基于可可壳生物炭的有机肥料堆肥动态与品质表征

食品废弃物堆肥代表了有机废弃物资源化利用与养分回收的有效策略。本研究评估了在可控翻堆条件下，添加牛粪（Cow Manure, CM）、禽粪（Poultry Manure, PM）和可可壳生物炭（Cocoa Husk Biochar, CHB）的食品废弃物堆肥动态过程及最终堆肥品质。研究设置了7个处理组（T1–T6及对照组），在为期75天的堆肥周期内每周翻堆两次。堆肥性能通过温度演变、水分动态、pH、电导率（Electrical Conductivity, EC）、质量减损及病原指示菌进行评估；堆肥品质则基于养分组成、碳氮比（C:N ratio）及重金属浓度进行评价。所有处理均表现出典型的堆肥温度曲线，在5–7天内进入高温期。峰值温度范围为45–59°C，其中禽粪添加处理达到最高温度，表明其微生物活性增强且杀菌效果有效。水分含量从初始的44–68%下降至成熟期的16–25%，这是由于微生物产热和蒸发作用所致。显著的质量减损（43–82%）表明有机质降解效率较高。最终堆肥呈碱性（pH 8.5–10.4），电导率低于6.5 mS cm⁻¹，养分浓度增加，总氮（Total Nitrogen, TN）为2.35–3.87%，磷（Phosphorus, P）为0.55–1.37%，钾（Potassium, K）为4.69–5.72%。最终C:N比为4.46–16.92，表明堆肥产品已成熟。重金属浓度远低于法规限值；沙门氏菌（Salmonella）未检出，大肠杆菌（Escherichia coli）水平低于农业用堆肥推荐阈值1.0 × 10³ CFU g⁻¹，符合美国环保署（US EPA）A级生物固体标准。禽粪添加增强了堆肥效率和养分富集效果，而可可壳生物炭有助于改善堆肥稳定性和养分保持。这些发现表明，将食品废弃物、畜禽粪便和可可壳生物炭相结合，可生产营养丰富、卫生安全的堆肥，适用于可持续土壤肥力管理。

本研究围绕发展中国家可生物降解城市废弃物 streams 的快速增长所带来的可持续废弃物管理与土壤肥力恢复挑战展开。在加纳及撒哈拉以南非洲地区，有机组分占城市固体废弃物的60%以上，然而现有堆肥系统往往生产出养分品质不一致的产品，限制了其农学效益及农民采纳度。堆肥过程中的氮素损失，主要通过氨挥发（ammonia volatilization）途径，是制约养分回收效率、削弱堆肥作为可靠肥料替代物作用的核心瓶颈。有机改良剂如畜禽粪便和生物炭已被广泛研究用于改善食品废弃物堆肥系统的堆肥性能和养分保持。牛粪常用作氮源和微生物接种剂，可增强微生物活性、加速有机质降解；禽粪因具有相对更高的氮磷含量，能显著提高堆肥养分浓度并刺激嗜热微生物活性，但过高的氮素可获得性也可能导致氨挥发增加。生物炭因其多孔结构、大比表面积和强吸附能力，近年作为堆肥添加剂受到关注，可减少氨挥发、改善通气、增强微生物栖息环境并促进腐殖化进程。

针对现有研究或侧重终端产品质量、或仅考察单一改良剂效应的不足，研究人员开展了本项研究，旨在通过受控、基于配比的实验框架，定量并过程化地评估牛粪、禽粪和可可壳生物炭的不同组合如何影响频繁翻堆制度下的堆肥动态、氮素转化与保持路径，以及热行为、微生物灭活与最终堆肥品质之间的关联。该研究发表于《Waste Management》，为资源受限条件下食品废弃物主导的低收入废弃物管理体系提供了过程层面的机制理解与实用配方指导。

