农业循环经济路径：从有机废弃物到可持续能源与土壤肥力

《Agronomy》：A Path for Circular Economy in Agriculture: From Organic Waste to Sustainable Energy and Soil Fertility

　　

农业部门是最大的有机残留物产生源之一，但这些材料同时也代表着土壤养分的重要来源[1,2,3]。畜禽粪便、作物残留物、城市固体废弃物有机组分（OFMSW）、污水污泥以及消化物（digestate）是主要的残留物类型，需要适当的管理，同时也为资源回收和可再生能源生产提供了机遇[4,5,6,7]。欧洲监管框架日益支持其回收与再利用：欧洲循环经济行动计划促进了资源的回收与再循环[8]，而欧盟关于肥料产品的法规（EU）2019/1009则为符合要求的肥料产品进入欧盟市场制定了规则[9]。本特刊正是在这一转型背景下构思而成。入选发表的十一篇论文从不同方面探讨了有机残留物的增值利用，涵盖从能源转化到农业再利用的各个环节。 厌氧消化（AD）仍然是循环链条中的关键转化步骤[10,11,12,13]，其中三篇论文聚焦于工艺运行的实际操作层面。Wu等人（论文1）研究了AD中一个常被忽视的方面：反应器运行周期之间接种物（inoculum）的储存条件。研究人员在连续运行的中温反应器（35 °C）中开展工作，结果表明在35 °C下储存的接种物比在15 °C下储存的接种物保留了更高的细菌多样性，而这种多样性有助于实现稳定的中温启动。此外，在过渡至35 °C中温条件之前先在55 °C下启动反应器，增强了产甲烷活性，尤其有利于氢营养型产甲烷菌（hydrogenotrophic methanogens），而与Coriobacteriaceae和Prevotellaceae富集相关的丙酸和丁酸积累则降低了运行能力。因此，接种物管理并非一项初步细节，而是一个显著影响厌氧工艺性能的设计变量。 Constantinescu-Aruxandei等人（论文2）研究了一种酶法预处理策略，用于强化废弃蘑菇基质的AD。研究人员没有采用更剧烈的化学或物理预处理方法，而是证明从废弃平菇（Pleurotus）基质（SPS）中提取的水解酶用于预处理SPS本身，与未经处理的SPS相比，在饱和条件下甲烷产量增加了16%。除对甲烷产量的影响外，该预处理总体上提高了液体和固体消化物中磷和钾的含量，增强了其农业利用潜力。Fermoso等人[14]在生物炼制框架内对有机废弃物增值利用提供了更广阔的视角，综述了有价值化合物提取与AD整合的潜在途径。这种顺序式方法也已在橄榄油链残留物中进行了研究，其中有价值化合物的回收（包括蛋白质水解和多酚提取）之后进行残留生物质的AD，展示了从残余流中进一步回收能源的潜力[15,16,17]。联合消化（co-digestion）也可以通过组合不同特性的底物来改善AD性能。Shrestha等人[18]考察了食物废弃物与畜禽粪便、污水污泥和农业残留物联合消化的效果，强调了其在改善养分平衡、甲烷产量和工艺稳定性方面的潜力。类似地，Gambelli等人[19]表明，啤酒糟浆与浮萍（Lemna minor）的联合消化改善了沼气生产和能源回收，最佳性能与有机碳和氮的更均衡供给相关。 Montegiove等人（论文3）将AD的应用范围从传统原料扩展到有机废弃物流中日益常见的生物塑料包装。在中温条件（37 °C）下，聚乳酸（PLA）薄膜与OFMSW的联合消化在约60天的较长停滞期后，约100天内生物降解率接近100%。该工艺每吨挥发性固体产生约380 Nm3的沼气，AD过程中未出现任何抑制迹象。代谢组学分析揭示了与PLA水解相关代谢物（特别是乳酸和乳酰乳酸）的时间依赖性积累，支持了较长停滞期后PLA的降解。在嗜热批次AD（52 °C）条件下进行的一项类似研究也报告了PLA/聚丁二酸丁二醇酯（PBS）共混薄膜的生物降解有限，而将纤维素纳米晶体掺入共混物中使生物降解率提高至31.7%，尽管沼气产量仍然有限[20]。这些发现与此前的研究一致，表明生物降解程度可能因生物聚合物类型和处理条件的不同而有显著差异。一项关于AD作为可生物降解塑料末端处理方案的批判性综述报告称，在中温条件下某些聚合物的降解率较低，同时强调大多数生物降解性能数据来自基于生化甲烷潜力（BMP）测试的研究，这些测试可能无法完全反映中试或工业规模连续反应器的实际行为[21]。