δ15N在有機農產品鑒別上的應用前景

馬希賢 高源 王會 胡國慶

摘要 有機農業在世界范圍內正呈現快速發展的趨勢，有機產品識別受到人們的普遍關注。目前已有研究者提出將產品15N自然豐度（δ15N值）作為其鑒別指標。介紹了穩定性氮同位素的相關知識，解釋了δ15N識別技術判斷有機生產中肥料施用類型的可行性，并指出可能引起該技術鑒別誤差的主要影響因素。建議在盡可能全面分析各個影響因素的基礎上，結合δ15N識別技術與其他的認證管理措施，提高有機農產品鑒別的準確度。

關鍵詞 δ15N;有機產品鑒別;穩定性同位素;氮素

中圖分類號 F 203文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2022）02-0015-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.005

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The Application Prospect of δ15N in the Identification of Organic Agricultural Products

MA Xi-xian，GAO Yuan，WANG Hui et al （National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources，College of Resources and Environment，Shandong Agricultural University，Taian，Shandong 271018）

Abstract Organic agriculture is showing a trend of rapid development worldwide，and the identification of organic products has attracted widespread attention.At present，researchers have proposed to use the natural abundance of the product 15N （δ15N value） as its identification index.Introduces the knowledge of stable nitrogen isotopes，explains the feasibility of δ15N recognition technology for judging the type of fertilizer application in organic production，and points out soil conditions，atmospheric nitrogen deposition，irrigation，land use methods，crop types and growth periods，etc.Factors that may cause errors to the technology.Suggests that on the basis of a comprehensive analysis of the influencing factors as far as possible，δ 15N identification technology combined with other certification management measures to improve the accuracy of organic agricultural products identification.

Key words δ15N;Identification of organic products;Stable isotope;Nitrogen

基金項目 山東省重大科技創新工程項目（2019JZZY010721）;山東省農業重大應用技術創新項目（SD2019ZZ021）。

作者簡介 馬希賢（1997—），男，山東濟南人，碩士研究生，研究方向：土壤碳氮循環。*通信作者，副教授，博士，從事土壤碳氮循環及其環境效應研究。

收稿日期 2021-05-25;修回日期 2021-06-02

隨著生活水平的不斷提高，人們對環境問題的關注程度不斷增強。鑒于常規農業生產需要付出較高的環境代價，有機農業的高速發展為現代農業帶來了可替代的農業生產模式，且在廣泛的土壤類型條件下和多樣的氣候環境中都較為適宜[1-2]。瑞士有機農業研究所對全球186個國家進行了相關調查，全球以有機方式管理的農用地已達7 150萬hm2（截至2018年），2018年亞洲有機農地面積增加了54萬hm2，增長率8.9%。國務院發布的《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》強調：加強綠色食品、有機農產品認證和管理[3]。近年來，全球有機產業發展持續向好，中國有機產業與市場貿易的發展也再創新高，在生產銷售兩頭都達到了旺盛的局面。至2020年我國有機產品標準發放的證書數量相比2018年增加了12.2%;2019年我國有機作物生產面積為232.8萬hm2，位列全球第3位;我國有機產品總貿易額達到678.21億元，位列全球第4位[4]，且發展方向仍符合國家供給側結構性改革的需求。

盧瑜等[5]研究表明，有機農業可以傾向于向生態環境良好的偏遠地區發展，加之政策傾斜更可使有機農業為經濟欠發達地區提供產業開發方向。從世界有機產業的角度看，有機產品生產和銷售的源頭都來自有機農產品，只有保證了有機農業的持續健康發展才能引導我國的有機產業向利好態勢發展。然而，至2018年中國經過有機產品認證的商品銷售比例僅為37.9%，可見，我國有機生產企業生產成本較高卻難以達到較高的收益，從而造成“價高利低”的窘境。造成該局面的根源在于有機農產品生產過程亂象頻生，消費者認為有機農產品的可信度較低，且對認證標識存疑[6]?！笆吃葱燥L險”一詞常與有機農產品相關聯，有機農產品在生產過程中任何一個環節的不合格都可能導致其帶有潛在的食源性風險，這就需要一整套合理的溯源和監管體系[7]，尤其是在有機肥是否使用和污染物流入的檢驗問題上，Ramakrishnan等[8]就發出“有機農業是否真的可以確保生產無污染農產品和食品安全”的疑問，并指出有機污染物、重金屬和多氟烷基物質等持久性污染物正在進入有機產品的生產鏈條中且危害人體安全。由于有機農產品所帶來的巨大經濟效益，部分生產者在生產過程中違規使用化學農藥或肥料，消費者日益擔心市場上貼有有機食品標簽的農產品是否真的只施用了有機肥[1]。因此，應著力去構建溯源體系，這既有利于減少食源性疾病的發生，又有利于建立起消費者對于有機農產品的信任。

