍液喷施防治效果较好, 但由于百草枯易对人体和环境产生危害, 百草枯水剂现已被我国禁用。其次是采取生物防治三叶鬼针草的方法, 如:使用南方菟丝子(Cuscuta australis R. Br.)对其寄生[15]、利用胜红蓟(Ageratum conyzoides L.)和红花酢浆草(Oxalis corymbosa DC.)等植物水提液的化感作用抑制三叶鬼针草种子的萌发和幼苗的生长[16]，但此类防治方法的成本较高, 且效果不够明显。为了避开化学防治所产生的环境危害和生物防治的低效等缺点, 需要探索新的环境友好型防治方法。地面覆盖是一种物理除草措施, 使用该技术可以避免化学除草剂对生态环境造成的危害。肖迪等[17]进行了可降解纸膜与常规化学除草方式的除草效果对比试验, 结果表明纸膜在对杂草的株防效和鲜重(生物量)防效均高于化学除草剂。目前, 在田间进行地表覆盖多是为了实现对土壤保温保湿及除草的效果, 以提高作物的产量和质量, 而以实现水土保持和控草目的的覆盖措施大多见于果园林地。随着除草覆盖材料种类的不断增多和覆盖技术的不断成熟, 覆盖除草措施的使用日益广泛。作物秸秆和塑料薄膜是最普遍的两类覆盖物。其中, 秸秆覆盖的主要优点是控草和增肥效果明显, 在秸秆覆盖前期, 通过秸秆对杂草的重力压迫、遮光、调温和阻隔种子进入土壤等物理因素抑制杂草生长, 在秸秆覆盖后期, 秸秆在田间腐解时可向土壤持续释放各种有机和无机营养物质, 为植物、土壤微生物和动物提供所需营养物质[18-19], 改善土壤环境质量、培肥地力[20-22]。薄膜覆盖则具有高效的保水、增温和除草的优点[23], 其除草功能主要通过薄膜覆盖后日间产生的增温、遮光、隔绝空气和压迫等作用来实现。
目前, 对杂草的防控主要体现在对其种类和数量的减少方面, 但除了直接灭除正在生长的杂草外, 还需注重降低杂草的再生能力。杀灭杂草的地下根茎和种子可使防控效力更强、时效更久。土壤种子库是指位于土壤表层和土壤中的全部有活力种子的总和[24-25], 是植物种群定居、生存、繁衍和扩散的基础[26], 它影响着地上杂草的发生、消涨和演替。由于土壤种子库在杂草繁衍中起到的重要作用[27], 因此调查土壤种子库有利于预测防控措施的长期效应。减少土壤种子库中杂草种子的种类和数量能减弱杂草的再生能力, 增强杂草的防控效果[28]。
为减少化学除草剂的环境污染和农产品安全问题, 实现环境友好地高效控制华南地区大量入侵的三叶鬼针草, 本研究采用水稻秸秆和薄膜先后覆盖的方法(连续叠加覆盖技术), 探究这种覆盖技术对入侵杂草的生态环境、杂草生物量、种子萌发量、杂草群落结构和土壤种子库等的综合影响、防控效果和机制, 旨在为入侵杂草的防除提供理论参考以及新的思路和方法。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验于2019年1—5月在华南农业大学增城教学科研基地(113°38′E, 23°14′N, 海拔30 m)进行, 基地年平均气温22.3 ℃, 年平均降雨量1 926.2 mm, 年平均日照时数1 597.7 h, 年平均无霜期长达335~360 d; 土壤类型为砖红壤, 0~10 cm土层的pH为5.8。试验地为多年自然生长杂草的大片平整荒地, 其中优势杂草为三叶鬼针草(盖度约80%)和马唐[Digitaria sanguinalis (L.) Scop.](盖度约10%), 草地中共生长有13种伴生杂草, 但每种杂草的数量都极少, 约10%的面积为空地。试验期间三叶鬼针草的生物量和种子萌发量占据草地总量的95%以上。
1.2 试验材料本试验选用自然风干的晚季稻秸秆和黑色聚乙烯塑料薄膜作为覆盖材料。其中, 水稻秸秆来自华南农业大学增城教学科研基地刚收割的晚季稻田, 秸秆长度为50~70 cm; 黑色聚乙烯塑料薄膜厚0.012 mm。
1.3 试验设计试验使用水稻秸秆和黑色薄膜分别于冬季和春季对杂草样地进行连续叠加覆盖处理。冬季(1月12日–3月12日)进行水稻秸秆覆盖, 设置0 kg·m-2(CK)、1 kg·m-2和1.5 kg·m-2 3个覆盖水平, 每个覆盖水平分为覆盖前割草和不割草2种处理, 共6个处理, 每个处理4个重复, 共24个样方(3 m×3 m), 采用随机区组排列; 春季(3月13日—5月12日)在覆盖了水稻秸秆的样方上(1 kg·m-2和1.5 kg·m-2)再叠加覆盖黑色塑料薄膜, 以0 kg·m-2处理作为不盖膜对照(CK)。
