Повышение урожайности или защита окружающей среды — поиск баланса с помощью ядерных технологий


2 декабря 2019

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.

К. Мюллер/ Институт экологии растений Гисенского университета им. Юстуса ЛибихаВ 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 Либиха

Растения, 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.

Радиоактивные изотопы


Вернуться на уровень выше