同位素示踪农业应用的研究热点

杨俊诚，李桂花，姜慧敏，张建峰，张 娟

(1.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.北京科技大学，北京 100083)

同位素示踪农业应用主要是利用放射性或稳定性同位素示踪剂，研究靶标物质在土壤、植物或动物体内及环境中的迁移、转化、运输、吸收、代谢及分布规律等。由于示踪技术的专一性、特异性和可溯性，在我国农业科学研究中仍被广泛应用，作为独特的不可替代的技术手段，在国家主要农作物高产、高效和优质生产以及动物健康生产等领域提供了重要科学依据和技术支撑。近年来，氮磷养分转化与有机肥资源高效利用、农田温室气体减控，新型农用化学物质的环境安全性、农田污染物的环境行为与源解析，生态系统稳定性等方面，成为同位素示踪农业应用的研究热点。

1 揭示作物营养元素氮、磷有效转化机理，创建养分高效利用技术模式

在作物必需的营养元素中，氮是限制植物生长和形成产量的首要因素。植物累积的氮素有50%来自土壤，在某些条件下甚至达到70%，而外源有机肥料氮、无机肥料氮是土壤氮素的主要来源，所以明确外源肥料氮在土壤氮库中的转化对实现氮素有效调控和高效利用具有重要的意义。但由于外源氮施入土壤后与原有的土壤氮库发生着复杂的生物化学过程，常规方法很难区分变化量来源于外源氮还是土壤原有氮素，不能够明确的指出施入土壤的肥料氮素对各个形态有机氮的贡献量，而采用15N示踪技术成为解决这一技术瓶颈的首选。李树山等[1]利用15N分别标记有机肥氮和化肥氮，研究外源氮素在典型潮土中向土壤有机氮和无机氮各形态的转化与分配。结果表明，有机氮(OM*)与无机氮(CF)配施处理，来自外源肥料氮的酸解有机氮含量分别是单施化肥氮(CF*)和单施有机肥氮(OM*)处理的1.4和1.5倍；CF*处理各形态酸解有机氮中来自外源无机氮的比例以酸解性铵态氮最高，为7.8%；OM*处理各形态酸解有机氮中来自外源有机氮的比例以酸解未知氮最高，为4.5%；OM*+CF处理各形态酸解有机氮中来自外源有机氮的比例以酸解未知氮最高，为18.0%。CF*处理下土壤无机氮中来自外源无机氮的比例为27%，OM*处理下土壤无机氮中来自外源有机氮的比例为8.0%，OM*+CF处理下土壤无机氮中来自外源有机氮的比例为5.0%，说明外源有机无机配施提高了外源有机氮在土壤酸解有机氮库中的残留且主要以酸解未知氮形态存在，单施化肥处理提高了外源无机氮在土壤无机氮库中的残留。CF*处理下来自外源无机氮的酸解性铵态氮对土壤残留氮库的贡献最大，OM*处理下来自外源有机氮的非酸解有机氮对土壤残留氮库的贡献最大，OM*+CF处理来自外源有机氮的酸解未知氮对土壤残留氮库的贡献最大，CF*处理下来自外源无机氮的硝态氮对土壤残留氮的贡献最大，显著高于其他处理(P<0.05)。

姜慧敏等[2]利用15N示踪技术，以江西红壤性水稻土为研究对象，研究农民习惯施肥水平下，水稻不同生育期外源化肥氮在土壤有机氮库中的转化及关系。结果表明，土壤中氨基酸态氮和氨基糖态氮中来自外源的化肥氮含量从分蘖期到拔节期显著升高，从拔节期到灌浆期显著降低，全生育期两个组分的最高值均出现在分蘖期和拔节期之间。酸解性铵态氮中来自外源的化肥氮含量从分蘖期到成熟期逐渐降低；酸解未知氮中来自外源的化肥氮含量随生育期的延长逐渐达到动态平衡；非酸解性有机氮中来自外源的化肥氮含量在全生育期的变化符合对称方程。水稻营养生长阶段的分蘖期和拔节期，外源化肥氮分别以酸解性铵态氮和氨基酸态氮为主要方式结合在土壤有机氮库中，其含量分别占施入化肥氮的21.5%和14.8%；水稻营养生长和生殖生长并进阶段的灌浆期和生殖生长阶段的成熟期，外源化肥氮主要结合到非酸解性有机氮库中，分别占施入化肥氮的8.7%和12.7%。土壤各有机氮库中来自外源的化肥氮之间存在相互转化的关系，酸解性铵态氮库起到了“暂时库”的作用，生育前期在土壤中固持氮，当可利用性氮受限时，又可以作为有效氮库释放氮供作物吸收；在整个生长期中氨基酸态氮库对外源化肥氮的转化积累起到了“过渡库”的作用，固持在氨基酸中的化肥氮可以转化成酸解性铵态氮和氨基糖态氮，外源氮在这几个主要的氮库中动态转换以保持土壤-作物体系中氮素的循环。