一项相关研究调查了中温AD后接堆肥的综合利用方式，结果表明生物塑料的降解因聚合物类型而异，淀粉基生物塑料的降解程度高于PLA[22]。有机底物向可再生能源的转化也可以通过AD以外的技术实现。基于固定化酶和导电聚合物载体的酶生物燃料电池代表了一种不同的方法，其中有机底物的化学能可直接转化为电能[23,24,25,26]。 堆肥是有机残留物稳定化的重要步骤，工艺控制对于获得成熟稳定的改良剂至关重要[27,28,29,30]。堆肥的稳定性和成熟度通常通过有机质演变、氮转化、腐殖化指数和发芽指数等参数进行评估，尽管长期以来已认识到需要标准化的评估标准[31,32,33]。在此背景下，膨松剂（bulking agent）的选择和添加剂的使用可以影响堆肥过程和最终产品质量。Barthod等人[34]综述了添加剂（矿物、有机和生物类）对工艺参数和最终堆肥质量的影响，表明添加剂可以影响堆肥过程的关键方面并影响最终产品的质量。Zhao等人（论文4）将颗粒大小作为废弃蘑菇基质（SMS）用作牛粪堆肥调理剂时的操作参数进行了考察。将SMS筛分为粗颗粒（≥2 mm）和细颗粒（<2 mm）两个组分后，研究人员比较了两种组分不同比例的组合，发现15%粗颗粒与5%细颗粒SMS的混合物是最佳处理方案。该组合延长了高温期，所得堆肥满足了研究中评估的成熟度标准，相对胚根生长≥80%，铵态氮<150 mg kg?1。堆肥后有效磷和钾含量也增加了4.8%至59.1%。结果表明，颗粒大小是SMS在堆肥过程中调理性能的重要操作因素。Jiao等人[35]也报告了颗粒大小对堆肥性能的类似影响，发现枝条和秸秆改良剂的尺寸影响了猪粪堆肥过程中的有机质降解和腐殖化。 最大的一组论文涉及有机残留物增值产物的农业利用及其对作物和土壤的影响。Campo-Celada等人（论文5）报告了一项为期两年的试点轮作试验，其中使用原始消化物、堆肥消化物和堆肥污水污泥作为饲用玉米和意大利黑麦草矿物氮肥的替代品。在玉米中，产量和饲草品质与化学施肥相当，而堆肥污水污泥显著增加了平均株高。然而在意大利黑麦草中，有机施肥导致产量低于化学施肥，表明可能需要额外的管理策略来优化该作物的养分有效性。这与先前的证据一致，即AD后NH4+-N有效性的增加并不一定导致田间条件下更高的氮吸收或肥料节省[36]。不同作物之间观察到的不同响应进一步强调了在评估消化物农艺价值时考虑作物特性和田间条件的重要性。近期关于橄榄渣基消化物的研究也强调了在考虑消化物对土壤养分有效性影响之外，还需关注消化物本身特性的重要性。所测试的消化物在90天土壤培养期间增加了土壤碳和氮的有效性，但也增加了CO2排放。研究进一步表明，消化物浓度超过10%时会产生植物毒性效应。此外，消化物中汞含量超过了既定法规限值，而其他重金属或所分析病原体未发现关键问题，这强调了在农业施用前评估消化物质量和潜在环境风险的必要性[37]。肥料在田间使用的有效性还取决于其均匀分布。Ou等人（论文6）通过将离散元法模拟与计算流体动力学耦合，优化了用于肥料颗粒分布的离心双圆盘撒肥机，确定了使分布变异系数最小化的结构和操作参数组合，并在逆风和顺风条件下用样机验证了模型。这是肥料施用中实现田间均匀分布的重要实际方面，因为撒播效率取决于肥料的物理特性和撒播参数的适当选择[38,39]。 四项研究探讨了生物炭（biochar）在不同农业条件下的使用，强调了土壤性质、环境因素和管理实践如何影响其效果。一项定量荟萃分析报告了作物生产力平均增幅相对较小，在酸性和中性土壤中观察到较大的正向效应，同时也显示了实验条件之间的显著变异性和长期研究可用性有限[40]。本特刊发表的论文提供了生物炭效应如何取决于农业系统、土壤条件及其与其他材料组合方式的实例。Wang等人（论文7）在茶园开展了一项田间试验，考察了生物炭和沼液对土壤有机碳组分和茶叶品质的影响。研究评估了沼液和生物炭的不同组合，包括350 °C下生产的猪粪生物炭和500 °C下生产的稻草生物炭。2%（质量比）350 °C猪粪生物炭与完全替代氮肥的沼液组合产生了最高水平的易氧化有机碳和溶解性有机碳，刺激了β-葡萄糖苷酶活性，并提高了茶多酚和氨基酸含量。