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编译服务: 可再生能源专项服务 编译者: pengh 编译时间: 2018-12-6 点击量: 194

土壤中的污染是肉眼看不见的,但它可以影响我们的食物和水资源,甚至我们呼吸的空气。其中一种隐藏的污染物通常是肥料。

说到肥料,平衡是至关重要的:在适当的时间,适当的数量,作物可以茁壮成长,帮助养活世界上不断增长的人口,但是过多的肥料会使植物残缺,污染土壤和水,并使全球变暖永久化。那么,如何找到合适的平衡点呢?

今天,在国际社会纪念世界土壤日之际,这个问题成为人们关注的焦点。今年的主题呼吁提高人们的意识,以阻止来自化肥等污染物的土壤污染。科学家应对这些对土壤的威胁的方法之一是精确定位和追踪污染物中的原子,从而使它们可见和可测量。正如本文所解释的,他们可以使用这些技术来优化肥料的使用,并找到减少其作为农业污染物和温室气体排放源的影响的方法。

帮助农民减少温室气体排放

“有多人要供养世界比以往任何时候都多,但答案不是更多的化肥,化肥的过度使用是一个大的一部分,为什么农业已逐渐成为温室气体的主要来源之一,在过去的70年,”克里斯托夫•穆勒表示土壤和植物植物生态学研究所的专家,李比希的德国吉森大学和学院在都柏林大学生物学和环境科学。根据联合国粮农组织(FAO)的数据,2014年,包括林业和其他土地利用在内的农业部门占全球温室气体排放的24%。

穆勒说:“我们需要在帮助农民的同时保护环境,但要做到这一点,我们首先需要详细了解化肥如何与土壤和作物相互作用,以及它们在什么时候释放温室气体。”“核技术可以帮助我们获得这些细节,找到可持续的方法,在最大限度地减少环境影响的同时种植更多的粮食。”

当植物和土壤将肥料转化为有用的养分时,一些副产品是温室气体:二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)和甲烷(CH4)。只要施用适量的肥料,植物就会茁壮成长,温室气体的排放也会降到最低。然而,当植物需要处理的肥料过多,剩余的肥料留在土壤里时,就会导致排放量呈指数增长。

穆勒和来自9个国家的科学家以及国际原子能机构的专家与粮农组织合作,正在追踪同位素,以了解肥料、作物、土壤和温室气体排放之间的联系(见稳定同位素技术)。这些技术也被用作自由空气二氧化碳富集(FACE)实验的一部分,该实验正在帮助科学家研究与气候变化有关的大气中较高水平的二氧化碳如何影响作物质量和肥料需求。他们的同位素研究结果将被用于制定指导方针,在不影响作物质量和产量的情况下,帮助减少农业化肥的使用。

他们的研究结果已经揭示了如何优化100多公顷的牧场、水稻、玉米和小麦作物的肥料使用:温室气体排放量减少了50%,农作物产量增加了10%。

穆勒说:“从我们的面部实验中,我们也看到植物生长得越来越多,但它们的质量却在发生变化。”FACE是一个大型的自然条件下的气候变化设施。位于德国吉森的试验场是迄今为止持续时间最长的此类模拟典型草地大气二氧化碳状况的研究之一,预计将于本世纪中叶完成。

在这些高二氧化碳条件下生长的植物变得更坚硬,它们的蛋白质含量下降。当奶牛在这些植物上吃草时,它们的胃必须更加努力地工作,它们必须吃更多的东西来提取足够的营养来生产牛奶。这不仅会危害牛奶生产,还会导致奶牛排放更多的甲烷——一种温室气体,其强度是二氧化碳的34倍。

在饮用水和饮用水以外的地方寻找肥料

除了造成温室气体排放,过量的肥料还经常被雨水或融雪冲入河流和小溪,最终流入海洋和饮用水供应。

粮农组织/原子能机构粮食和农业核技术联合司土壤和水管理与作物营养科主任Lee Heng说:“农业污染物可使水不能饮用,并危害水生生态系统和生物多样性。”“例如,肥料可以构成重金属和放射性核素的主要来源,这些物质可以被植物吸收,被人类和动物消耗。化肥中的营养物质还能促进藻类生长,从而降低水中的氧气含量,危害鱼类和水生生物。

化肥是污染环境的几种农药之一。其他包括杀虫剂、灌溉用盐、沉淀物和家畜的药物残留物。这些物质的使用正在上升,因为食品生产商正在寻求增加食品生产的方法,同时对抗气候变化的影响,恒说。

来自15个国家的科学家与粮农组织/原子能机构联合司的专家合作,追踪多种稳定同位素,分析农业污染物及其来源和运动(见稳定同位素技术)。这些技术将成为查明农业污染源和发展创新的可持续做法以抵消它们的过度使用和对环境的影响的工具包。

20多年来,科学家们一直使用单一同位素来识别农业污染物,但是一次使用一种同位素并不能提供足够的信息来区分不同的污染物及其独特的同位素特征。

“通过分析多种同位素,可以更全面地了解每种化学物质的相对贡献,这样科学家就能知道如何处理农田和其他地区的污染物,”恒说。

科学

稳定同位素技术

同位素是同一种元素的原子,质子数相同,中子数不同,因而原子质量不同。例如,氮-15和氮-14具有相同的化学行为,但多了一个中子,使它更重。科学家可以利用它来了解和追踪同位素是如何转化的,以及它们与植物、土壤和水体的流动路径和交换。

科学家利用氮-15和碳-13追踪农业中一氧化二氮、甲烷和二氧化碳排放的运动和来源。通过使用标有氮-15同位素的肥料,科学家可以追踪这些同位素,并确定作物吸收肥料的效率和剩余量。碳13被用来确定二氧化碳和甲烷的运动和来源。

多种同位素分析

科学家使用碳、氢、氮、氧和硫的稳定同位素来追踪农业污染物,包括它们的来源和从土壤到水体的运动。之所以使用这些同位素,是因为化肥和杀虫剂含有氮、硫和碳,这些氮、硫和碳被水溶解和运输,水含有氧和氢同位素。同时测量同位素是为了区分水和污染循环,更好地了解污染物从哪里来,往哪里去。

 

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