宁夏马铃薯田杂草种类及其群落特征

作者:未知

  摘要 为明确宁夏马铃薯田杂草发生种类及其群落特征,采用倒置“W”9点取样法对宁夏马铃薯田杂草种类及其群落特征进行了研究,并进行了杂草物种多样性分析。结果表明:宁夏马铃薯田雜草有71种,隶属于22科56属,其中以菊科、禾本科、藜科为主,优势杂草为稗、灰绿藜、狗尾草和反枝苋。从杂草区域分布多样性分析来看,彭阳县物种丰富度最高,为39种,ShannonWiener指数为2.23、Pielou 指数为0.61、Simpson 指数为0.86。聚类分析结果表明,宁夏马铃薯田杂草群落可划分为3组,第1组为黄土高原丘陵沟壑及六盘山阴湿区杂草群落,第2组为盐、同、香山半荒漠区杂草群落,第3组为银川平原黄灌区杂草群落。综合分析,土壤结构和湿度是影响宁夏马铃薯田杂草群落组成的主要生态因子。
  关键词 马铃薯; 杂草种类; 群落结构; 物种多样性; 聚类分析
  中图分类号: S 451
  文献标识码: ADOI: 10.16688/j.zwbh.2018254
  Abstract In order to clarify the occurrence and community characteristics of weeds in potato fields in Ningxia, weed species and the community were investigated using sampling methods of inverted Wpattern in potato fields, and then the species diversity was analyzed. The results showed that 71 weed species, which belong to 22 families and 56 genera, existed in potato fields in Ningxia. Compositae,Gramineae and Chenopodiaceae are primary families, with Echinochloa crusgalli,Chenopodium glaucum,Setaria viridis and Amaranthus retroflexus as dominate species in Ningxia. Analysis on the diversity of weed distribution showed that species richness of weeds in Pengyang county were highest with 39 species, with the ShannonWiener index of 2.23, the Pielou index of 0.61 and the Simpson index of 0.86. The structure of weed community in Ningxia could be categorized into three groups. The first group contained weed species form the loess hilly and gully region and the wet zone of Liupan mountain, the second group contained Yan, Tong and Xiangshan semidesert area, and the third group contained Yinchuan plain yellow irrigation area. Integrated analysis implied that structure and moisture of soil were the main ecological factors to affect the characterization of weed communities in potato fields in Ningxia.
  Key words potato; weed species; community structure; species diversity; cluster analysis
  马铃薯是继水稻、小麦、玉米之后的第四大粮食作物,宁夏常年播种面积在20万hm2左右[1]。杂草是马铃薯生产中的主要威胁之一,杂草与马铃薯争夺养料、水分、阳光和空间,从而降低了马铃薯的产量和质量,每年马铃薯产量因杂草损失15%左右,随着农业产业结构的调整、耕作制度变化及农田化学除草剂的大面积推广,农田杂草群落在组成和分布上发生了新变化,且发生程度呈逐年加重趋势。我区目前防除杂草多采用人工除草的方法,据调查,仅人工除草一项,每667 m2地就可增加成本150元以上[2]。
