综述：关于好氧堆肥过程中N?O排放特征及其影响因素的元分析与对中国排放量估算

《Environmental Research》：A Meta analysis of N 2O Emission Characteristics and Influencing Factors in Facultative Composting and an Estimation of Emissions in China

　　

**摘要** 好氧堆肥作为一种低成本且操作简单的技术，在中国处理了超过75%的畜禽粪便。本研究采用元分析技术，系统评估了好氧堆肥过程中N?O排放的动态变化，重点识别了关键影响因素。结果表明，好氧堆肥的N?O排放峰值主要出现在初始阶段和腐熟阶段，且排放持续时间较长。与好氧堆肥工艺相比，好氧堆肥的环境条件更具变异性。原料特性与堆肥参数的变化对好氧堆肥的影响更为显著。在缺乏通风、翻堆和覆膜的农户堆肥方法中，N?O排放量较高。单独进行翻堆或覆膜往往会增加N?O排放；但两者联合应用可实现大幅减排。降低pH值、降低初始含水率以及减少翻堆频率均能缓解好氧条件下的N?O排放。此外，反应器堆肥的N?O排放量显著高于条垛堆肥和静态堆肥。反应器堆肥的N?O排放峰值主要出现在高温期，而大规模静态堆肥的排放则主要发生在腐熟期。基于中国年产畜禽粪便约38亿吨的规模，我们估算好氧堆肥每年排放N?O约2107万吨二氧化碳当量（CO?-eq）。这些发现挑战了直接采用源于好氧体系的IPCC排放因子来核算好氧堆肥排放的做法，并强调了制定针对特定工艺的减排策略的必要性，以减少中国主流粪便管理实践对气候和健康的影响。

**引言** 中国作为主要畜禽生产国，其畜牧业规模位居世界前列（Bai等，2022；Liu等，2023）。据估算，中国每年产生约38亿吨畜禽粪便，但综合利用率不足70%（Ma等，2025）。这一庞大的有机废弃物流不仅带来了资源管理挑战，还构成显著的环境与公共健康风险，因为粪便分解过程中会向大气释放强效温室气体和活性氮物种。全球范围内，畜禽粪便的N?O排放量从1890年的约451 Gg N/年增加到2020年的2042 Gg N/年，凸显了粪便管理日益重要的气候意义（Zhang等，2024）。

堆肥是将畜禽粪便转化为有机肥并回收养分以供农业生产的一种经济且广泛采用的方法（Ba等，2020；Kenneth等，2023）。然而，有机质矿化及其伴随的氨化、硝化和反硝化过程会导致大量氮素损失，其中包括N?O排放。尽管N?O排放通常仅占初始原料氮素的0.51%，但其100年全球增温潜势是CO?的273倍，并且还参与平流层臭氧的消耗（Nordahl等，2023；Esquivel-Elizondo等，2025）。因此，准确表征N?O排放的量级、时间动态及控制因素，对于评估粪便堆肥的气候绩效并制定有效的减排策略至关重要。

在实际操作中，粪便堆肥系统沿着供氧条件的连续谱运行，从集约供氧系统到静态或好氧系统（Liu等，2020）。集约供氧堆肥利用连续或受控通风促进有机质降解和产热，但通常需要更高的能耗、基础设施投入和运营投入（Liu等，2020；Cao等，2019；Wang等，2022b）。相比之下，好氧堆肥主要依赖自然氧扩散和间歇性管理措施（如翻堆或覆膜），而非连续强制供氧（Wan等，2021；Kong等，2022）。在本研究中，好氧堆肥是指以自然扩散为主导供氧方式的粪便堆肥系统，包括静态或间歇管理的堆体。该方法能耗较低、操作简单，且具有较强的适应小规模农户经营条件的能力。然而，受限且空间不均的供氧可形成交替存在的需氧、嫌氧和厌氧微环境，从而改变有机质分解、氮素转化及气体排放途径（Liu等，2020；Zhu等，2021；Wang等，2022b）。覆盖中国31个省份的2589户农户调查数据进一步表明，好氧堆肥占固体粪便处理方式的84.1%~97.6%，表明其在中国畜禽生产系统中的实际重要性（Zhou等，2022a；Pengxiang等，2023）。

由于供氧调控微生物活性、产热、有机质降解和氮素转化，好氧粪便堆肥可能在堆体温度、稳定化速率及N?O排放动态方面与集约供氧堆肥存在显著差异。目前关于好氧堆肥N?O排放的研究已相当广泛，已从宏观综合研究深入到微生物机制探究。Liu等（2023）通过元分析综合了好氧堆肥过程中N?O的排放特征及主要控制因素。Xu等（2024）进一步阐明了好氧堆肥过程中N?O的微生物来源与汇，确认含nirS/K的反硝化菌是N?O产生的重要贡献者，而含nosZ的细菌则是主要的微生物汇。相比之下，好氧条件下的研究主要以单因素实验为主，探讨静态或低通风条件下堆肥成熟度、温室气体排放模式及微生物演替等（Wan等，2021；Kong等，2022；Li等，2023）。尽管这些研究提供了宝贵的工艺层面证据，但其结论仍分散于不同粪便类型和运行条件中。

