全 文 ：第 11卷 第 2期
2 0 0 3年 4月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．2
Apri1， 2003
京郊典型农田生态系统中硫的源汇关系研究
王庆仁 崔岩山
(中国科学 院生态环境研 究中心 北京 100085)
摘 要 研 究 了京郊小麦一玉米轮作典 型农 田生态 系统 e S的源 汇关 系，分 析 了该 区农 田生 态系统 主要特征 、经 济
基础以及各项农事活动对生态系统ee S来源与归宿的影响，指出该区农田生态系统ee S的源和汇在不同时期依据
不同对象发生交替性动态变化，根据系统ee能量流、生态流与元素流的矢量与转化过程初步确定系统e S的输入
与输 出途 径 、S的补偿效应及其 盈 亏平 衡 ，1个轮 作 期 ee玉米 和 小麦 收获 物对 S的输 出量 分别 为 14．66kg／hm 和
11．8kg／hm2，通过根系和秸秆还田对土壤 S的归还量分别为 2．78kg]hm 和 9．73kg／hm ，加上其他途径对土壤系统
S输 出／输入的估 算，年 S输出总量 为 46．1kg／hm ，年输 入总量 为 37．2kg／hm ，年土壤 系统 S亏缺 量 为 8．9kg／hm ，
故应定期补施 一定量 的 S肥 。
关键 词 硫 源汇关 系 农 田生态 系统
Studies on the relationship between source and pool of sulfur in typical agro-ecosystems of BeUing suburb．WANG Qing—
Ren，CUI Yan—Shan(Research Center for Eco—Environmenta1 Science，Chinese Academy of Sciences，Beijing 1 00085)，
CJEA，2003，11(2)：54～56
Abstract Studies on relationship of sulfur(S)source and poo1 in typica1 agro-ecosystems of Beijing suburb are carried
out．The paper mainly deals with the characteristics of the system，effect of economy and farming style on S input and out—
put．The results show that the source and pool of S in some subsystems can be changed at diferent periods．Based on the
direction and rates of S flux into and from the system，the pathways，complementary efects，profit and loss are determined
quantitatively．For example，after a complete rotation，the outputs of S by Corn and wheat are 14．66 kg／hm2 and
11．8kg／hm ，the inputs are 2．78kg／hm2 and 9．73kg／hm2 through roots and residues returned to soil，respectively．Taking
account of al the pathways，46．1kg／hm2 S is lost from and 37．2kg／hm2 annually can be returned to the soil．Therefore，
we can suggest that 8．9kg／hm S per year should be replaced by S containing fertilizers to compensate S loss from the soil．
Key words Sulfur，Source and pool，Ecosystem of field
研究证 明，植物所需的 S主要来 自于根系对土壤有效态硫(S04 一)的吸收 ，土壤全 S含量一般达 100～
15000mg／kg，且除内陆或滨海盐土外 ，一般土壤 中 S绝 大部分 (90％以上)呈有机形态存在⋯ 。除吸收土壤
中 S外 ，在适宜浓度下植物也吸收利用大气中的 SO ，在极端试验条件下植物从大气 中吸收的 SO2可达植物
吸收总 S量的 80％ ，通过该途径吸收的 S可达 20～40kg／hm H ，且土壤和植 物不断产生硫化物从系统
中释放出来，土壤、植物生态系统与大气间始终处于硫化物吸收、释放过程，趋于一个动态平衡体系。据报道
大气硫化物来源除化石燃料燃烧排放 ，钢铁 、石油冶炼等外 ，由土壤或生态系统 中挥发释放 的 S是大气环境
污染 的重要组分 。为弄清农 田生态系统需 S状况 ，本研究 以北京郊区小麦一玉米轮作典型农 田生态系统为
研究 目标 ，确定该系统 中 S的源汇关系与动态变化 ，探讨 S的输出／输入平衡与调节、补偿等有效途径。