1.4 取样及测定方法 1.4.1 近地表空气温湿度和土壤温湿度的测定分别在秸秆覆盖中期(2月12日)和薄膜覆盖中期(4月12日)于每个样方内采用五点取样法, 在14:00–14:30土壤和空气温度达到日最大值时, 使用土壤水分速测仪(浙江托普仪器有限公司, TZS-3X)测定土壤(土深10 cm处)温度、近地表(稻秆下和膜下)空气温湿度。同样采用五点取样法, 用土钻采取0~10 cm土层的土壤, 带回实验室用烘箱烘至恒重(在105 ℃下烘24 h), 测定土壤相对含水量。
1.4.2 杂草生物量的取样与测定分别在3月12日和5月12日秸秆和薄膜覆盖结束的当天, 在试验地的每一个样方中随机选取0.5 m×0.5 m的小样方3个, 由于该杂草群落中三叶鬼针草占据所有杂草生物量的95%以上, 用总的生物量可直观反映三叶鬼针草的量, 故将小样方内的所有植物全部取出带回实验室, 用缓慢流水冲洗干净后用吸水纸擦干, 使用烘箱105 ℃杀青30 min, 然后80 ℃烘72 h至恒重, 称取总干重, 并计算单位面积生物量。
1.4.3 种子萌发量的测定为避免直接取样对样地造成的较大破坏, 本研究采用拍照计数的方法测定种子萌发量。在3月12日秸秆覆盖结束当天(种子大量萌发的时期), 以及5月12日薄膜覆盖结束的当天, 在试验地的每一个样方中按五点取样法选取0.5 m×0.5 m的小样方5个, 用高清摄像机拍下样方照片, 将照片放大进行计数, 计算单位面积萌发量。
1.4.4 物种群落特征调查分别在秸秆覆盖前(1月12日)、薄膜叠加覆盖前(3月12日)和薄膜叠加覆盖结束后(5月12日)调查每个样方内所有植物的物种、数量和盖度。
1.4.5 种子库取样及测定叠加薄膜覆盖结束后(5月12日), 使用直径5 cm的土钻在每个样方中随机钻取15次土壤, 将每次钻取的土壤按0~2 cm和2~5 cm的土层分成两组。将土壤风干后过5 mm网筛, 除去大的砂砾和植物残体。种子库的测定采用室内萌发法[29]。选择长30 cm、宽15 cm、高10 cm的底部带有排水孔的塑料盆进行萌发试验, 塑料盆底部铺有5 cm厚、经过121 ℃高温处理2 h的无菌、无活种子的沙土, 在沙土上均匀铺设2 cm厚的待测土壤, 置于25 ℃的恒温玻璃房内培养, 每天洒一次水保证土壤湿润。每隔4 d对幼苗的种类和数量进行统计, 40 d后翻动土壤使下层的种子充分萌发, 直到再无幼苗长出, 萌发试验共进行60 d。
1.5 数据分析使用SPSS 22.0软件进行数据统计分析, 处理间差异采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s新复极差法进行多重比较, 同时对是否进行割草处理的影响和土壤种子库的变化进行独立样本T检验, 显著性水平设为P < 0.05。所有图表中的数据均表示为平均值±标准误。
2 结果与分析 2.1 秸秆-薄膜连续叠加覆盖对近地表空气温湿度和土壤温湿度的影响试验各时期土壤和空气的温湿度如图 1所示。结果显示:冬季进行水稻秸秆覆盖能显著降低午间土壤温度和近地表空气温度(P < 0.05), 并增加土壤相对含水量和近地表空气相对湿度。在秸秆覆盖中期, 土壤温度随秸秆覆盖量的增多而逐渐降低, 所有覆盖秸秆处理比对照平均降低0.75 ℃, 降幅为4.23%;土壤含水量随秸秆覆盖量的增多而逐渐增高, 所有覆盖秸秆处理比对照平均增高3.67%, 增幅为16.60%;近地表空气温湿度的变化规律与土壤温湿度一致。覆盖处理的近地表空气温度显著低于对照, 降幅为4.63%;空气相对湿度随秸秆覆盖量的增多而逐渐增高, 增幅为14.14%。