  在杂草调查研究中,国内外学者相继对棉花、小麦、玉米、花生、油菜及水稻等[39]作物田的杂草群落进行了调查,明确了农田杂草的群落结构,提出了相应的防治措施。但对马铃薯田杂草系统调查研究只有少数几个省区,由于受地理环境条件、作物种类、种植制度及田间管理、除草措施等影响,不同地区农田杂草群落的构成及其生物多样性差异明显,同时由于长期形成的耕作习惯改变[10]、外来物种的入侵[11]、单一除草剂的使用[12]等原因导致杂草种类和群落结构发生较大改变,一些区域优势杂草转变为优势杂草,一般性杂草上升为恶性杂草。王亚洲等[13]报道了黑龙江省马铃薯田杂草以稗Echinochloa crusgalli、藜Chenopodium album、狗尾草Setaria viridis等为优势种群,而寄生性杂草菟丝子 Cuscuta chinensis 近年来已较难防除,严重危害马铃薯生产,有演变成为田间主要杂草的趋势;梁玉娥等[14]调查发现广西玉林市冬植马铃薯田杂草共有10科26种,其中鹅肠菜Myosoton aquaticum和看麦娘Alopecurus aequalis由一般性杂草转变为优势杂草,已经对马铃薯造成严重危害;叶文斌等[15]报道甘肃省西和县马铃薯田鹅肠菜、小藜Chenopodium serotinum、绵毛酸模叶蓼Polygonum lapathifolium发生的优势度及频率显著提高,成为当地马铃薯田的恶性杂草;张玉慧等[16]报道了冀西北马铃薯田杂草种类约32种,隶属于18科,以藜、萹蓄Polygonum aviculare、卷茎蓼Fallopia convolvulus、苦荞Fagopyrum tataricum等为优势种群,近年来狗尾草、野黍Eriochloa villosa、草地风毛菊Saussurea amara 等杂草比重上升,传播蔓延加快,已上升为优势种,发生危害呈加重之势。由于农田杂草群落的变化,导致除草剂过量、频繁使用,对日益恶劣的环境造成严重污染,使农田生态系统抵抗力稳定性难以恢复到原来的水平,导致农田生物多样性结构和功能遭到破坏,抗药性杂草大面积发生[17],已成为威胁我国粮食安全的重要问题之一[18],所以掌握农田杂草群落组成和结构特征是进行杂草控制的最基础性工作。   在农田草相已发生较大改变的形势下要实现对杂草的可持续治理需要掌握杂草在农田中的发生及其种群结构动态变化规律,进而调整现有的控草策略[19]。目前,尚未见关于宁夏马铃薯田杂草分布及群落结构的报道。为及时掌握宁夏马铃薯田杂草分布现状、危害情况、发生规律及群落结构,更好地制定安全、合理的草害防治和抗药性杂草治理策略,实现对杂草的可持续治理,提高马铃薯的经济效益,本研究对宁夏不同地区马铃薯田杂草种类和群落进行了调查,并利用多样性指数分析不同杂草群落间的物种多样性和群落相似性,旨在探明宁夏马铃薯田杂草的发生危害状况及其群落结构,为实现马铃薯田杂草的可持续治理提供理论依据。
  1 材料与方法
  1.1 调查地区概况
  宁夏回族自治区地处西北地区东部,黄河上中游,是传统的农业省区。按自然地理和经济社会发展水平,宁夏可分为引黄灌区、中部干旱带和南部山区3个生态区域。马铃薯主要分布在南部山区的固原市原州区、西吉县、彭阳县、泾源县和隆德县,中部干旱带的中卫市沙坡头区、海原县及吴忠市同心县、盐池县和红寺堡区,北部平原的石嘴山市惠农区和平罗县。宁夏全境海拔1 000 m以上,地势南高北低,落差近1 000 m,降水量南多北少,大都集中在夏季,马铃薯的生长主要在夏季,杂草的大面积发生同样在夏季。
  1.2 调查时间及方法
  2016年和2017年的6月至9月,待马铃薯田杂草发生与危害基本定型、杂草种类齐全、杂草花果期[20],采取倒置“W”九点取样法[21]对宁夏12个区县的马铃薯田杂草进行调查,每个县选择3个乡,每个乡选择3个村,每村选择3块地,每个样方调查9个样点,每个样点面积为0.25 m2,两年连续共计调查324块田2 916个样点,分别记录杂草发生种类、株数及危害程度;杂草种类鉴定参考《中国农田杂草防治原色图解》[22]和《中国杂草志》[23]。
  1.3 数据处理与分析
  采用Excel进行数据的整理、计算,根据各样点的调查数据在DPS数据处理系统中计算处理相对优势度和物种多样性。
  相对多度RA=(RU+RD+RF)/3,其中:RU为相对均度, RD为相对密度, RF为相对频度;田间均度(uniformity,U)指杂草出现的样方数占总调查样方数的比例;田间密度(density,D) 指杂草在调查田块的平均密度之和占总调查田块的比例;田间频度(frequency,F) 指杂草出现的田块数占总调查田块的比例[24]。
  物种丰富度指数(richness index):一定样方内的物种数(S)。ShannonWiener(物种多样性指数):H′=-∑si=1Piln Pi,Simpson(群落优势度指数):D=∑si=1P2i,式中 Pi是第i物种被第 1 次抽到的概率,Pi=Ni/N,Ni为样方中第i种杂草的密度,N为该样方中所有杂草密度的和。Pielou群落均匀度指数(J):J=H′/lnS,其中物种丰富度S 即调查区域内的杂草种类数[25]。
  聚类分析:将各县市RA≥1的杂草RA与所分布地区构成矩阵,采用SPSS 13.0软件对数据进行系统聚类分析,地区之间杂草群落的相似性测度采用系统聚类分析并生成树状图,聚类方法采用组间均连法,数据转化采用Z分数标准化,距离测度使用 Euclidean平方距离[24]。
  2 结果与分析
  2.1 宁夏马铃薯田杂草种类及分布
