综述：有机废弃物堆肥过程中减少氮损失的研究——基于荟萃分析的见解

《Sustainable Horizons》：A review of mitigating nitrogen losses during composting of organic waste: Insights from a meta-analysis

　　

氮损失是堆肥过程中养分耗竭和环境污染的关键因素。本研究对堆肥过程中的总氮（TN）损失进行了荟萃分析，重点关注了量化、影响因素和缓解方法。研究结果表明，堆肥过程中大约有29.20%的TN损失，主要以NH₃-N和N₂O-N的形式存在。通过分析不同堆肥实践对TN损失的影响，研究人员确定了氮保留的最佳条件。这些条件包括：从较低的初始氮含量开始，将最高温度维持在约51.7°C，并将C/N比设定为大约25。在缓解策略中，添加剂最有效地将TN损失减少了24.59%至28.53%，而优化曝气在减少气体排放方面取得了最大成效——分别将NH₃-N和N₂O-N损失降低了52.96%和46.99%。该研究强调了需要采用综合方法来有效管理堆肥操作。

**1. 引言**
堆肥是有机废弃物资源化的关键技术，但过程中会发生氮（N）损失，主要形式为NH₃和N₂O，降低肥料价值并造成环境污染。已有研究关注了原料组成、堆肥技术和添加剂等因素对氮保留的影响，但单个研究受限于样本量和情境差异。荟萃分析（meta-analysis）可综合多研究数据，提供更可靠的氮损失估计和缓解措施评估。本研究旨在量化不同堆肥工艺参数下的氮损失（包括NH₃-N、N₂O-N和总氮（TN）损失），分析堆肥特性与氮损失的关系，并评估不同策略的缓解潜力。

**2. 方法**

**2.1 文献检索与数据收集**
通过Web of Science数据库系统检索2004–2024年间发表的1285篇同行评审文章，关键词包括“Composting”或“Compost”与“Nitrogen loss”或“N loss”。经标题、摘要和全文筛选，最终纳入156篇文章，包含648个处理组。提取数据包括作者、发表年份、期刊、原料特性、堆肥策略、TN、NH₃和N₂O损失。使用Engauge Digitizer从图中提取数值，并进行双重校验。

**2.2 分类与定义**
研究考察了曝气模式（翻堆、静态曝气及组合）、堆肥原料（猪粪、鸡粪、牛粪、羊粪、污泥、餐厨垃圾）和膨胀剂（麦秆、稻壳、锯末、玉米秸秆、木屑、废菌渣）对氮损失的影响。同时分析了堆肥特性（最高温度、初始氮含量、初始C/N比）与氮损失的关系。缓解策略包括添加剂、膨胀剂、原料调整、C/N比调整和优化曝气。为优化C/N比，将C/N比为20–25的处理组设为最优组，其他为高或低C/N对照组；优化曝气中最佳曝气条件处理为改进组。

**2.3 数据处理与分析**
采用自然对数响应比（lnRR）计算不同策略对氮损失的影响，公式为lnRR=ln(X_e/X_c)。选择随机效应模型处理研究内和研究间异质性（Q检验p<0.001，I²=87%），使用逆方差加权和bootstrap方法（10000次迭代）计算加权效应量和95%置信区间（CIs）。缺失标准差（SD）采用均值1/10估算，或利用变异系数（CV）和样本量比计算。通过Shapiro-Wilk检验确认效应量分布正态性（p>0.05）。失效安全数（Nfs）计算为61.42，漏斗图显示对称分布，表明发表偏倚风险较低。采用结构方程模型（SEM）分析潜变量（C/N比、pH、初始TN、含水量、最高温度）对TN损失的直接、间接和总效应，通过1000次bootstrap估计标准化回归系数和决定系数（R²）。回归分析评估氮损失与单个堆肥参数的关系，残差诊断未违反线性、正态性和同方差性假设。数据可视化使用Origin 2023和PowerPoint 2007。