研究主要采用了以下关键技术方法：研究在加纳阿散蒂地区埃伊苏市政区CSIR–CRI试验点开展，采用田间规模的翻堆式堆肥（turned windrow composting）方法，基于随机完全区组设计（Randomized Complete Block Design, RCBD），设置3次重复，共75天堆肥周期。内部堆肥温度通过数字不锈钢堆肥探针温度计每日测量，每次在堆体顶部、中心和底部3个点取平均；水分含量采用重力烘箱干燥法每周监测两次，通过手动补水维持40–60%的最适范围。物料质量减损基于湿重计算。样品采用分层采样策略，每周翻堆后从堆体上中下三层采集复合样品，经室温风干72小时、瓷研钵粉碎并过1 mm筛后进行理化分析。总氮采用凯氏定氮法（Kjeldahl digestion and distillation），总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）采用Walkley–Black湿法氧化法测定，有效磷采用磷钼蓝分光光度法（spectrophotometrically using the phosphomolybdate blue method），钾、钙、镁采用Jenway PFP7火焰光度计测定。重金属铅和锌经HNO₃–HClO₄湿法消解后用原子吸收分光光度计（Atomic Absorption Spectrophotometer）定量。pH和电导率在1:5（w/v）堆肥-蒸馏水浸提液中用Hanna HI9811-5便携式pH/EC计测定。微生物分析采用膜过滤法（membrane filtration method），样品经系列稀释后通过0.45 µm纤维素硝酸酯膜过滤，分别在MacConkey琼脂培养基（用于总大肠菌群和大肠杆菌）和Salmonella-Shigella琼脂培养基（用于沙门氏菌）上培养计数。堆肥成熟度通过pH和C:N比等关键指标评估。统计分析采用GraphPad Prism 8.0，经Shapiro–Wilk正态性检验和Levene方差齐性检验后进行单因素方差分析（one-way ANOVA），显著性差异采用Dunnett多重比较检验（p < 0.05），不符合参数检验条件者采用Kruskal–Wallis非参数检验。

生物质降解（质量减损）：研究人员通过对7个处理组的物料流分析，发现堆肥过程中堆体质量显著下降。添加改良剂的处理（T1–T6）质量减损为43.5–62.3%，平均约52.8%，而对照组（C）高达82.4%。添加改良剂处理较低的质量减损表明改良剂组成可能影响分解动态和有机质保持，这归因于改良剂提供的额外可生物降解碳和氮增强了微生物生物量发育并维持了微生物活性。生物炭颗粒可物理吸附溶解性有机化合物和微生物代谢产物，减少碳素通过淋溶和挥发的损失；畜禽粪便则提供易降解底物和微生物种群，促进有机质向稳定腐殖化物质转化而非快速矿化为CO₂。对照组较高的质量减损部分归因于食品废弃物主导底物较高的初始水分含量，部分重量损失反映水分蒸发而非有机质矿化增强。

堆肥品质：养分组成显著影响以恒定食品废弃物（25 kg）和可可壳生物炭（10 kg）为基础、但牛粪与禽粪比例不同的处理组间堆肥品质差异。堆肥前，较高总氮含量与禽粪丰富处理相关，特别是T3（3.40%）。堆肥后所有处理总氮均因有机质矿化和质量损失而增加，范围为2.35%（T6）至3.87%（T5）。T1–T3中总氮顺序为T3 > T1 > T2，证实了禽粪对氮素富集的更强影响。所有添加改良剂处理的有机碳较对照组显著降低54–59%，表明微生物降解和腐殖化增强；相应C:N比下降至T1–T5低于15，达到堆肥成熟度阈值，而T6和对照组维持较高比值。磷和钾浓度堆肥后均增加，T1–T3记录到较高钾水平（4.69–5.02%）。

禽粪和牛粪对堆肥品质的影响：研究人员比较了牛粪添加处理（T4）、禽粪添加处理（T5）和可可壳生物炭添加处理（T6）的温度动态差异。所有处理均在5–7天内迅速进入高温期（>45°C），表明微生物降解活跃。T5表现出最强的高温热响应，约第7天达到峰值温度59°C，反映了禽粪支持的最适氮素可获得性、通气和微生物活性；T4达到中等峰值（~45°C），而T6基本处于偏高适温范围（~44°C），表明存在氮素限制。仅T5达到超过55°C的病原灭活关键温度。第15–30天温度下降，第45天起稳定于近环境温度（~30°C），表明堆肥成熟和稳定。

