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如何利用核技术解决土壤污染和提高生产率?

核技术 同位素技术
发布:2020-09-18 15:44:16     来源:IAEA

肉眼看不见土壤中的污染,但会影响我们的食物和水资源,甚至影响我们呼吸的空气。这些隐藏的污染物之一通常是肥料。

在肥料方面,平衡是至关重要的:在适当的时间配上适当的数量,农作物可以蓬勃发展以帮助养活世界上不断增长的人口,但过多的作物会使植物瘫痪,污染土壤和水,并使全球变暖永存。那么,您如何达到适当的平衡呢?

科学家应对这些对土壤的威胁的方法之一是通过精确定位和跟踪污染物中的原子,使它们可见并可以测量。正如本文所述,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

“全球范围内的食物需求比以往任何时候都要多,但是答案并不是肥料更多。肥料的过度使用是农业部门在过去70年来逐渐成为温室气体的主要来源之一的重要原因, ”德国吉森Justus Liebig大学植物生态研究所和都柏林大学生物与环境科学学院的土壤和植物专家ChristophMüller说。据联合国粮食及农业组织(FAO)称,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量的24%。

“我们需要在帮助农民的同时保护环境,但是要做到这一点,我们首先需要详细了解化肥如何与土壤和农作物相互作用,以及在什么时候释放温室气体,”穆勒说。“核技术可以帮助我们获得这些细节,并找到可持续的方式来种植更多的食物,同时最大程度地减少对环境的影响。”

随着植物和土壤将肥料转化为有用的养分,一些副产品是温室气体:二氧化碳(CO 2),一氧化二氮(N 2 O)和甲烷(CH 4)。使用适量的肥料,可使植物蓬勃发展,并释放少量的温室气体。但是,当肥料过多,无法处理植物时,土壤中会残留过多的肥料,这会导致排放量成倍增加。

来自9个国家的Müller和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,以了解化肥,农作物,土壤和温室气体排放之间的联系(请参阅稳定同位素技术)。这些技术还被用作自由CO 2浓缩(FACE)实验的一部分,该实验正在帮助科学家研究与气候变化相关的大气中较高的CO 2水平如何影响作物质量和肥料需求。他们的同位素研究的结果将用于制定指导方针,以帮助减少农业中的化肥使用量,而不会损害作物的质量和单产。

他们的研究结果已经揭示了在牧场,水稻,玉米和小麦作物上超过100公顷的土地上优化肥料使用的方法:温室气体排放量减少了50%,作物产量增加了10%。

Müller说:“我们在FACE实验中还看到植物正在生长,但是它们的质量正在变化。” FACE是自然条件下的大规模气候变化设施。德国吉森(Giessen)的试验场是这种运行时间最长的研究之一,用于模拟本世纪中叶预期的典型草原上的大气CO 2条件。

自由空气中的CO 2 富集(FACE)实验 通过管道环将富集CO 2的空气泵送到多个测试点,以模拟 本世纪中叶预期的典型草原上的大气CO 2状况。(照片:C。Müller/吉斯Justus Liebig大学)

在这些高CO 2条件下生长的植物变得更坚韧,蛋白质含量下降。随着奶牛在这些植物上放牧,他们的胃必须更努力地工作,并且他们必须吃更多的东西才能提取出足够的营养来生产牛奶。这不仅危害奶产量,而且使奶牛发射更多的甲烷-温室气体34倍,比CO更有效2。

在饮用水中以及其他地方寻找肥料

除了造成温室气体排放外,过量的肥料经常被雨水或积雪融化而冲入河流和溪流,最终流入海洋和饮用水供应中。

粮农组织/国际原子能机构粮农核技术联合司土壤和水管理及作物营养科负责人李恒说:“农业污染物会使水无法饮用,并损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,重金属和放射性核素可以被植物吸收,被人类和动物消耗。肥料中的营养成分还可以促进藻类的生长,从而降低水中的氧气含量并损害鱼类和水生生物。”

肥料是几种污染环境的农药之一。其他包括农药,灌溉盐,沉积物和牲畜残留的药物。亨恩说,随着食品生产商寻求增加食品产量同时对抗气候变化影响的方法,这些物质的使用正在增加。

来自15个国家/地区的科学家正在与FAO / IAEA联合司的专家合作,追踪多种稳定同位素,以分析农业污染物,其起源和活动(请参阅稳定同位素技术)。这些技术将成为识别农业污染物来源的工具包并开发创新的可持续做法,以应对过度使用和对环境的影响。

20多年来,科学家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。

亨恩说:“分析多种同位素可以更全面地了解每种来源的每种化学物质的相对贡献,因此科学家可以知道采用哪种方法来处理田间和整个景观中的污染物。”

科学稳定的同位素技术

同位素是具有相同数量的质子但具有不同数量的中子的相同元素的原子,从而导致原子量不同。例如,氮15具有与氮14相同的化学行为,但又有一个中子,使其更重。科学家可以利用它来了解和追踪同位素的转化方式,以及它们与植物,土壤和水体的流动路径和交换情况。

科学家使用氮15和碳13来追踪农业中一氧化二氮,甲烷和二氧化碳排放的运动和起源。通过使用带有15个氮同位素标记的肥料,科学家可以追踪同位素并确定作物吸收肥料的效率以及剩余的肥料。追踪碳13以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,包括其来源以及从土壤到水体的移动。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,硫和碳可以通过含有氧和氢同位素的水溶解和运输。同时测量同位素,以区分水循环和污染循环,以更好地了解污染物来自何处以及污染物将流向何处。

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