“世界要養(yǎng)活的人口越來(lái)越多，但解決辦法不只靠肥料。農(nóng)業(yè)部門(mén)在過(guò)去70年中，很大程度上由于過(guò)度使用肥料，逐漸成為溫室氣體主要來(lái)源之一?！盋hristoph Müller說(shuō)。他是德國(guó)尤斯圖斯-李比希大學(xué)（吉森）植物生態(tài)學(xué)研究所和都柏林大學(xué)生物學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的土壤和植物專(zhuān)家。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（糧農(nóng)組織）報(bào)道，2014年，包括林業(yè)和其他土地利用在內(nèi)的農(nóng)業(yè)部門(mén)占全球溫室氣體排放量的24％。

“我們需要在幫助農(nóng)民的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，但要做到這一點(diǎn)，我們首先需要詳細(xì)了解肥料如何與土壤和作物相互作用，以及它們何時(shí)釋放溫室氣體?！盡üller說(shuō)?！昂思夹g(shù)可以幫助我們獲得這些細(xì)節(jié)并找到種植更多糧食的可持續(xù)方式，同時(shí)最大限度地減少環(huán)境影響?！?/p>

在植物和土壤將肥料轉(zhuǎn)化為有用養(yǎng)分時(shí)，作為副產(chǎn)品會(huì)釋放一些溫室氣體：二氧化碳（CO₂）、一氧化二氮（N₂O）和甲烷（CH₄）。適量施肥，植物會(huì)茁壯生長(zhǎng)，釋放的溫室氣體也最少。但施肥遠(yuǎn)超出植物吸收能力時(shí)，多余肥料就會(huì)留在土壤中，導(dǎo)致排放量呈指數(shù)增加。

Müller和來(lái)自九個(gè)國(guó)家的科學(xué)家以及原子能機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家與糧農(nóng)組織合作，正在追蹤同位素，以了解肥料、作物、土壤和溫室氣體排放之間的聯(lián)系（見(jiàn)“科學(xué)”欄）。在一種“自由空氣二氧化碳濃度”實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家正在研究隨氣候變化而來(lái)的大氣中CO₂濃度升高對(duì)作物質(zhì)量和肥料需求產(chǎn)生的影響，同位素技術(shù)也被用作實(shí)驗(yàn)的一部分。他們的同位素研究結(jié)果將用于制定導(dǎo)則，以幫助減少農(nóng)業(yè)施肥，同時(shí)不損害作物質(zhì)量和產(chǎn)量。

他們的研究結(jié)果揭示了如何在100多公頃面積的牧草及水稻、玉米和小麥作物區(qū)優(yōu)化施肥：溫室氣體排放減少了50％，作物產(chǎn)量增加了10％。

“我們?cè)凇杂煽諝舛趸紳舛取瘜?shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)更快，但質(zhì)量發(fā)生變化?！盡üller說(shuō)?！白杂煽諝舛趸紳舛取睂?shí)驗(yàn)為處于自然條件下的大型氣候變化設(shè)施。德國(guó)吉森試驗(yàn)場(chǎng)是開(kāi)展這類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)時(shí)間最久的設(shè)施之一，它模擬到本世紀(jì)中葉典型草原上的大氣CO₂狀況。

在這些高濃度CO₂狀況下生長(zhǎng)的植物變得更堅(jiān)韌，但蛋白質(zhì)含量下降。奶牛食用這些植物后，它們的胃必須更加努力地蠕動(dòng)，它們必須多吃才能攝取足夠的營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)奶。這不僅有損牛奶產(chǎn)量，還會(huì)使奶牛排放更多甲烷。甲烷的效力是CO₂的34倍。

除了導(dǎo)致溫室氣體排放外，多余肥料經(jīng)常被雨水或融雪沖到河流和溪流中，最終進(jìn)入海洋和飲用水供應(yīng)。

“農(nóng)業(yè)污染物會(huì)使水無(wú)法飲用，危害水生生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性?！奔Z農(nóng)組織/原子能機(jī)構(gòu)糧農(nóng)核技術(shù)聯(lián)合處水土管理及作物營(yíng)養(yǎng)科科長(zhǎng)LeeHeng說(shuō)?！袄?，肥料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)促進(jìn)藻類(lèi)生長(zhǎng)，從而降低水中的含氧量，危害魚(yú)類(lèi)和水生生物?！?/p>

肥料是污染環(huán)境的幾種農(nóng)業(yè)化學(xué)品之一。其他包括殺蟲(chóng)劑、灌溉鹽化、沉積物和牲畜藥物殘留物。Heng說(shuō)，隨著糧食生產(chǎn)者尋求增加糧食產(chǎn)量的方法，同時(shí)應(yīng)對(duì)氣候變化的影響，這些物質(zhì)的使用不斷增加。

來(lái)自15個(gè)國(guó)家的科學(xué)家正在與糧農(nóng)組織/原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合處的專(zhuān)家合作，追蹤多種穩(wěn)定同位素，以分析農(nóng)業(yè)污染物及其來(lái)源和遷移（見(jiàn)“科學(xué)”欄）。這些技術(shù)將作為工具包用于確定農(nóng)業(yè)污染物來(lái)源，并發(fā)展創(chuàng)新型可持續(xù)實(shí)踐，以抵消其過(guò)度使用和對(duì)環(huán)境的影響。

20多年來(lái)，科學(xué)家們一直使用單一同位素來(lái)識(shí)別農(nóng)業(yè)污染物，但是一次使用一種同位素并不能提供足夠的信息，以區(qū)分不同的污染物及其獨(dú)特的同位素特征。

“分析多種同位素可以更全面地了解每種來(lái)源的每種化學(xué)物質(zhì)的相對(duì)貢獻(xiàn)，以便科學(xué)家們可以知道采取哪種方案來(lái)處理田間和景觀中的污染物?！盚eng說(shuō)。