有机固体废物富含碳（C）、氮（N）、磷（P）和硫（S）等关键元素，这些元素的生物地球化学循环贯穿大气层、水圈和岩石圈（Galloway等人，2008年；Mackenzie等人，1998年；Giri等人，2024年）。废物处理不当不仅浪费了宝贵资源，还加剧了这些元素在环境介质中的复杂转移和积累，对区域生态安全和公共卫生构成多维度威胁。例如，堆肥和焚烧过程中释放的二氧化碳（CO2）会加剧温室效应并推动全球变暖（Tran等人，2022年）。在厌氧消化系统中，主要的气候相关风险是甲烷的逃逸排放，如果控制不当，这些排放可能会抵消部分缓解效果（Scheutz和Fredenslund，2019年）。来自堆肥、厌氧消化（特别是在消化物储存/施用过程中）和填埋操作的活性氮化合物（如氨和硝酸盐）可能会挥发或渗漏，导致大气氮沉降、土壤酸化和水体富营养化（Ghaly和Ramakrishnan，2015年）。同样，从填埋场或堆肥渗滤液中渗出的磷会成为淡水系统的限制性营养物质；过量的磷会引发藻类爆发和有害蓝藻的增殖（Wurtsbaugh等人，2019年）。废物中的硫化合物（如硫酸盐）在堆肥或焚烧过程中可能转化为二氧化硫（SO2）和其他硫化合物，导致酸雨并在土壤中形成持久性的有毒金属-硫化物复合物，威胁作物安全和地下水质量（Asif等人，2025年）。特别值得关注的是多种元素在介质间的协同放大效应：由于碳、氮、磷和硫的循环通过氧化还原和pH值过程相互耦合（例如，去除有机碳的曝气/氧化过程会刺激硝化作用和酸化，增加氮的流失；还原态硫的氧化会促使磷酸盐从固体转移到水中），针对单一污染物或介质的控制往往效果不佳，反而可能无意中加剧其他地方的污染，这种现象被称为“污染交换”（Stevens和Quinton，2009年）。总之，碳、氮、磷和硫在空气、水和土壤之间的复杂相互作用需要整体解决方案；仅关注孤立的废物流可能会导致意外的权衡和持续的环境退化。因此，需要多元素、跨介质的控制方法，系统地阐明和量化有机废物中碳-氮-磷-硫的跨介质代谢过程是实现综合跨介质环境改善的前提。
有机废物处理技术为研究和缓解这些多元素、跨介质污染挑战提供了途径。典型的城市和农业有机废物，如农作物秸秆、畜禽粪便和厨余垃圾，通常通过好氧堆肥、厌氧消化、焚烧和填埋进行处理（Sharma等人，2019年；Braber，1995年）。每种处理方式都可以被视为一个代谢子系统，介导碳、氮、磷和硫在环境介质间的流动和转化。这些处理方式共同构成了一个有向的处理过程和物质转移网络，为本研究的网络分析奠定了概念基础。传统的评估方法通常是孤立的，通常是单一介质或单一元素的评估（例如，仅考虑空气或碳），忽略了跨介质的关联和元素间的反馈。在这里，我们采用跨介质、多元素的视角来诊断单一维度研究无法解决的权衡问题（例如污染交换）。因此，需要从跨介质的角度全面评估它们的环境影响。通过量化碳、氮、磷和硫在各个处理过程中进入和退出的途径，可以识别出关键干预点，以最小化它们向空气、水和土壤的意外释放，而不仅仅是简单地将它们在不同介质间转移。
在这个多途径、多介质的废物处理网络中，优先干预应针对那些同时作为污染物传播的中心节点并且在不同介质间具有高浓度排放的途径。仅仅关注外围过程或单一污染物无法打破主要的污染路径，反而可能加剧污染交换和协同放大效应。
此外，现有研究缺乏系统性的、综合性的跨介质、多元素协同管理视角。当前的废物管理实践和研究通常按环境介质（空气、水、土壤）或污染物类型（碳、氮、磷、硫）进行分割，以单一介质或单一元素的策略为主；缺乏解决多介质和多元素相互作用的综合框架。实际上，针对多元素、跨介质污染的协同控制措施仍然很少，迫切需要一种整体方法来克服碎片化的治理问题。最近的研究已经推进了碳和氮的单一元素代谢模拟和跨介质转移（Wen等人，2018年，2019年），而关于废物处理过程中磷-硫跨介质代谢的证据仍然不足，且缺乏区域特定的系统分析。此外，这些研究量化了碳和氮在空气-水-土壤介质间的排放（Wen等人，2018年，2019年），并应用网络分析来识别关键节点（Du等人，2024年；Chen和Wen，2023年），但很少有研究将这些方法结合起来，确定既是关键结构节点又是有效多元素/跨介质减少剂的途径。虽然协同控制工具包已经成熟（Wang等人，2024年；Yi等人，2022年），但一个将多元素-多介质分析与基于网络的优先级排序相结合的区域级框架仍然缺失。
这一研究空白在快速城市化的粤港澳大湾区尤为突出和紧迫。该地区独特的城市和城郊景观以及多样的有机废物流强调了研究碳、氮、磷和硫在空气、水和土壤之间跨介质转移和转化的迫切需求。粤港澳大湾区产生了大量的农作物秸秆、畜禽粪便和厨余垃圾（Yang等人，2023年）。作为一个跨越广东省、香港特别行政区和澳门特别行政区的跨界大城市集群，该地区在废物收集标准、处理能力和政策激励方面存在差异，缺乏统一的跨辖区、跨介质管理框架。不同的城市或介质特定措施不足以应对不断增长的废物量和碳-氮-磷-硫在空气、水和土壤之间的交互转移风险。因此，迫切需要为粤港澳大湾区开发一个本地化的碳-氮-磷-硫跨介质代谢数据库和协同控制模型，以支持跨辖区的多元素、多介质治理。
基于上述研究需求，本研究旨在为粤港澳大湾区有机固体废物的多元素跨介质污染的协同控制开发一个集成框架。具体目标包括：（1）建立本地化的数据集和模型，用于模拟和分析大湾区代表性有机废物处理技术中的碳、氮、磷和硫的跨介质代谢途径；（2）创新性地开发一个综合风险热点指数，能够快速准确地识别同时占据网络核心位置并具有高浓度排放的关键风险途径；（3）首次开发一个综合污染转移评估模型，定量整合碳/氮/磷/硫与空气/水/土壤介质之间的协同效应和权衡，从而实现三种介质中碳、氮、磷和硫排放的协同减少。这项研究的结果将为大湾区乃至更广泛地区提供科学依据和实际指导，促进区域有机废物管理政策的可持续转型。
为了明确概念上的区别，表S1将我们的框架与三种相邻的范式进行了对比，并总结了每种范式在识别跨介质碳-氮-磷-硫控制特征方面的局限性。
