Когда речь идет об удобрениях, очень важно соблюдать баланс: если своевременно использовать правильное количество, повысится урожайность, что поможет накормить растущее население планеты, но чрезмерное применение вредит растениям, загрязняет почву и воду и усугубляет проблему глобального потепления. Как найти правильный баланс? Изотопные методы могут в числе прочего применяться для оптимизации использования удобрений, оценки воздействия агрохимических веществ-загрязнителей и определения источников выбросов парниковых газов.
Помощь фермерам и сокращение выбросов парниковых газов
«Население мира многочисленно, как никогда, но проблему пропитания нельзя решить, просто увеличив дозу удобрений. Избыточное использование удобрений — основная причина, по которой сельское хозяйство за последние 70 лет стало основным источником парниковых газов», — заявил Кристоф Мюллер, ботаник и почвовед Института экологии растений Гисенского университета им. Юстуса Либиха (Германия) и Школы биологии и экологии Университетского колледжа Дублина. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) Организации Объединенных Наций, в 2014 году на сельское хозяйство, включая лесное хозяйство и прочие варианты землепользования, приходилось 24% общемировых выбросов парниковых газов.
«Необходимо защитить окружающую среду и в то же время помочь фермерам, но для этого надо четко понимать, как удобрения воздействуют на почву и сельхозкультуры, а также при каких условиях начинается выброс парниковых газов, — говорит Мюллер. — Ядерные методы могут помочь нам найти ответы на эти вопросы и выработать эффективные способы повысить урожайность культур и снизить воздействие на окружающую среду».
Растения и почва перерабатывают удобрения в полезные питательные вещества и вырабатывают побочные продукты, в том числе парниковые газы: двуокись углерода (CO2), закись азота (N2O) и метан (CH4). Если используется правильное количество удобрений, растения хорошо развиваются, а объем выбросов парниковых газов минимизируется. Однако если удобрения используются чрезмерно, растения не могут их переработать — излишки остаются в почве, вызывая резкий рост выбросов.
Мюллер совместно с группой ученых из девяти стран и экспертами МАГАТЭ и ФАО проводят эксперимент по отслеживанию изотопов, чтобы понять связь между удобрениями, сельхозкультурами, почвой и выбросами парниковых газов (см. вставку «Наука»). Те же методы используются в рамках эксперимента по обогащению атмосферного воздуха углекислым газом (FACE): таким образом ученые изучают, как повышение уровня CO2 в атмосфере, вызванное изменением климата, повлияет на качество сельскохозяйственных культур и потребность в удобрениях. Результаты изотопных исследований будут учитываться при разработке регламентов, с помощью которых удастся сократить объем удобрений, используемых в сельском хозяйстве, без снижения качества культур и урожайности.
Результаты исследований уже помогли определить способы оптимизации использования удобрений на более чем 100 гектарах пастбищ и рисовых полей, кукурузы и пшеницы. Выбросы парниковых газов снизились на 50%, а урожайность возросла на 10%.
«В рамках эксперимента FACE мы обнаружили, что растения растут быстрее, но их качество меняется», — заявил Мюллер. FACE — это крупный проект по изучению изменения климата в природных условиях. На испытательном полигоне в Гисене, Германия, проводится один из самых продолжительных экспериментов такого рода. Он заключается в моделировании изменения уровня двуокиси углерода в атмосфере над типичным лугом, которое, как ожидается, произойдет к середине этого века.
В рамках эксперимента по обогащению атмосферного воздуха углекислым газом (FACE) обогащенный двуокисью азота воздух закачивается на несколько испытательных полей через кольца трубок, чтобы моделировать условия повышения уровня двуокиси азота в атмосфере над типичным лугом, что, как ожидается, произойдет к середине этого века К. Мюллер/ Институт экологии растений Гисенского университета им. Юстуса ЛибихаРастения, выращиваемые при высоких уровнях CO2, становятся жестче, а содержание белка в них снижается. Коровам, которые пасутся на таких лугах, сложнее переваривать такие растения, и им приходится потреблять больше пищи, чтобы производить молоко. Это не только ставит под угрозу производство молока, но и приводит к тому, что коровы производят больше метана — парникового газа, в 34 раза мощнее CO2.
