楊俊誠，李桂花，姜慧敏，張建峰，張 娟

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.北京科技大學(xué)，北京 100083)

同位素示蹤農(nóng)業(yè)應(yīng)用主要是利用放射性或穩(wěn)定性同位素示蹤劑，研究靶標(biāo)物質(zhì)在土壤、植物或動(dòng)物體內(nèi)及環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、吸收、代謝及分布規(guī)律等。由于示蹤技術(shù)的專一性、特異性和可溯性，在我國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中仍被廣泛應(yīng)用，作為獨(dú)特的不可替代的技術(shù)手段，在國家主要農(nóng)作物高產(chǎn)、高效和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)以及動(dòng)物健康生產(chǎn)等領(lǐng)域提供了重要科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。近年來，氮磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與有機(jī)肥資源高效利用、農(nóng)田溫室氣體減控，新型農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境安全性、農(nóng)田污染物的環(huán)境行為與源解析，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面，成為同位素示蹤農(nóng)業(yè)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。

1 揭示作物營養(yǎng)元素氮、磷有效轉(zhuǎn)化機(jī)理，創(chuàng)建養(yǎng)分高效利用技術(shù)模式

在作物必需的營養(yǎng)元素中，氮是限制植物生長和形成產(chǎn)量的首要因素。植物累積的氮素有50%來自土壤，在某些條件下甚至達(dá)到70%，而外源有機(jī)肥料氮、無機(jī)肥料氮是土壤氮素的主要來源，所以明確外源肥料氮在土壤氮庫中的轉(zhuǎn)化對實(shí)現(xiàn)氮素有效調(diào)控和高效利用具有重要的意義。但由于外源氮施入土壤后與原有的土壤氮庫發(fā)生著復(fù)雜的生物化學(xué)過程，常規(guī)方法很難區(qū)分變化量來源于外源氮還是土壤原有氮素，不能夠明確的指出施入土壤的肥料氮素對各個(gè)形態(tài)有機(jī)氮的貢獻(xiàn)量，而采用15N示蹤技術(shù)成為解決這一技術(shù)瓶頸的首選。李樹山等[1]利用15N分別標(biāo)記有機(jī)肥氮和化肥氮，研究外源氮素在典型潮土中向土壤有機(jī)氮和無機(jī)氮各形態(tài)的轉(zhuǎn)化與分配。結(jié)果表明，有機(jī)氮(OM*)與無機(jī)氮(CF)配施處理，來自外源肥料氮的酸解有機(jī)氮含量分別是單施化肥氮(CF*)和單施有機(jī)肥氮(OM*)處理的1.4和1.5倍；CF*處理各形態(tài)酸解有機(jī)氮中來自外源無機(jī)氮的比例以酸解性銨態(tài)氮最高，為7.8%；OM*處理各形態(tài)酸解有機(jī)氮中來自外源有機(jī)氮的比例以酸解未知氮最高，為4.5%；OM*+CF處理各形態(tài)酸解有機(jī)氮中來自外源有機(jī)氮的比例以酸解未知氮最高，為18.0%。CF*處理下土壤無機(jī)氮中來自外源無機(jī)氮的比例為27%，OM*處理下土壤無機(jī)氮中來自外源有機(jī)氮的比例為8.0%，OM*+CF處理下土壤無機(jī)氮中來自外源有機(jī)氮的比例為5.0%，說明外源有機(jī)無機(jī)配施提高了外源有機(jī)氮在土壤酸解有機(jī)氮庫中的殘留且主要以酸解未知氮形態(tài)存在，單施化肥處理提高了外源無機(jī)氮在土壤無機(jī)氮庫中的殘留。CF*處理下來自外源無機(jī)氮的酸解性銨態(tài)氮對土壤殘留氮庫的貢獻(xiàn)最大，OM*處理下來自外源有機(jī)氮的非酸解有機(jī)氮對土壤殘留氮庫的貢獻(xiàn)最大，OM*+CF處理來自外源有機(jī)氮的酸解未知氮對土壤殘留氮庫的貢獻(xiàn)最大，CF*處理下來自外源無機(jī)氮的硝態(tài)氮對土壤殘留氮的貢獻(xiàn)最大，顯著高于其他處理(P<0.05)。

