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核技术在农业领域大有作为!

2021-08-19 11:52     来源:嘿嘿能源heypower     核技术国际原子能机构同位素分析氮15
众所周知,农业是温室气体排放大户之一。造成这种现象的原因,大部分是由于化肥的过度使用。在全球变暖问题愈加凸显的当下,这一问题是否可以解决?在国际原子能机构的努力推广之下,核技术不仅提高了农业产量,而且顺利解决了化肥滥用问题。

1、农业温室气体排放

 
研究人员表示,已确定在不同气候条件下减少农业温室气体排放的方法(图源:M.Zaman,IAEA)


作物种植、牲畜饲养和其他形式的土地利用,造成了23%的人为温室气体排放。因此,农业生产作为温室气体排大户的地位,仅次于能源生产。

而在核技术的帮助下,科学家们可以通过测量土地化肥的使用量,分析数据,计算出最佳化肥使用量。据说,这项技术的实施,可以减少50%以上的排放。

由于涉及许多微生物过程,农业产生的温室气体排放多种多样。核技术可以确定温室气体排放的来源和过程。

“这就是为什么一个国家必须进行精确测量(化肥用量),以便能够分析出温室气体排放量,然后采取实际行动降低排放量。”Mohammad Zaman说,他是FAO(粮农组织)/ IAEA(原子能机构)粮食和农业核技术联合中心的土壤科学家和植物营养学家。

2、利用智能农业应对气候变化


 

土壤是最大的碳源,储存了世界碳储量的45%(图片:IAEA)


土壤可以储存更多的碳,这一过程称为碳固存。碳固存在减少大气温室气体量方面具有巨大的潜力。

植物通过光合作用从大气中捕获二氧化碳(CO2),并将其转化为一种碳,最终在植物分解后储存在土壤中。

Zaman说,更高的碳含量,可以提高土壤抵御气候变化的负面影响,提高土壤肥力,最终有助于提高作物产量和农民收入。

“如果我们能够利用碳固存,这将是一个双赢的局面,可以同时改善土壤肥力、保护环境和维护粮食安全。”

这种所谓的碳封存气候智能农业实践,正在阿根廷、巴西、印度、印度尼西亚、肯尼亚、乌拉圭,以及布隆迪、中非、老挝和哥斯达黎加等国获得推广。

3、同位素技术的推广


 

在奥地利的IAEA植物育种实验室中的香蕉植物(图源:IAEA)


Zaman说:”在土地管理上,同位素技术提供了详细的数据信息。“

为了大规模推广该技术,IAEA和FAO正在为从事温室气体测量工作的技术人员设计标准操作程序,同时以多种语言出版农民气候智能农业实践手册。

该技术不仅可以提高作物产量、节省化肥费用,提高农民收入。“对于农民和环境都非常有益” Zaman说。

目前,阿根廷、巴西、印度、印度尼西亚、肯尼亚和乌拉圭的农民都在努力学习该技术,以环境友好,经济高效的方式提高作物产量、土壤肥力和土壤质量——这都得益于IAEA最近与FAO合作完成的一个协调研究项目的成果。

印度尼西亚国家核能机构(BATAN)的科学家塞蒂约·哈迪·瓦卢约(Setiyo Hadi Waluyo)说:“我们正在充分利用我们的资源,以应对粮食短缺和气候变化带来的挑战。”
 


核技术提供的数据可以提高土壤肥力和作物产量,同时将环境影响降至最低(图源:IAEA)


这项工作基于一个简单的概念:作物产量可以通过牲畜养殖在内的综合生产系统实现最大化,该系统可以回收动物粪便和作物残留物中的养分,这样就可以减少对合成肥料的需求。合成肥料会释放大量温室气体,从而导致气候变化。

同位素技术可以用于测量土壤中的肥料量,从而验证概念的有效性。

商业性农业经营通常基于单一种植的做法,即年复一年在同一块地上种植相同的作物。 随着时间的推移,单一种植导致土壤肥力降低,因此需要过量的合成肥料来补充作物吸收和使用的养分。 在过去五年中,越来越多使用综合种养殖系统,牲畜可以直接放牧在田间,作物也可以在收获后喂饲作物。同时,农民从牲畜身上收集粪便,并将其用作肥料,许多养分重新返回到了土壤中。 Zaman说:“这一过程可以补充土壤丰富的碳和其他必要植物养分,大大减少了对合成肥料的需求,还改善了土壤结构,提高土壤吸收水分和保存养分的能力,从而提高作物产量,同时减少温室气体排放。”
 