与仅接受化学施肥的对照相比，该处理将2,2′-联氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐（ABTS）和2,2-二苯基-1-苦基肼基（DPPH）自由基清除活性分别提高了3.25%和5.97%。Echchelh和Guilayn（论文8）考察了生物炭-堆肥改良剂在地中海旱地的使用，表明将生物炭掺入堆肥可将碳损失减少高达48%，氮损失减少高达67%。在水胁迫条件下，单独堆肥处理的生菜产量相当于非胁迫条件下的30%，而将10%生物炭掺入堆肥可将生菜相对产量提高至88%。Henríquez-Arevalo等人（论文9）研究了将榛子（Corylus avellana L.）修剪残留物与聚乙烯废弃物共热解生产的生物炭对实验室条件下退化淋溶土（Alfisol）保水性的影响。所得“塑炭”（plastichar）以5% w/w施用于退化淋溶土后，改善了植物有效水保持能力，尤其是在微孔和中孔中。这种方法结合了两种废弃物流，尽管研究人员强调需要进一步评估共热解生物炭的长期稳定性。生物炭的使用也在无土栽培条件下进行了研究。Agosti等人（论文10）在无土番茄栽培的生长袋中，以2%和5%的比例用生物炭部分替代椰糠，并与木馏液（wood distillate，一种热解副产物，用作生物刺激素）结合使用。各处理改善了部分果实品质属性，并与栽培基质微生物群落的变化相关。特别是5%生物炭与木馏液的组合提高了果实抗氧化活性和酚类含量，而未显著影响营养生长或产量。除消化物和生物炭基改良剂外，农工残留物也可转化为具有控释养分特性的配方肥料[41,42]。Llive等人[43]开发了含有马黛茶加工废弃物和矿物肥料的海藻酸钙基胶囊作为控释肥料系统，研究了在水和土壤中的包封效率和养分释放情况。Montegiove等人[44]开发了一种基于淀粉的生物聚合物化合物，由橄榄磨废水（olive mill wastewater）和橄榄渣副产品制成，在90天土柱试验中提供逐步养分释放，提高了养分有效性，与其他肥料相比保持了相对较低的CO2排放。这些研究展示了从循环经济角度将农工残留物转化为更高价值农业投入品的不同途径。 最后，Zhao等人（论文11）研究了人工腐殖酸（AHA）——一种通过水热腐殖化（hydrothermal humification）从玉米秸秆生产的合成腐殖质——对土壤磷有效性和转化的影响。在60天土柱培养中，AHA使2 mm土壤粒径组分中的Olsen-P提高了高达15.4%，突显了其增强土壤磷有效性的潜力。 入选论文表明，有机残留物的增值利用代表了回收碳和养分的宝贵途径，对土壤性质以及作物产量和品质具有潜在益处。同时，其农艺有效性取决于所得产品的特性、土壤和作物条件以及管理实践。 十一篇论文指向三个反复出现的主题。第一，有机残留物增值产品的性能在很大程度上取决于其加工条件，包括颗粒大小、预处理条件、热解参数和接种物特性。在此框架下，生物塑料降解的有效性也值得进一步研究，特别是确定生物聚合物的性质如何影响所涉及的生物过程（如AD和堆肥）的行为。第二，多项研究显示了组合不同投入物或方法以改善增值效率和农艺结果的潜在益处，包括生物炭与堆肥的组合、生物炭与沼液的组合、生物炭与木馏液的组合，以及使用源自残留物本身的酶进行预处理。第三，本论文集还展示了土壤施用后的重要局限性，包括养分有效性和作物表现方面。 仍存在若干研究空白，特别是因为大部分证据来自土壤培养和其他实验室实验，而田间验证的代表性不足。需要更长期的田间实验来更好地评估这些增值路径在实际条件下的农艺性能。生命周期和技术经济评估也有限，使得这些增值路径的环境和经济绩效量化不足。还需要进一步关注源自有机残留物的农业投入品的质量和安全性，包括潜在持久性污染物的出现和归宿。特别是，堆肥OFMSW中微塑料的检测[45,46]凸显了需要进一步评估拟用于农业用途的回收有机材料中的塑料污染问题。 向农业循环经济的转型需要多个步骤的整合，从有机残留物的转化和稳定化到其增值产物在农业中的可持续利用[47,48,49]。本特刊收集的十一篇论文展示了不同原料、工艺和农业背景下这种相互关联性，同时也表明成功增值的潜力取决于适当的工艺控制、材料特性和管理实践。这些研究共同为有机残留物如何转化为能源、土壤改良剂和其他农业投入品提供了更综合的视角，提供了这些方法在农业循环经济中潜力和局限性的证据，同时强调了长期田间验证、更广泛的环境和经济绩效评估以及对其农艺性能和安全性持续评估的必要性。