氮有7種同位素，多數為放射性同位素，并且半衰期非常短，相比之下14N和15N則是較為穩定的同位素。在大氣中，14N和15N 豐度差別非常大，分別為99.633%和0.365%，14N與15N的比值為一個恒定的值，即1/272[9]。常以相對于大氣氮（N2）的千分偏差來表示含氮物質的N同位素組成：δ15N（‰，air）=[（15N/14N）樣品/（15N/14N）N2-1]×1 000。陸地生態系統中，自然狀態下大多數物質（含N）的δ15N值處在-10‰～+20‰范圍內[10]。有資料顯示[11-12]，施用不同類型的肥料種植的作物其δ15N值會有差異：畜禽糞便、秸稈等來源的有機肥δ15N值則偏正，其中畜禽糞便有機肥平均值在+20左右;而化學氮肥的δ15N值與大氣相接近，一般在-2～+2浮動?；讦?5N的這種差異，可以為有機產品的鑒別提供一種新的途徑。但是一些研究表明，隨著土壤不同施肥量、土壤條件、肥料含氮水平、大氣氮沉降量、作物類型和生長時期等因素都會引起作物δ15N值的變化，所以僅僅憑借δ15N 值進行鑒別會有較大的誤差[13-14]。因此，筆者綜述了δ15N在有機農產品鑒別上的可行性和局限性，并展望了應用δ15N識別技術需要注意的問題，以期為相關研究提供借鑒。

1 δ15N在有機農產品鑒別上的可行性

氮同位素因其自然分餾效應，目前已在多項研究中被用于判定和鑒別生態系統中的物質來源。例如，在農田中，δ15N技術可用于區分使用無15N標記的化肥種植的常規農產品與15N標記的有機氮肥種植的有機農產品[15]。Verenitch等[16]在詳查北美西部不同地區土壤和灌溉用水對氮同位素的影響條件下，發現以氮穩定同位素方法區分常規作物和有機作物的方法可以用作驗證超過25種不同類型的有機和常規種植綠色農產品。彭凱秀等[17]利用13C和15N的比值研究了三疣梭子蟹的產地變化情況，產地的差異主要來自不同地區食物造成的差別，同時15N還因生物級、陸源污染、食性和環境的變動而變動，并且3個產地的δ15N值有著較大的分異性，所以可以據此判別螃蟹的產地。呂軍等[18]利用碳、氮等同位素對山東、內蒙古自治區和山西的牛肉進行了產地追溯，發現內蒙古的牛肉δ15N值最高，山西最低（為2.26%），表明不同地區間因為生產模式、飼料、土壤和環境等條件而導致了較大的標準差差異，地區內部差異較小。孫淑敏等[19]通過碳和氮同位素對羊肉組織產地進行溯源的研究中發現，羊組織對15N有富集作用，農業生產方式、飲食營養水平對羊組織內氮同位素組成產生著較大的影響，例如由于農區飼料施化肥，而牧區施有機肥，故農區羊組織δ15N值顯著低于牧區羊組織δ15N值，以此判別羊肉產地與品質。蔡德陵等[20]在對無定河流域的有機質溯源的研究中指出，通過穩定性碳、氮同位素可對植物、懸浮體和沉積物的有機質的物源進行判別，從而得出有機質來源，即浮游物質和侵蝕物質。王紅云等[21]通過測定不同品種大棗和大棗的各個部分的δ15N值，確立了大棗中氮同位素的變化規律以及品種、產地等因素對其值的影響，以期建立起農產品安全溯源庫。