姜慧敏等[2]利用15N示蹤技術(shù)，以江西紅壤性水稻土為研究對象，研究農(nóng)民習(xí)慣施肥水平下，水稻不同生育期外源化肥氮在土壤有機(jī)氮庫中的轉(zhuǎn)化及關(guān)系。結(jié)果表明，土壤中氨基酸態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮中來自外源的化肥氮含量從分蘗期到拔節(jié)期顯著升高，從拔節(jié)期到灌漿期顯著降低，全生育期兩個(gè)組分的最高值均出現(xiàn)在分蘗期和拔節(jié)期之間。酸解性銨態(tài)氮中來自外源的化肥氮含量從分蘗期到成熟期逐漸降低；酸解未知氮中來自外源的化肥氮含量隨生育期的延長逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；非酸解性有機(jī)氮中來自外源的化肥氮含量在全生育期的變化符合對稱方程。水稻營養(yǎng)生長階段的分蘗期和拔節(jié)期，外源化肥氮分別以酸解性銨態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮為主要方式結(jié)合在土壤有機(jī)氮庫中，其含量分別占施入化肥氮的21.5%和14.8%；水稻營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)階段的灌漿期和生殖生長階段的成熟期，外源化肥氮主要結(jié)合到非酸解性有機(jī)氮庫中，分別占施入化肥氮的8.7%和12.7%。土壤各有機(jī)氮庫中來自外源的化肥氮之間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，酸解性銨態(tài)氮庫起到了“暫時(shí)庫”的作用，生育前期在土壤中固持氮，當(dāng)可利用性氮受限時(shí)，又可以作為有效氮庫釋放氮供作物吸收；在整個(gè)生長期中氨基酸態(tài)氮庫對外源化肥氮的轉(zhuǎn)化積累起到了“過渡庫”的作用，固持在氨基酸中的化肥氮可以轉(zhuǎn)化成酸解性銨態(tài)氮和氨基糖態(tài)氮，外源氮在這幾個(gè)主要的氮庫中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換以保持土壤-作物體系中氮素的循環(huán)。

Jiang 等[3]還利用15N示蹤技術(shù)，研究了典型集約化設(shè)施菜地不同施氮處理對外源化肥氮素轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)果表明，減施氮肥50%結(jié)合調(diào)節(jié)土壤C/N比和水肥一體化的優(yōu)化模式(OPT)較農(nóng)民習(xí)慣施肥模式(FP)在秋冬茬(AW season)和冬春茬(WS season)顯著提高了外源化肥氮素的利用效率(P<0.05)；冬春茬優(yōu)化模式下更多的來自外源化肥氮的無機(jī)態(tài)氮以有機(jī)氮形式結(jié)合到土壤中，兩季減少了外源化肥氮素的損失共達(dá)25.8%。

在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃“973”課題連續(xù)10年資助下，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院南京土壤研究所和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的一批專家，利用15N田間原位示蹤結(jié)合常規(guī)技術(shù)，系統(tǒng)研究了我國東北玉米主產(chǎn)區(qū)、華北小麥-玉米主產(chǎn)區(qū)和長江中下游稻麥輪作及雙季稻主產(chǎn)區(qū)氮肥減施、養(yǎng)分及農(nóng)田持續(xù)高效利用的機(jī)理，在養(yǎng)分農(nóng)學(xué)效應(yīng)、土壤肥力效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)協(xié)調(diào)綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，分別研究建立了三大區(qū)域化肥減施的技術(shù)途徑與模式，為國家2030年實(shí)現(xiàn)化肥零增長提供重要理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

