堆肥过程中关键间歇曝气窗口的识别：基于温度控制的嗜热阶段强化促进腐殖化与氮素保留

《Waste Management》：Identifying the critical intermittent aeration window in composting: Thermophilic-stage intensification via temperature-based control enhances humification and nitrogen retention

　　

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  高温期曝气强化（TAI）为腐殖化作用和氮保留提供了关键窗口期。
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  TAI优于冷却期曝气强化（CAI），表明曝气时机比强度更为重要。
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  TAI通过木质素相关途径促进腐殖化作用（腐殖化程度DP增加24%）和氮保留（总氮TN增加17%）。
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  TAI通过加速醌基/酚羟基的形成来增强溶解性有机质（DOM）的电子传递能力。

引言

在快速城市化和人口增长的推动下，厨余垃圾量不断攀升，构成了严峻的环境挑战。全球每年产生约10.5亿吨食物垃圾（UNEP, 2024），其中仅中国就产生1.22–1.59亿吨（Li et al., 2025b）。厨余垃圾以高含水量和丰富的有机质（OM）为特征，极易腐败，但适合通过好氧堆肥进行资源化利用。该过程依赖微生物群落将不稳定的有机质转化为稳定的腐殖质（HS），可用作有机肥以改善土壤质量并支持植物生长（Kong et al., 2024, Zhou et al., 2022）。堆肥质量在很大程度上取决于腐殖酸（HA）的合成，HA是腐殖质的关键组分（Zhou et al., 2022）。

曝气是调控堆肥效率和产品质量的关键因素（Cheng et al., 2023, Cheng et al., 2024, Xie et al., 2023, Xu et al., 2021b）。虽然间歇曝气比连续曝气更能促进腐殖化作用（Cheng et al., 2023），但更高的强度会加速高温期活性和有机质降解，同时也存在腐殖质前体过度矿化和热量散失的风险（Xu et al., 2021b）。从高温期到冷却期再到成熟期的多阶段递降曝气（0.3→0.2→0.1 L·kg^?1·DM·min^?1）已被证明可减少排放并增强腐殖化作用（Cheng et al., 2024）。近期，Tang等人（2026）报道，间歇高强度曝气使氧摄取速率几乎翻倍，将NH₃和N₂O排放减少超过35%，并使腐殖化指数提高了4.86%。虽然这些研究证实了动态曝气优于恒速曝气，但它们主要优化的是曝气强度或模式，或依赖于基于氧摄取速率的控制方法——该方法需要专用传感器和复杂算法，使其在大规模应用方面成本高昂且技术门槛较高。从实际工程角度来看，温度传感器已经是大多数堆肥设施的标准设备——坚固耐用、价格实惠且免维护。我们的策略利用这一现有基础设施，提供了一种易于实施的动态曝气控制替代方案。通过温度识别不同的堆肥阶段，我们专注于高温期和冷却期——前者是有机质降解的峰值期，后者是腐殖质形成的关键窗口。这提出了一个关键问题：在高温期与冷却期强化曝气对腐殖化作用和氮保留有何差异化影响？

溶解性有机质（DOM）作为氧化还原活性介质在堆肥过程中发挥着核心作用，影响电子传递、金属还原和污染物转化（Zhao et al., 2023）。其电子传递能力（ETC），包括受体能力（EAC）和供体能力（EDC），与分子组成和功能基团密切相关（Tan et al., 2017, Zhao et al., 2020）。尽管曝气强度会影响DOM组成（Xie et al., 2023），但阶段特异性曝气强化是否在TAI和CAI之间差异化调控DOM氧化还原特性仍尚不明确，这是一个关键的认知空白。

氮保留仍然是堆肥中的主要挑战。有机氮（ON）作为主要存在形式，经微生物转化生成铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^–-N），其中NH₄⁺-N会被再同化为有机氮，或通过挥发和反硝化作用而损失（Li et al., 2025c, Mo et al., 2024, Zhu et al., 2023）。虽然较高的曝气量通常有利于硝化作用和无机氮保留（Liu et al., 2025），但曝气强化的时机如何影响有机氮通过与芳香族前体缩合进入腐殖质（如木质素相关途径）在很大程度上仍未被探索。建立系统性的机制理解对于推进氮素保护策略至关重要。

为弥补这些研究空白，本研究提出了一种基于温度的阶段特异性曝气强化策略，利用堆肥设施中已有的通用温度传感器，研究曝气强化时机如何调控碳氮转化过程。我们假设高温期曝气强化（TAI）可以促进木质素相关途径并增强氨的同化作用，从而协同提高腐殖化作用和氮保留。为验证这一假设，本研究：（1）在间歇曝气框架下系统比较了TAI和CAI；（2）确定了各策略激活的不同腐殖化途径；（3）揭示了DOM电子传递能力作为关键介质的作用；（4）通过偏最小二乘路径建模（PLS-PM）建立了从曝气时机到微生物群落变化再到氮素-腐殖质协同稳定的因果链。通过使用温度识别堆肥阶段，该策略为将机制研究成果转化为工程应用提供了一条可行路径。

章节摘要

堆肥材料与实验设置

堆肥材料由厨余垃圾和玉米秸秆组成（表S1）。厨余垃圾按照我们先前研究确定的比例收集（Li et al., 2025a）；玉米秸秆购自江苏省徐州市一家农资店。所有材料在100 L反应器中进行堆肥前均进行了切碎和充分混合。厨余垃圾与玉米秸秆按湿重比20:7混合，初始含水量和C/N比分别调节至约60%和20。

理化性质

所有处理组在前3天内均表现出温度快速上升（图S1a），这是由于厨余垃圾中易生物降解底物的加速降解为微生物代谢提供了充足的碳源（Cheng et al., 2024）。高温期持续时间在T1、T2、T3和T4中分别为14天、10天、8天和7天，表明曝气量的增加缩短了高温期。

pH动态变化反映了有机酸降解与氮素转化之间的平衡。初始阶段pH

结论

本研究证明，TAI在堆肥过程中能有效增强腐殖化作用和氮保留。具体而言，与中等曝气（MA）相比，TAI使腐殖化程度DP增加了24.44%，总氮保留率提高了17.01%，而CAI在促进腐殖化作用方面不如MA有效（但仍优于低曝气LA）。从机制上看，TAI加速了醌基的形成和类腐殖酸物质的合成，从而增强了DOM的电子传递能力，促进了降解木质纤维素的高温菌群落（如Thermobacillus属

CRediT作者贡献声明

郑福旺：撰写—初稿、可视化、调查、形式分析。刘长青：撰写—审阅与编辑、验证、方法学、概念化。罗星光：撰写—审阅与编辑、验证。张清怡：验证、调查。李景峰：验证、数据整理。宋炳坤：软件、数据整理。林子航：软件、数据整理。郑裕怡：撰写—审阅与编辑、项目管理、方法学、概念化。甄广银：

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竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受福建省科学技术厅产学研合作项目（2025Y4005）、福建省科学技术厅国际合作项目（2024I0012）以及大学生创新创业训练计划（S202410394015、S202510394022）资助。

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