巴西农民正在使用豆科有机耕作技术,以降低成本,帮助应对气候变化(图源:巴西农业研究公司)


在巴西,科学家们正在研究最大限度提高土地利用效率的方法,对综合种养殖系统有效性的研究已经带来了积极的结果。大约5%的农场使用这种方法,共有1060万公顷的农场在耕种。

“我们正朝着实施保护性农业的方向发展,我们已经看到整合综合种养殖系统的可行性。”来自巴西帕拉那联邦大学的土壤科学家Jeferson Dieckow说。

通过实施该种技术,尿液和粪便的温室气体排放量减少了89%。 同样,阿根廷科学家发现,综合种养殖系统能够提高种植作物抵御气候变化的能力。

阿根廷国家农业技术研究所的科学家胡安·克鲁兹·科拉佐(Juan Cruz Colazo)说:“我们通过轮作来改善农业土壤,从这个项目中受益匪浅。我们观察到,土壤中的有机碳含量增加了50%,这增强了作物系统对气候变化的适应能力,否则可能会阻碍作物产量。”

在印度尼西亚,人口正在迅速增长,政府正努力确保充足的粮食供应。同时,印尼致力于到2030年将温室气体排放量减少30-40%。

哈迪·瓦卢约说:“保护性农业通过减少耕作和使用作物残留物作为覆盖物来提高作物产量,从而显著改善土壤质量。我们计划到2019年在1000个农场推广这些生产方式。”

综合种养殖系统的研究,通过协调研究项目不断深化,可能远远超出参与该项目的国家。

“综合种养殖系统实践尤其令人鼓舞的是,并不局限于某些地理区域或气候。如果土地适合种植作物,那么它就适合综合种养殖系统。” Zaman说。

4、氮-15和碳-13技术
 


一位研究人员在水稻上进行试验,使用稳定的氮-15来监测植物对氮的吸收(图源:CARDI)


为了评估综合种养殖系统的影响,科学家们在小块农田上使用较为稳定的同位素,这些同位素不会发出辐射,如氮-15和碳-13。

通过这种方式,他们能够跟踪和分析作物消耗氮的效率以及碳在土壤中的积累或储存情况。

这种氮-15技术,简而言之,就是在小块农田的作物周围施用少量氮-15标记的肥料。

氮在植物生长和光合作用中起着重要作用,植物通过光合作用将阳光中的能量转化为化学能。氮通常以肥料的形式添加到土壤中。

使用标有氮-15稳定同位素的肥料——与“正常”氮相比,这是一个中子多的原子——科学家可以追踪路径并确定作物吸收肥料的效率。这项技术有助于确定最佳肥料用量。
 


 

科学家们在几个月的时间里观察植物到底吸收了多少这种同位素。通过分析,他们能够就不同种植方式下需要施用多少动物粪便和/或氮肥,向农民提供建议。

碳-13技术用于评估土壤质量。由于土壤是通过施用动物粪便和作物残留物来施肥的,土壤中的有机碳含量会不断增加,这也是碳-13技术应用的基础。

通过追踪碳-13同位素,科学家能够确定土壤中碳的来源,从而确定土壤的肥力状况,这对于确保综合种养殖系统的最佳应用同样至关重要。

柬埔寨,金边——柬埔寨农业研究人员发现,那些买不起足够肥料的贫困农民,可以通过使用更多的粪肥和堆肥,在水稻生长季节之间种植替代作物来获得高产。

他们的建议来自IAEA和FAO支持的研究结果,利用与核有关的技术测量水稻和其他作物的肥料和水分吸收。

柬埔寨经常使用此类技术提高作物产量、优化肥料使用和评估水稻、谷物和蔬菜品种在最佳利用肥料方面的效率的国家之一。

目前,来自60多个国家农民正受益于这一领域的研究。



“同位素技术可以发挥重要作用,特别是对于在贫瘠土壤上工作的农民,” FAO/IAEA联合分部土壤和水管理及作物营养科科长Lee Kheng Heng说,“我们柬埔寨同事的工作证明了一点,核科学可以有力促进农业的发展。”


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