中国2014年耕地面积净减少8.02万hm^2[1]，合理、高效地开发利用边坡、滩涂等荒地资源，减缓耕地逐年减少的现状迫在眉睫^[2-3]。芝麻Sesamum indicum是我国重要的油料作物之一，古书记载了利用芝麻与其他植物间的化感作用，可以达到除草并提升作物产量目的。明朝邝蟠认为：“凡开垦荒地，烧去野草，犁过，先种芝麻1年，使草木之根败烂后种谷，则无荒草之害。盖芝麻之于草木若锝之于五金，性相制也、务农者不可不知”^[4]。20世纪90年代，江西省的许多地区在新垦荒地时，先种植1~2茬芝麻以达到促进农业生产的目的^[5]。有研究表明，芝麻落叶、根系分泌物、茎秆等残留物可以加速毛竹鞭、灌木等根系的腐烂^[6]，防止块根类的野生植物繁殖，抑制藤本、草木等杂草的滋生^[7]，促进土壤熟化^[8]等。钱久李等^[9-10]的研究结果表明，芝麻叶挥发物可以抑制莴苣和稗草的生长，且芝麻的化感作用与品种有关。李威联等^[11-12]认为芝麻秸秆还田后土壤有效养分明显提升，尤其是速效钾；武雪萍等^[13]研究发现，施用芝麻饼肥有利于土壤生物过程的活跃和有机质的转化；秦俊豪等^[14-15]通过盆栽模拟大田的研究认为，芝麻全株还田对后茬作物幼苗生长具有促进作用，芝麻活体通过茎叶淋溶的途径对受体的生长产生影响。芝麻作为开荒作物对荒地土壤的理化性质、杂草群落及后茬作物产量影响的研究鲜见报道。本研究在广东省广州市增城区宁西新垦荒地，以芝麻作为先锋作物，研究了芝麻对新垦荒地土壤理化性质、田间杂草及后茬作物产量的影响，并探索其作用机理，为芝麻的化感作用研究和开荒植物的种植提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 材料

供试芝麻品种为江西省常规推广品种“武宁黑芝麻”，由江西省农业科学院提供。后茬作物选用对土壤肥料较为敏感作物白萝卜Raphanus sativus L.和玉豆Phaseolus vulgaris L.“双青12号”；以改土效果较好的大豆Glycine max (L.)“东大3号”和粗生耐贫瘠作物玉米Zea mays L.“高油101”作为对照作物，后茬及对照作物种子均购于广东省农业科学院，为本地常规种植品种。

1.2 方法 1.2.1 前茬作物耕种方式及取样方法

试验于2015年3—11月在广东省增城区华南农业大学宁西科研教学基地进行。新垦平坦荒地900 m²（30 m×30 m），原生境优势杂草为粗叶耳草Hedyotis verticillata (L.) Lam.、飞机草Eupatorium odoratum L.和蒺藜Tribulus terrestris L.，杂草植被长势茂盛，群落平均株高约1 m。人工除草、深翻、耙匀后划分为36个小区。按照九点法在整块地取表层0~30 cm土样，充分混匀后取3个300 g作为对照土样测土壤本底值。试验设4个处理，分别为种植玉米、大豆和芝麻及重新弃耕自然长草（播种时间为3月22日）。每处理9个小区，按照抽牌法随机抽样播种。作物生长过程中不施任何肥料，采用人工撒泼浇水方式进行灌溉。7月9日作物收获后每小区按九点法取表层0~30 cm土样，充分混合后留3个300 g作为土样处理，共有3×37＝111个土样（36个处理与1个本底值）。测定土壤含水量（烘干法）、pH（德国STEPS PH3000型土壤pH计测定）、以及有机碳（重铬酸钾外加热法）、碱解氮（碱解扩散法）、有效磷（比色法）、速效钾（醋酸铵浸提-火焰光度法）的含量等指标。