处理组与对照组堆肥品质的比较：堆肥养分组成随改良剂类型显著变化。总磷堆肥后因有机质矿化和质量损失在所有处理中增加，T4记录最高（1.37%）。钾浓度在所有处理中也增加，范围为4.66%（T1）至5.72%（T6），生物炭和粪肥添加处理特别是T6和T5观察到最高钾水平，表明这些改良剂对钾富集的强贡献。

pH演变：所有堆体pH演变遵循典型堆肥模式。初始pH为5.0–7.2，对照组因酸性食品废弃物最低。前两周内pH快速升至碱性水平（8.5–10.0），随着堆肥进入高温期，这归因于蛋白质降解的氨化过程释放铵离子（NH₄⁺）和氨（NH₃），中和了堆肥初期形成的有机酸。富禽粪处理特别是T3和T5表现出更快、更大幅度的pH升高。第2–6周pH维持相对稳定（8.5–10.0），第10周进一步升至9.0–11.5，对照组达~12.0，反映堆肥成熟和碱性矿物质积累。

电导率：电导率反映堆肥盐分及其潜在植物毒性。初始电导率在处理间存在差异，对照组最低（5.61 mS cm⁻¹），T3最高（7.23 mS cm⁻¹）。堆肥过程中电导率总体下降，最终值为4.66 mS cm⁻¹（T1）至6.28 mS cm⁻¹（T6），粪肥和生物炭添加处理维持相对较高电导率。从农学角度，低于4 mS cm⁻¹的电导率对大多数作物安全，较高值在高施用量时可能存在盐分风险。

碳氮比：碳氮比是广泛接受的堆肥稳定性和成熟度指标。初始C:N比约为18.9–29.8，堆肥期间所有堆体C:N比持续下降，反映碳作为CO₂通过微生物呼吸优先损失相对于氮。禽粪处理的C:N比下降最显著，因其更高的初始氮素可获得性支持密集微生物呼吸和更快的碳矿化。生物炭添加可能通过铵离子吸附和减少氨挥发促进氮素保持。T5记录最低最终C:N比（≈4.46），表明更高程度的成熟和稳定。所有堆体最终C:N比均低于25:1，达到农业应用适宜水平。

总氮：所有堆体总氮在10周堆肥期间呈现渐进增加，反映典型的有机质矿化浓度效应。初始总氮约1.7%（T6）至3.4%（T3和T5），第10周T3和T5达最高（≈4.1%）。总氮增加主要归因于碳作为CO₂通过微生物呼吸的优先损失，而氮相对保守。对照组从约2.0%开始，前两周快速升至约3.1%，最终稳定于≈3.8%。T6、T2和T1维持相对较低总氮（约2.5–3.1%），可能反映较高的氨挥发损失。

重金属：所有处理中锌（Zn）和铅（Pb）浓度在堆肥前后均很低，且过程中进一步下降，表明有效的金属稳定化。初始铅水平（0.04–0.37 mg kg⁻¹）除T2外均下降，T4（≈86%）和T5（≈81%）降幅最大，归因于腐殖化、沉淀及与有机质的络合作用降低铅移动性和生物有效性。所有最终铅浓度远低于国际安全限值（<150 mg kg⁻¹）。锌初始浓度为0.44–0.71 mg kg⁻¹，大多数处理显著下降，特别是T3、T5、T1和T2（≈70–77%降幅）。最终锌水平远低于法规限值（<1400 mg kg⁻¹）。

堆肥的微生物负荷：微生物分析表明所有处理和对照的病原指示菌大幅减少，证明了堆肥过程的卫生效果。初始总大肠菌群（Total Coliforms, TC）、粪大肠菌群（Faecal Coliforms, FC）、大肠杆菌、沙门氏菌和蠕虫卵负荷均较高。堆肥结束时TC下降至1.5 × 10³–9.15 × 10³ CFU g⁻¹，FC和大肠杆菌下降至≤9.15 × 10² CFU g⁻¹。所有处理和对照的沙门氏菌被完全消除。蠕虫卵计数也显著降低，T3、T4、T5和T6完全去除，T1（3个g⁻¹ TS）、T2（1个g⁻¹ TS）和对照（2个g⁻¹ TS）有低残留。所有最终大肠杆菌浓度远低于农业用堆肥推荐阈值1.0 × 10³ CFU g⁻¹。

