近年来我国设施栽培迅速发展，由于长期覆盖栽培和高度集约经营，设施土壤质量退化现象越来越突出，主要表现为次生盐渍化、酸化、养分失调、微生物区系破坏、有害物质积累等几个方面^[1]，严重制约了设施农业的可持续发展，因此设施土壤的改良越来越受到关注^{[2, 3, 4, 5]}。农林废弃物的逐年增加会对生态环境造成威胁，将其用于改良土壤，经济、实用且环保，既解决了废弃物的污染，又实现了它的资源化利用，因而成为新的研究热点^{[6, 7]}。

园林废弃物堆腐物可以改善土壤结构，增加土壤孔隙度，提高土壤的渗透性，降低土壤pH值和含盐量，因此适宜用来改良土壤^{[8, 9]}。生物炭（Biochar）一般是指生物质如木材、农作物废弃物、植物组织或动物骨骼等在完全或部分缺氧和相对温度“较低”（<700 ℃）条件下热裂解而形成的固态产物^[10]。与土壤相比，生物炭具有较大的孔隙度和比表面积^[11]、较高的pH、阳离子交换量（CEC）和C/N^{[12, 13]}。在作物生产领域，大量研究表明生物炭施于土壤不仅快速提升土壤稳定性碳库，而且有利于形成较大的孔隙度和比表面积，降低土壤容重^[14]、提高土壤pH值和CEC^[15]、提高总孔隙度^[16]、降低土壤中K+、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的含量^[7]、降低土壤中硝态氮的淋失^[17]、提高作物产量^[18]，而且生物炭富含稳定的碳元素，理化性质稳定，抗生物分解能力强，用于还田改土具有可持续和累积发挥作用的基础。因此，生物炭在土壤改良方面的应用前景广阔^{[19, 20]}。

以往的研究集中在单一废弃物的应用方面，对于不同废弃物的综合比较及搭配使用的研究较少。本文选用生物炭和园林废弃堆腐物两种材料对设施蔬菜的土壤进行改良，并分析两者对蔬菜产量的影响，进而对两种材料进行综合评价，并确定最佳用量，以期为京郊有机废弃物的科学、合理利用提供依据。 1 材料与方法 1.1 试验时间、地点

田间试验于2013年10月至12月在北京大兴区长子营镇白庙村温室进行，该温室已种植蔬菜12年，有盐渍化现象，土壤基础理化性状为：有机质1.21%，全氮0.103%、pH值7.32，硝态氮12.33 mg·kg^-1，速效磷50.72 mg·kg^-1，速效钾130.21 mg·kg^-1。

种植蔬菜为京研快菜。10月8日播种，12月30日收获。 1.2 试验材料

园林废弃堆腐物由园林废弃物经过粉碎、堆腐制得（市场购买）。pH值7.74，EC值1022 μS·cm^-1，全氮1.62%，全磷0.43%，全钾1.20%。

生物炭由玉米秸秆、棉籽壳经粉碎、压型，在高温400 ℃厌氧条件下通过干馏、分离等工序制得（市场购买）。pH值10.84，EC值4325 μS·cm^-1，CEC 13.0 cmol·kg^-1，全氮1.25%，速效磷238 mg·kg^-1，速效钾1625 mg·kg^-1。 1.3 试验设置

试验设6个处理：无添加（CK）；添加园林废弃堆腐物5 t·hm^-2（G5）；添加生物炭10 t·hm^-2（B10）；添加园林废弃堆腐物5 t·hm^-2和生物炭5 t·hm^-2（G5B5）；添加园林废弃堆腐物5 t·hm^-2和生物炭10 t·hm^-2（G5B10）；添加园林废弃堆腐物5 t·hm^-2和生物炭15 t·hm^-2（G5B15）。废弃物的施用方式均为撒施地表后旋耕至0~30 cm表层土中。每处理的小区为8 m×3 m，随机排列，株行距为15 cm×15 cm，灌溉采用畦灌。施肥为常规施肥，施肥量各处理相同，基肥为120 m3·hm^-2农家肥，750 kg·hm^-2复合肥（15-15-15），追施尿素1次，用量为450 kg·hm^-2。 1.4 测定指标及测定方法

