动物和家禽粪便堆肥过程中碳和氮损失的定量综合分析：驱动因素、途径及缓解措施

《Bioresource Technology》：A quantitative synthesis of carbon and nitrogen losses during animal and poultry manure composting: drivers, pathways, and mitigation

　　

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  NH₃-N 和 CO₂-C 是主要的氮（N）和碳（C）损失途径，分别占比 15.6% 和 34%。
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  NH₃-N 的排放量受到堆肥方法和规模的双重影响。
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  采用添加剂基策略显著减少了 NH₃、N₂O、CH₄ 和 CO₂ 的排放量。
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  使用混合添加剂具有最大的减排潜力。

引言

牲畜生产、农作物加工和食品供应链的增长导致了有机废弃物的增加。仅中国每年就产生约 38 亿吨动物废弃物，而欧盟和英国的畜牧业每年产生约 14 亿吨粪便（Oyedun 等，2025）。对基于畜牧业产品的需求正在上升，并预计到 2050 年会大幅增加（Van Eenennaam，2024）。为了满足这一需求，产量必须增加，这不可避免地会产生了更多的农业废弃物。虽然动物粪便和农作物残余物是碳和氮最丰富的、最容易获得的来源之一，但管理不善可能会将潜在的资源变成土壤、水或空气污染的来源（Sun 等，2025）。因此，粪便管理对于减少畜牧业系统的环境足迹以及作为循环农业经济的一部分回收粪便中的养分至关重要。

好氧堆肥是一种成本效益高且有效的处理和管理此类有机废弃物的方法。它可以减少大量集中废弃物，并产生一种适合用于作物施肥的缓释型腐殖质丰富的最终产品。然而，好氧堆肥过程中仍存在一些挑战，特别是氨（NH₃）和温室气体（N₂O、CO₂、CH₄）的排放问题（Ba 等，2020）。研究表明，大约 44% 的堆肥基质中的有机碳以 CO₂-C 和 CH₄-C 的形式损失，从而降低了堆肥的质量（Ye 等，2023）。此外，在有机物质（OM）的初步分解过程中，大约有 16% 至 76% 的总氮（TN）丢失（Wu 等，2024）。主要的氮损失来自 NH₃-N 的挥发和 N₂O-N 的排放；两者分别占堆肥过程中 TN 损失的 80% 和 9.9%（Wu 等，2024）。这些排放会导致养分损失，降低堆肥质量，并显著加剧全球变暖。具体来说，CH₄ 和 N₂O 的百年全球变暖潜能值（GWP）分别是 CO₂ 的 27 倍和 273 倍（IPCC，2023）。此外，NH₃ 还显著促进了颗粒物（PM_2.5）的形成，而颗粒物是导致严重公共健康问题的二次气溶胶的前体，同时还会导致生物多样性丧失、气候变化、土壤酸化和氮限制生态系统中的富营养化（Nordahl 等，2023）。

