《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mitigation of ammonia and greenhouse gas emissions during composting process with different mineral additives: a meta-analysis
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氨和温室气体排放的矿物添加剂调控机制研究。通过元分析系统评估了矿物添加剂对堆肥过程中氨（NH3）、一氧化二氮（N2O）、甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排放的影响，发现添加剂效果高度依赖材料类型与堆肥条件（如C/N比、含水量、初始pH）。研究揭示特定矿物添加剂可显著降低氨和温室气体排放，但多数添加剂存在效果不稳定或负面效应。关键因素包括饲料类型（畜粪优于食品残渣）、环境参数的非线性响应以及添加剂与微生物互作的复杂性。该成果为精准选择添加剂和优化堆肥条件提供了科学依据。
作者：Evode Niyitanga、Dandan Li、Adharsh Rajasekar、Weishou Shen
单位：中国南京信息科学技术大学环境科学与工程学院大气环境监测与污染控制江苏省重点实验室，大气环境与设备技术协同创新中心，南京 210044
摘要
集约化畜禽生产的迅速扩张加剧了氨气和温室气体的排放，以及粪便堆肥过程中的养分损失，这凸显了制定有效缓解策略的必要性。人们提出使用矿物添加剂来减少这些排放；然而，其效果在不同堆肥系统中的表现差异很大。本研究通过全面的元分析系统评估了矿物添加剂对堆肥过程中氨气（NH?）、一氧化二氮（N?O）、甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）排放的影响。结果表明，不同添加剂类型的排放响应存在显著差异，只有少数添加剂表现出持续的减排效果。相比之下，其他添加剂的效果较弱、不稳定或甚至具有负面影响。除了添加剂本身外，原料类型、水分含量、碳氮比（C/N比）和初始pH值也是影响气体排放响应幅度和方向的主要因素。与食物和有机废弃物相比，畜禽粪便和污泥通常能带来更强的、更稳定的减排效果；而水分、碳氮比和pH值条件则会导致非线性的、特定于气体的排放响应模式。这些发现表明，矿物添加剂并不能提供统一的排放控制效果，有效的减排需要协调优化添加剂的选择和堆肥条件。本元分析为制定针对特定条件的策略以减少气体排放并提高堆肥系统的可持续性提供了有力的证据支持。
引言
大规模集约化畜禽养殖的迅速发展，特别是在中国，产生了大量的动物粪便。到2020年，畜禽生产产生了约44亿吨粪便，其中含有约5320万吨氮、磷和钾，相当于全国化肥消耗总量的近89%[1]。尽管畜禽粪便是有机肥料生产的宝贵资源，但其不当管理和处理会导致严重的环境影响，包括养分流失、异味排放和气体污染。这一问题因中国对合成肥料的高需求而更加突出，中国消耗的合成肥料占全球总量的近35%，而其人口仅占世界人口的约18%[2]。
好氧堆肥被广泛认为是稳定畜禽粪便并将养分循环回农业土壤的有效方法，当工艺条件得到适当优化时，它还被视为一种低碳废物管理方式[3]。然而，堆肥过程会释放大量的NH?和温室气体（GHGs），包括CO?、CH?和N?O[4]。这些排放不仅代表了显著的养分损失（尤其是氮素损失），还会加剧空气污染和气候变化。堆肥过程中的排放动态受多种物理化学和生物因素的影响，如温度、水分含量、通风和微生物活性[5][6]。先前的研究表明，堆肥可能导致初始氮含量的16-74%流失，其中NH?占氮损失总量的15-39%，N?O占0.1-9.9%，而CH?排放约占碳含量的0.8-6%[7]。在这些排放物中，CH?和N?O特别值得关注，因为它们的全球变暖潜能值（GWP）分别约为CO?的28倍和256倍[8]。农业部门占全球人为温室气体排放量的10-12%，其中畜禽粪便管理是一个重要来源。此外，农业还占全球人为N?O排放量的近60%，而N?O是一种具有强臭氧消耗潜力的长期存在的气体[9]。因此，有效减少堆肥过程中的NH?和温室气体排放对于提高氮素利用效率、减轻环境负担和促进可持续粪便管理至关重要。