1 试 验材料与 方法
试验在距北京市 30km的昌平区平西府镇中国科学院遗传与发育生物学研究所试验基地进行，该区位
于北纬40。07 ，东经 116。22 ，属暖温带大陆性季风气候，日照充沛，四季分明，年均日照时数 2166．2h，年降水
量650mm，夏季降雨量占年降水量的 43．2％，年均气温 10．812，最热为7月，平均 23．712，最冷为 1月，平均
一 2．912，≥1012年积温 3470．312，春秋季干旱多风，以农林果、草皮及住宅、商业为主，无大型工业污染源，1
年两熟小麦一玉米轮作为最普遍栽培种植制 度，小麦和玉米产量达 4500～6000kg／hm 。该 区主要分布石灰
* 国家 自然科 学基金项 目“旱作农 田生态系统中硫素的生物化学循 环通 量与调控机理”(39870134)部 分研究内容
收稿 日期：2002·06—30 改回日期：2002—07．28
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第 2期 王庆仁等 ：京郊典型农田生态系统中硫的源汇关系研究 55
性土壤，属淋溶褐土，各季施肥量约为 N 200～250kg／hm ，P 80～90kg／hm (主要为尿素和磷酸氢二铵)，除
菜园地外 ，多年未施 农 家肥 ，土壤有 机 质含量 为 6．2g／kg，全 N 730mg／kg，全 P 1360mg／kg，碱 解氮 24．5
mg／kg，有效 ．5mg／kg，交换性钾108mg／kg，土壤全S 320mg／kg，浸Ms15mg／kg，CaCO3 45g／kg，阳离子交换
量12．8cmo1／kg，pH值(土：水=1：5)8．2。小麦一般于 9月末～10月初播种，翌年 6月中下旬收获，小麦收获
后即播种玉米，玉米收获后即播种小麦，充分利用土地 ，1年 4季几乎无裸地现象。在小麦一玉米轮作制采样
分析基础上对该生态 系统各子系统进行 S的源汇关系解 剖与定量化描述 ，如耕作管理一土壤子 系统施肥 、灌
水等措施为 s的源，土壤为汇；而土壤一植物根系子系统作物生育期土壤为源 ，植物为汇，但作物收获时根系、
作物秸秆(如小麦秸秆直接还 田)及其他残留物为 S的源 ，土壤则成为汇 。
2 结果与分析
2．1 农田生态系统 S的来源与归宿
城市 、工业频繁活动或多或少对京郊特定开放式农 田生态系统产生影响，其 中大气飘尘、干湿沉 降、含 S
气体浓度较高等是该区主要特征 ，也是 自然源最主要途径。随着无 S化肥(如尿素 、磷二铵等)品种已替代传
统的含 S化肥 (如硫铵、普钙等)，即使大量施用化肥对土壤 系统中 S的补偿也无用 ，相反过量施用 N、P化肥
导致产出量增加，从系统中携带的s量增加，并易于导致作物缺s的矛盾，加之农家肥用量持续减少，使该区
农 田生态系统丧失非常重要的人为补偿源。系统中 S的主要汇是作物收获物和土壤 系统 ，小麦收获物籽粒
进入人的食物链系统经人体消化吸收后，其排泄物却很难进入该系统 ，而小麦秸秆则以源的形式直接归还土
壤 ，很快参与系统有效循环 ；玉米收获物作为青贮饲料 ，除难 以清 除根 系和残茬 通过 旋耕 机切碎 留在 土壤
系统 中外 ，收获物进入 动物食 物链 系统 ，而 家畜 排泄 物 中的 S和人类 消 费家畜 产 品 (肉 、蛋 、奶 )中的 S
及其产生的含 s排泄物能否进入土壤一植物系统，取决于人类活动对系统的调节和补偿，该区农 田生态
系统 亚系统构成 、S的源汇关 系及主要影 响 因素见表 1。
表 1 京郊农 田生态 系统亚 系统结构与 s的源 汇关系
Tab．1 Components of subsystems，source and pool and major factors of S flux in
the agro-ecosystem of northern suburb of Beijing
输入系统 Input to the system 输出系统 Output from the system
亚系统组成 系统补偿与输出途径 主要影响因素 亚系统组成 系统补偿与输出途径 主要影响因素
Components of Pathways of input Major influential factors Components of Pathways of input Major influential factors
subsystem and output subsystem and output
大 气一植 物 叶片直接吸收 SO2浓度、植物类型、 植物一动物生物链 家 畜 饲 料 产量、经济生活条 件、
生长状况、温 湿 度 副食品需求与市场价
格 ，养殖业发展水平等
大 气．土 壤 干 湿 沉 降 大气 s浓度、风速、降 植物．人类消费 农产品(如面粉) 产量、品种农 艺性 状、
雨量 收 获 指 数 等
农事活动一土壤 施肥、灌水、 肥料含 S量及用量、灌 土 壤．河 流 径 流、侵 蚀 地形、坡度、土壤结构、
病虫防治等 水量及含 S水平、含 S 降雨量及强度频率等
农药用量及使用频率等
土 壤一植 物 根系对土壤水 水溶性S含量、土壤特 土壤．植物一大气 土壤、植物挥发 土壤含 S量、温湿度、
溶性 S的吸收 性、供 S潜力、扩散速 植 物 特 性 等
率、根 系 活 性 等