Jiang 等[3]还利用15N示踪技术，研究了典型集约化设施菜地不同施氮处理对外源化肥氮素转化的影响，结果表明，减施氮肥50%结合调节土壤C/N比和水肥一体化的优化模式(OPT)较农民习惯施肥模式(FP)在秋冬茬(AW season)和冬春茬(WS season)显著提高了外源化肥氮素的利用效率(P<0.05)；冬春茬优化模式下更多的来自外源化肥氮的无机态氮以有机氮形式结合到土壤中，两季减少了外源化肥氮素的损失共达25.8%。

在国家重点基础研究计划“973”课题连续10年资助下，中国农业科学院、中国农业大学、中国科学院南京土壤研究所和南京农业大学的一批专家，利用15N田间原位示踪结合常规技术，系统研究了我国东北玉米主产区、华北小麦-玉米主产区和长江中下游稻麦轮作及双季稻主产区氮肥减施、养分及农田持续高效利用的机理，在养分农学效应、土壤肥力效应和环境效应协调综合评价的基础上，分别研究建立了三大区域化肥减施的技术途径与模式，为国家2030年实现化肥零增长提供重要理论依据和技术支撑。

磷是植物进行生长发育的必需元素之一，而缺磷仍然是我国及世界农业生产中限制作物产量的一个重要因子。据统计，全世界42%的耕地面积缺磷，我国约有70%耕地资源磷短缺。通过施用磷肥是解决缺磷问题的有效途径，但作物对磷的利用效率不会超过25%，而至少有70%～90%的磷进入土壤而成为难以被作物吸收利用的无效态磷。Yang 等[4]利用32P核素示踪技术研究了低磷潮土中不同形态无机磷的转化，结果表明，施用磷肥后不同形态无机磷含量由高到低依次为：Ca10-P>O-P>Ca8-P>Ca2-P、Al-P、Fe-P，植物不能吸收利用的难溶态磷所占比例很高，为79.1%，此结果验证了以上的结论。32P示踪实验结果还表明，29.0%的32P标记磷肥很快转化为速效态Ca2-P，66.1%的32P标记磷肥转化为缓效态Al-P、Fe-P和Ca8-P，只有5.0%的32P标记磷肥转化植物不可利用的O-P和Ca10-P；与不同磷肥相比较，施用磷肥后增加了32P标记磷肥转化为Ca2-P的量，降低了32P标记磷肥转化为Ca8-P+Fe-P+Al-P(缓效态总量)和O-P的量。

梅勇[5]通过32P示踪技术，研究了盐分对盐碱地改良植物饲料芸薹、刺田菁对磷素吸收、转运的影响。结果表明，在碱性条件下，与对照相比，盐分胁迫明显降低饲料芸薹和刺田箐根和茎叶的磷含量。但不同浓度盐分相比，随着盐分浓度的增加，根部对磷元素的吸收明显加强。低盐分水平抑制料芸薹和刺田箐磷元素从根部向茎叶的运输，但较高盐分水平在一定程度上促进了根部的磷向茎叶转运，其原因可能是植物因为茎叶生理活动旺盛的器官磷亏缺，而促使磷元素从库(根)向源(茎叶)的转运，而且磷在植物体内移动性强，易从较老组织运输到幼嫩组织中再利用，所以茎叶和根部磷含量比有所增加。