每个处理小区取3个连续的10株，分别称重，然后根据棚内株数计算总产量。土壤样品在快菜收获后采集，用20 cm环刀取表层土，每个处理3个重复。土壤容重的计算采用公式“容重=重量/体积”^[21] ，即环刀内土壤重量比环刀体积；土壤密度的测定采用比重瓶法^[21]；土壤孔隙度由公式“孔隙度=1-容重/密度”计算得到；土壤质量含水量用烘干法测得；表层土壤贮水量由公式“贮水量=密度×表层土壤体积×质量含水量”计算得到，表示1 hm2面积的20 cm表层土壤中贮存的水分总量；土壤硝态氮需要用鲜土测定，其余化学指标均用风干土测定。土壤硝态氮的测定用紫外分光光度法^[21]，CEC的测定用氯化铵乙酸铵法^[21]；土壤交换性钠、钙、镁依据标准NY/T 1615—2008测定；钠碱化度（ESP）计算得到，为交换性钠离子占交换性阳离子总量的百分数；钠吸附比（SAR）计算得到，为溶液中钠离子浓度与钙镁浓度之和的平方根的比值。 1.5 统计分析

采用Excel 2007完成对试验数据的整理、计算和作图。通过SPSS17.0统计软件进行单因素方差分析（One-way ANONA），多重比较采用Duncan′s 新复极差法进行差异显著性检验，显著性水平设为0.05，结果以“平均值±标准误”表示。通过SPSS17.0统计软件的2×2双因素方差分析进行析因分析。 2 结果与分析 2.1 添加两种废弃物对土壤物理性状的影响 2.1.1 密度

各处理土壤密度值均分布在2.6~2.8 g·cm-3之间，而且处理间无显著性差异（表 1），析因分析也得到同样的结论（表 2），说明本研究中园林废弃堆腐物和生物炭对土壤密度影响不大。

表 1 废弃物对土壤物理性质的影响 Table 1 Effect of wastes on soil physical properties

表选项

表 2 废弃物对土壤物理指标影响的析因分析 Table 2 Factorial analysis of waste effects on soil physical properties

表选项

添加废弃物处理的土壤容重显著低于对照。土壤容重的降低，有利于改善土壤结构、耕性与土壤微生态环境。由表 1可见，G5、G5B5和G5B15处理的土壤容重分别比对照降低了5.71%、4.29%、10.71%。两因素分析表明，园林废弃堆腐物的施用对降低土壤容重起主要作用，而10 t·hm^-2的生物炭用量对减少土壤容重的影响较小（表 2）。 2.1.3 土壤孔隙度

土壤孔隙度的提高，对于改善土壤水、气、热的环境条件和促进作物生长意义重大。添加两种废弃物的处理与对照相比均增加了土壤的孔隙度，但仅有G5B15处理达到了显著性差异，增幅达到12.58%（表 1）。两因素分析表明，G5和B10处理对提高土壤孔隙度作用不显著（表 2）。 2.1.4 土壤质量含水量

土壤含水量的增加是两种添加物吸水和保水功能的体现。由表 1可见，两种添加物均提高了土壤含水量，除G5处理与对照差异不显著外，施生物炭处理均显著高于对照，其中G5B15处理土壤含水量最高，比对照高12.68%。由表 2可见，园林废弃堆腐物5 t·hm^-2的用量对土壤含水量的影响不显著，生物炭对土壤含水量的增加起主要作用。 2.1.5 土壤贮水量

表层土壤贮水量除G5和G5B10处理与对照无显著性差异，其余处理均显著高于对照，B10、G5B5和G5B15处理的土壤贮水量分别比对照高10.06%、9.11%和13.39%。两因素分析表明，园林废弃堆腐物5 t·hm^-2的用量对土壤含水量的影响不显著，生物炭对土壤含水量的增加起主要作用。 2.2 添加两种废弃物对土壤化学性状的影响 2.2.1 阳离子交换量

CEC是衡量土壤保肥、供肥性能和缓冲能力的重要指标。添加废弃物的处理与对照相比，均显著提高了土壤的CEC值（表 3）。G5、G5B5、G5B10、G5B15和B10处理的CEC值分别比对照增加16.99%、13.40%、19.62%、19.14%和14.12%，处理间差异不显著。由进一步的两因素方差分析发现（表 4），园林废弃堆腐物和生物炭及二者的交互作用对CEC的影响均达到极显著水平，说明两种材料都能显著提高土壤CEC。

表 3 废弃物对土壤化学性质的影响 Table 3 Effects of wastes on soil chemical properties

表选项

表 4 废弃物对土壤化学指标影响的析因分析 Table 4 Factorial analysis of waste effects on soil chemical properties