然而，Evans等[22]研究表明，施用硝態氮肥和銨態氮肥對土豆δ15N值的影響不大，這與馮海強[23]等利用15N自然豐度法測得有機茶葉的結果類似，盡管有差異，卻不像臨近蔬菜地一樣明顯。趙超超等[24]利用有機肥比化學合成肥料擁有更高的δ15N正值的規律，分析了超市“有機蔬菜”和“普通蔬菜”的δ15N平均值差異，發現在抽檢的5種蔬菜中，有機農產品標識可信度為60%。Bateman等[14]也在有機作物和傳統作物的氮素組成研究中發現有機胡蘿卜的δ15N平均值與傳統種植的δ15N的平均值無顯著差異，但對于有機種植的番茄和生菜而言，其δ15N的平均值均是有機種植顯著大于傳統種植，表明番茄和生菜會由于生產方法而導致氮的同位素組成是存在系統性差異的。Choi等[1]對施用化肥和堆肥2種肥料類型條件下的土壤δ15N值（硝態氮和銨態氮）進行了研究，發現施入有機堆肥會使土壤硝態氮的δ15N值偏正，且偏正程度與施肥量呈正相關關系。Lim等[25]用定量的尿素和液態豬糞處理菊花和大白菜，與尿素和不施肥處理相比，液態豬糞可以使菊花和大白菜的植株δ15N值顯著增加;同時也證明了固態肥料與液態肥料在運用15N自然豐度法進行識別時，后者明顯更為可靠。Bateman等[26]的研究發現，化肥種植的作物通常要比有機肥種植的作物同位素組成要“輕”得多，比如胡蘿卜在化學合成的氮肥種植下就要比在顆粒雞糞的有機肥種植下的同位素組成“輕”;并且在泥炭堆肥與混合樹皮堆肥的對比下也是如此。 Rogers[27]對來自新西蘭市面現有的9種有機蔬菜和傳統種植蔬菜進行了同位素研究，發現氮同位素是識別生長較快的有機蔬菜（收獲的成熟時間<80 d）的絕佳方法，因為這些蔬菜比傳統種植的蔬菜和天然土壤的15N含量明顯更高，該研究的主要目的是評估穩定氮同位素作為區分篩選工具的適用性，以檢測不符合要求的有機耕作方法和有機產品的虛假標簽。這些研究為利用δ15N值鑒別有機農產品提供了理論上的可能性。

Rogers[27]曾提出可通過大氣氮氧化合而成的硝酸鹽之間的同位素差異來區分合成肥料和有機肥料，穩定性氮同位素可通過此原理被應用于區分蔬菜所施肥料是否使用了有機肥，一般情況下施用有機肥種植的蔬菜δ15N值在5.0‰以上，而施用合成肥料種植的蔬菜δ15N值在3.5‰以下。Bateman等[14]在2007年以萵苣、番茄和胡蘿卜為研究對象，利用穩定性同位素識別技術對3者的有機產品身份進行了判別，發現此技術在萵苣和番茄的有機身份識別上擁有相當高的準確性，而胡蘿卜卻相對較低，表明15N的自然豐度值能夠作為部分種類有機農產品的判斷指標。劉星等[28]基于Rogers教授的研究對上海市的蔬菜進行了采集，按照其δ15N值的高低進行比較，除浦東新區低于5‰以外，其他8個區所采集的有機蔬菜均高于5‰，且各區蔬菜δ15N值低于3‰的平均比例在半數以下，這也側面驗證了上海市蔬菜具有較高的品質。

2 δ15N在有機農產品鑒別上的局限性

2.1 土壤條件對自然豐度（δ15N值）的影響

水分條件作為土壤條件之一，其變化會影響土壤的δ15N值。Feigin等[29]在研究土壤硝態氮δ15N值時發現，來自美國伊利諾斯州大豆-玉米輪作體系的土壤剖面夏季硝態氮δ15N值總是高于10月至次年5月，主要原因是季風氣候帶來的暖濕氣流影響下的土壤水分條件變化與施肥關系大不。Choi等[1]的研究表明，δ15N值會在短期內隨著土壤水分飽和程度的變化而發生明顯的變化，土壤水分由不飽和變為飽和時，由于還原作用，銨態氮濃度升高，δ15N值升高;當水分減少變為不飽和時則正好相反。Swap等[30] 在非洲的研究表明，現代土壤會因干旱的水分稀缺而使得有機氮同位素組成發生強烈的變化，例如C3植物會因降水量的變化而導致氮同位素組成發生變化，表現為降雨量每增加100 mm植物氮同位素會隨之減少0.68‰。這與Aranibar等[31] 關于作物和土壤15N含量與降雨量呈正相關的結論相符合。Ti等[32]在使用15N標記土壤NH3的去向時，發現溫度、土壤pH值、土壤水分等因素較大的影響著15N-NH3自然豐度，雖然可以得出不同氮施用量下NH3揮發全過程中δ15N值的特征，但利用15N作為示蹤劑來量化氮源和氮循環仍有很大的困難。Bedard-Haughn等[33]在景觀尺度上使用δ15N來確定給定系統中氮的主要來源和氮循環時發現，δ15N在整個景觀中的空間變異通常是非隨機的，遵循可預測的空間格局，地形特征控制著各種水文和生物過程的速率，從而導致上下坡度之間的15N明顯不同。但是，如果由于固有的背景可變性，根源δ15N和表層δ15N之間的差異很小，并且如果分餾過程對要追蹤的氮的同位素有很大的影響，則δ15N將無法用來示蹤。

