钙基改良剂对土壤和堆肥系统碳氮排放的影响：一项元分析

《Environmental Research》：Effects of calcium-based amendments on carbon and nitrogen emissions from soil and composting systems: a meta-analysis

　　

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  施用石灰可减少N₂O排放，但会增加土壤NH₃和CO₂的损失。
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  过磷酸钙可减轻堆肥过程中的碳（C）和氮（N）损失。
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  磷石膏可减少土壤N₂O排放，但在堆肥过程中会促进其产生。

引言

集约化农业系统中的农业土壤和畜禽粪便管理是温室气体，包括氧化亚氮（N₂O）、甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂），以及空气污染物氨（NH₃）的主要来源（Hou等，2015；Erisman等，2013）。这些活性氮（N）和碳（C）物种的损失不仅加剧了全球气候变化，也反映了农业生态系统中养分循环的巨大低效性（Ti等，2019），从而制约了食物生产的可持续发展（Zhang等，2015；Gu等，2023）。因此，亟需制定在作物和畜牧系统中协同减排的策略（Ma等，2022）。

钙基改良剂，如石灰（CaO/Ca(OH)₂/CaCO₃/CaMg(CO₃)₂）、石膏（CaSO₄·2H₂O）、磷石膏（PG）和过磷酸钙（SSP），因其成本低廉、可获得性强且具有多重功能，包括pH调节、基质结构改善和养分保蓄等，而被广泛应用于土壤管理和堆肥过程中（Brignoli和Batista，2025；Liu等，2026；Wu等，2025）。石灰常用于改良土壤酸化、提高作物产量，也可在厨余垃圾堆肥过程中防止酸化（Qi等，2022）。此前的Meta分析表明，施用石灰可显著减少土壤N₂O排放21.3%–38%（Wang等，2021；Zhang等，2022）。这一减排效果归因于施用石灰后nosZ丰度的增加（Jha等，2020）、nirK/nirS与nosZ比值的降低以及N₂O向N₂还原过程的增强。Xu等（2021）还发现，在厨余垃圾堆肥过程中施用石灰可提高pH值并抑制反硝化微生物，从而抑制N₂O排放。然而，由此引起的pH值升高会加速NH₄⁺的解离，增加NH₃挥发的潜力（Bouwman等，2002）。尽管此前的数据驱动型研究主要考察了施用石灰对N₂O排放和碳足迹的影响（Tadesse等，2025；Wang等，2021；Zhang等，2022），但关于其对NH₃挥发作用的综合影响及影响这些作用的驱动因素的信息仍然有限。由于NH₃挥发和N₂O排放之间存在密切联系，需要对这两个过程进行全面评估，以便制定因地制宜的缓解策略并避免污染转移。

其他钙基改良剂，如过磷酸钙（SSP），可减少氮损失、加速堆肥成熟（Cao等，2019），并为土壤提供植物可利用的磷。石膏和磷石膏（PG）可提供钙和硫，也被广泛用于改善土壤结构和抑制NH₃挥发。众多研究报告指出，这三种改良剂在土壤和堆肥系统中均可减少NH₃挥发；然而，其对N₂O排放的影响存在差异。例如，Yang等（2016）报告施用SSP后N₂O排放减少了1.8%–35.4%，而?urovec等（2021）则报告增加了3.8%。磷石膏（PG）减少了土壤N₂O排放，但在堆肥过程中增加了N₂O排放（Yuan等，2018；Malyan等，2021）。现有的Meta分析主要关注单一系统，在作物和畜牧生产系统中钙基改良剂的综合评估方面存在空白。因此，需要进行系统综合，以评估这些改良剂在土壤和堆肥系统中的有效性，并为减少农业生产系统中活性氮损失和温室气体排放建立科学基础。

据此，本研究系统评估了四种钙基改良剂（石灰、石膏、磷石膏和过磷酸钙）对土壤和堆肥系统中N₂O、CO₂、NH₃和CH₄排放的影响。具体目标为：(1)量化四种改良剂对土壤和堆肥系统中气体排放的总体效应；(2)确定环境和管理因素（包括氮施用量、pH值和C/N比）如何影响钙基改良剂的减排效率；(3)识别四种改良剂在土壤和堆肥系统中效应的共性和差异。研究结果可为制定优化的、针对特定场景的钙基矿物改良剂施用策略提供科学依据，从而帮助减少农业大气污染并促进农业可持续发展。

章节摘要

数据收集

本研究通过Meta分析，量化了钙基改良剂（包括石灰、石膏、磷石膏和过磷酸钙）对土壤和堆肥系统中温室气体（N₂O、CO₂和CH₄）排放及NH₃排放的影响。从Web of Science（https://www.webofscience.com）和中国知网（CNKI）中检索了2026年2月前发表的相关同行评审文章。文献检索使用的关键词组合如下：

钙基改良剂对堆肥和土壤系统温室气体排放的总体效应

施用石灰使土壤和堆肥系统的N₂O排放分别显著减少了27.9%和36.5%，但显著增加了土壤NH₃排放（68.4%）和CO₂排放（26%）（图1）。石膏使土壤和堆肥中的NH₃排放分别显著减少了15.0%和39.5%，CH₄排放分别减少了52.7%和23.2%。磷石膏（PG）使土壤和堆肥系统中的NH₃排放分别显著减少了64.6%和54.8%，CH₄排放减少了29.2%

钙基改良剂对NH₃排放的影响

本研究发现，施用石灰显著增加了土壤NH₃排放（图1）。石灰作为碱性改良剂，施用后可显著提高土壤pH值（Lee等，2008），使NH₄⁺/NH₃平衡向气态NH₃方向移动，从而增强NH₃挥发（Avnimelech和Laher，1977；Bouwman等，2002）。因此，作为依赖pH值的过程，施用石灰时NH₃挥发随初始土壤pH值的升高而增加（图2）。Li等（2019）的Meta分析表明

结论

本Meta分析评估了钙基改良剂（石灰、石膏、磷石膏和过磷酸钙）对土壤和堆肥系统中N₂O、CO₂、CH₄和NH₃排放的影响，并识别了关键的环境和管理驱动因素。石灰在两个系统中均显著减少了N₂O排放，但增加了土壤CO₂和NH₃排放。增加石灰施用量可增强N₂O减排效果，但与CO₂和NH₃排放增加相关。石膏和磷石膏（PG）减少了土壤和

CRediT作者贡献声明

杨其良（Qiliang Yang）：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取。任仙仙（Xianxian Ren）：写作——初稿撰写，可视化，软件，调查，形式分析。沙志鹏（Zhipeng Sha）：写作——审阅与编辑，验证，指导，方法论，数据管理，概念化。唐建凯（Jiankai Tang）：调查

未引用参考文献

Sánchez-Rodríguez等，2024。

利益冲突声明

? 作者声明，不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作获得了云南省农业水资源高效利用与智能调控重点实验室（202449CE340014）、云南农业工程智能技术装备国际联合实验室（202403AP140007）以及云南农业工程智能技术装备国际联合实验室（202403AP140007）的经费支持。

Xianxian Ren|Qiliang Yang|Jiankai Tang|Zhipeng Sha