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图 1 秸秆-薄膜连续叠加覆盖下秸秆覆盖量和割草对土壤温度、相对含水量和近地表空气温湿度的影响 Fig. 1 Changes of soil temperature, relative water content, and air temperature and humidity near surface under different treatments of plastic film-overlaying-straw mulching and mowing 0、1和1.5分别表示秸秆覆盖量为0 kg·m-2、1 kg·m-2和1.5 kg·m-2。割草在秸秆覆盖前进行。不同小写字母表示割草或不割草处理下不同秸秆覆盖量间差异显著(P < 0.05), 不同大写字母表示相同覆盖时期、相同秸秆覆盖量下割草与不割草处理间差异显著(P < 0.05)。0, 1 and 1.5 respectively represent straw amount of 0 kg·m-2, 1 kg·m-2 and 1.5 kg·m-2. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw amounts at P < 0.05 level under mowing or no mowing treatments; different capital letters indicate significant differences between mowing and no mowing treatments in the same mulching period and with the same straw amount at P < 0.05 level. |
春季叠加薄膜覆盖处理显著提高了午间土壤温度、近地表空气温度和近地表空气相对湿度, 降低了土壤相对含水量(P < 0.05)。在叠加薄膜覆盖中期, 盖膜处理的午间土壤温度显著高于对照, 所有叠加覆盖薄膜处理比对照平均增高6.43 ℃, 增幅达19.89%;土壤相对含水量显著低于对照, 所有覆盖薄膜处理比对照平均降低2.63%, 降幅为8.85%。膜下空气温度变化规律与土壤温度相同, 覆盖处理的气温均高于对照; 但膜下空气相对湿度显著高于对照(P < 0.05), 增幅为33.77%。
2.2 秸秆-薄膜连续叠加覆盖对三叶鬼针草生物量的影响秸秆覆盖结束后三叶鬼针草生物量的降低程度如图 2所示。无论秸秆覆盖前是否进行割草, 随着秸秆覆盖量的增加, 三叶鬼针草生物量的降低程度均显著增高。覆盖1 kg·m–2秸秆, 杂草生物量比对照平均降低53.09 g·m–2, 降幅为21.38%;覆盖1.5 kg·m–2秸秆则比对照平均降低163.03 g·m–2, 降幅为65.09%。所有处理中, 三叶鬼针草生物量最低的是割草且覆盖1.5 kg·m–2秸秆的处理, 为77.64 g·m–2, 比三叶鬼针草生物量最高的不割草并未覆盖秸秆的处理降低72.19%。表明秸秆覆盖对杂草的生长产生了明显的抑制作用。相同秸秆覆盖量下割草处理的生物量均低于不割草处理。连续叠加薄膜覆盖结束时膜下所有杂草全部枯萎死亡, 生物量为0。
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图 2 秸秆-薄膜连续叠加覆盖下秸秆覆盖量和割草对覆盖后杂草生物量的影响 Fig. 2 Reduction degree of weed biomass after whole mulching period under different treatments of plastic film-overlaying-straw mulching and mowing 降低程度=(对照生物量-覆盖结束时生物量)/对照生物量×100%。1和1.5分别表示秸秆覆盖量为1 kg·m-2和1.5 kg·m-2; MF表示覆盖黑色薄膜, 膜下秸秆量分别为1 kg·m-2和1.5 kg·m-2, 防控效果都是100%。割草在秸秆覆盖前进行。不同小写字母表示割草或不割草处理下不同覆盖处理间差异显著(P < 0.05), 不同大写字母表示相同秸秆覆盖量下是否割草对指标的影响显著(P < 0.05)。