以往实验研究和元分析已识别出原料类型、初始C/N比、pH、含水率、通风、翻堆、覆膜、堆肥构型及添加剂使用等因素是有机废弃物堆肥N?O排放的主要控制因子（Jiang等，2015；Ba等，2020；Zhang等，2021b；Liu等，2023；Shan等，2021）。近期，Zhang等（2026）预测了不同原料组合、堆肥系统、通风制度和添加剂策略下的温室气体与氮素排放因子。这些研究显著推进了对堆肥过程中氮素损失的一般性理解。然而，现有综合分析通常汇总了异质性废弃物类型、供氧制度与堆肥构型，并未明确将好氧粪便堆肥作为独立工艺加以区分。2019年IPCC优化方案为几种堆肥系统提供了初始氮素0.5%~1.0%的N?O排放因子默认值。然而，尽管好氧堆肥依赖自然氧扩散与间歇性管理，可能形成独特的氧化还原条件与排放模式，IPCC方案中却未对其进行明确区分。鉴于不同堆肥条件下N?O排放存在显著差异，有必要开展针对特定工艺的综合分析，以评估现有默认因子并改进好氧粪便堆肥的排放估算（IPCC，2019；Zhang等，2026）。因此，仍需开展针对特定工艺的综合分析，以刻画N?O排放因子的范围与中心趋势、不同堆肥阶段的相对贡献、排放持续时间、原料与运行变量的重要性，以及好氧堆肥对全国粪便管理排放的贡献。

为弥补这一空白，我们对来自全球13个地区的24篇同行评议研究中的72个观测值进行了元分析，系统考察了好氧堆肥过程中N?O的排放特征。具体而言，我们评估了多种潜在影响因素，包括粪便特性、处理类型与规模以及运行参数（Cao等，2019）。本研究目标有三：（1）量化不同堆肥阶段N?O排放的量级与时间动态；（2）识别控制这些排放的关键物理化学与运行因素；（3）基于省级畜禽粪便产量数据，预测中国好氧堆肥实践在国家级尺度上的N?O排放量。通过确立好氧堆肥特有的排放模式与驱动因素，本研究旨在为制定循证减排策略提供依据，从而减轻中国主流粪便处理方式带来的气候与环境负担。

**文献检索与数据收集** 为全面收集与畜禽粪便堆肥相关的研究文献，本研究从两个数据库中系统检索并筛选了文献。使用关键词与逻辑运算符检索科学论文（图1），这些关键词旨在识别聚焦于好氧堆肥技术与N?O排放的论文。我们收集了2000年1月1日至2025年9月30日期间发表的文献，来源包括Web of Science（WOS，//apps.webofknowledge.com/

**好氧堆肥中的N?O排放模式** N?O排放速率与累积排放量在不同堆肥阶段表现出差异（图2）。好氧堆肥过程中粪便的N?O-N平均损失率为0.64%。与之前好氧堆肥研究中报道的平均N?O-N损失率1.1%相比，好氧堆肥过程中以N?O形式损失的氮素比例似乎相对较低（Yuan等，2021）。然而，与好氧堆肥相比，好氧堆肥的特征在于较低的

**结论** 好氧堆肥以N?O排放持续时间较长为特征，其中腐熟阶段占累积排放的52.8%。平均N?O-N损失率为0.64%，低于好氧堆肥的报道值，并落在IPCC为堆肥系统设定的0.5%~1.0%默认范围内。不同堆肥系统间的变异性进一步支持了针对特定工艺设定排放因子的必要性。原料特性与运行条件是N?O排放的主要决定因素。降低

**CRediT作者贡献声明** 李国学：资金获取。袁晶：写作——审阅与编辑、可视化、监督、软件、方法论、概念构思。刘岩：写作——审阅与编辑、监督。邵亚茹：数据整理。罗凯书：写作——初稿撰写、可视化、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。唐若兰：形式分析、数据整理

**利益冲突声明** 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知名利冲突或个人关系。

**数据可用性** 数据可按请求提供。

**利益冲突声明** ? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知名利冲突或个人关系。

**致谢** 本研究受国家重点研发计划（2025YFD1700400）、中国农业科学院与农业农村部现代农业产业技术体系（CARS-39）以及中国农业大学"2115人才发展计划"资助。

罗凯书 | 唐若兰 | 刘岩 | 李国学 | 袁晶
中国农业大学资源与环境学院，养分管理与利用国家重点实验室，农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室，北京100193