磷是植物進(jìn)行生長發(fā)育的必需元素之一，而缺磷仍然是我國及世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中限制作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因子。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界42%的耕地面積缺磷，我國約有70%耕地資源磷短缺。通過施用磷肥是解決缺磷問題的有效途徑，但作物對磷的利用效率不會(huì)超過25%，而至少有70%～90%的磷進(jìn)入土壤而成為難以被作物吸收利用的無效態(tài)磷。Yang 等[4]利用32P核素示蹤技術(shù)研究了低磷潮土中不同形態(tài)無機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，結(jié)果表明，施用磷肥后不同形態(tài)無機(jī)磷含量由高到低依次為：Ca10-P>O-P>Ca8-P>Ca2-P、Al-P、Fe-P，植物不能吸收利用的難溶態(tài)磷所占比例很高，為79.1%，此結(jié)果驗(yàn)證了以上的結(jié)論。32P示蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，29.0%的32P標(biāo)記磷肥很快轉(zhuǎn)化為速效態(tài)Ca2-P，66.1%的32P標(biāo)記磷肥轉(zhuǎn)化為緩效態(tài)Al-P、Fe-P和Ca8-P，只有5.0%的32P標(biāo)記磷肥轉(zhuǎn)化植物不可利用的O-P和Ca10-P；與不同磷肥相比較，施用磷肥后增加了32P標(biāo)記磷肥轉(zhuǎn)化為Ca2-P的量，降低了32P標(biāo)記磷肥轉(zhuǎn)化為Ca8-P+Fe-P+Al-P(緩效態(tài)總量)和O-P的量。

梅勇[5]通過32P示蹤技術(shù)，研究了鹽分對鹽堿地改良植物飼料蕓薹、刺田菁對磷素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。結(jié)果表明，在堿性條件下，與對照相比，鹽分脅迫明顯降低飼料蕓薹和刺田箐根和莖葉的磷含量。但不同濃度鹽分相比，隨著鹽分濃度的增加，根部對磷元素的吸收明顯加強(qiáng)。低鹽分水平抑制料蕓薹和刺田箐磷元素從根部向莖葉的運(yùn)輸，但較高鹽分水平在一定程度上促進(jìn)了根部的磷向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)，其原因可能是植物因?yàn)榍o葉生理活動(dòng)旺盛的器官磷虧缺，而促使磷元素從庫(根)向源(莖葉)的轉(zhuǎn)運(yùn)，而且磷在植物體內(nèi)移動(dòng)性強(qiáng)，易從較老組織運(yùn)輸?shù)接啄劢M織中再利用，所以莖葉和根部磷含量比有所增加。

目前，根據(jù)不用類型植物利用土壤磷素不同，篩選與定向培育磷高效作物基因型的育種技術(shù)有可能成為替代傳統(tǒng)施肥改良低磷土壤的重要手段之一。Yang等[4]利用32P核素稀釋法研究了不同基因型玉米對土壤磷的吸收和利用，L值表示植物體內(nèi)32P的活度變化對磷肥有效性的響應(yīng)，結(jié)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機(jī)制，DSY-48品種不論施肥與否L值最低，表明其吸收土壤磷的能力最小，對可溶性和速效磷的依賴性高，是典型的不耐低磷且不敏感型品種；DSY-2和DSY-32的L值在施磷肥與不施磷肥條件下均較高，表明這兩個(gè)玉米基因型品種對可溶性和速效磷的依賴性也較少，是典型的耐低磷但不敏感型品種。DSY-79雖然在不施磷肥條件下有較高的L值，也能較多吸收和利用土壤中的各形態(tài)磷，但由于不施磷肥條件下該基因型品種有最高的植株含P量，表明該基因型品種要求有很高體內(nèi)磷含量以維持其正常的的生長和發(fā)育，以致在不施磷條件下該品種的生長受到影響，因此，認(rèn)為該基因型品種為不耐低磷但對磷肥敏感型品種。

