有机肥生产过程中空气污染模式与养分组成的meta分析：减排策略对温室气体排放和肥料质量的综合影响

《Progress in Reaction Kinetics and Mechanism》：Synthesis of air pollution patterns and nutrient composition during organic fertilizer production: a meta-analytical study

这篇综述通过meta分析系统评估了堆肥过程中生物、化学、物理和机械控制措施对温室气体（GHGs：CH4、CO2、N2O）和挥发性有机物（VOCs）排放的减排效果及对有机肥质量的影响。结果表明，这些措施能显著提升堆肥温度（约48%）、促进养分保留（如全氮增加约89%）并降低环境毒性（发芽指数提升约73%），同时有效减少GHGs（如CH4和N2O排放分别降低约69%和83%）和恶臭物质排放。研究强调了原料类型和初始碳氮比（C/N）对排放特征的关键作用，为制定气候智能型堆肥协议提供了科学依据。

　　

引言

全球消费激增导致生物质废弃物急剧积累，预计到2050年将达到34亿吨。当前依赖填埋（37%）和露天堆放（33%）的废物处理方式不可持续，其释放的温室气体（GHGs）全球增温潜势可达二氧化碳（CO₂）的25–298倍。堆肥技术作为循环生物经济的关键环节，能将有机废物转化为营养丰富的肥料，但失控的堆肥过程会导致高达50%的总有机碳（TOC）和30%的全氮（TN）以CO₂、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氨气（NH₃）和挥发性有机物（VOCs）形式排放。为平衡减排与养分保存，研究聚焦生物（微生物接种剂）、化学（生物炭、石膏）、物理（曝气、膨松剂）和机械（翻堆频率、电场）四类干预措施。

材料与方法

通过系统检索Web of Science等数据库（2013–2025年文献），筛选出135项研究（1683组观测数据），采用响应比自然对数（ln RR）进行meta分析。数据涵盖堆肥理化参数（温度、TOC、C/N比）和有机肥质量指标（TN、发芽指数GI、腐殖酸HA），以及CH₄、N₂O、NH₃、CO₂、硫化氢（H₂S）和VOCs排放量。通过随机效应模型和结构方程模型（SEM）评估措施效果及变量间因果关系。

结果与讨论

1. 1.
   污染控制措施的整体效果
   措施显著提升堆肥温度（响应比RR=0.48），延长高温期以促进病原体灭活；降低C/N比（RR=-0.38）和TOC（RR=-1.60），标志有机质降解更彻底。肥料质量方面，TN保留量显著增加（RR=0.89），GI（RR=0.73）和HA（RR=0.29）上升表明毒性降低和腐殖化增强。气体减排效果突出：CH₄（RR=-1.14）、N₂O（RR=-1.76）、NH₃（RR=-1.53）和CO₂（RR=-1.51）减排显著，H₂S（RR=-0.53）与VOCs（RR=-0.54）也同步下降。
2. 2.
   关键调节因子分析
   • •
     原料类型：污水污泥对CH₄减排效果最佳（RR=-1.32），鸡粪对NH₃减排最有效（RR=-0.93），奶牛粪则显著降低N₂O（RR=-1.31）。
   • •
     膨松剂：玉米秸秆对CH₄（RR=-1.82）和N₂O（RR=-1.82）减排作用显著，木屑可降低VOCs排放达70%。
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     措施类型：压力曝气对CH₄（RR=-1.72）和VOCs（RR=-1.10）减排效果最佳；生物炭添加对NH₃（RR=-0.96）和N₂O（RR=-0.99）的吸附抑制效果突出。
   • •
     应用率与时间：措施用量增加对N₂O减排有正向影响，但延长堆肥时间可能增加CO₂和VOCs排放。
3. 3.
   因果关系网络
   SEM揭示措施通过负向路径直接减少GHGs排放（如H₂S路径系数-0.559），同时正向驱动TN（0.438）和HA（0.437）积累。但存在权衡关系：例如曝气减排N₂O可能加剧NH₃挥发，需结合化学添加剂协同调控。

结论

生物炭作为单一措施综合效益最优，兼具减排（NH₃、N₂O）和提质（促腐殖化）双重优势；压力曝气是GHGs减排的核心手段。原料特性（如高氮粪肥）显著影响措施有效性，实践需依据废弃物特性选择定制化策略。该研究为推进气候智能型堆肥协议提供了实证基础，助力循环农业与碳中和目标协同实现。