厨房废弃物经过水热转化产生的甲烷排放量受到稻田土壤中溶解有机物质组成的影响

《Journal of Environmental Management》：Feedstock-dependent methane emissions from kitchen-waste hydrochar are mediated by dissolved organic matter composition in paddy soil

本研究评估了不同厨房垃圾原料制备的水热炭对水稻田甲烷排放的影响，发现骨骼和蛋白质原料水热炭显著增加排放，主要因土壤溶解有机物组成变化及微生物活性差异，而非技术本身。提出需根据原料特性制定应用策略以平衡资源回收与甲烷减排。

　　

徐永志|王丽莎|马金凤|季洋|冯艳芳

中国气象局生态系统碳源与碳汇重点实验室（ECSS-CMA），南京信息科技大学生态与应用气象学院，南京，210044，中国

摘要

将厨余垃圾（KW）转化为水碳是一种有效的资源回收策略，但其施用于土壤后对温室气体排放的影响尚不明确。本研究评估了不同厨余垃圾原料制成的水碳对水稻土壤中甲烷（CH₄）排放的影响，并确定了驱动这些变化的主要因素。在一个贯穿整个生长季节的水稻土壤柱实验中，我们比较了化学肥料对照组（CKU）与由蛋白质（PT）、纤维素（CL）、骨骼（SK）和淀粉（ST）原料制成的水碳，在两种施用率（质量比0.5%和1%）下的效果。与CKU相比，SK和PT处理组的累积CH₄排放显著增加，其次是CL处理组，而ST水碳则没有显著变化。较高的施用率进一步放大了这些效应。土壤溶解有机质（DOM）组成的变化解释了观察到的CH₄排放模式。来自SK、PT和CL原料的水碳提供了丰富的易分解碳，并降低了DOM的腐殖化程度和稳定性，表现为较低的腐殖化指数（HIX）和Ph/Pp值，从而增强了甲烷生成的底物可用性。此外，SK水碳在水稻土壤中释放了大量的NH₄⁺-N，可能抑制了CH₄的氧化。这种双重效应导致SK处理组的mcrA/pmoA比率最高，净CH₄排放量也最高。这些发现表明，水碳对CH₄排放的影响主要受原料的物理化学性质以及施用后土壤有机质和微生物活动的改变所控制，而非技术本身。将原料特异性考虑纳入应用策略中，可能有助于协调厨余垃圾回收与水稻农业生态系统中的CH₄减排。

引言

厨余垃圾（KW）管理已成为全球面临的关键环境问题。根据联合国粮食及农业组织（FAO，2023年）的数据，全球每年约有13亿吨食物被损失或丢弃。由于厨余垃圾含水量高且富含有机物质（如淀粉、蛋白质和脂类），其处理十分复杂。常用的处理方法包括填埋、焚烧、堆肥和厌氧消化（Chen等人，2016年；Sindhu等人，2019年；Zhao等人，2017年），但这些方法如果管理不当，往往会导致大量的温室气体排放、土壤和水污染以及病原体传播带来的公共卫生风险（Cerda等人，2018年；Prepilková等人，2023年；Wang等人，2022年）。因此，开发高效、低碳且经济可行的厨余垃圾转化途径至关重要。

热水解碳化（HTC）已成为处理高含水量有机废物的有效方法。该方法在加热加压的水环境中（150-350°C）将有机生物质转化为富含碳的固体产物——水碳（Funke和Ziegler，2010年；Pauline和Joseph，2020年）。HTC相对于传统方法的一个主要优势是它可以直接处理高含水量的原料而无需耗能的预干燥过程，从而显著降低了能耗和反应时间（Le等人，2022年；Shang等人，2022年）。生成的水碳富含稳定碳，适合作为土壤改良剂或固体燃料（Bona等人，2023年）。此外，水碳上的羧基和羟基官能团可以有效固定重金属和其他污染物，降低其生物可利用性和生态风险（Liu等人，2018年）。鉴于这些特性，将厨余垃圾制成的水碳施用于农业土壤，尤其是稻田，越来越被认为是一种同时促进有机废物回收和提升土壤质量的可行策略（Mahmood Al-Nuaimy等人，2024年）。

