使用氮同位素指数区别有机农产品和传统农产品的方法

技术领域

本发明涉及通过在土壤样品或农作物样品中使用氮同位素指数，区别有机农作物和传统农作物或区别有机农田和传统农田的方法。

背景技术

在传统耕种实践中，使用过量的化学肥料和杀虫剂来提高产品产量。然而，那些化学肥料和杀虫剂引起了生态紊乱诸如在土壤中盐积聚和养份不平衡，土壤微生物和自然食肉动物数量减少；水污染；和农产品的安全问题等。关于这些问题，期望通过联合农业、环境和贸易的国际努力使在有机农作物的国际贸易量增加，因而可以制定国际规则来解决上述问题。此外，在法律中设定有机农作物的标准。OECD正在计划通过发展在13个门类的农业环境指标来评定每个国家的农业政策。

响应这些国际努力，因此韩国制定了“环境有益农业促进法”和“它的实施法规”，促进环境有益方式的农业和通过引入质量认证体系促进有附加值农产品的生产。依照为环境有益的农产品的质量认证体系中采用的标准，即农作物的质量标准(韩国)，农产品可以分为四类：低-杀虫剂农产品(合成杀虫剂的使用量为标准量的1/2或更低，化学肥料的使用量为推荐量的1/2或更低)；无杀虫剂农产品(没有使用合成杀虫剂和化学肥料的使用量为推荐量的1/3或更低)；过渡期有机农产品(超过1年的时间没有使用合成杀虫剂和没有使用化学肥料)；和有机农产品(超过3年的时间没有使用合成杀虫剂和没有使用化学肥料)。因此在根据质量认证体系评价农产品时，确定是否使用了合成杀虫剂或化学肥料非常关键。

合成杀虫剂可以通过检测在农作物或土壤样品中的残余杀虫剂进行调查。相反，化学肥料只能通过非直接方法诸如耕作数据和相关土壤化学性质分析进行研究。然而，问题是耕作数据可以是农民随意记录的，而且虽然土壤的化学性质是受化肥使用比率直接影响的，但是在土壤化学性质和使用的肥料种类(化学肥料或有机肥料)之间没有科学关系。根据本领域现状，不可能客观地确定在土壤中使用的是化学肥料还是有机肥料。因此，这就需要一种确定在感兴趣的土壤中使用的是化学肥料还是有机肥料的方法。这种方法也应该能让消费者知道感兴趣的农产品是用化学肥料还是有机肥料生长的。

已有基于化学肥料的氮同位素比率不同于牲畜肥料来测定水污染源(Kohl等，1971，Fertilizer nitrogen：contribution to nitrate in surface water ina corn belt watershed，Science 174：1331-1334)的尝试。为研究水污染源的目的而应用氮同位素分析(lqbal等，1997，对地下水的周期性来源可变性的氮同位素指示剂，Environmental Geology 32：210-218)。然而，氮同位素分析并没有用于研究在农田使用的化肥种类或用于识别作物是用有机肥料还是化学肥料生长的。

发明人统计分析了化学肥料和有机肥料中氮同位素分布，并进行试验检测了化学肥料或有机肥料对于土壤和来自该土壤的作物中的氮同位素指数的影响，并完成了本发明。

发明内容

所以，本发明目的是提供一种区别有机农田和传统农田的方法。

本发明的另一目的是提供一种区别有机农作物和传统农作物的方法。

本发明还一目的是提供区别有机农作物和传统农作物或区别有机农田和传统农田的方法。

一方面，本发明提供一种区别有机农田和传统农田的方法，它包括：

(a)测定农田土壤样品的氮同位素含量；

(b)利用所得氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000              (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)的比值；和

(a)确定农田是属于有机农田还是传统农田。

另一方面，本发明还提供一种区别有机农作物和传统农作物的方法，

包括：

(a)测定作物样品的氮同位素含量；

(b)利用所得氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)的比值；和

(b)确定作物是属于有机农作物还是传统农作物。

除非另外指明，本发明所用的术语均指如下含义。术语“氮同位素”指包括¹⁵N和¹⁴N的氮同位素。术语“氮同位素比率”指重氮(¹⁵N)与所有的氮(¹⁵N+¹⁴N)的比值，即表示为¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)。此外，术语样品的“氮同位素指数(δ¹⁵N)(‰)”指样品的氮同位素比率与参照样的氮同位素比率的标准化指数(normalized index)，由下面公式(I)定义：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)的比值。