Reduction degree=(control biomass-biomass at the end of mulching)/control biomass×100%. 1 and 1.5 respectively represent straw amounts of 1 kg·m-2 and 1.5 kg·m-2. MF indicates plastic film overlaying on straws of 1 kg·m-2 or 1.5 kg·m-2, and the control effect of both straw amounts was 100%. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw mulching amounts under mowing or no mowing treatments at P < 0.05 level. Different capital letters indicate significant differences between mowing and no mowing treatments with the same straw amount at P < 0.05 level. |
秸秆覆盖结束后杂草种子萌发量的降低程度如图 3所示。无论覆盖秸秆前是否进行割草, 随着秸秆覆盖量的增加, 杂草种子萌发量均显著降低(P < 0.05), 这与杂草生物量的变化趋势一致。覆盖1 kg·m–2秸秆处理下, 杂草种子萌发量比对照平均降低1 082.1粒·m–2, 降幅达45.89%;而覆盖1.5 kg·m–2秸秆处理比对照平均降低1 560.1粒·m–2, 降幅达66.16%。在所有处理中, 不割草但覆盖1.5 kg·m–2秸秆的处理种子萌发量最低, 为378粒·m–2, 比最高的割草并未覆盖秸秆的处理降低85.48%。与生物量变化趋势相反的是, 相同秸秆覆盖量下割草处理的种子萌发量均高于不割草处理。连续叠加薄膜覆盖结束后膜下种子萌发量为0。
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图 3 秸秆-薄膜连续叠加覆盖下秸秆覆盖量和割草对覆盖结束后杂草种子萌发量的影响 Fig. 3 Reduction degree of weed seed germination after whole mulching period under different treatments of plastic film-overlaying-straw mulching and mowing 降低程度=(对照萌发量-覆盖结束时萌发量)/对照萌发量×100%。1和1.5分别表示秸秆覆盖量为1 kg·m-2和1.5 kg·m-2; MF表示覆盖了黑色薄膜, 膜下秸秆量分别为1 kg·m-2和1.5 kg·m-2, 防控效果都是100%。割草在秸秆覆盖前进行。不同小写字母表示割草或不割草处理下不同覆盖量间差异显著(P < 0.05), 不同大写字母表示相同秸秆覆盖量下是否割草对指标影响显著(P < 0.05)。Reduction degree=(control germination amount-germination amount at the end of mulching)/control germination amount×100%. 1 and 1.5 respectively represent straw amounts of 1 kg·m-2 and 1.5 kg·m-2. MF indicates plastic film overlaying on straws of 1 kg·m-2 or 1.5 kg·m-2, and the control effect of both straw amounts was 100%. For the mowing treatment, before straw mulching, the grass in plot was mowed. Different lowercase letters indicate significant differences among different straw mulching amounts under mowing or no mowing treatments at P < 0.05 level. Different capital letters indicate significant differences between mowing and no mowing treatments with the same straw amount at P < 0.05 level. |