表选项

由表 3可见，快菜收获后表层土壤的硝态氮含量表现为添加两种废弃物的处理都显著高于对照。G5最高，达到238.45 mg·kg^-1，混和处理G5B5、G5B10和G5B15分别比G5低38.6%、57.8%和53.4%。B10含量为83.42 mg·kg^-1，与G5B10和G5B15无显著性差异。对NO₃含量进行的两因素方差分析说明，园林废弃堆腐物和生物炭及其交互作用对提高表层土壤硝态氮素的含量均有显著作用（表 4）。 2.2.3 交换性钠、钙、镁

交换性Na⁺是反映土壤碱化程度的一个指标，它的增加会引发土壤出现湿时膨胀、干时板结的现象，进而影响作物的生长发育。如表 3所示，G5和G5B15处理的交换性Na⁺含量与对照差异不显著，G5B5、G5B10和B10处理分别比对照降低7.40%、7.34%和12.48%。两因素方差分析结果表明生物炭对Na⁺含量影响最大（P<0.01），而园林废弃堆腐物对Na⁺含量的影响不明显，且二者的交互作用对Na⁺含量影响亦不显著（表 4）。

交换性Ca²⁺和Mg²⁺能够使土壤胶体有较强的粘结力，从而阻止土壤胶体的扩散，使盐土有良好的团聚性和导水、导气能力^[22]。如表 3所示，两种废弃物的加入提高了交换性Ca²⁺的含量，G5、G5B5、G5B10、G5B15和B10处理的Ca²⁺含量分别比对照增加30.40%、30.71%、48.20%、57.23%和50.29%。对Ca²⁺含量进行的两因素方差分析显示（表 4），两种废弃物及二者的交互作用对Ca²⁺含量的提高都有显著作用。两种废弃物对交换性Mg²⁺含量的影响有所差异，G5B5和B10处理的Mg²⁺含量与对照差异性不显著，G5B15、G5和G5B10处理分别比对照增加17.06%、13.55%和7.94%。对Mg²⁺含量进行的两因素方差分析显示，对Mg²⁺含量的提高起主要作用的是园林废弃堆腐物，10 t·hm^-2的生物炭施用量对Mg²⁺含量的提升作用不显著（表 4）。 2.2.4 土壤钠碱化度和钠吸附比

ESP常被用来作为碱土分类及碱化土壤改良利用的指标和依据。ESP为5%~10%为轻度碱化土壤，10%~15%为中度碱化土壤，15%~20%为强碱化土壤^[23]。本研究中各处理土壤碱化度均低于5%，说明供试土壤尚未发生碱化。除G5处理与对照无显著性差异外，其余处理均显著降低了ESP，B10、G5B5、G5B10和G5B15处理的ESP分别比对照降低23.53%、18.24%、22.35%和20.00%（表 3）。由表 4的两因素方差分析可见，对ESP起主要作用的是生物炭，园林废弃堆腐物则无显著影响。

SAR反映土壤中钙镁离子的存在对交换性钠离子的碱化作用的中和作用，也可以用于指导土壤的灌溉。SAR值15可以作为钠质土和非钠质土的划分标准^[24]。添加两种废弃物的处理均显著降低了土壤的SAR值（表 3），G5、B10、G5B5、G5B10和G5B15处理分别比对照降低7.86%、27.56%、18.82%、22.95%和23.03%。两因素方差分析显示，生物炭对显著降低SAR起主要作用（表 4）。 2.3 添加两种废弃物对产量的影响

由图 1可见，添加两种废弃物处理的产量均高于对照。两种废弃物单独施用时，B10处理的产量达到59.35 t·hm^-2，比G5高16.74%；混和施用处理中，随着生物炭用量的增加，产量呈现递增趋势，G5B15最高，达到60.97 t·hm^-2，比对照增加23.05%。