1.2.2 后茬作物耕作方式及调查方法

前茬作物按照传统方法收获，保留芝麻、大豆、玉米根和残留茎叶于土壤或地表中。7月11日每块地人工单独翻整后点播种植萝卜和玉豆。每种前茬处理的9个小区随机播种玉豆3个小区和萝卜3个小区，剩余3个小区自然长草。11月23日收获，每小区各30株，调查萝卜、玉豆的单株经济产量(鲜质量)。后茬作物收获前1周（11月17日），调查每小区1 m²内杂草的种类与地上部鲜质量。

1.3 数据处理

试验数据用Excel软件（2010版）进行处理，利用SPSS 20.0的单因素方差分析（One-way ANOVA，Duncan）方法对每个测定项目统计结果进行显著性方差分析。

2 结果与分析 2.1 芝麻对新垦荒地后茬作物产量的影响

由图 1可以看出，新垦荒地后茬作物单株经济产量受前茬种植不同作物的影响差异极显著（P<0.01）。前茬种植芝麻的玉豆单株产量为13.3 g，比自然长草的对照（9.22 g）增产了44.25%，差异达极显著水平（P<0.01）；前茬种植芝麻的萝卜单株产量为646.2 g，比对照（260.08 g）增产了148.46%，差异达极显著水平（P<0.01）。由此可见，芝麻作为开荒作物，可以极显著地提高后茬作物单株经济产量，且对萝卜的提升效应大于玉豆。此外，不同的前茬作物对后茬玉豆和萝卜的增产效应存在极显著差异（P<0.01），表现为大豆>芝麻>玉米，这可能与豆科作物固氮菌根的作用有关。

2.2 芝麻对新垦荒地土壤理化性质的影响

由于作物生长过程中不施用任何肥料，因此种植作物后土壤养分会受到一定影响。由表 1可见，种植芝麻能够明显地改变新垦荒地土壤理化指标。新垦荒地碱解氮本底值为96.53 mg·kg^-1，种植芝麻后该指标数值降为9.72 mg·kg^-1，减少了89.93%，差异达到了显著水平（P<0.05），且与自然长草对照相比也表现出降低效应；速效钾指标本底值(w)为73.06 mg·kg^-1，种植芝麻后该指标为38.03 mg·kg^-1，减少了47.95%，且与自然长草对照相比也表现出降低效应。土壤吸湿水本底值为0.05%，种植芝麻后增加为0.15%，达显著水平，但比自然长草处理（0.22%）低；pH与本底值和自然长草对照比增加效应均达到显著水平；与本地值和自然长草处理相比，种植芝麻后有效磷表现为显著的增加效应；种植芝麻的有机碳与本地值相比表现为显著的提升效应，其他处理表现为降低效应。由此可以得出，芝麻作为开荒作物，对原荒地土壤本底值表现为吸湿水、pH、有机碳、有效磷的提升效应，以及对碱解氮、速效钾的降低效应；与自然长草对照处理相比，表现出pH、有机碳、有效磷的提升效应，以及吸湿水、碱解氮、速效钾的降低效应。

2.3 芝麻对新垦荒地后茬作物田间杂草种类和地上部鲜质量的影响

人工深耕垦殖干预后，原生境优势杂草粗叶耳草未被发现，经过前后茬作物的交互作用，作物田间出现了新的优势杂草如凹头苋Amaranthus lividus、酢浆草Oxalis triangularis、三叶鬼针草Herba bidentis pilosae、鲤肠EcIipta prostrata、繁缕Stellaria media等。其中，除自然长草-自然长草处理区外，其他处理小区均发现了凹头苋。

