通过碳生物可利用性管理，在樱桃番茄秸秆堆肥过程中协同促进腐殖化作用和污染气体的减少

《Environmental Pollution》：Synergistically promoting humification and polluting gas reduction in cherry tomato straw composting via carbon bioavailability management

生物可利用碳组分调控协同提升堆肥腐殖化水平与气体减排的机制研究，通过六组不同碳含量堆肥实验，从气体排放、堆肥特性、腐殖化程度及微生物群落结构四方面分析，发现当生物可利用碳比例（ACC1）超过60.31%时，腐殖化水平与气体减排可同步优化，且微生物群落通过介导作用实现协同效应，构建了多参数关联网络，揭示了碳组分关键作用。

　　在当前的农业废弃物处理领域，堆肥技术因其环保性和资源循环利用价值而受到广泛关注。然而，如何在堆肥过程中实现有机质的高效转化与污染气体排放的同步减少，依然是一个亟待解决的难题。尤其是在处理高木质纤维素含量的作物秸秆时，传统共堆肥方法（如使用畜禽粪便）往往难以满足高效堆肥和污染控制的双重需求。因此，探索如何优化碳源组成，特别是生物可利用碳的种类和比例，成为提升堆肥质量与减少环境污染的关键所在。

本研究以中国最大的樱桃番茄（*Solanum lycopersicum L.*）生产国的身份为背景，指出该作物的广泛种植每年会产生大量的秸秆废弃物。这些废弃物通常被直接还田，从而引发一系列环境问题，包括土壤污染、养分流失以及污染物气体的排放。为了应对这些挑战，堆肥技术被广泛应用于将作物秸秆转化为有机肥料。然而，由于樱桃番茄秸秆中木质纤维素含量较高，其生物降解过程较为复杂，尤其在仅依赖传统共堆肥方法时，降解效率受到限制。因此，优化碳源组成，尤其是生物可利用碳的比例，成为提升堆肥质量与减少污染气体排放的重要手段。

传统上，堆肥过程中碳氮比（C/N比）被认为是影响堆肥效果的关键因素。一般认为，C/N比在20-40:1之间为最佳范围，可以促进有机质的分解和转化。然而，这种方法在实际应用中存在一定的局限性，因为其适用范围较广，无法准确反映不同碳源组成的实际效果。当前，多数堆肥实践仅关注总C/N比作为评估指标，而忽视了碳源内部组成及生物可利用性对堆肥过程的影响。这种知识上的空白限制了对碳源可用性的优化研究，尤其是在实际堆肥场景中。

有机碳在堆肥过程中扮演着核心角色，不仅影响物质结构和能量转换，还在元素转化过程中发挥关键作用。Barrington等人（2002）指出，在堆肥过程中，C或N化合物的损失可能受到碳可用性的影响。这一现象的定量特征仍需进一步研究。Wang等人（2023）发现，在牛粪和鸡粪共堆肥过程中，增加生物可利用碳的比例可以提高腐殖酸含量。Lin等人（2024）则发现，可降解碳成分的增加可以提高蚯蚓堆肥肥料的质量，而难降解碳成分则有助于蚯蚓的繁殖。然而，过高的可降解碳比例可能导致堆肥堆过于紧密，从而限制氧气的扩散，对后期有机质的转化产生不利影响。

在黄瓜秸秆堆肥过程中，Chang等人（2019）指出，提高可降解碳的比例有助于减少气体排放，其依据是增加易降解有机物的比例至45%~50%可以确保合适的发酵基质（FAS），并提供足够的可利用有机物以生成超高温度。在大多数有机质中，热解性堆肥的降解顺序为：溶解有机物（DOM）>半纤维素>纤维素>木质素。DOM被认为是堆肥质量的重要指标，因为它在水溶性相中充当了大部分生化反应和微生物代谢活动的生物可利用介质。在热解性堆肥中，碳水化合物或蛋白质类物质是DOM生物可利用性的主要决定因素。然而，高浓度的DOM可能对应于更高的氨气（NH?）和二氧化碳（CO?）排放。这一现象主要是由于高DOM含量促进了堆肥微生物的代谢和呼吸活动。Wang等人（2021）发现，添加10%的惰性碳源可以减少25%的氮损失，并加快玉米渣堆肥的进程，其原因是核心微生物群落的中介作用。Zhou等人（2018）比较了不同来源的原料（植物和动物来源）对有机氮转化的影响，并得出结论：在易降解碳源处理下，氮的转化效果更好。因此，合理平衡生物可利用碳的组成对于加速粪便的腐熟过程，提高特定功能基团的聚合反应效率具有重要意义。

