生物炭在蚯蚓堆肥整个过程中对气体排放和微生物群落的调节作用

生物炭粒径与添加量对蚯蚓堆肥过程中气体排放及微生物群落的影响研究。通过对比不同粒径（0.05mm、0.50–3.35mm、3.35–8.00mm）和添加量（5%、10%）的生物炭对预堆肥及蚯蚓堆肥阶段氨、一氧化二氮、甲烷及二氧化碳排放的影响，发现细颗粒生物炭（0.05mm）在10%添加量时最佳，总气体排放分别降低40.28%、42.63%、63.39%，同时提升有机质降解与氮保留效率，并通过调控关键微生物（如Anaerolinea、Haliangium等）及碳氮循环相关基因（mcrA、pmoA-amoA等）实现减排机制。

　　

刘媛|刘兆军|常建宁|王玉彤|党佳佳|刘娜|常明昌|大城浩也|张海波|程红燕

山西农业大学资源与环境学院，晋中市，030801，中国

摘要

将生物炭加入蚯蚓堆肥中已被证明可以有效减少气体排放。然而，现有研究主要关注单一生物炭粒径，忽略了堆肥前阶段的气体排放以及蚯蚓肠道微生物群对气体排放的粒径依赖性反应。本研究探讨了不同粒径（0.05毫米、0.50–3.35毫米和3.35–8.00毫米）和不同添加量（5%和10%，重量比）的生物炭对堆肥前和蚯蚓堆肥过程中气体排放的影响及其潜在机制。结果表明，高添加量（10%）的细粒生物炭（0.05毫米）在减少气体排放方面最为有效，氨气排放减少了40.28%，一氧化二氮减少了42.63%，甲烷减少了63.39%。同时，有机物的降解和氮的保留也得到了改善，发芽指数达到了204.11%。生物炭的添加不仅通过吸附作用减少了气体排放，还改变了与气体排放相关的核心微生物的丰度，包括底物中的Anaerolinea、Devosia和Gemmatimonas，以及蚯蚓肠道中的Haliangium、norank_o_Microtrichales和Bacillus。这种生物炭显著下调了mcrA、nirS和nirK基因的丰度，同时上调了pmoA-amoA和nosZ基因，从而减少了甲烷、一氧化二氮和氨气的排放。此外，它还促进了蚯蚓的繁殖，并增加了Bacillus的丰度，这可能会增加二氧化碳的排放。总之，添加10%的细粒生物炭可以有效减少甲烷排放和氮损失，同时提高蚯蚓堆肥过程的 compost 成熟度。这些发现为生物炭在蚯蚓堆肥系统中的应用提供了实际指导。

引言

农业和畜牧业产生了大量的固体废物，包括畜禽粪便、作物残渣和废弃蘑菇培养基（Ansari等人，2023年；Shan等人，2021年）。这些废物的不当处理可能导致土壤和地下水污染、异味以及病原体的滋生（Wang等人，2021年，2024b年）。蚯蚓堆肥是一种利用蚯蚓和微生物的协同作用来回收有机废物的有效方法（Duan等人，2024年）。然而，蚯蚓堆肥过程中常常伴随着氨气（NH₃）和温室气体（GHG）的排放，包括一氧化二氮（N₂O）和二氧化碳（CO₂），这些气体是通过矿化、硝化和反硝化过程产生的（Li等人，2025年；Zhong等人，2023年）。先前的研究表明，在蚯蚓堆肥过程中，氮以N₂O的形式流失，碳以甲烷（CH₄）和CO₂的形式流失（Chan等人，2011年；Hobson等人，2005年；Lv等人，2018年）。此外，温度升高会导致堆肥前阶段NH₃和CO₂的排放增加（Yang等人，2020年）。这些不可避免的气体排放减少了蚯蚓堆肥过程中的氮保留，降低了最终产品的质量，并可能造成二次环境污染（Ji等人，2023年）。因此，寻找有效的减少蚯蚓堆肥过程中气体排放的方法非常重要。

生物炭是一种富含碳的材料，由生物质热解产生，许多研究表明将其用作堆肥和土壤改良剂可以有效减少温室气体排放（Ding等人，2023年；Geng等人，2024年；Sanchez-Garcia等人，2015年）。作为一种填充剂，生物炭也被用于基于蚯蚓的系统中。据报道，在污泥和木屑混合物中添加生物炭可使蚯蚓的繁殖率在四周内增加213%（Malińska等人，2017年）。此外，研究发现生物炭可以减少蚯蚓堆肥过程中的NH₃（24.93%–66.23%）和N₂O（14.91%–55.12%）排放（Gong等人，2023年）。Wu等人（2023年）观察到，在蚯蚓堆肥过程中添加20%和25%的生物炭可以显著减少N₂O排放。在绿色废物和鸡粪的蚯蚓堆肥过程中，添加5%的竹炭可以减少NH₃排放（Jin等人，2025年）。这可能是由于生物炭改变了堆肥的孔隙度、阳离子交换能力、通气率等物理化学性质，从而影响了气体排放（Jiang等人，2021a年；Wang等人，2017年）。生物炭的物理化学性质，如比表面积、颗粒形态和元素组成，受粒径的影响（Li等人，2025年）。然而，以往关于生物炭对蚯蚓堆肥气体排放影响的研究大多只使用了单一粒径（Gong等人，2023年；Jin等人，2025年），忽略了生物炭粒径对气体排放和堆肥微环境的潜在影响。