图 2为新垦荒地前后茬作物交互作用后田间杂草种类总数的调查结果。由图 2可以看出，各处理杂草种类存在明显的差异。其中自然长草-自然长草处理杂草种类最少，为4.12种，比杂草种类最多的自然长草-萝卜（15种）少了10.88种，差异显著；前茬作物为芝麻处理组，杂草种类最少的为芝麻-自然长草处理（5.67种），与芝麻-萝卜处理（11.67种）和芝麻-玉豆处理（10种）间差异达显著水平，但芝麻-萝卜与芝麻-玉豆处理间差异不显著。此外，芝麻-自然长草处理杂草种类总数比大豆-自然长草（11种）处理少了5.33种，达显著差异水平，说明新垦荒地种植1茬作物后如若休耕，则开荒作物选芝麻比大豆有更好的控制杂草种类的效果；芝麻-玉豆处理杂草种类总数比玉米-玉豆处理（14种）少4种，差异达显著水平，说明当新垦荒地后茬作物为玉豆时，前茬选择芝麻控制杂草种类的效果优于选择玉米。

由图 3可以看出，新垦荒地前后茬作物交互作用后各处理田间杂草地上部总鲜质量的有较大差异。从组间差异来看，杂草地上部鲜质量最大的为自然长草-自然长草处理，达2 698.6 g·m^-2，显著高于芝麻-自然长草处理（944.13 g·m^-2）、大豆-自然长草处理（863.2 g·m^-2）和玉米-自然长草处理（1 482 g·m^-2），芝麻-自然长草和大豆-自然长草处理之间差异不显著。说明新垦荒地种植1茬作物后休耕，前茬种植芝麻和大豆均可以显著抑制杂草地上部鲜质量，且比玉米的抑制效果要强。从组内差异方面来看，新垦荒地前茬种植芝麻后，后茬自然长草（即休耕）杂草的地上部鲜质量与种植萝卜处理（1 639.13 g·m^-2）间差异达显著水平，但后茬休耕与种植玉豆对田间杂草地上部鲜质量影响则差异不显著。

3 讨论与结论 3.1 后茬作物产量分析

古书记载芝麻作为开荒作物已有悠久的历史。芝麻作为开荒作物，对后茬萝卜和玉豆的产量有显著的提升效应。Albuquerque等^[16]研究认为前茬作物释放的化感物质会影响土壤中养分释放与转化，不利于后茬作物吸收。植物释放的次生代谢物会对后茬作物养分吸收^[17]、营养元素间的交互作用^[18-19]和土壤氮循环^[20-21]等产生较大影响。芝麻作为先锋作物对后茬作物产量的提升效应明显与土壤理化性质的改变有关，种植芝麻提升了新垦荒地吸湿水、pH以及有机碳和有效磷含量等指标。秦俊豪等^[14]研究认为，芝麻秸秆还田释放的养分对后茬作物幼苗生长起促进作用, 并影响化感物质的活性和化感作用的发挥。前茬芝麻对后茬萝卜的增产效果比后茬玉豆高，这与芝麻根系残留物或化感物质残留引起的后茬作物养分吸收、营养元素间的交互作用及土壤氮循环变化是否有关，或者前后茬作物营养吸收互补是否有关，这对于选择搭配后茬作物有重要意义，值得进一步研究探讨。

3.2 土壤理化性质变化分析

有研究结果表明，土壤有机碳含量年际间变化与播种量呈显著正相关，与作物产量呈显著负相关^[22]。本研究结果中芝麻作为开荒作物，对土壤有机碳和pH有一定的提升效应，分析原因可能有2个方面：一方面测试本底值的土壤采自原荒地深翻后的表层土，因此营养物质含量有限，而后期土壤理化性质数据来源于作物收获后单独翻耕前的表层土，是开荒作物凋落物、根系和微生物密布的主要土层，且种植期间采用人工洒水的方式灌溉，有助于芝麻凋落叶及残茬腐解从而影响pH和有机碳含量；另一方面是由于芝麻采用传统的撒播方式播种，而对照玉米和大豆为传统点播，芝麻的播种量明显增多，覆盖度增大，且种植芝麻时为春夏季节的高温高湿时期（3—7月），芝麻凋落叶和后期残茬根系等较容易腐解形成土壤有机质，从而直接提高了土壤有机碳含量。

