高温嗜热堆肥材料在低温条件下对堆肥过程的积极影响：来自大规模堆肥实验的见解

《Journal of Cleaner Production》：The positive effects of refluxing thermophilic compost materials on composting at low temperatures: insight into the large-scale composting experiments

低温条件下热性堆肥材料回流与微生物接种协同促进堆肥启动，通过物理升温（初始温度提升10℃）、化学营养强化（硫酸根和磷酸根含量分别增加48.23%和66.15%，腐殖前体物质增加25.23%）及生物学机制（有益菌群增殖如Firmicutes等）实现16天加速进入高温期，同时减少甲烷和氧化亚氮排放32.54%和62.3%。

　　

白冰|王丽霞|关发春|龚淑欣|梁爱珍|余鸿文

中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保护与利用国家重点实验室，中国长春，130102

摘要

在低温条件下抑制微生物活性对寒冷地区的堆肥启动是一个重大挑战。针对低温堆肥的快速启动技术仍然有限。本研究采用了一种结合策略，包括回流20%的嗜热堆肥材料（>50°C）和微生物接种。该方法取得了多重积极效果：（1）使初始堆温提高了10°C，降低了微生物活性的温度限制；（2）增加了营养盐含量和腐殖质前体物质，SO₄^2?和PO₄^3?的含量分别增加了48.23–66.15%，类似腐殖质的成分增加了25.23%，为促进微生物生长和腐殖化创造了双重有利环境；（3）刺激了有益微生物（如Firmicutes、Bacteroidota、Actinobacteriota和Proteobacteria）的增殖，这些微生物是高效的有机物分解者。结果，嗜热期的开始时间提前了16天，加快了堆肥启动并提高了效率。此外，该策略减少了温室气体排放，CH₄和N₂O的排放量分别减少了32.54%和62.3%。本研究揭示了通过物理（热传递）、化学（营养富集）和生物（微生物群落增强）维度回流嗜热堆肥材料的机制。这些发现为优化低温条件下的堆肥提供了理论基础，并为农业废弃物处理提供了低碳途径。

引言

堆肥是一种简单且成本效益高的生物处理方法，可将有机固体废弃物转化为富含大分子腐殖质的最终产品，显著提高土壤肥力和植物生长（Fan等人，2021年；Xing等人，2025年）。在影响堆肥质量的各种因素中，温度是决定进程顺利与否和效率的关键参数（Han等人，2024年；Liao等人，2023年；Pan等人，2024年）。当堆温和环境温度降至20°C以下时，微生物活性受到抑制，反应速率减慢，导致启动阶段延长甚至堆肥失败（Xie等人，2017年，2021年）。因此，在低温条件下实现快速堆肥启动受到了广泛关注。

接种适应寒冷环境的微生物已被证明是低温堆肥启动的有效方法，可以加速有机物（OM）的分解（Sun等人，2017年，2019年；Xie等人，2017年）。Wang等人（2024b）报告称，在冬季条件（-10至-3°C）下，通过接种适应寒冷环境的微生物，在第11天就达到了嗜热期（55°C）。进一步的研究表明，在10°C的受控条件下进行的57.6升反应器实验中，适应寒冷环境的微生物接种与50°C下半连续翻动的堆肥材料相结合，增强了rpoD和desA等适应寒冷环境基因的表达，从而比单独接种微生物时堆肥启动更快（Xie等人，2021年，2025年）。然而，与受控实验室环境不同，冬季的室外条件面临更多挑战（包括低环境温度、风和降雪），这可能导致粪便中的水分冻结。这不仅严重抑制了微生物生长，还加剧了材料的不均匀性。因此，需要进一步研究以确定材料回流或翻动的最佳比例和温度，并需要更广泛的验证来评估相关技术的田间表现。

目前，堆肥中的材料回流技术主要集中在成熟堆肥的回流上，这已被证明可以改善堆体的物理化学性质和微生物群落，从而提高堆肥效率并减少温室气体（GHG）排放（Liu等人，2023年；Wang等人，2018b）。堆肥是一个由微生物驱动的有机物降解过程。与成熟或加热的堆肥材料（40°C）相比，嗜热堆肥材料（>50°C）保留了更多的热能，可以直接提高堆温。此外，在嗜热期，有机硫和磷化合物被矿化为硫酸盐和磷酸盐，这些关键营养物质为微生物增殖提供了必要的能量和底物（Gao等人，2024年；Liu等人，2024年）。此外，在嗜热期Firmicutes是优势门类，已知它们可以增强堆肥过程中的有机物降解和碳水化合物代谢（Wang等人，2018b）。基于上述发现，本研究假设在低温条件下精确控制嗜热堆肥材料的回流比例可以通过物理（热）、化学（营养盐）和生物（微生物群落）机制的协同作用促进快速堆肥。然而，这一假设尚未通过实验验证。具体来说，嗜热堆肥材料回流引起的物理化学变化与微生物群落演替之间的耦合机制需要进一步探索。

为了评估“微生物接种–嗜热堆肥材料回流”策略的有效性，并阐明堆肥启动的机制，本研究进行了一项大规模的田间实验。主要解决了两个目标：（1）确定最佳回流比例并量化其对堆肥性能的有益影响；（2）从物理、化学和生物角度探索低温下快速堆肥启动的潜在机制。这些发现不仅为寒冷地区的堆肥提供了创新的技术解决方案，还对提高农业废弃物的资源利用具有重要意义。

实验设计

堆肥实验在中国吉林省长春市的中国科学院东北地理与农业生态研究所进行。牛粪和玉米秸秆来自长春的一个大型农场和农田。微生物剂由吉林省农业科学院农村能源与生态研究所提供，其活菌数为10⁹ cfu/g。该微生物剂由10种耐寒混合细菌群落组成

物理化学性质的变化

尽管本研究中的所有处理都成功启动，但在进入嗜热期的时间上仍存在显著差异（图1a）。具体来说，对照组（CK）的温度在前五天内几乎保持不变，到第23天逐渐升至50°C。相比之下，添加嗜热堆肥材料的处理组（MC）比CK提前9天进入了嗜热期。嗜热堆肥材料回流和微生物接种的结合显著提高了

结论

为了在低温条件下促进堆肥启动和效率，本研究采用了微生物接种和嗜热堆肥材料回流的结合策略。接种0.5%的微生物剂并回流20%的嗜热堆肥材料加速了有机物的降解和腐殖化。这种方法使嗜热期的开始时间提前了16天。同时，CH₄和N₂O的排放量分别减少了32.54%和62.3%。这些积极效果

作者贡献声明

白冰：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、数据整理。王丽霞：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金筹集。关发春：资源提供。龚淑欣：方法学、调查。梁爱珍：撰写——审稿与编辑。余鸿文：概念构思。

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报告的工作。

致谢

本研究得到了长春市科技发展计划（24SH14）和中国科学院的战略性优先研究计划（XDA28080400）的资助。