大气的氮(N₂)通常用作参考物。此时，大气氮的δ¹⁵N值定义为0‰。氮同位素指数越高表示样品中的¹⁵N越多。通常，有机肥料中的氮同位素指数高于化学肥料中的氮同位素指数。图1表示了在韩国可以商购的8种化学肥料和27种有机肥料的氮同位素指数的平均值。如图1所示，有机肥料的平均氮同位素指数(16.7±2.3‰)高于化学肥料的平均氮同位素指数(-1.5±1.50‰)。本发明是根据化学肥料和有机肥料的氮同位素指数的这种差异取得的。

然而，此处所用的术语“有机农田”通常是值在某一时期内使用有机肥料的农田。有机农田包括有机肥料作为唯一的肥料源或作为主要的肥料使用了某一时期的农田。术语“有机农作物”通常指使用有机肥料生长后收割的农作物，它包括符合《农作物质量标准(韩国)》的有机农作物和过渡期有机农作物。然而，术语“有机农田”和“有机农作物”并不限于上述意思，因为“有机农田”和“有机农作物”的准确意思可以由本发明具体应用中所赋定的具体氮同位素指数值来定义。

术语“有机肥料”指通过加工生物材料如动物肥料和植物材料生产的肥料，它包括符合《肥料官方标准(韩国)》的有机肥料和副产物肥料。尿素如果是来源于生物体也可以称为有机肥料，如果是通过化学工程工艺合成生产的则不能称为有机肥料。

术语“传统耕种”指使用化学肥料的耕种类型，是耕种的典型类型。此处所用的术语“传统农田”通常指某一时期内化学肥料作为唯一肥料源或者是作为基本主要肥料使用的农田。术语“传统农作物”指使用化学肥料生长后收割的农作物。然而，术语“传统农田”和“传统农作物”并不限制于上述意思，因为“传统农田”和“传统农作物”的准确含义可以由本发明具体应用中所赋定的具体的氮同位素指数值来定义。

在本发明方法的步骤(a)中，氮同位素含量的测定可以使用本领域使用的传统仪器来获得，例如稳定同位素比率质谱。用于测定氮同位素含量的土壤样品可以由全土壤制备或通过选择具有粒子大小的特定范围的部分土壤制备。此外，土壤样品中氮同位素含量可以测定为包括铵(NH₄⁺)的氮，硝酸根(NO₃^-)的氮和有机氮的所有氮的含量，以及前述的每种组分中的氮含量。

本发明可以用于农作物，例如(但并不限于)叶子植物诸如大白菜，腌制用青菜，油菜(Brassica campestris)(中国的像菠菜一样的绿色蔬菜)，卷心菜，花椰菜，椰菜，芽甘蓝(Brussels sprout)，洋葱，威尔斯洋葱(wel sh onion)，大蒜，大葱，韭菜，芦笋，生菜，沙拉用青菜(日本称作Saladana)，芹菜，菠菜，王冠雏菊(crown daisy)，欧芹，三叶草(日本称为Mitsuba，用作草药)，六瓣合叶子，土当归(是食用土当归(Aralia cordata))，日本生姜，日本菊科蜂斗菜属和唇形科植物；水果蔬菜诸如黄瓜，南瓜，西瓜，甜瓜，蕃茄，茄子，甘椒，草莓，菜豆，蚕豆，豌豆，大豆和玉米；和根蔬菜例如萝卜，芜箐，牛蒡，胡萝卜，马铃薯，芋头，甘薯，姜，和藕。本发明使用的其它农作物可包括水稻，大麦，小麦和其它有花植物，但是本发明并不限制为这些实例。农作物优选叶子植物诸如大白菜，腌制用青菜，油菜(Brassica campestris)(中国的像菠菜一样的绿色蔬菜)，卷心菜，花椰菜，椰菜，芽甘蓝，洋葱，威尔斯洋葱，大蒜，大葱，韭菜，芦笋，生菜，沙拉用青菜(日本称作Saladana)，芹菜，菠菜，王冠雏菊，欧芹，三叶草(日本称为Mitsuba，用作草药)，六瓣合叶子，土当归(是食用土当归(Aralia cordata))，日本生姜，日本菊科蜂斗菜属和唇形科植物。