尽管许多研究指出，提高生物可利用碳的比例通常有利于堆肥的腐熟过程，但同时也引发了对污染气体排放的担忧。因此，实现高效堆肥与污染气体排放减少的协同平衡仍然是一个重大挑战，特别是在处理难降解碳源秸秆的有氧堆肥过程中，如番茄科作物秸秆和园林修剪废弃物等。这些废弃物通常具有较高的木质纤维素含量，其降解过程较为缓慢，且容易产生大量污染气体，如氮氧化物（N?O）和二氧化碳（CO?）。

不同原料的生物可利用性差异会导致堆肥过程的显著变化。值得注意的是，高质、高腐熟度的有机肥料的生产往往与减少堆肥过程中的污染气体排放目标相冲突。为了在秸秆堆肥过程中同时促进腐熟和减少污染气体排放，本研究提出了一种新的方法，用于管理堆肥原料中的生物可利用碳组成。通过在不同实验系统中定量评估生物可利用碳的组成，研究其对堆肥效果的影响。在本研究的实验中，对腐熟成分、气体排放、堆肥特性以及微生物群落结构进行了动态监测，以建立影响机制的网络。整体而言，本研究系统地构建了一个框架，用于分析生物可利用碳对堆肥协同效应的影响模式和机制。在实际应用中，本研究的成果可以作为选择和实施碳源调控策略的理论基础。

本研究的主要发现表明，提高生物可利用碳的比例可以增强有机质的转化，提高总养分和可利用养分的含量，并伴随堆肥腐熟度的提升。然而，生物可利用碳比例的轻微增加会导致一定程度上的气体排放上升，如二氧化碳当量排放。只有当生物可利用碳比例（ACC1）超过60.31%（临界值，T5处理）时，堆肥腐熟度和气体排放减少效果才能同步提升。在T5处理条件下，氮氧化物的减排率达到76.98%，其对全球变暖潜力的贡献降至21.0%。这表明，在特定的生物可利用碳比例下，堆肥过程中的环境效益得到了显著改善。

在本研究中，生物可利用碳成分直接参与了腐熟过程，同时也通过微生物群落的中介作用间接促进了堆肥的腐熟，并减少了污染物气体的排放。总体而言，本研究构建了一个复杂的网络，将生物可利用碳成分、堆肥特性、气体排放等要素相互连接，揭示了它们之间的相互作用机制。这一研究不仅为优化堆肥过程提供了理论支持，也为实际应用中实现堆肥质量提升、腐熟效率提高和污染气体减排的综合改进提供了实证依据。

通过定量评估不同实验系统中的生物可利用碳成分，本研究揭示了其对堆肥过程的多重影响。在实验过程中，对腐熟成分、气体排放、堆肥特性和微生物群落结构进行了动态监测，从而建立了影响机制的网络。这一网络的构建有助于深入理解生物可利用碳在堆肥过程中的作用，以及其对环境效益的潜在影响。研究结果表明，合理调控生物可利用碳的组成，可以有效提升堆肥的腐熟效率和产品质量，同时降低污染气体的排放。因此，在实际应用中，采用基于生物可利用碳的调控策略，有助于实现更加环保、高效的堆肥过程。

此外，本研究还强调了生物可利用碳在堆肥过程中的关键作用。在实际操作中，不同碳源的可用性差异会导致堆肥过程的显著变化。因此，如何在堆肥过程中合理选择和调控碳源的组成，成为提升堆肥质量与减少环境污染的重要课题。通过本研究的实验和分析，我们发现，当生物可利用碳的比例达到一定阈值时，堆肥过程中的腐熟效率和污染气体减排效果可以同步提升。这为未来堆肥技术的发展提供了新的思路和方向。

综上所述，本研究通过系统分析不同生物可利用碳比例对堆肥过程的影响，揭示了其在提升腐熟效率、改善堆肥质量以及减少污染气体排放方面的关键作用。研究结果表明，合理调控生物可利用碳的比例，不仅可以提高堆肥的腐熟程度，还可以显著降低污染气体的排放，从而实现环保与资源利用的双重目标。这一发现为未来堆肥技术的优化和推广提供了重要的理论依据和实践指导。