肉眼看不見土壤中的污染，但會影響我們的食物和水資源，甚至影響我們呼吸的空氣。這些隱藏的污染物之一通常是肥料。
在肥料方面，平衡是至關(guān)重要的：在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間配上適當(dāng)?shù)臄?shù)量，農(nóng)作物可以蓬勃發(fā)展以幫助養(yǎng)活世界上不斷增長的人口，但過多的作物會使植物癱瘓，污染土壤和水，并使全球變暖永存。那么，您如何達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶饽?
科學(xué)家應(yīng)對這些對土壤的威脅的方法之一是通過精確定位和跟蹤污染物中的原子，使它們可見并可以測量。正如本文所述，他們可以使用這些技術(shù)來優(yōu)化肥料的使用，并找到減少其作為農(nóng)業(yè)污染物和溫室氣體排放源的影響的方法。
“全球范圍內(nèi)的食物需求比以往任何時(shí)候都要多，但是答案并不是肥料更多。肥料的過度使用是農(nóng)業(yè)部門在過去70年來逐漸成為溫室氣體的主要來源之一的重要原因，”德國吉森JustusLiebig大學(xué)植物生態(tài)研究所和都柏林大學(xué)生物與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的土壤和植物專家ChristophMüller說。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)稱，2014年，包括林業(yè)和其他土地利用在內(nèi)的農(nóng)業(yè)部門占全球溫室氣體排放量的24%。
“我們需要在幫助農(nóng)民的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，但是要做到這一點(diǎn)，我們首先需要詳細(xì)了解化肥如何與土壤和農(nóng)作物相互作用，以及在什么時(shí)候釋放溫室氣體，”穆勒說。“核技術(shù)可以幫助我們獲得這些細(xì)節(jié)，并找到可持續(xù)的方式來種植更多的食物，同時(shí)最大程度地減少對環(huán)境的影響。”
隨著植物和土壤將肥料轉(zhuǎn)化為有用的養(yǎng)分，一些副產(chǎn)品是溫室氣體：二氧化碳(CO2)，一氧化二氮(N2O)和甲烷(CH4)。使用適量的肥料，可使植物蓬勃發(fā)展，并釋放少量的溫室氣體。但是，當(dāng)肥料過多，無法處理植物時(shí)，土壤中會殘留過多的肥料，這會導(dǎo)致排放量成倍增加。
來自9個(gè)國家的Müller和科學(xué)家以及國際原子能機(jī)構(gòu)的專家與糧農(nóng)組織合作，正在追蹤同位素，以了解化肥，農(nóng)作物，土壤和溫室氣體排放之間的聯(lián)系(請參閱穩(wěn)定同位素技術(shù))。這些技術(shù)還被用作自由CO2濃縮(FACE)實(shí)驗(yàn)的一部分，該實(shí)驗(yàn)正在幫助科學(xué)家研究與氣候變化相關(guān)的大氣中較高的CO2水平如何影響作物質(zhì)量和肥料需求。他們的同位素研究的結(jié)果將用于制定指導(dǎo)方針，以幫助減少農(nóng)業(yè)中的化肥使用量，而不會損害作物的質(zhì)量和單產(chǎn)。
他們的研究結(jié)果已經(jīng)揭示了在牧場，水稻，玉米和小麥作物上超過100公頃的土地上優(yōu)化肥料使用的方法：溫室氣體排放量減少了50%，作物產(chǎn)量增加了10%。
Müller說：“我們在FACE實(shí)驗(yàn)中還看到植物正在生長，但是它們的質(zhì)量正在變化。”FACE是自然條件下的大規(guī)模氣候變化設(shè)施。德國吉森(Giessen)的試驗(yàn)場是這種運(yùn)行時(shí)間最長的研究之一，用于模擬本世紀(jì)中葉預(yù)期的典型草原上的大氣CO2條件。