2.2 氮沉降和灌溉對自然豐度（δ15N值）的影響

濕沉降和干沉降是主要的大氣沉降形式，硝態氮、銨態氮和有機氮是大氣沉降氮素的3種主要形態。土壤氮同位素組成隨著大氣污染、污水灌溉的加劇，田間條件下大氣沉降氮素和肥料中氮素的同位素組成的差異會發生變化，并在此基礎上影響作物的δ15N值。

Pardo等[34]測定了具有氮沉降梯度的云杉和闊葉樹樹葉，結果表明：在1999年，葉δ15N值與氮沉降量成正比，自-5.2‰升至-0.7‰（緬因州至紐約）;葉15N自然豐度值與氮沉降量的變化呈現出一致性，且隨著凈硝化能力的升高而升高，隨著土壤C/N的升高而降低。張穎等[35-36]對于華北平原大氣氮沉降進行了4年的研究，發現北京點和另外兩個偏遠觀測點降雨中硝態氮δ15N值分別為（4.23±4.34‰）、（1.19±3.74‰），而銨態氮則分別為（0.45±4.39‰）、（-2.8±4.06‰），大氣氮濕沉降存在時間和空間上的變異。周曉麗[37]通過測定細葉小羽蘚體內氮濃度及δ15N值來評估鹽城市大氣氮沉降的狀況，δ15N值為-7.76‰～+1.28‰，表面大氣氮沉降主要來自農業活動，如有機肥料和無機肥料的施用及城市糞污的排放所產生的NH3。趙紫涵[38]的研究顯示，氮素沉降進入土壤后會被羊草吸收利用，3年累積15N吸收率達38.36%～44.89%，在各器官中葉的15N吸收率最高，達到14.58%～23.66%，其次是地下部分和莖，氮素沉降可在一定程度上對因降雨量減少而導致的生物量降低產生補償。Bateman等[26]指出15N示蹤技術對有機產品的識別存在一定的誤差，δ15N值除了受到施肥量、肥料種類等因素的影響，同時還會被灌溉水中的硝酸鹽的影響。山楠等[39]設置10個施氮水平，應用15N標記技術在溫室下模擬研究分析了潮土玉米氮素利用特征，發現土體中的15N殘留率和損失率均隨施氮量的增加而增加，表明肥料施用量會顯著影響δ15N值，在長時間的化肥施用和污水灌溉條件下會使土壤中的15N自然豐度值發生改變。

2.3 作物生長時期和種類對15N自然豐度（δ15N值）的影響

不同生長時期和品種類型的作物吸收、利用氮素的數量和形態存在很大差異。Choi等[40]研究溫室下玉米15N值的時間變化，發現化肥與堆肥處理的豬糞施入后，玉米的15N值呈現出隨時間延長而差異減小的趨勢。即在生長早期，4個處理間差異顯著，生長至30 d時，4個處理玉米δ15N值依次為：+6.6‰、+1.1‰、+7.7‰、+4.5‰，隨后差異逐漸減小。該研究表明，在采用δ15N技術識別有機產品時，鑒別誤差可能來自作物生長期的差異。郭佩[41]在不同花生品種根系15N積累量情況的研究中發現，農花5號品種15N積累量隨施氮量的增加呈現先增長后降低的趨勢，且顯著高于其他品種;湘花11號根部15N積累量偏低，呈單峰曲線變化。因此，作物種類也會影響著δ15N識別技術的準確性。

3 展望

有機農業的發展呈現出欣欣向榮的態勢，人們對于有機產品的需求也日益旺盛，所以對于有機農產品鑒別技術的需求也隨之上升，通過δ15N豐度來甄別農產品在種植過程中是否施用化學合成肥料能夠成為一種有效的手段，但目前還處于探索階段。δ15N值的變化受制于多種原因，單純采用δ15N值來追溯有機肥的施用無法完全確定有機農產品的真偽，可憑借15N質量守恒定律，建立起有機產品多因素分析數據庫，分類別進行有效評價，同時還應建立預測模型和共享網絡，為有機鑒別工作提供數據和技術支持。國家機關也應加快完善認證管理政策和措施，建立更加嚴格的監控體系。

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