Обнаружение удобрений в питьевой воде и не только
Избыточное использование удобрений не только способствует выбросу парниковых газов. Зачастую дождевые потоки или талые воды заносят удобрения в реки и ручьи, из которых они попадают в океаны или резервуары питьевой воды.
«Загрязняющие вещества, использующиеся в сельском хозяйстве, могут сделать воду непригодной для питья, причинить ущерб водным экосистемам и биоразнообразию, — говорит Ли Хэн, руководитель Секции рационального использования почв, воды и питания растений Объединенного отдела ФАО/МАГАТЭ по ядерным методам в продовольственной и сельскохозяйственной областях. — Питательные вещества, содержащиеся в удобрениях, стимулируют рост водорослей, что снижает уровень кислорода в воде, нанося ущерб рыбам и водным экосистемам».
По словам Хэна, удобрения входят в число агрохимикатов, которые загрязняют окружающую среду. В эту категорию также попадают пестициды, соль из оросительных вод, отложения и остатки лекарственных препаратов, используемых в животноводстве. К этим веществам прибегают все чаще, стремясь повысить производительность и минимизировать последствия климатических изменений.
Ученые из 15 стран работают с экспертами Объединенного отдела ФАО/МАГАТЭ и с помощью отслеживания набора стабильных изотопов анализируют загрязняющие вещества в сельском хозяйстве, определяют их источники и схему перемещения (см. вставку «Наука»). Эти методы могут применяться для выявления источников загрязняющих веществ в сельском хозяйстве и выработки новаторских эффективных практик борьбы с избыточным употреблением удобрений и снижения их воздействия на окружающую среду.
На протяжении более чем 20 лет ученые используют отдельные изотопы, чтобы выявлять загрязняющие вещества в сельском хозяйстве, но использование одного изотопа за раз не дает достаточно информации, чтобы определить различные загрязняющие вещества и их различимые изотопные сигнатуры.
«Использование набора изотопов позволяет более точно понять, из каких источников происходит загрязнение, что позволяет ученым решить, какой подход будет более эффективным для борьбы с заражением на полях и в различных ландшафтах», — говорит Хэн.
Методы, основанные на использовании стабильных изотопов
Изотопами называются атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов и, соответственно, разной атомной массой. К примеру, азот-15 демонстрирует то же поведение, что и азот-14, но нейтронов в нем на один больше, поэтому его масса выше. Ученые могут исходить из этого, чтобы понять и отследить преобразования изотопов, а также их перемещение и обмены, происходящие внутри растений, почвы и воды.
Ученые применяют азот-15 и углерод-13 для отслеживания движения и определения источника выбросов двуокиси азота, метана и двуокиси углерода в сельском хозяйстве. Используя удобрения, помеченные изотопами азота-15, ученые могут отслеживать изотопы и определять, насколько эффективно удобрения усваиваются растениями и сколько остается в почве. Углерод-13 отслеживается для определения схемы перемещения и происхождения двуокиси углерода и метана.
Анализ с использованием нескольких изотопов
С помощью стабильных изотопов углерода, водорода, азота и серы ученые отслеживают загрязняющие вещества в сельском хозяйстве, определяют источники их происхождения и схемы перемещения из почвы в водоемы. Эти изотопы применяются, потому что удобрения и пестициды содержат азот, серу и углерод, которые растворяются и переносятся водой, содержащей изотопы кислорода и водорода. Эти изотопы измеряются одновременно, чтобы различать циклы перемещения воды и загрязнителей и лучше понимать, откуда появляются загрязнители и куда они переносятся.