超磷酸盐驱动的低pH环境可降低粪便堆肥过程中的温室气体排放

《Bioresource Technology》：Superphosphate-driven low-pH regime reduces greenhouse gas emissions during manure composting

　　

杨宇晨|李慧洁|吴潘|彭双|华青青|周蓓蓓|王一鸣|林香桂

中国科学院土壤研究所土壤与可持续农业国家重点实验室，南京 211135，中国

摘要

在粪便堆肥过程中，添加剂被广泛用于减少温室气体（GHG）排放，但不同添加剂组合是否能够提高减排效果尚不明确。本研究比较了沸石、硫酸亚铁、过磷酸钙及其组合在牛粪堆肥中的应用效果。结果发现，单独使用过磷酸钙时表现出最强的减排效果，与对照组相比，累计CH₄和N₂O排放量分别减少了87%和38%。最佳组合处理（FL）使累计CH₄和N₂O排放量分别减少了52%和48%，表明FL在减少N₂O排放方面效果更好，而单独使用过磷酸钙则更有效地抑制了CH₄的产生，实现了整体最强的温室气体减排效果。这种效应与较低的pH值、较高的NH₄⁺–N保留率、较低的NO₃^–积累量以及细菌、古菌和功能基因谱型的明显变化有关。进一步的阶段性多元分析表明，pH值与后期的功能重组密切相关，而在考虑了环境变量后，处理方式本身仍然具有独立的影响。总体而言，有效的堆肥减排更依赖于建立有利的物理化学环境，而非增加添加剂的复杂性，过磷酸钙处理代表了该系统中最有效的低排放策略。

引言

畜牧业，特别是养牛业，会产生大量粪便，需要适当管理以避免环境污染和减少温室气体排放（Tang等人，2025年）。好氧堆肥已被广泛采用，通过微生物降解将粪便转化为稳定且富含养分的肥料（van den Bergh等人，2023年；Zhu等人，2025年）。然而，这一过程也会产生大量的气体排放，包括强效温室气体甲烷（28倍于CO₂）和氧化亚氮（265倍于CO₂），以及氨气，这些都会导致氮的流失（Hu等人，2024年；Liu等人，2024年）。据估计，中国每年的牛粪产量约为38亿吨，其供应在空间上往往与农田需求不匹配（Li等人，2024年；Wang等人，2025a年）。在这样的背景下，优化粪便处理方法对于减少环境和气候影响至关重要。

已经提出了多种策略来减少堆肥过程中的温室气体排放，包括优化通风、控制湿度以及添加膨胀剂（Jiang等人，2015年；Liu等人，2023b年）。其中，外源性添加剂如矿物质、化学试剂和微生物菌剂因其实用性和减排潜力而受到了广泛关注（Ansari等人，2023年）。例如，生物炭和沸石可以改善堆肥堆的孔隙度并吸附氨气，而硫酸亚铁和过磷酸钙可以改变氧化还原条件和底物可用性，从而影响与气体产生和氮转化相关的微生物过程（Du等人，2024年；Yadav等人，2024年）。

尽管通常认为多种添加剂通过同时针对不同的排放途径可以提供更强的减排效果（Cao等人，2019年），但其效果并不简单地取决于添加剂的数量或化学复杂性。减排结果取决于添加剂如何重塑堆肥环境，以及它们是促进还是抑制关键的微生物过程，如甲烷生成、甲烷氧化、硝化作用和反硝化作用（Geng等人，2024年）。此外，许多先前的研究主要关注最终的气体排放或碎片化的微生物群落模式，这限制了对系统级功能响应和细菌与古菌之间跨领域相互作用的理解（Feng等人，2025年；Zhou等人，2024年）。因此，添加剂引起的环境变化、微生物群落组装和功能响应之间的联系尚未得到充分解析，这限制了可靠减排策略的合理设计。

本研究基于这样一个假设：减排效果可能更多地取决于添加剂是否能够持续调节关键的环境条件，而不是是否组合了多种添加剂。在潜在的调节因子中，pH值与堆肥过程中的甲烷生成、硝化-反硝化作用、氨气挥发和硫转化密切相关（Luo等人，2024年）。同时，pH值并非唯一的因素，因为添加剂衍生的成分也可能通过离子相关和底物相关效应影响微生物代谢和群落组装。为此，选择了沸石（F）、过磷酸钙（G）和硫酸亚铁（L），因为它们在堆肥过程中代表不同的但可能互补的作用方式，包括吸附和结构调节、酸化作用和磷相关效应以及铁相关的氧化还原调节。因此，包含了组合处理（FL和FGL），以测试整合这些不同功能是否比单独使用添加剂能更好地减少温室气体排放。同时，由于多种添加剂也可能产生重叠或竞争的物理化学效应，预计组合处理将提供一个机会来检验它们的相互作用是互补还是相互抵消的。

因此，本研究评估了单一添加剂及其组合在减少牛粪堆肥过程中温室气体排放方面的效果。通过实时气体监测、细菌和古菌群落的高通量测序以及功能基因量化，研究了不同处理条件下的物理化学和生物响应。目的是确定建立更有利的物理化学环境是否比多添加剂干预能获得更一致的减排效果，并阐明与这些响应相关的生态机制。

章节摘录

堆肥实验

在中国广东省惠州市的一个选定农场收集了新鲜的牛粪。堆肥材料由新鲜牛粪和稻谷糠组成，新鲜重量比为4:1，堆肥堆的含水量调整至约60%。原材料和添加剂的详细信息见补充材料。

堆肥实验持续了46天，并根据堆肥管理分为两个阶段。第一阶段对应于15天的条堆阶段...

堆肥的物理化学性质

不同处理下的底物pH值表现出不同的动态（图1c）。处理间初始pH值的显著差异主要归因于添加剂的即时物理化学效应。作为酸性改良剂的过磷酸钙直接降低了初始pH值，硫酸亚铁在溶解后也促进了pH值的下降，而沸石的直接影响较弱，主要通过吸附和阳离子交换作用影响堆肥基质...

讨论

通过多时间点的物理化学特性分析、气体监测、微生物群落分析和功能基因分析，本研究表明，不同添加剂的减排效果主要取决于每种处理方式如何随时间重塑堆肥环境，而不仅仅是添加剂的数量。在所有处理中，过磷酸钙（G）产生了最一致的总体减排效果，特别是对CH₄的强烈抑制...

结论

本研究表明，过磷酸钙是减少牛粪条堆堆肥过程中温室气体排放最有效的添加剂，与对照组相比，累计CH₄和N₂O排放量分别减少了87%和38%，总GWP减少了62%。这一优势与建立相对较低且更稳定的pH值环境有关，同时具有更高的NH₄⁺–N保留率和较低的后期NO₃^–积累量。

未引用的参考文献

Liu等人，2023年；Liu等人，2023年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年。

CRediT作者贡献声明

杨宇晨：撰写——初稿、可视化、方法学、调查研究、数据分析、概念化。李慧洁：调查研究、概念化。吴潘：方法学、调查研究。彭双：撰写——修订与编辑、调查研究。华青青：撰写——修订与编辑。周蓓蓓：撰写——修订与编辑、项目管理、概念化。王一鸣：撰写——修订与编辑、监督、项目管理。林香桂：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点技术研发计划（2023YFD1702200）和江苏省“333高层次人才培训项目”的支持。