2 同位素示蹤技術(shù)在土壤有機(jī)碳循環(huán)、溫室氣體減排中的研究

從土壤理化特性來看，土壤有機(jī)質(zhì)的源物質(zhì)大部分來自生長于地表的植物，因此可根據(jù)植物的δ13C判斷土壤有機(jī)質(zhì)的來源，從而研究植物動(dòng)態(tài)演替過程。與其他研究方法相比，該方法更能從年到百年尺度研究碳循環(huán)過程，有效闡明土壤碳動(dòng)態(tài)和土壤碳儲(chǔ)量的遷移與轉(zhuǎn)換，直接計(jì)算出土壤或其組分中不同植物來源有機(jī)質(zhì)的比例和數(shù)量，定量化評(píng)價(jià)新老土壤有機(jī)碳對碳儲(chǔ)量的相對貢獻(xiàn)。楊蘭芳等[6]采用同位素質(zhì)譜法測定玉米植株和土壤有機(jī)碳的δ13C值，以研究玉米植株生長和施氮水平對土壤有機(jī)碳更新的影響，發(fā)現(xiàn)玉米根際碳分泌物對土壤有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)為4%～25%，且隨玉米生長時(shí)間的延長，根際碳沉積對土壤有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)增大。劉啟明等[7]利用穩(wěn)定碳核素示蹤技術(shù)對貴州茂蘭格斯特原始森林保護(hù)區(qū)內(nèi)農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行分析，對比森林點(diǎn)與農(nóng)田點(diǎn)的δ13C值(森林：-23.86‰～-27.12‰)；農(nóng)田：-19.66‰～-23.26‰)，計(jì)算表明，毀林造田同時(shí)也降低了土壤有機(jī)質(zhì)中活性大的組分的比例，使土壤肥力下降。

Marc等[8]用13CO2富集氣體標(biāo)記小麥和玉米，研究根系分泌物碳的去向，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然土壤的肥力水平不同，但兩種土壤根系分泌碳都顯著影響微生物量碳、CO2-C和總碳，而不影響水浸提性有機(jī)碳WEOC。兩種土壤、兩種作物條件下，根系分泌物碳在不同碳庫的分配一致，大小順序?yàn)槲⑸锪刻?總碳

中國是化學(xué)氮肥的生產(chǎn)大國，又是使用大國，但施用農(nóng)田的化學(xué)氮肥利用效率極低，大量氮素以不同途徑損失掉，對土壤、地下水、大氣等造成嚴(yán)重的污染，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和環(huán)境研究亟待解決的一個(gè)重要問題。氣態(tài)損失是農(nóng)田氮素?fù)p失的主要途徑，王秀斌[9]利用15N示蹤微區(qū)實(shí)驗(yàn)，研究了華北平原冬小麥-夏玉米輪作體系下，氮肥運(yùn)籌對氮素氣態(tài)損失的影響，結(jié)果表明，冬小麥和夏玉米季，來自外源化肥氮的土壤氨揮發(fā)損失主要發(fā)生在施肥后14 d內(nèi)，玉米季來自化肥氮的氨揮發(fā)損失量高于小麥季，冬小麥/夏玉米輪作體系累積氨揮發(fā)量隨施氮量的減少而降低。玉米季來自外源化肥氮的土壤N2O排放量均高于小麥季，且N2O排放量均隨施肥量減少而降低。優(yōu)化施氮均顯著降低土壤氨揮發(fā)和N2O的排放量。

姜慧敏等[10]利用15N示蹤技術(shù)，定量化研究了設(shè)施菜地不同施氮模式下來自外源化肥氮的氨揮發(fā)量，結(jié)果表明，氨揮發(fā)不是設(shè)施菜地氮損失(通過土壤-作物體系中化肥15N去向，分析氮的總損失量)的主要形式，但與農(nóng)民習(xí)慣施肥模式(FP)相比較，減施化肥結(jié)合調(diào)節(jié)土壤C/N比和水肥一體化的優(yōu)化模式(OPT)顯著降低了基肥和追肥后的氨揮發(fā)量，降低幅度為80.5%。