自由空氣中的CO2富集(FACE)實(shí)驗(yàn)通過管道環(huán)將富集CO2的空氣泵送到多個(gè)測試點(diǎn)，以模擬本世紀(jì)中葉預(yù)期的典型草原上的大氣CO2狀況。(照片：C。Müller/吉斯JustusLiebig大學(xué))
在這些高CO2條件下生長的植物變得更堅(jiān)韌，蛋白質(zhì)含量下降。隨著奶牛在這些植物上放牧，他們的胃必須更努力地工作，并且他們必須吃更多的東西才能提取出足夠的營養(yǎng)來生產(chǎn)牛奶。這不僅危害奶產(chǎn)量，而且使奶牛發(fā)射更多的甲烷-溫室氣體34倍，比CO更有效2。
除了造成溫室氣體排放外，過量的肥料經(jīng)常被雨水或積雪融化而沖入河流和溪流，最終流入海洋和飲用水供應(yīng)中。
糧農(nóng)組織/國際原子能機(jī)構(gòu)糧農(nóng)核技術(shù)聯(lián)合司土壤和水管理及作物營養(yǎng)科負(fù)責(zé)人李恒說：“農(nóng)業(yè)污染物會使水無法飲用，并損害水生生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性。”“例如，肥料可以構(gòu)成重金屬和放射性核素的主要來源，重金屬和放射性核素可以被植物吸收，被人類和動物消耗。肥料中的營養(yǎng)成分還可以促進(jìn)藻類的生長，從而降低水中的氧氣含量并損害魚類和水生生物。”
肥料是幾種污染環(huán)境的農(nóng)藥之一。其他包括農(nóng)藥，灌溉鹽，沉積物和牲畜殘留的藥物。亨恩說，隨著食品生產(chǎn)商尋求增加食品產(chǎn)量同時(shí)對抗氣候變化影響的方法，這些物質(zhì)的使用正在增加。
來自15個(gè)國家/地區(qū)的科學(xué)家正在與FAO/IAEA聯(lián)合司的專家合作，追蹤多種穩(wěn)定同位素，以分析農(nóng)業(yè)污染物，其起源和活動(請參閱穩(wěn)定同位素技術(shù))。這些技術(shù)將成為識別農(nóng)業(yè)污染物來源的工具包并開發(fā)創(chuàng)新的可持續(xù)做法，以應(yīng)對過度使用和對環(huán)境的影響。
20多年來，科學(xué)家一直使用單一同位素來識別農(nóng)業(yè)污染物，但是一次使用一種同位素并不能提供足夠的信息來區(qū)分不同的污染物及其獨(dú)特的同位素特征。
亨恩說：“分析多種同位素可以更全面地了解每種來源的每種化學(xué)物質(zhì)的相對貢獻(xiàn)，因此科學(xué)家可以知道采用哪種方法來處理田間和整個(gè)景觀中的污染物。”
同位素是具有相同數(shù)量的質(zhì)子但具有不同數(shù)量的中子的相同元素的原子，從而導(dǎo)致原子量不同。例如，氮15具有與氮14相同的化學(xué)行為，但又有一個(gè)中子，使其更重?？茖W(xué)家可以利用它來了解和追蹤同位素的轉(zhuǎn)化方式，以及它們與植物，土壤和水體的流動路徑和交換情況。
科學(xué)家使用氮15和碳13來追蹤農(nóng)業(yè)中一氧化二氮，甲烷和二氧化碳排放的運(yùn)動和起源。通過使用帶有15個(gè)氮同位素標(biāo)記的肥料，科學(xué)家可以追蹤同位素并確定作物吸收肥料的效率以及剩余的肥料。追蹤碳13以確定二氧化碳和甲烷的運(yùn)動和來源。
科學(xué)家使用碳，氫，氮，氧和硫的穩(wěn)定同位素來追蹤農(nóng)業(yè)污染物，包括其來源以及從土壤到水體的移動。之所以使用這些同位素，是因?yàn)榛屎蜌⑾x劑含有氮，硫和碳，這些氮，硫和碳可以通過含有氧和氫同位素的水溶解和運(yùn)輸。同時(shí)測量同位素，以區(qū)分水循環(huán)和污染循環(huán)，以更好地了解污染物來自何處以及污染物將流向何處。
