分阶段废弃物基乳酸汁液在猪粪堆肥过程中重新分配多气体排放窗口

《Bioresource Technology》：Staged waste-based lactic acid broth redistributes multi-gas emission windows during swine manure composting

　　

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  分阶段添加基于废弃物的发酵液重塑了堆肥过程中气体排放的时间窗口。
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  早期氨排放有所降低，但全周期总排放量差异不大。
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  后期CO₂释放减少，mcr丰度降低，甲烷排放窗口缩短。
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  观测到的甲烷和氧化亚氮累积排放量均较低。

引言

好氧堆肥可使畜禽粪便和作物秸秆腐熟稳定，并将其养分和有机质归还土壤。然而，其环境效益受到氨（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）排放的制约，这些气体降低了氮素保持率和气候效益（Nordahl等，2023）。这些气体的释放并非均匀分布——NH₃通常集中在升温期和嗜热期转换阶段，而N₂O和CH₄则响应后期氮素底物、电子供体和氧气供应条件的变化。因此，我们将"排放窗口"定义为在时间上高度集中、对累积排放损失贡献不成比例的时段。仅凭全周期总量无法区分排放脉冲是被抑制还是被延迟或转移到了其他工艺阶段。低碳排放堆肥必须同时控制多气体释放的幅度和时间，并评估嗜热性能、最终产品特性和腐熟所需时间。

这三种气体对耦合但部分相互冲突的调控机制产生响应。总氨态氮（TAN）包括铵态氮（NH₄⁺-N）和游离氨氮（FAN，即NH₃-N）。pH和温度升高会使水相中NH₄⁺/NH₃平衡向未电离的NH₃方向移动，增加TAN中的FAN比例，从而提高NH₃挥发的物理化学驱动力（Wang和Zeng，2018）。易降解碳刺激呼吸作用；当氧气需求超过传质能力时，厌氧微环境持续存在并支持产甲烷过程。N₂O的释放取决于铵、亚硝酸盐、硝酸盐和电子供体的供给，以及反硝化过程将N₂O还原为N₂的完全程度。更强的通气可以抑制CH₄生成，但会增加NH₃的质量传递；而酸性富碳添加剂虽然可以降低FAN，但也会增加呼吸作用并改变反硝化底物（Fu等，2025，Noor等，2024，Umar等，2025）。解决这些交互作用需要同时测量三种气体以及pH、氮素库容和碳利用指标的时间序列数据。

酸化可使水相中NH₄⁺/NH₃平衡向NH₄⁺方向移动，降低TAN中的FAN比例和NH₃挥发潜力。无机酸、工业酸副产品、有机酸、酸性农林废弃物和微生物酸化系统均已应用于粪便管理研究（Fu等，2025，Umar等，2025）。在这些方法中，利用猪粪和苹果废弃物制备的基于废弃物的乳酸发酵液在堆肥过程中施加，为将基于酸化的NH₃管理策略与废弃物资源化相结合提供了一种途径（Lian等，2024）。乳酸可以降低堆体NH₃释放（Nie等，2020），而基于乳酸菌（LAB）的系统可将酸化作用与抑制尿素分解微生物相结合（Liu等，2023）。然而，与纯酸不同，发酵液同时改变pH、可溶性碳供应和微生物环境；这些输入在不同阶段可能以不同方式影响NH₃分配、氧气需求、反硝化和产甲烷过程。

大多数堆肥酸化实验仅在启动时施加减材，并侧重于最终NH₃损失（Fu等，2025，Nie等，2020）。近期一项沟堆试验表明有机酸可在多次翻堆后喷洒施用，但该研究聚焦于pH、NH₃和氮素保持，而非NH₃、N₂O和CH₄的耦合变化轨迹（Wang等，2025）。这留下了三个相互关联的空白。第一，时间序列分析很少在所有三种气体中对早期抑制与延迟或补偿性释放进行区分。第二，在升温阶段补施基于废弃物的生物酸的证据仍然有限。启动时的一次性施用量可能因有机酸被消耗和pH反弹而减弱，而第3天和第5天的补施可在温度上升期间更新pH对NH₄⁺/NH₃分配的调控，但可能同时增加氧气需求。第三，需要整合过程参数和宏基因组证据，以确定这些阶段性理化变化如何在堆肥腐熟过程中改变氮素循环和甲烷循环的潜力。