稻田是甲烷（CH₄排放的热点区域，这不仅导致碳损失，还是主要的温室气体来源（Qian等人，2023年）。然而，目前尚不清楚厨余垃圾制成的水碳如何影响稻田的CH₄排放。值得注意的是，以往的研究关于水碳在稻田应用的效果存在矛盾，观察结果从抑制到中性甚至显著促进CH₄排放都有（Han等人，2022年；Miao等人，2023年；Zhou等人，2018年）。这种不一致性不太可能是随机变异的结果，而是反映了水碳性质的差异，特别是其原料来源的不同（Nzediegwu等人，2021年；Zhang等人，2023年）。尽管如此，许多早期研究将水碳视为均匀材料，但对于厨余垃圾制成的水碳来说，这一假设存在问题，因为其成分具有内在的异质性（Khan等人，2022年；Zhou等人，2020年）。与其他单一材料生物质不同，厨余垃圾是由多种不同的生化组分组成的复杂混合物（Moonsamy等人，2024年）。每种组分在HTC过程中经历独特的化学转化路径，产生物理化学性质差异较大的水碳（Dhull等人，2024年）。因此，将所有厨余垃圾制成的水碳归为一类忽略了由来源废物成分决定的内在化学多样性。为了解决这一矛盾，我们研究了厨余垃圾水碳对CH₄排放的相反影响是否源于原料的特定生化组成。我们假设厨余垃圾的异质性导致水碳具有不同的物理化学性质，这些性质进而改变了土壤条件，特别是溶解有机质（DOM）的丰度和分子组成，从而调节了甲烷生成和甲烷氧化菌之间的平衡。为了解释这些不同的研究结果，我们采用了一种组分解析方法，将厨余垃圾制成的水碳视为非均匀的土壤改良剂。我们将厨余垃圾分离为其主要的生化组分——蛋白质、纤维素、淀粉和骨骼残渣，并在相同条件下将其转化为水碳。然后，我们将水碳施用对稻田CH₄排放的影响与土壤有机质组成的变化、洪水水化学性质以及CH₄循环微生物群落的变化联系起来。研究表明，水碳对CH₄排放的影响主要受原料的物理化学性质以及施用后土壤有机质和微生物活动的改变所控制，而非技术本身。将原料特异性考虑纳入应用策略中，可能有助于协调厨余垃圾回收与水稻农业生态系统中的CH₄减排。

研究片段

厨余垃圾水碳的制备

本研究使用的厨余垃圾原料包括南京信息科技大学食堂提供的基于骨骼（SK）、蛋白质（PT）、淀粉（ST）和纤维素（CL）的成分，分别来自大米中的淀粉部分、动物骨头中的骨骼物质、水果皮中的纤维素成分以及鸡肉中的蛋白质成分。每种原料与纯水以1:10（w/v）的比例在高压热水解反应器中混合。

水稻生长季节的CH₄排放

厨余垃圾水碳的施用显著促进了CH₄排放，排放通量在田地干燥期达到峰值（图1a）。在所有处理组中，1%施用率的SK水碳（SK1）引起的响应最为显著，其峰值通量（25.33 mg m^?2 h^?1）几乎是CKU和CL1处理组的三倍，是PT1处理组的两倍以上（图1a）。此外，高添加量的水碳普遍导致更高的CH₄释放量。

厨余垃圾水碳对土壤DOM组成的影响

水碳主要通过改变土壤DOM池来调节稻田的CH₄排放。施用后，水碳可以迅速释放未转化的易分解有机物质，例如糖类和简单酚类（Ding等人，2022年；Hao等人，2018年；Laranja等人，2020年）。这些化合物在土壤中的快速分解导致了DOC的初始激增（Bever和Coronella，2024年）。然而，这种激增是短暂的，因为它们要么被水稻植物迅速消耗，要么通过强烈的微生物活动被分解。

结论

本研究明确表明，将厨余垃圾制成的水碳施用于稻田的气候影响并非技术本身固有的，而是由原料的生化组成决定的。原料的化学性质决定了土壤DOM特性的后续变化，进而控制了CH₄排放的结果。不同处理组之间的CH₄排放风险存在明显的层次差异，其中SK来源的水碳表现出较高的钙含量等特征。

CRediT作者贡献声明

徐永志：撰写——原始草稿，可视化，数据分析，概念化。王丽莎：撰写——审阅与编辑，可视化，数据分析，概念化。马金凤：撰写——审阅与编辑，可视化，数据分析，概念化。季洋：撰写——审阅与编辑，监督，资源协调，方法论制定，资金获取，数据管理，概念化。冯艳芳：撰写——审阅与编辑，可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42477124、42077043）的财政支持。