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利用同位素技术,减少农业温室气体排放

作者:中国同位素与辐射行业协会
文长2045 - 时长6分

摘要:
由于原子能机构与联合国粮食及农业组织(粮农组织)合作开展了一项研究项目,已确定了在不同气候条件下减少农业温室气体(GHG)排放的方法。利用同位素技术,来自世界各地的科学家们已经开发出技术包,各国可以通过更有效地利用水和养分来减缓气候变化。

由于原子能机构与联合国粮食及农业组织(粮农组织)合作开展了一项研究项目,已确定了在不同气候条件下减少农业温室气体(GHG)排放的方法。利用同位素技术,来自世界各地的科学家们已经开发出技术包,各国可以通过更有效地利用水和养分来减缓气候变化。

当农民在给他们的农作物施肥时,农作物将肥料转化为植物生长所需的营养素。与这些工艺相关的一些副产品以温室气体的形式释放,如一氧化二氮(N2O)、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4),化肥的过度使用导致温室气体的过量释放。根据粮农组织的数据,农业、林业和其他土地利用约占全球温室气体排放量的四分之一,使用合成肥料占农业总温室气体排放量的12%。

反过来,这些气体会在地球大气层中捕获热量,导致全球变暖,从而改变粮食作物生长的条件,不仅影响作物产量,还影响食品质量和粮食安全。

粮农组织/国际原子能机构粮食和农业核技术联合司的土壤科学家穆罕默德•扎曼(Mohammad Zaman)说:“大量释放的N2O尤其令人担忧,因为它在吸收热量方面比二氧化碳强300倍,比CH4强16倍。”“因此,提高农业中的氮效率和阻止氮从土壤中逸出可以大大促进气候变化缓解战略。”

为了优化农业实践,来自孟加拉国、巴西、智利、中国、哥斯达黎加、埃塞俄比亚、德国、伊朗、巴基斯坦和西班牙等10个国家的科学家,以及国际原子能机构和粮农组织的专家,使用同位素技术确定影响农田温室气体排放的因素。在2019年7月结束的5年期间,使用同位素技术确定影响农田温室气体排放的因素。专家们使用稳定同位素氮-15和碳-13来确定N2O和二氧化碳排放源,并研究不同土地用途下碳和氮的积累(见用稳定同位素追踪温室气体)。

本项目的目标之一是研究硝化抑制剂作为温室气体缓解方案的适用性。这些抑制剂被添加到氮肥中以减少N2O的排放。“这个项目的一个主要优势是,我们可以在不同的气候系统中进行这些实验,无论是温带、热带还是干旱地区。这很重要,因为每个地区的土壤过程和减缓策略都不同。”

巴西是世界上最大的农业生产国之一,农民生产的粮食足以养活该国五倍的人口,因此了解抑制剂在减少氮流失方面的作用非常重要,巴西农业研究公司(Brazil agricultural Research Corporation) 研究员塞贡多.乌尔基亚加(Segundo Urquiaga)说。他说:“尿素是巴西合成氮的主要来源,我们从这个研究项目中得到的结果非常有希望,因为我们证明,农民可以通过使用这些抑制剂来减少尿素的使用,同时提高氮素的使用效率。”“因此,更多的氮可以留在土壤中,尽量减少N2O的释放。”

然而,根据乌尔基亚加的说法,合成肥料占巴西农业用氮总量的不到20%。“超过75%来自生物固氮,这是植物将大气中的氮转化为需要繁殖的氮的过程,”他说。“因此,氮-15技术对于我们确定哪些作物具有高生物氮效率至关重要。由于这一举措,我们现在知道我们不再需要将氮肥用于大豆作物,这是巴西的主要作物。

同样,西班牙的研究人员通过量化氨的排放量来研究种植系统中的氮损失,氨是肥料中氮分解过程中释放的一种气体,它可以促进温室气体的排放。

马德里理工大学农业和环境风险管理与研究中心的研究员阿尔贝托•桑兹•科贝纳(Alberto santos- cobena)说:“我们的研究证实了尿素抑制剂降低氨排放的潜力。”

“同位素技术是这一研究领域的独特工具,”德国吉森贾斯特斯-李比希(Justus-Liebig)大学的植物生态学教授克里斯托夫•穆勒 (Christoph Müller)说。

他说:“要设计出阻止温室气体排放的策略,我们需要知道它们来自哪里,而同位素技术是唯一可以定量分析土壤中温室气体生产过程的方法——告诉我们每种气体的来源和排放量。”“多亏了这个研究项目,我们现在掌握了在不同气候条件下减少土壤碳消耗、加强土壤碳氮捕获和储存的关键信息。然而,要实施这些战略,我们需要科学家与农民携手合作。”

背景链接:

用稳定的同位素追踪温室气体

与测量温室气体排放的传统技术相比,核技术具有很大的优势。通过添加标有稳定同位素氮-15的氮肥作为示踪剂,科学家可以跟踪这些同位素,并确定作物吸收肥料的效率。同位素也被用来量化作物通过生物固氮过程从大气中获得的氮量。

碳13稳定同位素技术利用环境中碳13的自然丰度,使研究人员能够评估土壤质量和土壤中碳的来源。这有助于确定轮作、耕作和地面覆盖的各种组合如何能够提高生产力,并提高日益稀缺的资源,如水和化学营养素的利用效率。碳13被追踪以确定二氧化碳和甲烷的运动和起源。

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来源:中国同位素与辐射行业协会

封面图:unsplash

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