试验期间, 样地内共有15种杂草出现, 优势杂草有三叶鬼针草和马唐, 从属种有藿香蓟(Ageratum conyzoides L.)、牛筋草[Eleusine indica (L.) Gaertn.]、三裂叶薯(Ipomoea triloba L.)、野甘草(Scoparia dulcis L.)、地桃花(Urena lobate L.)、光荚含羞草(Mimosa sepiaria Benth.)、薇甘菊(Mikania micrantha Kunth.)、一点红[Emilia sonchifolia (L.) DC.]、黄花稔(Sida acuta Burm. f.)、薯蓣(Dioscorea polystachya Turcz.)、柱花草(Stylosanthes hamata L.)、鸭乸草(Paspalum scrobiculatum L.)和阔叶丰花草(Spermacoce alata Aubl.)。表 1为秸秆和薄膜叠加覆盖结束后各项杂草指标相比覆盖前的降低程度。由表 1可知, 除不割草处理的杂草种类数外, 其他指标的降低程度均高于对照; 除马唐盖度外, 所有指标的降低程度均表现为随着覆盖秸秆量的增大而增加。秸秆覆盖后从属种的种类和数量降低, 且降低幅度高于三叶鬼针草。连续叠加薄膜覆盖结束后, 杂草全部死亡。
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表 1 秸秆-薄膜连续叠加覆盖下不同秸秆覆盖量和割草处理的杂草指标降低程度 Table 1 Reduction degree of weed indexes after mulching under different treatments of plastic film-overlaying-straw |
在所有样地内, 0~5 cm土壤层中共有10种杂草的种子, 其中种子数量占比较高的物种分别为霍香蓟(23.56%)、三叶鬼针草(15.37%)、马唐(14.53%)、青葙(Celosia argentea L., 13.77%)和白花败酱(Patrinia villosa Juss., 18.75%), 占种子数量总数的85.98%。由不同处理下不同土层的5种杂草的种子密度观测分析结果(图 4)可知, 盖膜处理后各土层5种杂草的种子密度均小于不盖膜处理, 其中三叶鬼针草和马唐的降低幅度最明显, 降幅平均值分别为79.49%和50.35%。从2个土层来看, 盖膜后优势种的种子在上层土壤的减少量显著高于下层土壤(图 5), 说明在盖膜过程中薄膜阻碍了外界种子进入土壤, 同时产生的高温也对0~2 cm土层的种子起到了一定的杀伤和灭活作用。由于三叶鬼针草种子的体积大(长7~13 mm, 宽约1 mm), 同时具有倒刺毛, 因此有86.92%的三叶鬼针草种子位于0~2 cm的土层, 受薄膜高温杀伤的效果更明显。
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图 4 全程未做覆盖(CK)和秸秆-薄膜连续叠加覆盖(覆盖)下几种主要杂草种子在0~2 cm和2~5 cm两个土层中的密度分布 Fig. 4 Density distribution of five major weed seeds in 0-2 cm and 2-5 cm soil layers under no mulching (CK) and plastic film-overlaying-straw mulching (Mulching) BP:三叶鬼针草; DS:马唐; AC:藿香蓟; CA:青葙; PVJ:白花败酱。