在全球农业和食物系统中，畜禽粪便、厨余垃圾和污泥等有机废弃物一直被视为“资源错位”的典型代表：一方面，农业生产大量依赖哈伯—博施工艺合成氮肥，不仅消耗天然气，还带来高额碳排放；另一方面，食物系统产生的大量有机废弃物中仍含有可回收的氮、磷、钾和有机碳，却常常没有被高效利用。最新发表于 Nature Food 的研究指出，如果能够通过科学堆肥将这些废弃物重新转化为有机肥，不仅可以减少化肥依赖、促进土壤健康，还可能把当前“排放源型”的堆肥系统转变为“碳汇型”的资源循环系统。研究团队整合了全球171篇文献中的848组粪肥、厨余垃圾和污泥堆肥实验数据，利用机器学习模型识别出影响氨挥发、氧化亚氮、甲烷和二氧化碳排放的19个关键管理参数，并进一步结合多目标优化算法和生命周期评价，提出了面向减排和养分保留的最优堆肥管理策略。
堆肥虽然是有机废弃物资源化的重要途径，但如果管理不当，也会造成显著的氮损失和温室气体排放。全球每年约有108 Tg氮通过哈伯—博施工艺被固定用于化肥生产，但畜禽粪便、污泥和厨余垃圾中仍含有约5.8 Tg可回收氮资源。如果这些有机废弃物不能有效回收，就意味着一边继续高耗能合成氮肥，一边又让已经进入食物系统的养分以污染形式流失。研究估算，当前全球堆肥过程每年排放约747 kt NH₃-N、81 kt N₂O-N和592 kt CH₄-C，相当于约61 Mt CO₂e yr⁻¹的气候影响。其中，虽然N₂O和CH₄在质量损失上并不是最大通道，但由于全球增温潜势高，它们贡献了堆肥温室气体足迹的90%以上。这说明堆肥减排不能只关注“损失量最多”的CO₂或NH₃，还必须重点控制N₂O和CH₄这类高增温潜势气体。
研究进一步发现，不同有机废弃物的排放特征差异很大。牛粪由于碳氮比较高、木质纤维素含量较高，CO₂和NH₃损失相对较低；猪粪和鸡粪由于矿化氮含量更高，更容易产生NH₃挥发；厨余垃圾含水量高、孔隙度差，更容易形成局部厌氧环境，从而增加N₂O排放；污泥则因来源和预处理方式复杂，表现出中等水平的碳氮损失。文章指出管理方式往往比原料类型更能决定排放结果。翻堆频率、通气方式、通气强度、堆肥时长、初始含水量、初始碳氮比、pH、添加剂类型和添加量等因素，会共同调控氮碳转化路径。比如，强制通气和频繁翻堆可以改善供氧、抑制CH₄产生，但也可能促进NH₃挥发，并在好氧与厌氧微环境交替中增加N₂O排放；酸性添加剂或石膏等材料可以降低NH₃损失，但不一定同步减少N₂O。因此，堆肥管理不是简单追求“多通气”或“多翻堆”，而是需要在NH₃、N₂O、CH₄和CO₂之间进行系统权衡。
传统线性回归或Meta分析难以同时捕捉不同废弃物、不同堆肥方式、不同添加剂和多气体排放之间的复杂非线性关系。研究团队利用随机森林、XGBoost、LightGBM、CatBoost等8种机器学习算法，基于19个管理参数建立多气体排放预测模型，并发现模型能够较好预测NH₃、N₂O、CO₂和CH₄排放。其中，CatBoost对NH₃预测表现最好，XGBoost对N₂O、CO₂和CH₄预测表现较优。机器学习结果显示，现有IPCC默认排放因子可能存在偏差：IPCC可能高估了堆肥NH₃排放，却低估了N₂O排放。这意味着，如果继续依赖过于粗略的默认排放因子，可能会误判堆肥系统的真实环境影响，也难以制定精准减排策略。