此外，研究表明生物炭显著影响了传统堆肥过程中微生物群落的多样性和物种丰富度（Dang等人，2024年；Jiang等人，2021a年；Liu等人，2023年）。与传统堆肥相比，蚯蚓堆肥由于蚯蚓的存在，形成了一个独特而复杂的微生态系统，涉及蚯蚓肠道微生物组、蚯蚓洞穴周围的drilosphere以及蚯蚓排泄物（Panda等人，2022年；Raza等人，2024年）。将生物炭引入蚯蚓堆肥中形成了一个协同的“生物炭–蚯蚓–微生物”系统。然而，现有的关于生物炭调节蚯蚓堆肥的研究主要集中在底物微生物群落上，以解释NH₃和温室气体的减少，往往忽略了蚯蚓肠道微生物组及其对生物炭的反应（Gong等人，2023年）。此外，尽管蚯蚓堆肥包括堆肥前和堆肥两个阶段，但大多数研究集中在堆肥阶段的气体排放上，忽略了堆肥前阶段的气体排放（Gong等人，2023年；Panda等人，2022年；Wang等人，2014年）。因此，迫切需要从“生物炭–蚯蚓–微生物”系统的角度全面了解生物炭添加如何影响堆肥前和堆肥阶段NH₃和温室气体的排放及其潜在机制。

如上所述，以往关于生物炭改良蚯蚓堆肥的研究仅限于单一粒径生物炭对堆肥阶段气体排放的影响，而忽略了堆肥前阶段的气体排放以及蚯蚓肠道微生物群对气体排放的粒径依赖性反应。为了解决这些研究空白，本研究在整个牛粪（CM）和Auricularia heimuer废弃培养基（SSA）的蚯蚓堆肥过程中加入了生物炭，旨在：1）研究不同粒径和添加量的生物炭对堆肥前和堆肥阶段NH₃和温室气体排放的影响；2）探讨与气体排放相关的微生物群落组成（包括底物和蚯蚓肠道）和功能基因丰度的变化；3）阐明生物炭基于关键碳和氮循环途径影响气体排放的机制。总体而言，本研究为生物炭在调节蚯蚓堆肥过程中气体排放的作用提供了新的视角。

实验材料

牛粪（CM）来自中国山西省太古区的一个奶牛场。Auricularia heimuer废弃培养基（SSA）来自中国山西省吕梁区的一个蘑菇生产基地，被切碎成5–10毫米的碎片。竹炭（在700°C下热解）由河南利泽环保科技有限公司提供，并筛分为三种粒径：小粒（0.05毫米；SBC）、中粒（0.50–3.35毫米；MBC）和大粒（3.35–8.00毫米；LBC）。成年Eisenia fetida蚯蚓（有环带；平均重量0.40 ± 0.18克）被

气体排放

如图1a所示，堆肥前阶段NH₃的排放量在第5天达到峰值。这可能是由于高温和pH条件促进了NH₄⁺向NH₃的转化（Li等人，2022年）。之后，NH₃的排放量有所下降，并持续波动直至堆肥结束。含有生物炭的处理组的总NH₃累积排放量低于对照组。因此，认为加入生物炭可以减少NH₃的排放

结论

在整个蚯蚓堆肥过程中，添加生物炭有效减少了NH₃、N₂O和CH₄的排放。生物炭的粒径和添加量显著影响了NH₃和温室气体的释放。高添加量（10%）的细粒生物炭（0.05毫米）使NH₃、N₂O和CH₄的排放量分别减少了40.28%、42.63%和63.39%，同时CO₂的排放量略有增加（1.35%）。相应的有机物降解和氮的保留也得到了改善

作者贡献声明

刘媛：撰写——初稿、可视化、软件应用、方法论、数据分析。刘兆军：调查、数据分析。常建宁：撰写——审稿与编辑、概念构思。王玉彤：调查、数据分析。党佳佳：调查、数据分析。刘娜：验证、方法论。常明昌：项目管理、资金筹集。大城浩也：资源支持。张海波：撰写——审稿与编辑、项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52100149）和山西省重大科技项目（编号：202301140601015）的财政支持。