图 1 不同废弃物对产量的影响 Figure 1 Effects of different wastes on vegetable yields

图选项

本研究对土壤物理指标分析发现，添加生物炭和园林废弃堆腐物降低了土壤容重，提高了表层土壤的质量含水量和贮水量，增加了孔隙度但效果不显著，对土壤密度基本无影响，与多数研究结论相似^{[15, 16]}。但是两种废弃物的作用并不完全相同：对于土壤容重，园林废弃堆腐物5 t·hm^-2的用量影响显著，而生物炭5 t·hm^-2和15 t·hm^-2的用量影响显著，10 t·hm^-2的用量则不显著，说明对于土壤容重的影响，废弃物的用量是一个不容忽视的因素。生物炭对表层土壤的质量含水量和贮水量影响突出，表明同等灌溉量的情况下，生物炭能够比园林废弃物保持更多的水分，可以提高根际水分的利用效率；同时，由于生物炭具有对表层土壤的保水能力，可以设置减量灌溉的试验进一步研究其节水能力，推动节水农业的发展。两种废弃物对孔隙度的作用不显著，可能因为供试快菜生育期较短，而且生育期内灌溉方式为大水漫灌，灌水量充足，所以削弱了这两种材料对土壤孔隙度的影响。但是可以看出，生物炭在0~15 t·hm^-2范围内，随着用量的增加，土壤物理指标的改善效果越来越显著。这与生物炭的多孔结构是分不开的。

本文供试材料园林废弃堆腐物和生物炭都显著提高了土壤的CEC，与前人研究结果一致^{[15, 16]}。这是由于它们表面含有丰富的-COOH、-CHO和-OH等含氧官能团，这些含氧官能团可以改变土壤的理化性质与结构，使阳离子交换活动更加活跃，从而增加土壤阳离子交换总量，对提高土壤肥力与作物生长都具有积极作用^[25]。生物炭降低了交换性Na⁺含量，与钱晓雍等^[7] 的结论相同，而园林废弃堆腐物对Na⁺含量影响不大，可能是因为生物炭的吸附量大于解析量；两种添加物都增加了Ca²⁺和Mg²⁺的含量，与钱晓雍等^[7]的结论相反，可能是因为二者含有呈可溶态的灰分元素Ca、Mg，且释放出的养分含量高于两种材料所能吸附的养分含量，所以两种添加物能提高土壤的盐基饱和度，能够用作酸性土壤的改良剂^[26]，而对于碱性土壤作用不显著^[15]。生物炭对ESP和SAR的降低也起主要作用，而且随生物炭用量的增加该作用更加显著，因此生物炭可以作为改良碱化土壤的材料，其功效有待进一步深入研究。

本研究中添加两种材料后土壤硝态氮在收获期均显著高于对照，有可能是两种材料的多微孔构造和强吸附能力降低了硝态氮的淋失，与Clough等^[27]、Dempster等^[28]和杨放等^[17]的结论相同，也可能与供试材料释放出的硝态氮有关。本研究中两种材料混和添加的处理硝态氮低于G5处理，其原因一方面是生物炭对NO-3有较强的吸附作用^[29]，另一方面是生物炭的C/N比较高，从而导致氮素被微生物分解利用，再者混合施用处理快菜生长旺盛、产量高，吸收了较多的硝态氮。

本研究中两种材料无论单独添加还是混和添加，都显著增加了设施快菜的产量，而且生物炭的效果比园林废弃堆腐物显著，与Chan等^[30]、张万杰等^[31]的结论相似，支持了增产观点。两种废弃物的增产作用，可能与二者对土壤理化性质的改良有关，可能也与材料本身带入的养分有关。G5B10处理的产量低于B10，即生物炭10 t·hm^-2时，再添加园林废弃堆腐物，产量不但不会继续增加，反而会降低，说明虽然两种有机废弃物都有增产效应，但是两种效应并不是简单的叠加关系，应注意它们之间的配比。

本文结合单因素和两因素分析方法，综合分析了两种材料对土壤理化性质的影响，试验设置中，园林废弃堆腐物只采用了经验量5 t·hm^-2，没有设立用量梯度，所以损失了园林废弃堆腐物用量大小与生物炭用量大小交互作用产生的信息，需要进一步补充。废弃物对土壤的改良是对土壤物理、化学、生物性质等的综合改良过程，也是一个长期的过程，因材料不同、试验土壤不同、试验作物不同，效果会有差异。因此，对于设施蔬菜，下一步需要开展长期定位研究。 4 结论

生物炭和园林废弃堆腐物对设施快菜的土壤理化性状改良效果突出，均降低了土壤容重，增加了CEC、交换性Ca²⁺和土壤硝态氮含量；生物炭显著增加了表层土壤的质量含水量和贮水量，降低了交换性Na⁺、ESP和SAR的含量；园林废弃堆腐物对Mg²⁺升高起主要作用；两种材料的添加均显著增加了产量（G5B15和B10处理的增产量最高），且对土壤理化性状改良效果显著，适宜在京郊设施菜地应用。