目前，根据不用类型植物利用土壤磷素不同，筛选与定向培育磷高效作物基因型的育种技术有可能成为替代传统施肥改良低磷土壤的重要手段之一。Yang等[4]利用32P核素稀释法研究了不同基因型玉米对土壤磷的吸收和利用，L值表示植物体内32P的活度变化对磷肥有效性的响应，结果表明，不同基因型玉米有不同的土壤磷利用效率和耐低磷机制，DSY-48品种不论施肥与否L值最低，表明其吸收土壤磷的能力最小，对可溶性和速效磷的依赖性高，是典型的不耐低磷且不敏感型品种；DSY-2和DSY-32的L值在施磷肥与不施磷肥条件下均较高，表明这两个玉米基因型品种对可溶性和速效磷的依赖性也较少，是典型的耐低磷但不敏感型品种。DSY-79虽然在不施磷肥条件下有较高的L值，也能较多吸收和利用土壤中的各形态磷，但由于不施磷肥条件下该基因型品种有最高的植株含P量，表明该基因型品种要求有很高体内磷含量以维持其正常的的生长和发育，以致在不施磷条件下该品种的生长受到影响，因此，认为该基因型品种为不耐低磷但对磷肥敏感型品种。

2 同位素示踪技术在土壤有机碳循环、温室气体减排中的研究

从土壤理化特性来看，土壤有机质的源物质大部分来自生长于地表的植物，因此可根据植物的δ13C判断土壤有机质的来源，从而研究植物动态演替过程。与其他研究方法相比，该方法更能从年到百年尺度研究碳循环过程，有效阐明土壤碳动态和土壤碳储量的迁移与转换，直接计算出土壤或其组分中不同植物来源有机质的比例和数量，定量化评价新老土壤有机碳对碳储量的相对贡献。杨兰芳等[6]采用同位素质谱法测定玉米植株和土壤有机碳的δ13C值，以研究玉米植株生长和施氮水平对土壤有机碳更新的影响，发现玉米根际碳分泌物对土壤有机碳含量的贡献为4%～25%，且随玉米生长时间的延长，根际碳沉积对土壤有机碳含量的贡献增大。刘启明等[7]利用稳定碳核素示踪技术对贵州茂兰格斯特原始森林保护区内农林生态系统土壤有机质含量进行分析，对比森林点与农田点的δ13C值(森林：-23.86‰～-27.12‰)；农田：-19.66‰～-23.26‰)，计算表明，毁林造田同时也降低了土壤有机质中活性大的组分的比例，使土壤肥力下降。

Marc等[8]用13CO2富集气体标记小麦和玉米，研究根系分泌物碳的去向，结果发现，虽然土壤的肥力水平不同，但两种土壤根系分泌碳都显著影响微生物量碳、CO2-C和总碳，而不影响水浸提性有机碳WEOC。两种土壤、两种作物条件下，根系分泌物碳在不同碳库的分配一致，大小顺序为微生物量碳<总碳

中国是化学氮肥的生产大国，又是使用大国，但施用农田的化学氮肥利用效率极低，大量氮素以不同途径损失掉，对土壤、地下水、大气等造成严重的污染，成为现代农业和环境研究亟待解决的一个重要问题。气态损失是农田氮素损失的主要途径，王秀斌[9]利用15N示踪微区实验，研究了华北平原冬小麦-夏玉米轮作体系下，氮肥运筹对氮素气态损失的影响，结果表明，冬小麦和夏玉米季，来自外源化肥氮的土壤氨挥发损失主要发生在施肥后14 d内，玉米季来自化肥氮的氨挥发损失量高于小麦季，冬小麦/夏玉米轮作体系累积氨挥发量随施氮量的减少而降低。玉米季来自外源化肥氮的土壤N2O排放量均高于小麦季，且N2O排放量均随施肥量减少而降低。优化施氮均显著降低土壤氨挥发和N2O的排放量。

姜慧敏等[10]利用15N示踪技术，定量化研究了设施菜地不同施氮模式下来自外源化肥氮的氨挥发量，结果表明，氨挥发不是设施菜地氮损失(通过土壤-作物体系中化肥15N去向，分析氮的总损失量)的主要形式，但与农民习惯施肥模式(FP)相比较，减施化肥结合调节土壤C/N比和水肥一体化的优化模式(OPT)显著降低了基肥和追肥后的氨挥发量，降低幅度为80.5%。