在优化策略方面，研究提出了两个典型目标：一类是最大限度减少反应性氮损失，另一类是最大限度降低净碳足迹。若目标是减少NH₃和N₂O等反应性氮损失，最优策略通常包括将初始碳氮比调节到约28–33，添加木质纤维素类辅料如绿废或锯末，使用6%–10%的酸性或矿物添加剂如石膏、无机酸、过磷酸钙，并采用低频翻堆与较低通气速率，以减少NH₃释放和氮素损失。在这种情景下，全球堆肥过程可减少约694 kt NH₃-N和57 kt N₂O-N，相当于当前水平下降70%–93%，并保留更多氮素用于替代化肥。若目标是降低净碳足迹，则更适合采用低碳添加剂如黏土、腐熟堆肥，并优化间歇通气，以尽量减少N₂O和CH₄排放，同时避免因大量添加高碳足迹材料而增加新的间接排放。
从全生命周期角度看，优化管理可以让全球堆肥链从“净排放源”转变为“净碳汇”。在当前管理方式下，全球有机废弃物堆肥链净温室气体排放约为40.1 Mt CO₂e yr⁻¹，主要来自N₂O和CH₄直接排放。虽然堆肥产品能够通过替代合成氮肥和增加土壤有机碳储存抵消一部分排放，但仍不足以完全抵消堆肥过程的排放负担。而在最低碳足迹优化情景下，全球堆肥系统的净排放可降至−15.1 Mt CO₂e yr⁻¹，即从碳源转变为碳汇，年减排潜力约55.2 Mt CO₂e。其中，中国、巴西和美国是最主要的潜在碳汇贡献国，三国合计占总减排量的约65%。这说明堆肥并不必然是一个排放过程，关键取决于是否通过科学管理把氮碳损失控制在较低水平，并最大化堆肥产品对化肥替代和土壤固碳的贡献。
有机废弃物堆肥的价值，不只是“把垃圾变肥料”，而是通过精准调控，让食物系统中的养分和碳重新回到农业生产中。过去我们往往把堆肥视为一种传统、粗放的废弃物处理方式，但这项研究表明，在机器学习和多目标优化的支持下，堆肥完全可以成为连接减污、降碳、节肥和土壤健康的重要技术路径。未来堆肥管理的重点不应只是“是否堆肥”，而应转向“如何根据原料类型、碳氮比、水分、通气、翻堆和添加剂组合进行精准堆肥”。只有这样，畜禽粪便、厨余垃圾和污泥等废弃物才能真正从环境负担转变为农业资源，并推动食物系统从线性消耗走向闭环循环。
图1.全球数据分布点位及堆肥相关气体损失。
图2.EFS以管理实践和重要性分析为。外圈显示了不同管理组合(垃圾类型、堆肥系统、通风方式、添加剂类型)下的气体排放情况。条形图上的数字代表堆肥过程中的平均气体损失(初始总氮或总胆固醇的百分比)，从高到低排序。每一条都必须包含实验观测≥3。内圈描述了每种气体特征的排列重要性。链接线的宽度表示每个驱动器对不同气体的重要性。
图3.堆肥模拟模型的构建、评价和应用框架。
图4.量身定制的堆肥管理策略，分别实现温室气体和反应氮的最佳缓解。
图5.全球有机垃圾堆肥采用优化管理策略后碳和氮气体排放的变化。根据现行做法、Nr缓解战略和温室气体缓解战略，堆肥产生的a-d、NH3-N(A)、N2O-N(B)、CH4-C(C)和CO2-C(D)排放量。
图6. 全球有机垃圾堆肥链的温室气体排放，采用综合管理战略。A-f、当前情景(a、d)、自然资源缓解情景(b、e)和温室气体缓解情景(c、f)。能源，用于废物收集、运输和堆肥作业(通风、翻转)的燃料和电力；资源，堆肥过程中所有材料投入的碳排放，包括堆肥设施和添加剂；肥料替代好处，避免了因使用堆肥而产生的合成氮肥排放；有机碳好处，通过堆肥应用将碳固定在土壤中。