**3. 结果与讨论**

**3.1 不同堆肥过程中的氮损失**
所有研究的平均TN损失为29.20%，NH₃-N和N₂O-N损失分别为12.79%和1.47%。不同曝气模式下，翻堆导致最高TN损失（38.39%），静态曝气最低（26.44%），组合方式居中（27.07%）；静态曝气同时最小化NH₃-N和N₂O-N损失。不同原料中，鸡粪TN损失最高且N₂O-N损失最低，归因于高初始铵浓度和pH；羊粪和牛粪损失较低，因其含更多木质素和高C/N比；餐厨垃圾NH₃-N损失最低，因其高C/N比、初始酸性pH和细颗粒物限制气体扩散；猪粪和餐厨垃圾N₂O-N损失较高，与高含水量和堆积密度导致的厌氧微环境有关。不同膨胀剂中，稻壳导致较高TN和N₂O-N损失，因其高碳含量消耗氧气；废菌渣TN损失最低，因其平衡的C/N比和有益微生物群落；玉米秸秆TN损失最高，因其过高C/N比；木屑NH₃-N和N₂O-N损失较低，因其多孔结构改善曝气。

**3.2 堆肥特性与氮损失的关系**
SEM模型解释了53.7%的氮损失方差（χ²=20.3，df=6，χ²/df=3.38，RMSEA=0.080，CFI=0.91，SRMR=0.07）。最高温度对氮损失有显著正向影响（r=0.558，p<0.001）；初始氮含量（r=-0.162，p<0.001）和C/N比（r=-0.685，p<0.001）有显著负向直接效应。初始氮含量通过影响C/N比产生间接正效应（r=0.345，p<0.001）。pH和含水量无显著直接效应。回归分析显示：最高温度与TN损失呈显著二次关系，最小值在51.7°C；NH₃-N损失随温度线性增加；N₂O-N损失呈二次趋势，50°C以上急剧上升。初始氮含量与TN、NH₃-N损失呈正线性关系，与N₂O-N损失呈二次关系，峰值在20 g·kg^?1。初始C/N比与TN损失呈二次关系，最小值在C/N≈25；NH₃-N损失在C/N≈20时最高。

**3.3 不同缓解策略对氮损失的影响**

**3.3.1 添加剂**
物理添加剂（如生物炭、黏土）减少TN损失27.78%，NH₃-N损失39.14%，N₂O-N损失36.81%，机制包括吸附、改善孔隙度和促进有益微生物活动。化学添加剂（如过磷酸钙、镁磷酸盐）减少TN损失28.53%，NH₃-N损失20.54%，N₂O-N损失20.73%，通过酸化、形成结晶沉淀和调节微生物活性。生物添加剂（如嗜热菌、硝化菌）减少TN损失24.59%，N₂O-N损失5.49%，但增加NH₃-N损失23.18%，可能因增强微生物活性导致高温和pH升高。

**3.3.2 膨胀剂**
膨胀剂减少TN、NH₃-N和N₂O-N损失分别为10.18%、9.57%和10.92%，通过改善孔隙结构促进曝气，加速腐熟，并具有吸水、保水和pH缓冲特性。

**3.3.3 堆肥原料**
优化原料组成减少TN损失19.26%，通过平衡结构和养分，促进有氧发酵，防止氮淋溶或氨挥发。

**3.3.4 C/N比**
调整初始C/N比减少TN损失5.70%，NH₃-N损失24.13%。最优C/N比为20:1至25:1，促进微生物氮利用并抑制挥发和反硝化。过低C/N比导致铵过量挥发，过高C/N比可能延迟腐熟并增加N₂O排放风险。

**3.3.5 曝气条件**
优化曝气条件显著减少TN损失22.01%，NH₃-N损失52.96%，N₂O-N损失46.99%。适当的氧气供应促进有氧分解，抑制厌氧反硝化。间歇曝气（平均0.21 L·kg^?1 min^?1，曝气10分钟/暂停10分钟）在牛粪堆肥中有效限制NH₃和TN损失。

**4. 展望**
荟萃分析在堆肥研究中面临发表偏倚、研究异质性和分析方法局限等挑战。建议推进研究设计和测量指标的标准化，建立公开透明的出版系统以涵盖未发表数据，研究其他堆肥特性（如有机物、碳含量、重金属离子）的影响，进一步分类开发生物添加剂并研究其协同/拮抗效应，结合机器学习算法和人工智能（AI）预测氮损失趋势，并用生命周期评估（LCA）评价经济环境效益。

**5. 结论**
本研究通过荟萃分析确定了影响氮损失的多重因素及缓解策略的有效性。选择较低初始氮含量的原料和将堆肥最高温度维持在约51.7°C是关键策略。添加剂对减少TN损失最有效（24.59%–28.53%），优化曝气对减少气体排放影响最大（NH₃-N降低52.96%，N₂O-N降低46.99%）。这些发现可提高堆肥农艺价值，支持环境可持续性，并强调需要创新策略进一步减少农业中的氮损失。