在本发明方法步骤(c)中，区别农田属于有机农田还是传统农田，或区别农作物术语有机农作物还是传统农作物可以通过对比所得农田或农作物样品的氮同位素指数与农田参照样或农作物参照样的氮同位素指数获得。

在本发明的一个具体实施方案中，本发明提供一种使用氮同位素指数的区别有机农田和传统农田的方法，该方法包括：

(a)测定农田土壤样品的所有氮的氮同位素含量；

(b)利用所得氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)比值；和

(c)确定农田是属于有机农田还是传统农田。

在步骤(c)中，当氮同位素指数为5‰或更小时，该农田优选确定为传统农田；如果氮同位素指数为8‰或更高时，该农田为有机农田。该标准是建立在使用化学肥料的传统农田的氮同位素指数大约为5.9±0.7‰，使用有机肥料的有机农田的氮同位素指数大约为8.8±0.9‰(见图2)。然而，本发明范围并不限制在这个具体标准上，因为氮同位素指数可以取决于土壤类型、有机肥料类型和有机耕种的持续时间等有所变化。

在本发明的另外一个具体实施方案中，本发明提供了一种使用氮同位素指数区别有机农田和传统农田的方法，该方法包括：

(a)测定在农田土壤样品中的硝酸根(NO₃^-)的氮同位素含量；

(b)利用所得氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)比值；和

(c)确定农田是属于有机农田还是传统农田。

在步骤(c)中，当氮同位素指数为4‰或更小时，该农田优选确定为传统农田。如果氮同位素指数为7‰或更大时，该农田则为有机农田。该标准是建立在使用化学肥料的传统耕种农田的氮同位素指数大约为4.7±1.1‰，使用有机肥料的有机农田的氮同位素指数大约为11.6±4.5‰(见图3)。然而，本发明范围并不意味着限制于这个具体标准，因为氮同位素指数可以取决于土壤类型、有机肥料类型和有机耕种的持续时间等有所变化。

在本发明的还有一个具体实施方案中，本发明提供了一种使用氮同位素指数区分有机农作物和传统农作物的方法，该方法包括：

(a)测定从农田收割的农作物样品的所有氮的氮同位素含量；

(b)利用所得氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)比值；和

(c)确定农作物是属于有机农作物还是传统农作物。

在步骤(c)中，当氮同位素指数为3‰或更小时，该农作物优选确定为传统农作物。如果氮同位素指数为8‰或更大时，该农作物则为有机农作物(见图4和图5)。优选农作物包括(但不限于)叶子植物诸如大白菜，腌制用青菜，油菜(Brassica campestris)(中国的像菠菜一样的绿色蔬菜)，卷心菜，花椰菜，椰菜，芽甘蓝，洋葱，威尔士洋葱，大蒜，大葱，韭菜，芦笋，生菜，沙拉用青菜(日本也称作Saladana)，芹菜，菠菜，王冠雏菊，欧芹，三叶草(日本称为Mitsuba，用作草药)，六瓣合叶子，土当归(是食用土当归(Aralia cordata))，日本生姜，日本菊科蜂斗菜属和唇形科植物。然而，本发明范围并不意味着限制于这个具体标准，因为氮同位素指数的范围可以取决于土壤类型、有机肥料类型和有机耕种的持续时间等。

此外，在本发明的另外一个具体实施方案中，本发明提供了一种区别有机农作物和传统农作物的方法，它包括：

(a)测定在适当间隔的耕种期间的农作物样品中的氮同位素的含量；

(b)利用每个所得氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数图形：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)比值；和