农业循环经济路径：从有机废弃物到可持续能源与土壤肥力——特刊论文解读

一、研究背景与问题

农业部门是最大的有机残留物产生源之一，但这些材料同时也是土壤养分的重要来源。畜禽粪便、作物残留物、城市固体废弃物有机组分（OFMSW）、污水污泥和消化物（digestate）是主要的残留物类型，需要适当管理，同时也为资源回收和可再生能源生产提供了机遇。欧洲监管框架日益支持其回收与再利用：欧洲循环经济行动计划促进了资源的回收与再循环，而欧盟关于肥料产品的法规（EU）2019/1009为符合要求的肥料产品进入欧盟市场制定了规则。在此转型背景下，本特刊应运而生，旨在探讨有机残留物从能源转化到农业再利用的全链条增值路径。当前面临的核心问题包括：厌氧消化（AD）工艺中接种物管理、预处理条件等操作变量对工艺性能的影响尚不明确；生物塑料在有机废弃物处理过程中的降解行为缺乏系统认知；堆肥过程中调理剂颗粒大小等操作参数对产品质量的影响需要量化；有机增值产品（消化物、生物炭、堆肥等）的农艺有效性在不同土壤和作物条件下的表现存在显著差异；长期田间验证数据不足，生命周期和技术经济评估有限。

二、研究内容与总体结论

本特刊收录的十一篇论文从不同角度探讨了有机残留物的增值利用，涵盖厌氧消化、堆肥稳定化、农艺利用三大环节。总体结论表明：有机残留物增值产品的性能在很大程度上取决于加工条件（颗粒大小、预处理条件、热解参数、接种物特性等）；多种投入物或方法的组合（生物炭与堆肥、生物炭与沼液、生物炭与木馏液等）可改善增值效率和农艺结果；土壤施用后仍存在养分有效性和作物表现方面的局限性。这些研究为农业循环经济提供了从废弃物到能源和土壤肥力的综合路径证据。

三、主要关键技术方法

本特刊论文采用的关键技术方法包括：连续式中温厌氧消化反应器运行与接种物储存条件对比分析；酶法预处理（从废弃平菇基质中提取水解酶）结合批次厌氧消化试验；代谢组学分析用于追踪生物塑料降解中间代谢产物；离散元法（DEM）模拟耦合计算流体动力学（CFD）优化离心撒肥机参数；田间轮作试验（饲用玉米和意大利黑麦草，两年试点）；茶园田间试验与土壤有机碳组分分析；生物炭-堆肥复合改良剂在模拟地中海旱地条件下的盆栽试验；共热解生物炭（榛子修剪残留物与聚乙烯废弃物）的实验室土壤培养；无土栽培生长袋试验（生物炭部分替代椰糠）；水热腐殖化合成人工腐殖酸（AHA）的60天土柱培养试验。样本来源包括连续运行的中温反应器接种物、废弃蘑菇基质、城市固体废弃物有机组分、牛粪堆肥体系、茶园土壤、退化淋溶土等。

四、研究结果

4.1 有机残留物通过厌氧消化增值

Wu等人（论文1）研究了接种物储存条件对AD工艺的影响。在35 °C下储存的接种物比15 °C储存的保留了更高的细菌多样性，有助于稳定的中温启动。先在55 °C启动再过渡至35 °C增强了产甲烷活性，尤其有利于氢营养型产甲烷菌；而丙酸和丁酸积累与Coriobacteriaceae和Prevotellaceae富集相关，降低了运行能力。接种物管理因此成为显著影响厌氧工艺性能的设计变量。

