生物炭强化堆肥过程中有机质稳定与甲烷减排的协同机制及其对土壤健康的促进作用

为解决堆肥过程中甲烷(CH4)排放高、木质素降解效率低等问题，研究人员通过添加生物炭开展堆肥改良研究。结果表明，生物炭使家禽粪(PM)和牛粪(CM)堆肥的CH4排放分别降低4.6倍和3.7倍，木质素降解率提升1.5倍，并通过核磁共振(13C NMR)证实其稳定性增强。该研究为生产兼具农业价值与环境效益的高质量堆肥提供了新策略。

　　

堆肥技术的绿色革命：生物炭如何破解甲烷排放与有机质稳定的双重难题

在全球气候变化与土壤退化背景下，堆肥作为有机废弃物资源化利用的核心技术，其过程产生的甲烷(CH₄)排放和有机质不稳定性长期制约着环境效益。传统堆肥中，厌氧微环境导致CH₄排放激增，而木质素等顽固碳组分的低降解率则限制了堆肥产品的长期土壤改良效果。针对这一矛盾，日本Hirosaki University与西班牙Agrosystems Research Group的Keiji JINDO团队在《Soil》发表研究，通过引入生物炭这一“绿色催化剂”，系统解析了其对堆肥过程气体排放和碳转化的调控机制。

研究采用热重分析(TGA)和核磁共振(¹³C NMR)技术监测木质素稳定性，结合冗余分析(RDA)整合微生物群落数据。实验设计包含家禽粪(PM)和牛粪(CM)两组堆肥体系，分别设置生物炭添加(PM+B/CM+B)与对照组，通过静态箱法监测CH₄和CO₂排放动态，并测定ATP、脱氢酶等微生物活性指标。

CH₄排放与微生物调控
生物炭使PM和CM堆肥的CH₄排放峰值分别降至120 mg·m^-2·d^-1和8.4 mg·kg^-1 DM，降幅达4.6倍和3.7倍。RDA分析显示，CH₄排放与产甲烷基因mcrA、真菌生物量呈正相关，而CO₂则与低容重(BD)和革兰氏阴性菌关联，证实生物炭通过改善堆体孔隙结构抑制厌氧环境。

木质素降解与稳定性提升
生物炭使PM+B和CM+B的木质素降解率分别达29.0%和10.8%，较对照组提高1.5倍。¹³C NMR显示芳香碳峰(130 ppm)增强，芳香指数从21.5升至45.7，热重分析中W₂/W₁比值提升2.6-4.7倍，表明生物炭促进木质素转化为稳定芳香结构。

微生物代谢与堆肥成熟
非生物炭堆肥保留更多易降解碳(如碳水化合物)，导致ATP和β-葡萄糖苷酶活性更高。而生物炭组在6周即完成脱氢酶活性稳定，反映堆肥进程加速。碱性磷酸酶在生物炭组显著活跃，可能与phoD微生物群落增殖相关。

该研究首次阐明生物炭通过“物理结构-微生物-碳化学”三重机制优化堆肥过程：其多孔结构降低容重，促进好氧微生物占优；选择性富集放线菌等木质素降解菌；并通过芳香碳整合增强腐殖质稳定性。论文提出的“低CH₄-高木质素转化”协同路径，为开发碳中和农业技术提供了理论框架，未来需通过田间试验验证其长期土壤固碳效益。