  调查结果表明,宁夏马铃薯田杂草共有71种,隶属于22科56属,其中单子叶植物有1科10属12种,双子叶植物有21科46属59种(图1)。
  2.2 宁夏马铃薯田杂草区系及优势度
  根据马铃薯田杂草发生频率、严重程度及相对多度,将宁夏马铃薯田杂草划分优势杂草、区域性优势杂草、常见杂草和一般杂草4种类型(表1)。
  2.4 宁夏不同地区马铃薯田杂草多样性分析
  通过对宁夏地区马铃薯田杂草多样性分析可知(表3),从物种丰富度来看,彭阳县马铃薯田杂草种类最多,为39种,西吉县次之,为38种,沙坡头区的物种数目最少,仅为14种,红寺堡区和同心县的地理位置相鄰,但红寺堡区杂草种类比同心县多12种,是同心县的1.71倍;从ShannonWiener来看,彭阳县马铃薯田杂草物种多样性指数明显高于其他11个县市区,为2.23,沙坡头区物种多样性指数最小,为1.32,说明彭阳县杂草物种多样性比其他地区更丰富;从Simpson和Pielou群落均匀度指数来看,彭阳县明显高于其他地区,反枝苋、打碗花、灰绿藜的相对多度之和高达51.63(表2),说明彭阳县马铃薯田杂草群落优势物种集中,马铃薯田杂草的种类和数量分布的均匀度均高于其他地区;沙坡头区ShannonWiener指数、Pielou 指数、Simpson 指数最低,且物种最少,说明为沙坡头区马铃薯田杂草种类单一,群落分布不均匀,稳定性差。
  2.5 宁夏马铃薯田杂草群落相似性分析
  将各地区相对多度大于1.0的杂草构成矩阵进行系统聚类分析,结果表明(图2),宁夏马铃薯田的杂草群落可以划分为3个分布区,按自然地理和经济社会发展水平划分[26],将原州区、西吉县、彭阳县、泾源县和隆德县划分为第1大类黄土高原沟壑及六盘山阴湿区分布区;将沙坡头区、同心县、盐池县、红寺堡区和海原县划分为第2大类盐、同、香山半荒漠区分布区;惠农区和平罗县划分为第3大类引黄灌区分布区。根据聚类分析得出,黄土高原沟壑及六盘山阴湿区分布区和盐、同、香山半荒漠区分布区杂草群落结构比较相似,组内距离平方最小;黄土高原沟壑及六盘山阴湿区分布区和盐、同、香山半荒漠区分布区杂草群落与引黄灌区分布区差异性较大,组内距离平方最大。
  3 讨论
  通过调查宁夏马铃薯田杂草发生优势度和田间危害程度情况可以看出,狗尾草、稗、灰绿藜和反枝苋等优势杂草是宁夏马铃薯田的主要危害杂草,在未来一段时间将继续严重影响马铃薯生产。一些区域优势杂草如田旋花、牛筋草转变为优势杂草,一般性杂草如菟丝子、芦苇将上升为恶性杂草,在今后的杂草治理中,也要密切关注非优势杂草,防止常见杂草转化为优势杂草,根据杂草的发展趋势,调整防治策略,实现马铃薯田杂草的可持续治理。   宁夏马铃薯田杂草种类及群落组成产生的差异是由地理环境、土壤性质、土壤墒情、降雨情况、气候条件及控草措施等多方面因素影响导致的,杂草物种丰富度、多样性、优势度和均匀度是从不同角度衡量群落稳定性的重要指标,杂草物种丰富度、多样性与均匀度越大,优势度越小,则物种群落的结构越复杂,其反馈系统也越强大,对于环境的变化或来自物种群落内部种群波动的缓冲作用越强,物种群落也越稳定,这样的杂草群落优势种不太突出,杂草不容易严重发生[27]。黄土高原丘陵沟壑及六盘山阴湿区位于我国黄土高原西部,属黄河中游黄土丘陵沟壑区,由于六盘山形成季风屏障的原因,此区域夏季降雨较多,气候潮湿,形成了独特的阴湿区,有利于作物的生长,杂草种类丰富,主要优势杂草为狗尾草、稗、灰绿藜和反枝苋;盐、同、香山半荒漠区位于宁夏回族自治区中部,引黄灌区以南,东西两边又处在毛乌素沙地和腾格里沙漠边缘的地区,处于荒漠草原和干草原的过渡带,是典型的生态脆弱带,年降雨量少,气候干燥,马铃薯田杂草种类偏少,密度偏低,主要优势杂草为灰绿藜、甘草、马齿苋、萹蓄、菟丝子等;银川平原黄灌区位于黄河中游黄河灌溉平原区,相比宁南高海拔区,田间灌溉条件便利,杂草出苗率高,密度高,危害严重,主要优势杂草为反枝苋、菟丝子、灰绿藜、稗、狗尾草、牛筋草等。
  近年来,随着农业产业结构的调整和农田化学除草的大面积推广,农田杂草群落在组成和分布上发生了新变化,且发生程度呈逐年加重趋势。调查发现,各产区普遍存在长期使用单一除草剂的情况,如宁夏南部山区长期使用精喹禾灵与砜嘧磺隆的马铃薯田,刺儿菜、马齿苋等杂草发生量明显增大,防除难度较大,大面积使用单一除草剂,杂草抗药性随之增强,目前全球已有300多种杂草对化学除草剂产生了抗药性[28],同时杂草抗药性不仅表现在对一种除草剂的抗性,更为严重的是杂草还具有交互抗性和多抗性,因此如何安全有效地防除田间杂草已成为田间除草需要迫切解决的问题[2930]。
  综上所述,为了更好地认识杂草、减少杂草的危害,开展科学合理的农田除草工作,通过研究杂草组成与群落多样性、群落相似性,明确马铃薯田杂草发生的种类及其群落的特点,在此基础上,因地制宜地采取有针对性的杂草管理措施,根据不同地理环境、不同种植模式下马铃薯田杂草的发生特点,选择适当的农作措施和除草措施,及时指导农民合理轮换使用除草剂,延缓杂草抗药性的产生,对马铃薯田杂草的防除十分关键。
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  (责任编辑:杨明丽)
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