秦俊豪等^[14]的研究表明，芝麻秸秆吸收较多的磷钾养分, 芝麻秸秆还田对土壤速效磷、速效钾含量提高比花生和田菁秸秆大。李威联等^[11-12]研究也表明，芝麻秸秆含有丰富的有机质和氮磷钾等，秸秆还田能提高土壤有机质、氮磷钾全量和速效氮磷钾含量。刘卫群等^[26]研究认为，芝麻饼肥处理能够提高烟株对氮素的吸收、利用和分配，提高烟叶总糖和钾含量。新垦荒地具有肥力较为贫瘠且分布不均的特点，本试验设计中首茬开荒作物未施任何肥料，芝麻作为开荒作物降低了新垦荒地土壤碱解氮和速效钾的含量，这可能与土壤的原肥力和芝麻营养吸收规律^[24]有关，也可能与芝麻根系对土壤微生物群落的改变^[25]有关。

3.3 后茬作物田间杂草影响分析

李威联等^[11-12]的研究结果表明，芝麻对香附子Cyperus rotundus、白茅Imperata cylindriea、铺地黎Panicum repens等有抑杀作用。华菊玲等^[25]研究表明，芝麻地杂草主要以禾本科的马唐Digitaria sanguinalis、稗Echinochloa crusgalli为主，出现频率为38.46%。本研究芝麻作为开荒作物，后茬作物田间未发现香附子等杂草，最主要的3种杂草为凹头苋、飞机草和三叶鬼针草。飞机草作为原生境优势杂草，具有很强的入侵性，有研究表明，禾本科或豆科牧草，对飞机草有一定的抑制作用^[26]，这也解释了本研究中芝麻-自然长草和芝麻-萝卜处理飞机草生物量较大，而芝麻-玉豆处理未发现飞机草的结论。严文斌等^[27]研究认为，土壤氮素过高对土著种鬼针草种子萌发有强烈的抑制作用，本研究中芝麻作为开荒作物，将土壤中消解氮降至原值10%，这也可能是其后茬作物中大量发现三叶鬼针草的原因之一。

本研究中杂草种类与地上部鲜质量分布规律不明显，种植芝麻、萝卜、玉豆等农作物后杂草种类比对照自然长草区明显增加，分析可能有2个方面原因：一是开荒前原生境杂草已经形成片区式生长环境，土壤质地和杂草种类分布不均匀^[25]，且前茬作物收获后每个处理小区均单独人工翻耕，可能会造成土壤杂草种子暴露，从而影响了后茬作物田间杂草种类；二是在荒地引入农作物，破坏了原生境杂草群落结构，同时不排除农作物种子带入杂草籽的可能性。芝麻品种与栽培技术对田间杂草种类影响差异较大^[10]。本研究仅种植芝麻1茬约3个月（3—7月份），随后立即种植后茬作物，可能对杂草的生长也有一定的影响。

古书中有关利用芝麻作为开荒作物以达到除草目的^[4]在本研究中并不明显, 可能原因是本试验是在南方高温多雨的季节进行, 有关的植物次生化感物质容易受炎热温度和多雨高湿的环境条件影响而快速分解, 而后茬作物地上主要的杂草是入侵性极强的恶性杂草三叶鬼针草, 其对养分的竞争和化感物质的响应能力均与一般杂草有很大不同。

3.4 结论

在传统农业中，利用芝麻作为开荒作物比自然长草的对照和种植玉米能显著促进后茬作物萝卜和玉豆的生长；种植芝麻能够改变新垦荒地土壤理化性质，显著提高土壤pH、吸湿水以及有机碳和有效磷的含量；利用芝麻作为开荒作物对于除草效果不明显。此外，本研究以大田试验的方式，划区后将各处理随机种植不同种类前后茬作物，且每区独立翻整，种植作物后统一管理，这种方式比温室盆栽模拟试验更能反映现实田间土壤和气候条件, 对于研究芝麻作为开荒作物的应用价值更有实际意义。