肉眼看不見土壤中的污染，但會(huì)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(zhǎng)的人口，但過(guò)多的作物會(huì)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(duì)這些對(duì)土壤的威脅的方法之一是通過(guò)精確定位和跟蹤污染物中的原子，使它們可見并可以測(cè)量。正如本文所述，他們可以使用這些技術(shù)來(lái)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。

幫助農(nóng)民減少溫室氣體排放

“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(guò)度使用是農(nóng)業(yè)部門在過(guò)去70年來(lái)逐漸成為溫室氣體的主要來(lái)源之一的重要原因， ”德國(guó)吉森Justus Liebig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(shuō)。據(jù)聯(lián)合國(guó)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(shuō)。“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(lái)種植更多的食物，同時(shí)最大程度地減少對(duì)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(CO 2)，一氧化二氮(N 2 O)和甲烷(CH 4)。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(guò)多，無(wú)法處理植物時(shí)，土壤中會(huì)殘留過(guò)多的肥料，這會(huì)導(dǎo)致排放量成倍增加。

來(lái)自9個(gè)國(guó)家的Müller和科學(xué)家以及國(guó)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(qǐng)參閱穩(wěn)定同位素技術(shù))。這些技術(shù)還被用作自由CO 2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CO 2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(huì)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(chǎng)，水稻，玉米和小麥作物上超過(guò)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(shuō)：“我們?cè)贔ACE實(shí)驗(yàn)中還看到植物正在生長(zhǎng)，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(guó)吉森(Giessen)的試驗(yàn)場(chǎng)是這種運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)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CO 2條件。

自由空氣中的CO 2 富集(FACE)實(shí)驗(yàn) 通過(guò)管道環(huán)將富集CO 2的空氣泵送到多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，以模擬 本世紀(jì)中葉預(yù)期的典型草原上的大氣CO 2狀況。(照片：C。Müller/吉斯Justus Liebig大學(xué))

在這些高CO 2條件下生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)來(lái)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。

在飲用水中以及其他地方尋找肥料

除了造成溫室氣體排放外，過(guò)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(guó)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(yíng)養(yǎng)科負(fù)責(zé)人李恒說(shuō)：“農(nóng)業(yè)污染物會(huì)使水無(wú)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(lái)源，重金屬和放射性核素可以被植物吸收，被人類和動(dòng)物消耗。肥料中的營(yíng)養(yǎng)成分還可以促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)，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(shuō)，隨著食品生產(chǎn)商尋求增加食品產(chǎn)量同時(shí)對(duì)抗氣候變化影響的方法，這些物質(zhì)的使用正在增加。

來(lái)自15個(gè)國(guó)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(dòng)(請(qǐng)參閱穩(wěn)定同位素技術(shù))。這些技術(shù)將成為識(shí)別農(nóng)業(yè)污染物來(lái)源的工具包并開發(fā)創(chuàng)新的可持續(xù)做法，以應(yīng)對(duì)過(guò)度使用和對(duì)環(huán)境的影響。

20多年來(lái)，科學(xué)家一直使用單一同位素來(lái)識(shí)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(lái)區(qū)分不同的污染物及其獨(dú)特的同位素特征。

亨恩說(shuō)：“分析多種同位素可以更全面地了解每種來(lái)源的每種化學(xué)物質(zhì)的相對(duì)貢獻(xiàn)，因此科學(xué)家可以知道采用哪種方法來(lái)處理田間和整個(gè)景觀中的污染物。”

科學(xué)穩(wěn)定的同位素技術(shù)

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。科學(xué)家可以利用它來(lái)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(dòng)路徑和交換情況。

科學(xué)家使用氮15和碳13來(lái)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(dòng)和起源。通過(guò)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(dòng)和來(lái)源。

多種同位素分析

科學(xué)家使用碳，氫，氮，氧和硫的穩(wěn)定同位素來(lái)追蹤農(nóng)業(yè)污染物，包括其來(lái)源以及從土壤到水體的移動(dòng)。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(guò)含有氧和氫同位素的水溶解和運(yùn)輸。同時(shí)測(cè)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(lái)自何處以及污染物將流向何處。