人畜排泄物一土壤 人畜排泄物 人为活动、交通状况、 植物一工业深加工 秸秆造纸、玉米 作物产量、含 S量、市场
归 还 土 壤 运 输 手 段 等 生产工业淀粉、 需求、工业发展水平等
废 弃 物一土 壤 工业、生活垃 对固体废弃物资源化 柠 檬 酸 等
圾作肥料或含 利用程度、垃圾堆积量
S气体排放 与 处 理 方 式 等
植物残留物．土壤 植物根系、残留 耕作利用方式与习惯、
物、麦 秸 还 田 经济基础与生活条件、
机 械 化 水 平 等
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
2．2 亚系统 s的输入与输出
由表 1可知农 田生态系统 中有若干亚 系统 ，而亚系统中 S的输出／输入与系统特征密切相关并受诸多因
S输入
大 气 S
残
落
物
归
还
S输出
农 产 品
毳
尘耋堕堑J I 全堡卜—卜—
作 物根 系I l动物排泄物H 挥发、淋失
土壤吸附态S}=== 土壤溶液 ————卜——— 径流、淋失
生塑整些卜_————f—— S化物挥发
土壤有机S
图 1 小麦·玉米轮 作农 田生态 系统 S的输入／输 出途径
Fig．1 Pathways of S input and output in the agro-ecosystem
of maize and wheat rotation
素 的影响，系统 中 S的流 向可是单 向
的 ，也可 是双 向或 多 向的 ，如 土壤一植
物亚系统 中土壤 既是源 ，能通过 矿化
作用不断供 给植物 ，满足植 物对 S的
需求 ；同时也是汇 ，接纳来 自自然与人
为的 S源 。土壤一植物 亚 系统 S的 流
向是多向的 ，即土壤 S可 由土壤进入
植物 ，也可 由植物返还 土壤 ，如土壤 中
s通过植物根系吸收进入植物体，而植
物成熟后 随根系 与残落 物归还 土壤 ，
部分 S又返还土壤 ，实 际土壤 与植物
根系每时都进行 s的交换如根系吸收
与溢泌 ，始终处 于动态平衡过程 ，该 系
统 中 S的输入／输出途径见图 1。
2．3 不同途径对系统 s的补偿效应
系统 S输 入／输 出过程 与 动态平
衡分析表明，目前土壤所贮存的 S是该 区生态系统 中最大的源 ，而作物产 品或收获物可视作 系统 S的主要
汇 ，大气 S也是该 系统中 S的主要源之一 ，原 因是该 区大气 中 SO2浓度为 0．09～0．12mg／m3，该 浓度不会对
植物造成伤害，且是植物从大气中获取 s的主要途径 ¨。大量施用无 s的尿素或磷酸二铵反而加剧该系统
中 S的失衡 ，植物残 留物对土壤系统输入量玉米为 2．78kg／hm2，小麦为 9．73kg／hnl2，而植 物收获物对土壤 S
的输出量玉米为 14．66kg／hm2，小麦 11．80kg／hm2，综合计算该区生态系统中s平衡，土壤 s年输入总量为
37．2kg／hm2，其 中灌水补偿 占44％(玉米 24％，小麦 20％)，残 留物归还 占 34％(小麦 26％，玉米约 8％)，干
湿沉降占 21％，作物直接吸收仅 1％；系统中 S年输 出总量为 46．1 kg／hm2，其 中作物收获物 占 57．4％(玉米
31．8％，小麦 25．6％)，土壤侵蚀 、淋失 占34％，径流约占 9％，土壤与植物 S挥发量 <0．01％，故该 区小麦一玉
米轮作制中土壤 系统 S年亏缺量达8．9kg／hm2。
3 小 结与讨论
小麦一玉米轮作京郊典型农田生态系统中s处于亏缺状态，目前该部分 s仅靠土壤 s库提供。根据土壤
s的测定结果表明该区现耕层土壤 s库总量约为 720kg／hm2，若土壤 s的年矿化率为 5％，可提供给植物的
有效硫年为 36kg／hm2。将各种补偿途径考虑在 内，按 目前轮作 管理方式对抵消土壤系统的 S亏缺 ，从理论
上计算该区现有土壤 s库可维持80年。根据该区气候与土壤条件，每年施用 s()i—S 10kg／hm2即可满足小
麦一玉米轮作对 S的需求 ，并有效补偿作物对土壤 S的消耗 ，避免土壤 S库 的耗竭 ，对土壤物理性状不会带来
任何后果。
参 考 文 献
1 刘崇群，曹淑卿，吴锡军．中国农业中硫的概述．中国硫资源和硫肥需求的现状和展望国际学术讨论会论文集．北京：中国科学技术出
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2 王庆仁，李继云．大气质量提高与农业中的硫肥应用．应用生态学报，1999，10(4)：413～416
3 Schnug E．Sulfur nutritional status of European crops and consequences for agriculture．Sulfur in Agriculture，1991，15：7- 12
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5 Goldan P．D．，et a1．The measurement of natural sulfur emissions from soils and vegetation：three sites in the eastern United States revegitat—
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