3 新農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)的研究

為了明確環(huán)氧蟲啶異構(gòu)體在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化及代謝降解規(guī)律，以14C 標(biāo)記外消旋環(huán)氧蟲啶為示蹤劑，綜合運(yùn)用核素示蹤與高效液相色譜分離技術(shù)，研究了好氧[11]和缺氧、淹水條件[12]下環(huán)氧蟲啶在不同土壤中的快速降解動(dòng)態(tài)規(guī)律，并分析了其形成結(jié)合殘留和母體降解可能的對映體選擇特性。結(jié)果表明，不論是好氧和缺氧、淹水條件下環(huán)氧蟲啶在整個(gè)培養(yǎng)期(120 h) 內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)其2 種對映異構(gòu)體的結(jié)合殘留形成和母體降解具有手性差異。環(huán)氧蟲啶在不同土壤中均迅速形成結(jié)合殘留，且不同土壤中結(jié)合殘留量不同。環(huán)氧蟲啶屬于易降解農(nóng)藥，好氧和缺氧條件下環(huán)氧蟲啶在6種土壤中的降解動(dòng)態(tài)顯著符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，降解速率有差異，如由快到慢依次為酸性紅砂土(半衰期為23.10 h) 、中性黃松土(半衰期為53.32 h) 、堿性濱海鹽土(半衰期為77.02 h)。數(shù)據(jù)分析還表明，土壤pH 對環(huán)氧蟲啶的降解速率影響最大[11-12]。結(jié)果為環(huán)氧蟲啶的登記注冊奠定了基礎(chǔ)，為環(huán)氧蟲啶的正確、合理使用提供了科學(xué)依據(jù)。

新煙堿類殺蟲劑為目前世界上銷售量最大的殺蟲劑品種之一，環(huán)氧蟲啶是我國第一個(gè)得到國外跨國公司認(rèn)可的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新煙堿類殺蟲劑。張晗雪等[13]對其開展了在環(huán)境中的降解代謝行為研究，采用標(biāo)記的順硝烯殺蟲劑[14C2]-環(huán)氧蟲啶，從對映體角度研究了環(huán)氧蟲啶在好氧土壤中的殘留及降解規(guī)律。對新型高效、廣譜、低毒煙堿類殺蟲劑哌蟲啶在植物中的對映體選擇性吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律、水介質(zhì)中哌蟲啶、環(huán)氧蟲啶的快速、高效檢測方法、穩(wěn)定性及環(huán)境行為進(jìn)行了研究。這些研究對安全、有效施用農(nóng)藥、保障我國的食品安全都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 明確農(nóng)田污染物的環(huán)境行為、解析污染源的同位素示蹤技術(shù)

脂肪烴組成由于物理、化學(xué)和生物降解等環(huán)境過程容易發(fā)生改變，使“化學(xué)指紋法”的應(yīng)用受到限制，碳穩(wěn)定性同位素指紋法因其特征性和相對穩(wěn)定性近年來被越來越多的應(yīng)用于環(huán)境中污染物的來源解析[14-16]。碳穩(wěn)定性同位素指紋法包括全碳穩(wěn)定性同位素和單體碳穩(wěn)定性同位素(compound-specific isotope, CSIA),但是在某些情況下，全碳穩(wěn)定性同位素比率也會(huì)由于風(fēng)化過程的影響發(fā)生改變[14]。正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素，尤其是高相對分子質(zhì)量的正構(gòu)烷烴(C≥19)單體碳穩(wěn)定性同位素指紋不會(huì)受到生物降解及風(fēng)化作用的顯著影響，因此保留了最初的碳源及光合作用途徑等相關(guān)信息[17-19]。