为了减少NH?和温室气体排放并提高堆肥质量，人们在堆肥过程中使用了多种添加剂。其中，矿物和化学改良剂（如过磷酸钙、氢氧化镁和磷石膏）通过调节堆肥pH值和改变微生物氮转化过程（包括增强铵离子吸附、促进完全反硝化作用以及通过矿物-微生物相互作用减少N?O和CH?的形成）显示出减排潜力[10]。例如，据报道过磷酸钙的应用可以通过抑制NH?挥发来提高氮素保留率[11]。最近，从秸秆中提取的改性木质素因其在堆肥过程中同时减少NH?和N?O排放的能力而受到关注，可使GWP降低31.0-64.6%，从而提供了一种有前景的低碳堆肥策略[12]。然而，不同研究之间的结果差异很大，部分原因是矿物颗粒大小、表面性质和微观结构特征的差异影响了物理化学反应性。最新的机制研究表明，活性矿物氧化物可以通过抑制反硝化酶活性并引导氮转化路径向良性产物转化来抑制N?O排放，从而阐明了矿物介导的氧化还原过程在调节气体氮损失中的作用[13]。虽然一些研究表明过磷酸钙的应用能有效减少NH?排放和总体氮损失，但其他研究则指出，在某些堆肥条件下（尤其是高剂量使用或水分和通风条件不佳时），它反而会增加N?O排放。
同样，通过限氧条件下生物质热解制备的生物炭也因其多功能的物理化学性质而受到关注。将生物炭添加到堆肥系统中可以吸附铵离子和有机氮化合物，有助于减少NH?挥发并提高最终堆肥产品的氮素保留率。例如，研究表明，添加了生物炭的禽粪堆肥相比未添加生物炭的对照组，总NH?损失减少了25%[14]。此外，生物炭还可以改善堆肥的孔隙结构和氧气扩散，减少促进CH?产生的厌氧环境，同时支持参与有机物稳定的微生物过程[15]。然而，生物炭的效果因原料特性、热解条件和施用率而异；在某些情况下，它甚至可能通过刺激微生物对易分解碳或氮基底的矿化作用而增加温室气体排放[16]。
尽管有许多研究探讨了堆肥过程中矿物添加剂的使用，但对其对NH?和温室气体排放影响的严格定量综合分析仍然不足。即使对于相同类型的添加剂，不同研究中的缓解效果也存在显著差异，这反映了添加剂性质、施用率和堆肥条件的差异造成的强异质性。因此，现有发现无法仅通过定性评估进行可靠比较或推广。为了解决这一局限性，本研究采用基于效应大小的元分析框架，定量评估矿物添加剂对堆肥过程中NH?、N?O、CH?和CO?排放的影响。通过整合大量实验文献中的排放响应数据，该分析量化了特定添加剂的减排效果，系统地考察了关键物理化学参数（如水分含量、碳氮比和初始pH值）的调节作用，并描述了影响减排效率的剂量-响应关系。这种方法为解决各研究之间的不一致性提供了有力的证据基础，并有助于选择合适的矿物添加剂以改善氮素保存并减少堆肥系统的环境影响。
研究设计与文献检索
本研究采用定量元分析方法进行，遵循PRISMA（系统评价和元分析的优先报告项目）指南，以确保透明度和可重复性。系统的文献筛选包括识别、筛选、资格评估和效应大小的定量综合，如图1所示。
进行了全面的系统文献检索，以确定1984年1月1日以来发表的同行评审研究。
NH?排放
图2中的元分析结果显示，矿物添加剂在堆肥过程中的应用对NH?排放的影响存在显著差异，整体异质性也很强（Q-total = 408.42，p < 0.001）。几种矿物添加剂显示出统计学上显著的NH?排放减少效果，这体现在负的合并lnRR值及其95%置信区间（CIs）未与零效应重叠。
讨论
本元分析表明，矿物添加剂的有效性主要取决于添加剂性质与堆肥系统物理化学条件之间的相互作用，而不仅仅是添加剂本身的应用（Gong等人，2024年）。所有气体中观察到的显著异质性表明，排放响应源于系统层面的氮和碳转化过程调控，这些过程受到多种因素的共同控制。
结论
本元分析全面定量综合了矿物添加剂对堆肥过程中NH?和温室气体排放的影响。结果表明，减排效果强烈依赖于添加剂类型和初始堆肥条件。不同矿物添加剂之间的排放响应存在显著差异，只有少数添加剂表现出持续的减排效果。相比之下，其他添加剂的效果较弱、不稳定或甚至具有负面影响。
未来展望
未来的研究应重点验证矿物添加剂在长期、田间规模堆肥条件下的性能，涵盖多种原料和气候环境。本元分析中发现的显著异质性和强调节效应表明，仅靠实验室规模的实验无法完全捕捉到实际堆肥系统的复杂性，因为操作条件的变化会显著影响排放结果。多季节的田间试验是必要的。
作者贡献声明
Adharsh Rajaseker：撰写、审稿与编辑、数据分析。
Dandan Li：撰写、审稿与编辑、软件使用、资源管理、调查。
Evode Niyitanga：撰写初稿、数据可视化、验证、软件应用、方法学设计、数据整理。
Weishou Shen：项目监督、行政管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们衷心感谢编辑和审稿人的宝贵意见和建议。本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF0805403）和中国国家自然科学基金（42377311）的支持。