3 新农用化学物质生态环境影响评价技术的研究

为了明确环氧虫啶异构体在土壤环境中的迁移转化及代谢降解规律，以14C 标记外消旋环氧虫啶为示踪剂，综合运用核素示踪与高效液相色谱分离技术，研究了好氧[11]和缺氧、淹水条件[12]下环氧虫啶在不同土壤中的快速降解动态规律，并分析了其形成结合残留和母体降解可能的对映体选择特性。结果表明，不论是好氧和缺氧、淹水条件下环氧虫啶在整个培养期(120 h) 内，未发现其2 种对映异构体的结合残留形成和母体降解具有手性差异。环氧虫啶在不同土壤中均迅速形成结合残留，且不同土壤中结合残留量不同。环氧虫啶属于易降解农药，好氧和缺氧条件下环氧虫啶在6种土壤中的降解动态显著符合一级动力学方程，降解速率有差异，如由快到慢依次为酸性红砂土(半衰期为23.10 h) 、中性黄松土(半衰期为53.32 h) 、碱性滨海盐土(半衰期为77.02 h)。数据分析还表明，土壤pH 对环氧虫啶的降解速率影响最大[11-12]。结果为环氧虫啶的登记注册奠定了基础，为环氧虫啶的正确、合理使用提供了科学依据。

新烟碱类杀虫剂为目前世界上销售量最大的杀虫剂品种之一，环氧虫啶是我国第一个得到国外跨国公司认可的、拥有自主知识产权的新烟碱类杀虫剂。张晗雪等[13]对其开展了在环境中的降解代谢行为研究，采用标记的顺硝烯杀虫剂[14C2]-环氧虫啶，从对映体角度研究了环氧虫啶在好氧土壤中的残留及降解规律。对新型高效、广谱、低毒烟碱类杀虫剂哌虫啶在植物中的对映体选择性吸收和运转规律、水介质中哌虫啶、环氧虫啶的快速、高效检测方法、稳定性及环境行为进行了研究。这些研究对安全、有效施用农药、保障我国的食品安全都具有十分重要的现实意义。

4 明确农田污染物的环境行为、解析污染源的同位素示踪技术

脂肪烃组成由于物理、化学和生物降解等环境过程容易发生改变，使“化学指纹法”的应用受到限制，碳稳定性同位素指纹法因其特征性和相对稳定性近年来被越来越多的应用于环境中污染物的来源解析[14-16]。碳稳定性同位素指纹法包括全碳稳定性同位素和单体碳稳定性同位素(compound-specific isotope, CSIA),但是在某些情况下，全碳稳定性同位素比率也会由于风化过程的影响发生改变[14]。正构烷烃单体碳稳定性同位素，尤其是高相对分子质量的正构烷烃(C≥19)单体碳稳定性同位素指纹不会受到生物降解及风化作用的显著影响，因此保留了最初的碳源及光合作用途径等相关信息[17-19]。

近年来，正构烷烃单体碳稳定性同位素技术结合化学指纹技术越来越多的被用以辨别不同的生物源的烃，生物源的烃和石油源的烃，不同的石油及其产物源的烃[19-21]。由于煤源岩与间隔层页岩源岩有机质的微小差异，常见的分子地球化学技术、干酪根的总碳稳定性同位素、分类组分的总碳稳定性同位素都无法分辨含煤岩系中煤源岩和间隔层页岩源岩的油。Sun等[22]应用正构烷烃单体碳稳定性同位素成功区分开了我国吐鲁番盆地的煤源岩和间隔层页岩源岩的油。Mazeas和Budzinski[21]使用化学指纹技术和全碳稳定性同位素能够分辨大西洋海岸南部和北部的油残渣，北部受到埃里卡溢油影响。使用单体碳稳定性同位素发现北部及鸟翅膀上的油残渣均来源于埃里卡溢油，南部的阿卡雄海湾和Crohot海滩上的油残渣相对埃里卡溢油富含δ13C。并且发现Crohot海滩、Cap Ferret海滩焦油球和Salie海滩的小焦油球与Chapelle Forestiere海滩的焦油球、Pereire海滩的焦油球和Salie海滩的大焦油单体碳稳定性同位素来源也不同。