近年來，正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素技術(shù)結(jié)合化學(xué)指紋技術(shù)越來越多的被用以辨別不同的生物源的烴，生物源的烴和石油源的烴，不同的石油及其產(chǎn)物源的烴[19-21]。由于煤源巖與間隔層頁巖源巖有機(jī)質(zhì)的微小差異，常見的分子地球化學(xué)技術(shù)、干酪根的總碳穩(wěn)定性同位素、分類組分的總碳穩(wěn)定性同位素都無法分辨含煤巖系中煤源巖和間隔層頁巖源巖的油。Sun等[22]應(yīng)用正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素成功區(qū)分開了我國吐魯番盆地的煤源巖和間隔層頁巖源巖的油。Mazeas和Budzinski[21]使用化學(xué)指紋技術(shù)和全碳穩(wěn)定性同位素能夠分辨大西洋海岸南部和北部的油殘?jiān)?，北部受到埃里卡溢油影響。使用單體碳穩(wěn)定性同位素發(fā)現(xiàn)北部及鳥翅膀上的油殘?jiān)鶃碓从诎＠锟ㄒ缬停喜康陌⒖ㄐ酆澈虲rohot海灘上的油殘?jiān)鄬Π＠锟ㄒ缬透缓?3C。并且發(fā)現(xiàn)Crohot海灘、Cap Ferret海灘焦油球和Salie海灘的小焦油球與Chapelle Forestiere海灘的焦油球、Pereire海灘的焦油球和Salie海灘的大焦油單體碳穩(wěn)定性同位素來源也不同。

Zhang等[23]研究發(fā)現(xiàn)我國東北地區(qū)渾蒲污灌區(qū)水源、大氣沉降及表層土壤，具有C3陸生植物和石油及其降解產(chǎn)物來源的正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素特征。地表水細(xì)河水和受其影響最大的距離細(xì)河最近的水田采集的地下水，與其他地下水中的正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素組成具有顯著的差異。正在作業(yè)的采油井附近采集的地下水中的正構(gòu)烷烴的成熟度相對其他水樣品較高。渾蒲灌區(qū)水與大氣沉降，以及不同時(shí)期的大氣沉降均具有顯著不同的正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素組成特征。正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素包含的地球化學(xué)信息更完整，化學(xué)指紋和正構(gòu)烷烴的同位素組成的限制性排序結(jié)果表明，受石油污染的灌溉水對灌區(qū)表層土壤環(huán)境質(zhì)量的影響明顯大于大氣干濕沉降中石油污染物對表層土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，特別是距離細(xì)河最近的地下水及細(xì)河水對表層土壤石油污染的影響是顯著的。相對于化學(xué)指紋(35.5%)而言，灌溉水和大氣沉降正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素組成特征解釋的土壤正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素組成特征的方差要多(57.1%)。而且相對于灌溉水而言，大氣沉降解釋的土壤正構(gòu)烷烴單體碳穩(wěn)定性同位素組成特征的方差增幅較大，說明有可能化學(xué)指紋法會(huì)低估大氣干濕沉降中石油污染物對表層土壤的影響。

5 為國家名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地溯源提供原創(chuàng)性技術(shù)思路

我國名特優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品資源豐富，受種植地域土壤、氣候等特殊地理因素影響，這些名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)獨(dú)特，聲譽(yù)在全國乃至世界上都具有較高的地位。但是，近年來以次充好、假冒名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品等無序市場競爭行為時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重?fù)p害了相關(guān)產(chǎn)品的國際和國內(nèi)聲譽(yù)。袁玉偉等[24]采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜和等離子發(fā)射光譜質(zhì)譜法測定茶葉中同位素比率和多元素含量，并結(jié)合主成分分析(PCA)和線性判別分析(LDA) 法建立模型，對福建、山東和浙江出產(chǎn)的茶葉，以及浙江余姚、金華和西湖出產(chǎn)的茶葉進(jìn)行產(chǎn)地溯源判定。結(jié)果表明，不同產(chǎn)地的茶葉中穩(wěn)定同位素δ15N、δ13C、δD、δ18O 數(shù)值范圍不同，而且Li、Be 和Na 等27 個(gè)礦物元素的含量變化也較大，具有一定的地域特征。PCA 法能夠區(qū)分不同產(chǎn)地的茶葉，但不同產(chǎn)地樣本存在部分重合; 而采用PCA-LDA 法能夠有效區(qū)分不同產(chǎn)地的茶葉，其中福建、山東和浙江產(chǎn)地的判定準(zhǔn)確率為99% ，浙江余姚、金華和西湖產(chǎn)地的判定準(zhǔn)確率為86%。因此，利用穩(wěn)定同位素和礦物多元素檢測結(jié)合PCA-LDA 法能夠較好進(jìn)行茶葉產(chǎn)地溯源。大量類似研究結(jié)果為政府主管部門打擊假冒偽劣產(chǎn)品、保護(hù)原產(chǎn)地優(yōu)勢名牌產(chǎn)品提供了技術(shù)支撐。