ns表示差异不显著; *、**和***分别表示盖膜和不盖膜处理在P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001水平差异显著。BP: Bidens pilosa L.; DS: Digitaria sanguinalis (L.) Scop.; AC: Ageratum conyzoides L.; CA: Celosia argentea L.; PVJ: Patrinia villosa Juss. ns: non-significant difference; *, ** and *** represent significant differences between Mulching and CK at P < 0.05, P < 0.01 and P < 0.001 levels, respectively. |
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图 5 全程未做覆盖和秸秆-薄膜连续叠加覆盖下土壤种子库在两个土层中的总体密度分布 Fig. 5 Overall density distribution of soil seed bank in two soil layers under no mulching (CK) and plastic film-overlaying-straw mulching (Mulching) *和**分别表示覆盖和CK处理在P < 0.05和P < 0.01水平差异显著。* and ** represent significant differences between Mulching and CK at P < 0.05 and P < 0.01 levels, respectively. |
土壤和近地表空气的温湿度是覆盖处理下草地受影响较大和较直接的一类指标, 这些指标的改变会直接影响着杂草的生长和繁殖。本研究中, 冬季覆盖水稻秸秆使土壤和近地表空气温度降低是由于秸秆阻碍了热量从上层空气向土壤的传递, 同时遮挡了阳光对土壤的照射, 使其对土壤的加热效果降低[30]。秸秆覆盖量越多, 冬季土壤的降温幅度越大。Ram等[31]研究表明, 水稻秸秆覆盖能降低小麦(Triticum aestivum L.)生育期最高温度2.0~3.3 ℃; 谢成俊等[32]研究表明, 在马铃薯(Solanum tuberosum L.)生育前期, 覆盖玉米(Zea mays L.)秸秆使田间土壤温度较不覆盖处理降低了1.94 ℃。而在春季叠加覆盖黑色薄膜可以将照射在其上的阳光吸收并转化成热量, 而后将热量传递到膜下的空气和土壤中, 使膜下温度快速升高。同时, 由于薄膜隔绝了雨露、降水等进入膜下土壤, 高温又使土壤表层水分蒸发, 结果使得膜下土壤含水率显著低于对照。孙仕军等[33]使用地膜覆盖显著提高了玉米生育前期5~25 cm层土壤温度和0~40 cm层土壤含水率, 其中土壤温度的变化规律与本研究一致, 但土壤含水率的变化规律与本研究不同, 造成这种差异的主要原因是其试验所在地区的降雨量低于蒸发量所致。膜下空气相对含水量的增高是由于不透气的塑料薄膜将大量蒸发后离开土壤的水分保留在薄膜和土壤的空气层中造成的。
杂草生物量的降低程度直接反映杂草防控效果的大小, 覆盖水稻秸秆使杂草生物量降低的主要原因有: 1)覆盖秸秆降低了土壤表层温度和光照强度, 抑制了杂草光合作用的进行; 2)秸秆对杂草进行重力压迫直接损伤杂草的茎叶, 使得杂草生长受到抑制; 3)秸秆腐解时产生的生化物质可能会抑制(如化感作用等)杂草生长和种子萌发[34-35]。相同秸秆覆盖量下割草处理的生物量均低于不割草处理, 其原因在于割草处理的生物量全部是在秸秆覆盖期间生长出来的新生杂草。秸秆覆盖在冬季有明显的抑草作用, 但结合前人的研究成果可知:在气温上升和降雨增加后, 秸秆腐解速度会进一步加快[36-37], 同时杂草生长能力变强, 可能导致秸秆覆盖抑制杂草的持续性和稳定性迅速降低。因此, 此时在秸秆覆盖的基础上再进行黑色薄膜的叠加覆盖处理, 能进一步加强对杂草的防控力度、延长防控时间。黑色薄膜在春季抑制杂草生长的原因主要在于春季的光照强度和光照时长增加, 黑色薄膜覆盖所造成的高温、干燥和弱光照的恶劣环境使得杂草生长和种子的萌发受到严重抑制, 同时覆盖薄膜阻碍了外界种子进入土壤。在薄膜覆盖结束时膜下所有的杂草已经全部枯萎死亡, 且种子萌发量为0。
