談到肥料，平衡是關鍵：在合適的時間施合適的量，作物能夠茁壯生長，從而有助于養活世界上不斷增長的人口；但過量施肥會毀壞植物、污染水土、使全球變暖永久化。那么如何取得適當的平衡？一種方法是借助同位素技術優化施肥，并解決其成為農業污染物和溫室氣體排放源的影響。
 
助農減排

“世界要養活的人口越來越多，但解決辦法不只靠肥料。農業部門在過去70年中，很大程度上由于過度使用肥料，逐漸成為溫室氣體主要來源之一。”Christoph Müller說。他是德國尤斯圖斯-李比希大學（吉森）植物生態學研究所和都柏林大學生物學與環境科學學院的土壤和植物專家。據聯合國糧食及農業組織（糧農組織）報道，2014年，包括林業和其他土地利用在內的農業部門占全球溫室氣體排放量的24％。
 
“我們需要在幫助農民的同時保護環境，但要做到這一點，我們首先需要詳細了解肥料如何與土壤和作物相互作用，以及它們何時釋放溫室氣體。”Müller說。“核技術可以幫助我們獲得這些細節并找到種植更多糧食的可持續方式，同時最大限度地減少環境影響。”
 
在植物和土壤將肥料轉化為有用養分時，作為副產品會釋放一些溫室氣體：二氧化碳（CO2）、一氧化二氮（N2O）和甲烷（CH4）。適量施肥，植物會茁壯生長，釋放的溫室氣體也最少。但施肥遠超出植物吸收能力時，多余肥料就會留在土壤中，導致排放量呈指數增加。
 
Müller和來自九個國家的科學家以及原子能機構的專家與糧農組織合作，正在追蹤同位素，以了解肥料、作物、土壤和溫室氣體排放之間的聯系（見“科學”欄）。在一種“自由空氣二氧化碳濃度”實驗中，科學家正在研究隨氣候變化而來的大氣中CO2濃度升高對作物質量和肥料需求產生的影響，同位素技術也被用作實驗的一部分。他們的同位素研究結果將用于制定導則，以幫助減少農業施肥，同時不損害作物質量和產量。
 
他們的研究結果揭示了如何在100多公頃面積的牧草及水稻、玉米和小麥作物區優化施肥：溫室氣體排放減少了50％，作物產量增加了10％。
 
“我們在‘自由空氣二氧化碳濃度’實驗中還發現植物生長更快，但質量發生變化。”Müller說。“自由空氣二氧化碳濃度”實驗為處于自然條件下的大型氣候變化設施。德國吉森試驗場是開展這類研究實驗時間最久的設施之一，它模擬到本世紀中葉典型草原上的大氣CO2狀況。
 
在這些高濃度CO2狀況下生長的植物變得更堅韌，但蛋白質含量下降。奶牛食用這些植物后，它們的胃必須更加努力地蠕動，它們必須多吃才能攝取足夠的營養產奶。這不僅有損牛奶產量，還會使奶牛排放更多甲烷。甲烷的效力是CO2的34倍。
 
飲用水及其他地方中的肥料

除了導致溫室氣體排放外，多余肥料經常被雨水或融雪沖到河流和溪流中，最終進入海洋和飲用水供應。
 
“農業污染物會使水無法飲用，危害水生生態系統和生物多樣性。”糧農組織/原子能機構糧農核技術聯合處水土管理及作物營養科科長LeeHeng說。“例如，肥料中的營養物質會促進藻類生長，從而降低水中的含氧量，危害魚類和水生生物。”
 
肥料是污染環境的幾種農業化學品之一。其他包括殺蟲劑、灌溉鹽化、沉積物和牲畜藥物殘留物。Heng說，隨著糧食生產者尋求增加糧食產量的方法，同時應對氣候變化的影響，這些物質的使用不斷增加。
 
來自15個國家的科學家正在與糧農組織/原子能機構聯合處的專家合作，追蹤多種穩定同位素，以分析農業污染物及其來源和遷移（見“科學”欄）。這些技術將作為工具包用于確定農業污染物來源，并發展創新型可持續實踐，以抵消其過度使用和對環境的影響。
 
20多年來，科學家們一直使用單一同位素來識別農業污染物，但是一次使用一種同位素并不能提供足夠的信息，以區分不同的污染物及其獨特的同位素特征。
 
“分析多種同位素可以更全面地了解每種來源的每種化學物質的相對貢獻，以便科學家們可以知道采取哪種方案來處理田間和景觀中的污染物。”Heng說。
 
科學

穩定同位素技術

同位素是同種元素的不同原子，其具有相同數量的質子，但中子數量不同，導致原子量不同。例如，氮-15具有與氮-14相同的化學性質，但是多一個中子，因而更重。科學家可以利用這一點，了解和追蹤同位素的轉化方式、它們的流動路徑以及與植物、土壤和水體的交換。
 
科學家利用氮-15和碳-13追蹤農業中排放的N2O、CH4和CO2的運動和起源。通過使用標有氮-15同位素的肥料，科學家們可以追蹤同位素，并確定作物如何有效地吸收肥料以及剩余肥料。跟蹤碳-13，可確定CO2和CH4的運動和來源。
 
多種同位素分析
 
科學家使用碳、氫、氮、氧和硫的穩定同位素來追蹤農業污染物，包括它們的起源和從土壤到水體的運動。使用這些同位素是因為肥料和農藥含有氮、硫和碳，它們被含有氧和氫同位素的水溶解和輸運。同時測量這些同位素以區分水和污染循環，并更好地了解污染物來源及其去向。
 
本文刊登在《國際原子能機構通報》2018年11月刊“核科學技術: 應對當前和新興發展挑戰”