產(chǎn)地環(huán)境污染直接或間接影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與安全。產(chǎn)地環(huán)境污染主要是大氣污染、水體污染和土壤污染。利用不同來源的物質(zhì)中同位素豐度存在差異的原理，可檢測環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品中污染物的來源。利用農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地同位素豐度不可模擬的特點(diǎn)，國內(nèi)開展了牛肉產(chǎn)地溯源應(yīng)用研究；郭波莉等[25]通過測定牛肉中206Pb/207Pb比值，并將其與源排放樣品中Pb同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)同位素指紋技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品污染物的溯源。

國內(nèi)外學(xué)者愈來愈重視沉積物重金屬污染的研究，尤其是對沉積物中重金屬污染來源的解析越來越重視。污染來源的鑒別是對環(huán)境污染程度進(jìn)行正確評(píng)價(jià)和對污染進(jìn)行有效治理的前提。Lu 等[26]利用環(huán)境同位素指紋技術(shù)結(jié)合210Pb斷代，研究探明東北某區(qū)域農(nóng)田土壤重金屬污染和遷移規(guī)律，判定了重金屬的污染來源，為重金屬污染的源頭阻控提供了重要依據(jù)。結(jié)果表明，210Pb在HLD-Ⅱ-1和HLD-Ⅱ-4的0～2 cm表層土壤中的比活度分別為119.12和128.71 Bq/kg；在兩個(gè)土層中的垂直分布都有一個(gè)明顯的峰值，說明受到了外源污染的干擾。HLD-Ⅱ-1沉積最大值發(fā)生在0～8 cm，HLD-Ⅱ-4沉積最大值發(fā)生在0～12 cm，存在不同說明土壤剖面受到內(nèi)源和外源的不同干擾；Pb的污染發(fā)生始于二十世紀(jì)40年代初，主要分為1942年至1989年和1989年至2005年兩個(gè)強(qiáng)度不同的沉積污染期。

6 同位素示蹤技術(shù)在揭示土壤重金屬鎘、鋅污染環(huán)境行為中的應(yīng)用

由于鎘、鋅礦區(qū)及冶煉廠排放的污水、污泥農(nóng)用，現(xiàn)代畜牧業(yè)發(fā)展中產(chǎn)生的大量有機(jī)畜禽糞便的農(nóng)用等，鎘、鋅等典型污染物對我國農(nóng)田構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。姜慧敏等[27]采用109Cd、65Zn雙標(biāo)記示蹤技術(shù)，研究在不同外源性磷濃度下，玉米分別對鎘、鋅及鎘、鋅復(fù)合污染吸收動(dòng)力學(xué)及磷、鎘、鋅之間的交互作用。結(jié)果表明，在磷濃度為4.5 mg/kg和10.8 mg/kg時(shí)，植物根系和地上部對109Cd和65Zn的吸收活度都呈增加趨勢，當(dāng)磷濃度為54 mg/kg時(shí)，植物根系和地上部對109Cd和65Zn的吸收活度均降低，說明P的濃度達(dá)到一定水平時(shí)，會(huì)使重金屬Cd和Zn的有效態(tài)降低，從而降低了植物對重金屬的吸收量。通過對植物根系和地上部吸收的Cd和Zn的比較，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的Cd和Zn積累在根系，從根部輸送到地上部的很少。利用統(tǒng)計(jì)分析方法分析了相同P水平條件下玉米不同部位吸收的Cd和Zn之間的相關(guān)性，結(jié)果表明根系吸收的Cd和Zn之間及莖葉吸收的Cd和Zn之間的相關(guān)性顯著，Cd與Zn之間存在著協(xié)同效應(yīng)。