研究发现，堆肥效率受到物理、化学和生物控制因素的共同影响（Sun 等，2025；Zhang 等，2021）。在堆肥过程中，碳和氮的转化密切相关，可以受到初始湿度水平、pH 值、碳氮比、堆肥时间、翻动次数和添加剂应用等操作因素的影响（Ye 等，2023；Zhang 等，2021；Ba 等，2020）。因此，采取一种减排策略可能会加剧另一种排放途径的问题。例如，提高通气率可以通过增加氧气（O₂）的可用性来减少 CH₄ 的排放，但同样的条件同时也会增加 NH₃ 的挥发和 N₂O 的排放（Jiang 等，2011）。因此，需要同时评估碳和氮的损失，以识别不同减排策略之间的协同效益和权衡。尽管关于堆肥过程中减少碳和氮损失的大量文献已经存在，但证据仍然分散。研究在基质组成、规模、操作时间、排放单位以及碳氮平衡是否得到正确报告等方面存在差异。这些差异阻碍了直接比较，并可能掩盖了减排策略真正有效的条件（Ba 等，2020）。因此，对现有文献进行全面的荟萃分析对于了解与堆肥过程中 NH₃ 和温室气体排放相关的关键驱动因素和减排策略的最新进展是必要的。先前的堆肥荟萃分析通常集中在特定范围内（Ba 等，2020），例如乳牛粪便堆肥，并证明不同减排策略在气体排放途径上的效果存在显著差异；而 Zhang 等（2021）发现，特别是生物炭和过磷酸钙等添加剂的应用，在减少猪粪堆肥过程中的碳和氮损失方面比原料和通风调节更有效；Ye 等（2023）进一步报告称，大多数减排策略对总碳（TC）和 CO₂-C 的损失影响有限，但在减少 CH₄-C 的损失方面更有效。本荟萃分析评估了多种碳和氮损失途径上的减排效果。分析表明，减排效果强烈依赖于具体的途径和策略：添加剂减少了碳和氮的损失，但并未显著减少总碳（TC）的损失，而混合添加剂的应用在所有评估的途径上一致减少了损失。相比之下，一些管理策略导致了权衡，例如减少通气会导致 NH₃-N、总氮（TN）和 CO₂-C 的损失，但同时增加了 CH₄-C 的排放。这些荟萃分析之间的差异可能表明范围和分类的不同：Ba 等（2020）主要关注乳牛粪便；Zhang 等（2021）关注猪粪；Ye 等（2023）主要关注碳损失途径；而本荟萃分析整合了来自畜牧业和家禽粪便堆肥研究的 117 篇文章和 492 种处理方法，评估了多种减排策略下的六种碳和氮损失途径，并将文献覆盖范围扩展到了 2026 年。因此，本研究旨在：（1）测量堆肥研究中报告的碳和氮损失的总体幅度，包括 NH₃-N、N₂O-N、CH₄-C 和 CO₂-C。（2）确定关键因素，如原料特性、堆肥方法和操作条件。（3）比较和评估不同减排方法对碳和氮基排放的有效性。通过整合来自分散的同行评审论文的数据，本研究为设计既能保护养分又能最小化气候影响和空气污染的可持续堆肥系统提供了定量基础。

节片段

文献搜索和数据收集

本研究采用了定量荟萃分析方法，遵循系统评价和荟萃分析的优先报告项目（PRISMA）协议，以确保透明性、可重复性和方法论的严谨性。在整个评审过程中严格遵循了这一框架，包括文献搜索、相关研究的识别、筛选、资格评估和效应大小的合成。进行了系统的文献搜索以确定

影响好氧堆肥过程中碳和氮损失的因素

堆肥方法显著影响了 NH₃ 的排放（P < 0.05）（图 1a），而 N₂O 的排放和总氮（TN）的损失没有显著差异（图 S2）。条堆肥方法的 NH₃ 排放量相对较高，而 N₂O 的排放和 TN 的损失在不同方法之间大致相似。对于基于碳的排放物，CH₄ 和总碳（TC）的损失在不同堆肥方法之间存在显著差异（P < 0.05）（图 S2），而 CO₂ 的排放在不同方法之间没有显著差异。条堆肥方法

讨论

在所有纳入的研究中，总的碳损失为 44.5%，而总氮的损失占初始总碳和总氮的 27.5%。对于总氮的损失，NH₃ 的挥发是主要途径，占 15.7%，而一氧化二氮仅占 1.2%。对于总碳的损失，CO₂-C 是主要途径，占 34.3%，而甲烷仅占初始总碳的 0.7%。

结论

荟萃分析结果显示，好氧堆肥过程中的碳和氮损失受到多种参数的影响，包括初始堆肥基质和初始参数、堆肥时间以及减排策略。堆肥方法显著影响排放，尤其是基于 NH₃-N 的排放；而堆肥规模的影响较小，除了 NH₃。进一步分析表明，初始总氮（TN）、碳氮比（C/N 比）、含水量和 pH 值是主要的影响因素

CRediT 作者贡献声明

Tanveer Hussain：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、软件使用、调查、数据分析、数据管理。 Mengjiao Ji：数据分析、数据管理。 Ziming Xi：软件使用、数据分析、数据管理。 Haoduo Bai：软件使用、数据分析、数据管理。 Ronghua Li：写作 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构建。 Qiang Liu：写作 – 审稿与编辑、方法论研究、调查。 Xu Yang：

政府间气候变化专门委员会（IPCC）《气候变化》（2021）。

作者声明他们没有已知的会对本文所述工作产生影响的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构提供的财务支持：京金济区域综合治理环境改善-国家科技重大专项（2025ZD1205400）、国家自然科学基金（32572234）、中央公益科研机构基本科研业务费（Y2026YC31）以及陕西省重点研发计划（2025CY-JJQ-153）。