种子萌发是幼苗形成的过程, 是植物群落延续的关键环节。与生物量的变化趋势相反的是, 相同秸秆覆盖量下割草处理的种子萌发量均高于不割草处理, 表明种子萌发不仅受秸秆覆盖的抑制, 同时还受到成株杂草的抑制。和对杂草生物量的抑制原因相同, 种子的萌发也受到了秸秆覆盖和薄膜覆盖的抑制。在对原样地不做除草处理下, 原有的成草会通过化感和资源竞争等作用抑制土壤种子的萌发。三叶鬼针草作为双子叶植物, 其幼苗叶片展开后不利于突破地上覆盖物的遮挡, 在覆盖物产生的重力压迫、遮光和遮雨等的负面作用下, 相比于单子叶植物的幼苗更容易受损并死亡。
土壤种子库是幼苗再生的基础。因此, 研究土壤种子库特征可以揭示种群演替的机理和趋势, 对植被的管理具有重要意义[38]。从土壤种子库数据的分析结果来看, 薄膜覆盖阻碍了外界种子进入土壤, 同时对膜下相对脆弱的土壤种子具有杀伤和灭活作用, 对0~2 cm土层内种子的杀伤和灭活效果高于2~5 cm的土层。严文斌等[39]研究表明在25~40 ℃下, 随着温度的升高, 三叶鬼针草种子萌发率明显下降, 在无光照的情况下三叶鬼针草的种子萌发率下降至50%。在本研究中, 使用薄膜覆盖不仅同时产生了高温和低光照的不利环境, 同时薄膜隔绝了地上空气, 使得膜下的氧气含量在杂草、土壤动物和微生物的消耗下逐渐降低, 进一步抑制种子的萌发。较长时间的严苛环境可对土壤中的休眠种子直接起到杀伤和灭活效果, 使土壤种子库的活性种子数量下降。周围环境中三叶鬼针草和马唐的种子由于薄膜阻碍无法进入土壤, 且两种杂草在土壤中原有的种子主要分布于0~2 cm土层, 受到的杀伤和灭活效果更加明显, 因此, 叠加薄膜覆盖结束后对优势杂草的后期发生也有明显的抑制作用。青葙和白花败酱在地上没有成草出现, 可能是在三叶鬼针草侵入前原草地上有大量青葙和白花败酱生长, 三叶鬼针草侵入后产生的强烈化感和资源竞争等作用抑制了青葙和白花败酱种子的萌发。
水稻秸秆-薄膜连续叠加覆盖的防控措施简单易行, 一般在冬季农闲时开始操作, 在时间上不易与其他农事活动产生冲突。该措施适用于被三叶鬼针草等强入侵性杂草侵占的碎片状土地, 一般分布在地边、坡地和林地等不常进行精耕细作的地方, 土地分散、面积一般较小, 因此该措施实施时所需的工作量较少, 适宜人工操作。此时晚季稻刚刚收割, 稻秆产量大。将稻秆作为覆盖物使用后减少了农民将其直接焚烧和随意丢弃堆积的可能性, 有利于保护环境。为了避免塑料薄膜引入后对田间耕作的不利影响, 应根据实际操作情况选用环境友好型的薄膜或其等效替代物, 可降解或者易回收的薄膜是比较合适的选择。
本试验设计思路的重点在于探究利用华南地区不同季节的环境特点(冬季低温和弱光照, 春季高温和强光照)和农作物情况(冬季晚季稻秆的利用)选用合适的控草措施, 及两种措施相结合后的递进和总体控制效果。通过对杂草生长环境和杂草直接生长指标的影响程度来探究该措施防控杂草的效果和机理。本试验的设计和研究指标较为简单、常规, 对杂草防控的机理研究不够深入, 今后需进一步加强控草措施对杂草主要生长物质、土壤微生物和土壤理化性质影响等方面的研究。
4 结论冬季进行秸秆覆盖降低了日间土壤温度和近地表空气温度、杂草生物量、种子萌发量、优势杂草盖度和从属种的种类与数量, 增高了土壤相对含水量和近地表空气相对湿度。春季进行薄膜连续叠加覆盖降低了土壤相对含水量、土壤种子库的密度, 增高了日间土壤温度、近地表空气温度和相对湿度, 有效控制了地上杂草。综合来看, 采用水稻秸秆-薄膜连续叠加覆盖措施对三叶鬼针草的入侵和其他杂草的生长具有明显的防控效果和后期的持续控制效应。该措施适合在冬季农闲时对三叶鬼针草进行防控, 操作实施简便、材料易得, 在达到杂草防控效果的同时, 也起到了保护生态环境和培肥地力的作用。
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