Zhang等[23]研究发现我国东北地区浑蒲污灌区水源、大气沉降及表层土壤，具有C3陆生植物和石油及其降解产物来源的正构烷烃单体碳稳定性同位素特征。地表水细河水和受其影响最大的距离细河最近的水田采集的地下水，与其他地下水中的正构烷烃单体碳稳定性同位素组成具有显著的差异。正在作业的采油井附近采集的地下水中的正构烷烃的成熟度相对其他水样品较高。浑蒲灌区水与大气沉降，以及不同时期的大气沉降均具有显著不同的正构烷烃单体碳稳定性同位素组成特征。正构烷烃单体碳稳定性同位素包含的地球化学信息更完整，化学指纹和正构烷烃的同位素组成的限制性排序结果表明，受石油污染的灌溉水对灌区表层土壤环境质量的影响明显大于大气干湿沉降中石油污染物对表层土壤环境质量的影响，特别是距离细河最近的地下水及细河水对表层土壤石油污染的影响是显著的。相对于化学指纹(35.5%)而言，灌溉水和大气沉降正构烷烃单体碳稳定性同位素组成特征解释的土壤正构烷烃单体碳稳定性同位素组成特征的方差要多(57.1%)。而且相对于灌溉水而言，大气沉降解释的土壤正构烷烃单体碳稳定性同位素组成特征的方差增幅较大，说明有可能化学指纹法会低估大气干湿沉降中石油污染物对表层土壤的影响。

5 为国家名特优农产品原产地溯源提供原创性技术思路

我国名特优农产品资源丰富，受种植地域土壤、气候等特殊地理因素影响，这些名优农产品品质独特，声誉在全国乃至世界上都具有较高的地位。但是，近年来以次充好、假冒名优农产品等无序市场竞争行为时有发生，严重损害了相关产品的国际和国内声誉。袁玉伟等[24]采用稳定同位素质谱和等离子发射光谱质谱法测定茶叶中同位素比率和多元素含量，并结合主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA) 法建立模型，对福建、山东和浙江出产的茶叶，以及浙江余姚、金华和西湖出产的茶叶进行产地溯源判定。结果表明，不同产地的茶叶中稳定同位素δ15N、δ13C、δD、δ18O 数值范围不同，而且Li、Be 和Na 等27 个矿物元素的含量变化也较大，具有一定的地域特征。PCA 法能够区分不同产地的茶叶，但不同产地样本存在部分重合; 而采用PCA-LDA 法能够有效区分不同产地的茶叶，其中福建、山东和浙江产地的判定准确率为99% ，浙江余姚、金华和西湖产地的判定准确率为86%。因此，利用稳定同位素和矿物多元素检测结合PCA-LDA 法能够较好进行茶叶产地溯源。大量类似研究结果为政府主管部门打击假冒伪劣产品、保护原产地优势名牌产品提供了技术支撑。

产地环境污染直接或间接影响农产品的质量与安全。产地环境污染主要是大气污染、水体污染和土壤污染。利用不同来源的物质中同位素丰度存在差异的原理，可检测环境与农产品中污染物的来源。利用农产品原产地同位素丰度不可模拟的特点，国内开展了牛肉产地溯源应用研究；郭波莉等[25]通过测定牛肉中206Pb/207Pb比值，并将其与源排放样品中Pb同位素数据进行比较，实现同位素指纹技术对农产品污染物的溯源。

国内外学者愈来愈重视沉积物重金属污染的研究，尤其是对沉积物中重金属污染来源的解析越来越重视。污染来源的鉴别是对环境污染程度进行正确评价和对污染进行有效治理的前提。Lu 等[26]利用环境同位素指纹技术结合210Pb断代，研究探明东北某区域农田土壤重金属污染和迁移规律，判定了重金属的污染来源，为重金属污染的源头阻控提供了重要依据。结果表明，210Pb在HLD-Ⅱ-1和HLD-Ⅱ-4的0～2 cm表层土壤中的比活度分别为119.12和128.71 Bq/kg；在两个土层中的垂直分布都有一个明显的峰值，说明受到了外源污染的干扰。HLD-Ⅱ-1沉积最大值发生在0～8 cm，HLD-Ⅱ-4沉积最大值发生在0～12 cm，存在不同说明土壤剖面受到内源和外源的不同干扰；Pb的污染发生始于二十世纪40年代初，主要分为1942年至1989年和1989年至2005年两个强度不同的沉积污染期。