(c)确定农作物是属于有机农作物还是传统农作物。

在本发明方法步骤(a)中，农作物的氮同位素含量在农作物合适间隔的耕种期间内测定。这样，可以通过测定氮同位素的含量而获得氮同位素的波动图形。

在本方法步骤(c)中，如果在种植期间的氮同位素指数呈现出增加趋势，则所述农作物优选确定为在其种植期间将化学肥料于生长早期用作唯一肥料源的传统农作物；如果在种植期间的氮同位素指数呈现起始增加趋势后呈现下降趋势，则将农作物优选确定为其种植期间分别将化学肥料在其生长早期用作基肥，而在后面的生长期间使用化学肥料作为辅助肥料的传统农作物；如果氮同位素指数在种植期间没有出现波动或者只是轻微的下降趋势，则农作物优选确定为有机农作物，该农作物的种植过程中使用有机肥料作为唯一肥料源；如果氮同位素指数在种植期间起始没有波动后又出现下降趋势，则农作物被确定为传统农作物，在该农作物的种植期间，生长早期使用有机肥料作为基肥和使用化学肥料作为辅助肥料。这些标准是建立在种植期间使用化学或有机肥料生长的农作物的氮指数波动图形(pattern)的试验结果的基础上(见图6)。然而，本发明范围并不意味着限制于这个具体标准，因为氮同位素指数范围取决于土壤类型，有机肥料类型和有机种植的持续时期等有所变化。

在本发明的另外一个具体实施方案中，本发明提供了一种区别有机农作物和传统农作物或区别有机农田和传统农田的方法，该方法包括：

(a)测定农田土壤样品和从该土壤中收割的农作物样品的氮同位素含量；

(b)利用每个氮同位素值，根据公式(I)计算氮同位素指数：

δ¹⁵N＝[R_样品/R_参照样-1]×1,000    (I)

其中δ¹⁵N是氮同位素指数，R_样品和R_参照样分别是样品和参照样的¹⁵N/(¹⁵N+¹⁴N)比值；和

(c)对比土壤和农作物的这些所得氮同位素指数，用以区别农田是属于有机农田还是传统农田，或者用以区别来自该农田的农作物是属于有机农作物还是传统农作物。

在本发明步骤(a)中，土壤样品或农作物样品的氮同位素含量可以测定为包括铵(NH₄⁺)的氮、硝酸根(NO₃^-)的氮和有机氮的所有氮的一部分的同位素含量，也可以是所有氮的同位素含量。

在本发明方法的步骤(c)中，如果农作物的氮同位素指数值低于土壤中氮同位素指数值，则农作物优选确定为传统农作物或农田优选确定为传统农田；如果农作物的氮同位素指数值高于土壤中的氮同位素指数值，则农作物优选确定为有机农作物或农田确定为有机农田。这些标准是建立在土壤样品和来自该土壤的农作物样品的氮同位素指数之间关系的试验结果(见图7)的基础上。然而，本发明范围并不意味着限制于这个具体标准，因为氮同位素指数范围可以取决于土壤类型，有机肥料类型和有机种植的持续时期等而有所变化。

本发明的上述具体实施方案可以组合使用，以便提供一种更可靠的用于区别有机农田和传统农田或有机农作物和传统农作物的方法。例如，用于区别有机农田和传统农田的方法和用于区别有机农作物和传统农作物的方法可以组合使用，其中农作物是从该农田中收割的。所以两种方法的可靠性都是可信的，因为如果种植农作物的农田被确定为有机农田，所收割的农作物将最可能为有机农作物。相反，如果农作物被确定为有机农作物，那么该农作物生长的农田将最可能是有机农田，由此可以增加该方法的可靠性。本发明包括能提高方法可靠性的任何组合。

附图说明

通过参考附图详细描述示例性具体实施方案，本发明的上述及其它特征和优点变得更加明显，其中：

图1.说明了可以在韩国商购的8种化学肥料和27种有机复合肥料的平均氮同位素指数值；

图2.说明来自传统农田和有机农田的土壤样品的氮同位素指数值；

图3.说明对于传统农田和有机农田的硝酸根的氮同位素指数值；

图4.说明分别使用有机复合肥料或化学肥料生长的大白菜样品的全部氮的氮同位素指数值。

图5.说明农作物样品的氮同位素指数值(大白菜，生菜，菠菜，芝麻，黄瓜，茄子，红辣椒，卷心菜，Perilla Japonica)，这些农作物分别生长于有机农田或传统农田；

图6.说明农作物(玉米植物)在种植期间的氮同位素指数值随着时间的波动；和

图7.说明有机农田和传统农田的氮同位素值与对应农田中生长和收割的农作物(大白菜，生菜，菠菜，芝麻，黄瓜，茄子，红辣椒，卷心菜，Perilla Japonica)的氮同位素值的比较。