好氧堆肥作为一种有效的有机固废处理和资源化利用技术已被广泛应用。但是,传统堆肥技术存在温室气体排放量大、腐殖化效率低和重金属生态风险高等问题。近年来,生物炭(BC)的出现为解决上述问题提供了有效的途径。然而,因BC自身特性和实验条件等因素的高异质性,相关结果之间差异很大,甚至相反,BC特性对堆肥质量及重金属生态风险的影响规律和内在机制尚不明确,BC的最佳使用条件(如原料和添加比例)也不清楚。此外,BC和锰矿(MO)分别被证实可通过预防厌氧区的形成和抑制厌氧区中氧化亚氮(N₂O)和甲烷(CH₄)的生成来缓解堆肥中温室气体的排放,同时BC和MO也可分别通过生物途径和非生物途径促进腐殖质的生成。那么,BC和MO联用对缓解堆肥中温室气体排放和提高腐殖化程度是否具有协同作用呢?这在以往的研究中还没有被探讨过,其内在机制也不清楚。基于上述研究中存在的不足,本文从两个方面开展了相关研究:一是基于文献调查,运用整合分析(Meta-analysis,MA)方法定量评估BC对堆肥理化特性、养分特性和重金属生态风险的影响,并在此基础上揭示相关作用机制和明确BC的最佳使用条件;二是通过设计实验室规模的堆肥实验,系统探究BC和MO联用对堆肥过程温室气体排放和腐殖化的影响及其内在机制。主要研究结果如下:(1)MA结果表明BC可以显著提高堆肥p H(5.90%)、发芽指数(26.6%)、硝态氮含量(56.6%)、总氮含量(9.50%)、总钾含量(10.1%)及聚合度(29.4%),同时降低电导率(5.70%)、铵态氮含量(33.7%)、生物可利用锌含量(22.9%)及生物可利用铜含量(38.6%),并减少氨气(44.2%)、N₂O(68.4%)和CH₄(61.7%)排放。结合线性回归分析和结构方程模型的结果,进一步揭示添加BC引发的堆肥p H升高是导致堆肥养分含量增加和重金属生物有效性降低的关键机制。综合MA的研究结果,秸秆类BC按照10%~15%的比例添加具有最佳的改善堆肥质量和降低重金属生态风险的潜力。该部分研究结果能够为BC种类的选择或开发功能性BC提供有益的借鉴,以指导BC在堆肥生产中的高效应用。(2)玉米秸秆生物炭(CSB)和MO联用可以高效地减少N₂O和CH₄排放、总氮损失,改善堆肥的农艺价值。与对照相比,无论是CSB和MO的单独使用还是联用均可显著降低N₂O(23.5%~45.9%)和CH₄(33.6%~71.3%)排放。与单独使用CSB或MO相比,CSB和MO联用可进一步减少N₂O排放,但会促进CH₄排放。总的来说,在所有添加剂处理中,CSB和MO联用表现出最低的全球变暖潜能值(比对照低42.1%)。综合斯皮尔曼相关性分析和功能基因分析的结果,揭示在硝化和反硝化过程中抑制N₂O生成是添加剂处理减少N₂O排放的关键机制;CH₄排放的减少是通过同时抑制CH₄的生成和促进CH₄的消耗来实现的。此外,根据结构方程模型的结果发现amo A和nir S是直接影响N₂O排放的关键功能基因,温度和p H是通过各种生物或化学途径影响N₂O排放的根本因素。(3)与CSB和MO的单独使用相比,CSB和MO联用可以提高堆肥产品中胡敏酸(HA)的含量和稳定性。CSB和MO联用促进腐殖质前体(如还原糖和氨基酸)和富里酸向HA的转化是HA含量提高的关键机制,而HA稳定性的提高主要是由于CSB和MO联用促进了更多大分子量、高芳香性的HA生成。以上结果证实CSB和MO在改善堆肥中HA的生成和稳定性方面具有明显的协同作用。这有助于提高堆肥质量,并将进一步改善堆肥土壤施用带来的多重效益。(4)基于(2)和(3)的结果,CSB和MO联用被证明是一种具有多重农艺和环境效益的堆肥改良方式。建议在市政污水污泥等有机废弃物堆肥中联合使用CSB和MO来生产高质量的、低环境影响的堆肥产品。