影响堆肥品质的操作条件——温度：温度动态反映了包括适温期、高温期、冷却期和成熟期在内的典型堆肥热曲线。所有处理在最初5–7天内温度快速上升超过45°C，表明微生物降解活跃和通气充足。高温峰值温度为T5达59°C、T3达56°C、T1达51°C、T2达49°C、T4达45°C、T6达44°C、对照43°C。T3和T5维持55°C以上的病原灭活和种子破坏所需阈值温度。T5的优越热性能可归因于其更高的氮含量和更低C:N比促进快速微生物代谢和产热。第15天后温度逐渐下降，第45天起稳定于近环境温度（~30°C）。T3、T5、T6和T2在第39–45天左右出现二次温度上升（39–41°C），归因于翻堆和再充氧重新激活微生物代谢。

水分含量：水分含量在10周堆肥期间持续下降，初始约44%（T3）至68%（对照），前4周降幅最大，对应高温期微生物活性和产热最高时段。操作过程中通过补水维持最优范围，因此观察到的变化代表蒸发、微生物代谢和操作水分调整的综合效应。最终水分含量约16–25%，为成熟堆肥产品的典型值。

翻堆：翻堆通过改善通气、重新分布水分和底物、增强微生物活性发挥关键作用。温度曲线显示翻堆后早期阶段温度轻微但持续上升，每周两次翻堆增强了通气和微生物活性。然而频繁翻堆制度限制了持续高温条件，导致相对较高温度持续时间较短。频繁翻堆结合高初始氮含量可能促进氨挥发。

讨论与结论：研究人员指出，本研究并非提出全新的堆肥概念，而是将已建立组分在受控实验框架内整合，提供特定情境下改良剂相互作用的优化洞见。所有堆肥均遵循典型堆肥轨迹，在75天内达到操作成熟。改良剂组成影响温度发展、养分动态和最终堆肥特性，但观察到的差异需考虑初始堆体质量变化和过程中水分调整的影响。禽粪基处理显示出最高的高温温度和优越的氮素富集，生物炭有助于改善堆肥稳定性和养分保持。最终堆肥产品在减小C:N比、增加养分浓度和病原减少至安全水平方面表现出可接受的理化特性，确认其农业应用适宜性。在测试配方中，禽粪添加处理在堆肥效率与养分富集间显示出最有利的平衡。总体而言，食品废弃物、畜禽粪便和可可壳生物炭的联合利用为有机废弃物资源化和养分循环提供了实用且可持续的策略。未来研究结合呼吸活性、发芽指数或腐殖化指数等专门稳定性指标，将进一步阐明不同改良剂组合的稳定化机制。

研究结论部分翻译如下：本研究展示了添加牛粪、禽粪和可可壳生物炭的食品废弃物堆肥的联合应用，在受控实验框架内整合了已建立的堆肥组分。与引入根本性新方法不同，本研究提供了特定情境洞见，说明这些广泛研究的改良剂在确定配比和操作条件下如何相互作用以影响堆肥动态、养分保持和卫生品质。所有堆肥均遵循包括适温期、高温期、冷却期和成熟期在内的典型堆肥轨迹，在75天堆肥期内达到操作成熟。结果表明，改良剂组成影响温度发展、养分动态和最终堆肥特性，尽管观察到的差异应考虑初始堆体质量变化和过程中水分调整的潜在影响。禽粪基处理展示了最高的高温温度和优越的氮素富集，表明增强的微生物活性和养分可获得性。生物炭因其吸附能力和结构特性有助于改善堆肥稳定性和养分保持。最终堆肥产品表现出可接受的理化特性，包括降低的C:N比、增加的养分浓度和减少至安全水平的病原菌，确认其农业应用适宜性。在测试配方中，禽粪添加处理显示出堆肥效率与养分富集之间最有利的平衡。总体而言，食品废弃物、畜禽粪便和可可壳生物炭的联合利用为有机废弃物资源化和养分循环提供了实用且可持续的策略。这些发现为资源受限地区优化堆肥配方提供了有益指导，这些地区食品废弃物管理和土壤肥力恢复是关键挑战。