6 同位素示踪技术在揭示土壤重金属镉、锌污染环境行为中的应用

由于镉、锌矿区及冶炼厂排放的污水、污泥农用，现代畜牧业发展中产生的大量有机畜禽粪便的农用等，镉、锌等典型污染物对我国农田构成了严重威胁。姜慧敏等[27]采用109Cd、65Zn双标记示踪技术，研究在不同外源性磷浓度下，玉米分别对镉、锌及镉、锌复合污染吸收动力学及磷、镉、锌之间的交互作用。结果表明，在磷浓度为4.5 mg/kg和10.8 mg/kg时，植物根系和地上部对109Cd和65Zn的吸收活度都呈增加趋势，当磷浓度为54 mg/kg时，植物根系和地上部对109Cd和65Zn的吸收活度均降低，说明P的浓度达到一定水平时，会使重金属Cd和Zn的有效态降低，从而降低了植物对重金属的吸收量。通过对植物根系和地上部吸收的Cd和Zn的比较，发现大多数的Cd和Zn积累在根系，从根部输送到地上部的很少。利用统计分析方法分析了相同P水平条件下玉米不同部位吸收的Cd和Zn之间的相关性，结果表明根系吸收的Cd和Zn之间及茎叶吸收的Cd和Zn之间的相关性显著，Cd与Zn之间存在着协同效应。

7 在生态系统稳定性研究方面，环境核素示踪作用

土壤侵蚀是全世界面临的一个重要的生态环境问题，土壤侵蚀会造成土地退化、土壤肥力下降，严重影响生态系统的稳定性。环境核素示踪技术被国内外广泛认为是研究土壤侵蚀的唯一不可替代的方法。国外用环境核素137Cs示踪技术研究土壤侵蚀始于20世纪60年代初，而我国土壤侵蚀的137Cs法研究始于20世纪80年代后期。王轶虹等[28]统计了1985—2009年利用137Cs示踪技术研究土壤侵蚀的国内现有电子资料，发现137Cs示踪技术应用于土壤侵蚀的研究主要集中在三个方面：(1) 土壤侵蚀模型，137Cs示踪技术研究土壤侵蚀的关键之一就是定量转换模型的建立。国内现有文献在这方面的研究主要是引进、介绍国外的模型，在分析其优、缺点的基础上，结合实际情况建立自己的模型，国内文献中涉及到的耕地土壤模型和非耕地土壤模型；(2) 区域背景值，137Cs区域本底值的确定是应用137Cs法研究土壤侵蚀的首要问题。目前我国的137Cs本底值研究主要集中在黄土高原地区、云贵高原、四川盆地、华东华南地山丘陵区、台湾省、东北黑土区、青藏高原地区和新疆[29-30]；(3) 土壤侵蚀的空间变异规律及影响因子，土壤侵蚀的空间变异规律包括土壤侵蚀、沉积速率、坡面侵蚀过程等。国内学者在这方面做了大量研究，张信保等[31-32]在黄土高原地区测定了不同类型土地的侵蚀速率、卓有成效地解决了农耕地土壤侵蚀和黄河泥沙输移等疑难问题。李勇等[33]利用环境放射性核素137Cs技术定量评价了陕北黄土高原陡坡耕地土壤侵蚀变异的空间格局，结果表明，黄土高原山坡中、上部是土壤侵蚀最为严重的地带，山顶和坡脚侵蚀速率较小，而坡下部土壤侵蚀速率居中。坡度变化是影响该区土壤侵蚀速率空间变异的主导因子。

8 结束语

鉴于作者专业和关注度所限，可能还有更优秀的研究成果在本文中被遗漏，所以，文章所列热点并不仅限所及。值此，我们也坚信同位素示踪技术在未来农业转型升级和可持续发展中发挥传统方法无法比拟的独特优势，结合现代检测仪器(如显微拉曼光谱仪)的高速发展，为其在宏观(大尺度的农业污染[34])和微观领域(如利用稳定同位素探针，研究微生物生态生理或功能[35])的应用，提供更出色的定量、精确与可视的原创性理论依据。