强制通风回转滚筒堆肥设备为验证这一时间调控概念提供了可控平台。反复混合和定向通风可减少空间异质性，允许在特定工艺阶段加入液体，并支持在升温期、嗜热期和腐熟期进行反应器尺度的气体监测（Lalthlansanga等，2023，Pottipati等，2022，Yin等，2024）。因此，有可能探究定时补施发酵液是否能降低以NH₃为主的风险排放窗口、避免将环境负荷转移至N₂O或CH₄，以及加热过程的变化与实测最终产品特性之间的关系。

本研究评估了在42天强制通风回转滚筒堆肥猪粪和玉米秸秆过程中分阶段添加乳酸发酵液（LA-broth）相对于等质量加水处理的效果。综合了工艺参数、NH₃、N₂O、CH₄和CO₂排放轨迹、氮素形态、发芽指数（GI）、溶解性有机物（DOM）荧光、微生物演替和宏基因组功能基因。我们假设分阶段添加发酵液将：（i）通过调控pH和FAN来削弱或推移早期NH₃排放窗口；（ii）通过改变氮素库容和碳驱动的氧气需求来改变N₂O和CH₄释放的幅度和持续时间；（iii）伴随热过程发展和实测GI的变化，改变氮素循环和甲烷循环途径的相对注释潜力。宏基因组数据用于评估功能潜力，而非基因表达或过程因果关系。

章节摘要

材料与实验设计

新鲜猪粪采集自中国北京的一家商业猪场，玉米秸秆切割至2–3厘米作为填充剂。基于废弃物的LA发酵液由猪粪和苹果废弃物制备而成。其实测pH、有机酸和氮素特性见表1B，与堆肥原料特性（表1A）分别报告。发酵液制备底物的表征见表S1，制备条件见补充方法S1。这种混合发酵液

堆肥性能与初期短暂酸化

两种处理在堆肥开始后均迅速升温，表明猪粪-玉米秸秆混合物支持了活跃的需氧生物降解过程（图1a）。加水处理（WA）在初期升温更快，约在第2天达到50°C，而乳酸发酵液处理（LA）约在第4天达到50°C。此后LA表现出更强的蓄热效果，最高温度达到68.5°C，而WA为60.7°C。LA保持高于55°C和60°C的时间更长，而WA保持高于50°C的时间更长。

结论

分阶段添加基于废弃物的LA发酵液导致初期升温/分解出现短暂滞后，随后表现出强烈的嗜热过程和碳转化的追赶效应。两种处理均在第7天前超过GI标准，而后期温度、CO₂、TOC和类腐殖质DOM支持了渐进性腐熟稳定和第42天的优良特性。在温度定义的2–6天期间，观测到的累积NH₃平均值降低了49.9%，采样峰值被延迟且降低了17.3%；后期的补偿效应限制了第42天

生成式AI和AI辅助技术在论文准备过程中的声明

在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT辅助生成数据分析代码和英文润色。使用工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版内容的完整性负全部责任。

CRediT作者贡献声明

李小天：撰写——初稿、可视化、方法学、调查研究、形式化分析、数据管理。蔡洋洋：调查研究。尹福田：撰写——审阅与编辑、监督指导、方法学。陈卫山：撰写——审阅与编辑、监督指导、方法学。黄思婕：撰写——审阅与编辑、监督指导。李安然：监督指导。周檀隆：监督指导。Tania V. Fernandes：撰写——审阅与编辑、监督指导。董红敏：撰写——审阅与编辑、监督指导，

未引用参考文献

中华人民共和国农业农村部，2019，中华人民共和国农业农村部，2021。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究受国家自然科学基金（32361143865）、中国农业科学院与农业农村部农业科研体系（CARS-34-032）以及中国农业科学院农业科技创新工程（CAAS-ASTIP）资助。作者感谢王悦、尚斌、李鑫、钱晓倩、杨建英和张浩瑞在实验过程中的指导和技术支持。

李小天|蔡洋洋|尹福田|陈卫山|黄思婕|李安然|周檀隆|Tania V. Fernandes|董红敏