Constantinescu-Aruxandei等人（论文2）研究了酶法预处理对废弃蘑菇基质AD的增强作用。从废弃平菇基质（SPS）中提取的水解酶用于预处理SPS本身，甲烷产量比未处理组增加16%，同时提高了液体和固体消化物中磷和钾含量。

Montegiove等人（论文3）研究了聚乳酸（PLA）薄膜与OFMSW在中温条件下的联合消化。约60天停滞期后，约100天内生物降解率接近100%，每吨挥发性固体产生约380 Nm³沼气，无抑制迹象。代谢组学分析揭示了乳酸和乳酰乳酸的时间依赖性积累，支持PLA在停滞期后的降解。

4.2 有机残留物通过堆肥稳定化

Zhao等人（论文4）考察了废弃蘑菇基质（SMS）颗粒大小作为牛粪堆肥调理剂的操作参数。15%粗颗粒（≥2 mm）与5%细颗粒（<2 mm）混合物为最佳处理，延长了高温期，堆肥满足成熟度标准（相对胚根生长≥80%，铵态氮<150 mg kg^?1），有效磷和钾含量增加4.8%至59.1%。

4.3 有机残留物增值的农艺意义

Campo-Celada等人（论文5）在两年试点轮作中比较了原始消化物、堆肥消化物和堆肥污水污泥与矿物氮肥的效果。玉米产量和饲草品质与化学施肥相当，堆肥污水污泥显著增加平均株高；意大利黑麦草中有机施肥产量低于化学施肥，需额外管理策略优化养分有效性。

Ou等人（论文6）通过DEM-CFD耦合优化了离心双圆盘撒肥机，确定了使分布变异系数最小的结构参数和操作参数组合，并在逆风和顺风条件下用样机验证了模型。

Wang等人（论文7）在茶园田间试验中评估了生物炭和沼液组合的效果。2%质量比350 °C猪粪生物炭与完全替代氮肥的沼液组合产生最高水平的易氧化有机碳和溶解性有机碳，刺激β-葡萄糖苷酶活性，提高茶多酚和氨基酸含量，ABTS和DPPH自由基清除活性分别提高3.25%和5.97%。

Echchelh和Guilayn（论文8）研究了生物炭-堆肥改良剂在地中海旱地的使用。生物炭掺入堆肥使碳损失减少高达48%，氮损失减少高达67%。水胁迫下，单独堆肥处理的生菜产量仅为非胁迫条件的30%，而掺入10%生物炭后相对产量提高至88%。

Henríquez-Arevalo等人（论文9）研究了榛子修剪残留物与聚乙烯废弃物共热解生产的“塑炭”（plastichar）。以5% w/w施用于退化淋溶土后改善了植物有效水保持能力，尤其在微孔和中孔中。

Agosti等人（论文10）在无土番茄栽培中以2%和5%比例用生物炭部分替代椰糠并结合木馏液。5%生物炭与木馏液组合提高了果实抗氧化活性和酚类含量，未显著影响营养生长或产量。

Zhao等人（论文11）研究了人工腐殖酸（AHA）对土壤磷有效性的影响。60天土柱培养中，AHA使2 mm土壤粒径组分中Olsen-P提高高达15.4%。

五、讨论与结论

本特刊论文指向三个反复出现的主题：第一，增值产品性能强烈依赖加工条件，包括颗粒大小、预处理条件、热解参数和接种物特性；生物塑料降解有效性需进一步研究，特别是生物聚合物性质对AD和堆肥等生物过程行为的影响。第二，组合不同投入物或方法可改善增值效率和农艺结果，包括生物炭与堆肥、生物炭与沼液、生物炭与木馏液的组合，以及利用源自残留物的酶进行预处理。第三，土壤施用后存在养分有效性和作物表现方面的局限性。

研究结论指出：有机残留物的增值利用是回收碳和养分的宝贵途径，对土壤性质和作物产量品质具有潜在益处；其农艺有效性取决于产品特性、土壤和作物条件及管理实践。农业循环经济转型需要整合从有机残留物转化和稳定化到增值产物农业可持续利用的多个步骤。研究空白包括：大部分证据来自土壤培养和实验室实验，田间验证不足；生命周期和技术经济评估有限；需进一步关注农业投入品的质量和安全性，特别是堆肥OFMSW中微塑料的检测凸显了评估回收有机材料中塑料污染的必要性。未来需要更长期田间实验、更广泛的环境和经济绩效评估，以及持续评估农艺性能和安全性。