碳元素是地球环境和生物中存在的主量元素之一，也是有机物的重要元素。碳元素占植物体干物质重量的30%～40%，与氧大体相等，属于含量最多的元素之一。植物体内与碳素结合的化合物总量占植物干物质重量的90%以上。碳元素具有三种核素，即¹²C、¹³C、¹⁴C，其中¹⁴C是最稀少的且不稳定的放射性核素，属低能β射线放射体，半衰期较长（5730年），外照射防护简单，测量仪器效率高，且¹⁴C标记化合物合成前体易得，是最常用放射性核素。¹⁴C同位素示踪技术，以¹⁴C作为示踪原子、标记化合物作为示踪剂，在植物光合生理、光合作用产物的运输、转化与分配等碳素营养代谢过程及作物产量形成机理，农药残留、代谢与降解和土壤碳循环过程的研究中发挥了重要作用，取得了重要的成果。

¹⁴C是碳元素的一种具有放射性的同位素，于1940年由美国科学家M.卡门与同事S.鲁宾在美国劳伦斯-伯克利国家实验室首次发现，而后时任芝加哥大学教授、加州大学伯克利分校化学博士W.F.利比应用¹⁴C发明了碳-14年代测定法，并因此获得1960年诺贝尔化学奖。美国科学家M.卡尔文利用¹⁴C同位素标记法对小球藻的光合作用进行研究，最终探明了光合作用中碳的转化途径，由此获得了1961年诺贝尔化学奖。20世纪70年代，中国原子能科学研究院开展³H和¹⁴C标记化合物的研制，建立了标记化合物研究实验室，形成了气体爆射法、氚卤交换法和微波标记法等多种核素标记方法，研制出³H、¹⁴C标记的近百种标记化合物，推动了放射性同位素应用在国内的迅速发展。

碳元素¹²C、¹³C、¹⁴C三种核素中，绝大多数（超过99%）是¹²C，原子核中有6个质子和6个中子；其次是¹³C，具有6个质子和7个中子；¹⁴C是三者中最稀少的，具有6个质子和8个中子，是不稳定的放射性核素，属低能β射线放射体，半衰期约为5730年，防护简单。¹⁴C取代化合物中¹²C与未标记化合物相比，化学和生物性质没有改变，只是带有放射性，通过放射性的测量就可以清楚地得到化合物移动路径和过程。

¹⁴C示踪在农业、化学、医学、生物学等领域中应用十分广泛。在农业方面，可用于研究农作物的光合作用机理及光合产物的积累、运转和分配；含碳农药、除草剂、除菌剂在土壤和农作物中的残留及迁移情况；用于¹⁴C标记的蛋白质、脂肪、氨基酸等分子在生物体内的代谢过程研究；观察¹⁴C标记药物在动物体内的代谢行径及由体内的排除等情况。

光合作用是指绿色植物利用光能，同化CO₂和H₂O，制造有机物质并释放氧的过程，是地球上一切生命存在、繁荣和发展的基础。¹⁴C同位素示踪技术为深入了解植物光合作用机制提供了更多的便利，也为高光合效率资源的筛选和品种培育提供了有效的鉴定手段。¹⁴CO₂示踪对整株或单个叶片进行标记，研究不同的环境条件下对植株或叶片光合效率、光合产物的运转和分配的影响，及其对产量形成的贡献大小。

放射性同位素示踪技术是农药代谢研究中最常见、最灵敏和最有效的一种分析方法。中国放射性同位素标记农药的合成与示踪研究始于20世纪60年代。浙江大学陈子元等率先开展了农药标记合成研究，先后利用¹⁴C、³²P、³⁵S、⁷⁶As等多种放射性核素，研制了15种包括有机磷、有机氯、有机氮、有机砷的标记农药，开拓了应用同位素示踪技术研究农药对环境污染及其防治的新领域。利用¹⁴C标记除草剂甲磺隆、氯磺隆、苄嘧磺隆和丙酯草醚，杀菌剂氟吗啉，杀虫剂杀虫脒、杀嫇松等农药；除此之外，开发了¹⁴C与其他放射性同位素或稳定性同位素的双标记、三重标记农药技术。在此基础上，开展了农药在植物的吸收、体内运转和残留，以及在土壤中的残留、降解和代谢规律研究，为农药的安全使用和方法的制定提供了依据。常见与¹⁴C相关的双标记有³H-¹⁴C、¹⁴C-³⁵S、¹⁴C-³²P、²H-¹⁴C等，三重标记有³H-¹⁴C-³²P、³H-¹⁴C-³⁵S、³H-¹⁴C-¹²⁵I、²H-³H-¹⁴C、³H-¹³C-¹⁴C等。

¹⁴C示踪在土壤腐殖质的形成与分解过程、有机底物在土壤中的分解和转化及其对原有土壤有机质分解的影响、土壤微生物生物量碳及其周转以及温室气体排放等方面研究中发挥了积极的作用。例如用¹⁴C标记紫花苜蓿进行田间微区和室内培养试验。结果表明，在沉积物发育的强石灰性土壤中，¹⁴C标记紫花苜蓿的残留碳量并不因黏粒含量的不同而有明显差异。

在植物保护研究中对植物病原生物进行标记，研究病原生物和寄主的相互关系，病原侵染规律，标记昆虫，研究昆虫迁飞规律，为病虫害防治策略的精准制定提供依据。根据放射性同位素测定的高灵敏度和抗原、抗体免疫反应的特异性这两大特点综合形成的放射免疫分析，在植物病理学中可研究病原生物污染传播途径规律，以及植物和种子检疫，为作物病害的早期诊断与病害测报提供一种灵敏度高、快速、简便有效的检测方法。

假定近十万年来宇宙射线的成分没有多大变化，那么处于交换状态的碳中¹⁴C含量便是一个恒定值。在试验方法上，只要测出处于交换状态中的现代碳里¹⁴C的比活度S₀和标本中停止了交换的古老碳中¹⁴C比活度，就可以计算出标本的绝对年代。该法在考古学研究中可推算出数百年至数万年前的木料、骨骼、毛发和纤维制品等古生物样品的年代，还可广泛用于地质学、地理学、海洋学和气象学等领域中的年代研究。