7 在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究方面，環(huán)境核素示蹤作用

土壤侵蝕是全世界面臨的一個(gè)重要的生態(tài)環(huán)境問題，土壤侵蝕會(huì)造成土地退化、土壤肥力下降，嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。環(huán)境核素示蹤技術(shù)被國內(nèi)外廣泛認(rèn)為是研究土壤侵蝕的唯一不可替代的方法。國外用環(huán)境核素137Cs示蹤技術(shù)研究土壤侵蝕始于20世紀(jì)60年代初，而我國土壤侵蝕的137Cs法研究始于20世紀(jì)80年代后期。王軼虹等[28]統(tǒng)計(jì)了1985—2009年利用137Cs示蹤技術(shù)研究土壤侵蝕的國內(nèi)現(xiàn)有電子資料，發(fā)現(xiàn)137Cs示蹤技術(shù)應(yīng)用于土壤侵蝕的研究主要集中在三個(gè)方面：(1) 土壤侵蝕模型，137Cs示蹤技術(shù)研究土壤侵蝕的關(guān)鍵之一就是定量轉(zhuǎn)換模型的建立。國內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)在這方面的研究主要是引進(jìn)、介紹國外的模型，在分析其優(yōu)、缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況建立自己的模型，國內(nèi)文獻(xiàn)中涉及到的耕地土壤模型和非耕地土壤模型；(2) 區(qū)域背景值，137Cs區(qū)域本底值的確定是應(yīng)用137Cs法研究土壤侵蝕的首要問題。目前我國的137Cs本底值研究主要集中在黃土高原地區(qū)、云貴高原、四川盆地、華東華南地山丘陵區(qū)、臺(tái)灣省、東北黑土區(qū)、青藏高原地區(qū)和新疆[29-30]；(3) 土壤侵蝕的空間變異規(guī)律及影響因子，土壤侵蝕的空間變異規(guī)律包括土壤侵蝕、沉積速率、坡面侵蝕過程等。國內(nèi)學(xué)者在這方面做了大量研究，張信保等[31-32]在黃土高原地區(qū)測定了不同類型土地的侵蝕速率、卓有成效地解決了農(nóng)耕地土壤侵蝕和黃河泥沙輸移等疑難問題。李勇等[33]利用環(huán)境放射性核素137Cs技術(shù)定量評(píng)價(jià)了陜北黃土高原陡坡耕地土壤侵蝕變異的空間格局，結(jié)果表明，黃土高原山坡中、上部是土壤侵蝕最為嚴(yán)重的地帶，山頂和坡腳侵蝕速率較小，而坡下部土壤侵蝕速率居中。坡度變化是影響該區(qū)土壤侵蝕速率空間變異的主導(dǎo)因子。

8 結(jié)束語

鑒于作者專業(yè)和關(guān)注度所限，可能還有更優(yōu)秀的研究成果在本文中被遺漏，所以，文章所列熱點(diǎn)并不僅限所及。值此，我們也堅(jiān)信同位素示蹤技術(shù)在未來農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮傳統(tǒng)方法無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)代檢測儀器(如顯微拉曼光譜儀)的高速發(fā)展，為其在宏觀(大尺度的農(nóng)業(yè)污染[34])和微觀領(lǐng)域(如利用穩(wěn)定同位素探針，研究微生物生態(tài)生理或功能[35])的應(yīng)用，提供更出色的定量、精確與可視的原創(chuàng)性理論依據(jù)。