全 文 ：第 l0卷 第 3期
2 0 0 2年 9月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
、 O1．10 N0．3
Sept．， 2002
土壤与大气环境中硫行为及其对植物的影响
崔岩 山 王庆仁
(中国科学院生态环境研究中心 北京 100085)
摘 要 阐述 了土 壤 的含 硫状 况 、硫 素主 要形 态 、农 业 生 态系 统 中硫 肥 的增 产效 应 ，大 气 中含 硫 化 合 物 的 主 要 来源
及行为 ，对 生态系统补偿 以及 浓度过高对植物的危 害等。指 出土壤含硫状况 因区域和土壤类型而异，土壤硫 素形
态对 植 物 的有 效 性 明显 不 同，植 物 对土 壤 硫 的需 求量 存在 很 大 差异 。在 大 气 环境 中硫 的 主 要 来 源是 火 山喷发 等 自
然 源和 含硫 燃 料 (如 煤 炭)燃 烧释 放 的人 为源 ，植 物 生 态系 统 与 大 气环 境 间存 在 着 硫 的 交换 与平 衡 ，大 气 SO，在 一
定 浓度 下 对 生态 系统 具 有重 要 的补偿 效 应 ，浓度 过 高则 对植 物 生长 与 生理 反 应 产 生一 系列 的不利 影 响。
关键 词 硫 行 为 土 壤 大 气 植 物
Sulfur behavior in soil and atmosphere environment and its effect on plants．CUI Yan—Shan，WANG Qing—Ren (Re—
search Center For Eco—Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085)，C]EA，2002，10(3)：80～82
Abstract The paper mainly deals with the sulfur contents and its dom inant in soils and the yield effects with sulfur fertili—
zer applied in agro—ecosystems．The major sources and behaviors of sulfur—contained compounds in the atmosphere，the
com pensatory effects with its optimal concentration and some damages to plants with its excessive contents are discussed as
wel1．It has clearly indicated that soil sulfur contents vary with locations and．soil types and the availability of sulfur to pla—
nts differs with sulfur status，and some differences in sulfur requirements among plant species also exist．However，sulfur
in the atmospheric environment mainly comes from nature resource，e．g．volcanic eruption and anthropogenic one releas—
ing from fossil fuel(coal with high sulfur content)．Exchange and some balance of sulfur between the atmosphere and
plant ecosystem occur actually， A certain concentration of atmospheric sulfur can provide som e supplem entary sulfur for
plant growth，but an excessive amount must be harmful to the normal growth of plant and it’S physiological aspects．
Key words Sulfur behavior，Soil，Atmosphere，Plant
硫是环境中重要有害元素之一，大气 中 sO，浓度过高形成的酸雨给人类健康与 自然环境带来严重危
害 ，且导致植 物生长衰 弱 、抗 逆性降低 、生物 多样性消 失等严重后 果 。但硫 是植物必需元 素之一 ，在植物 细胞
结构 和生理生 化功能 中具有 不可替代 的作用 ，如参与 蛋 白质合成 、光合 作用 、呼吸 作用 、脂类合 成 、生物 固 N、
糖代谢 等。环境 ，尤其是 土壤 中硫 含量过低势 必导致植 物 的正常 生理 活动受 阻 ，代谢 紊 乱甚 至枯萎 死亡 ，最
后导致生 态系统破 坏 ，生 态平衡失 调。其原 因是植物体利 用 的硫 主要来 自于从土壤 中吸收 的硫 酸盐 ，少 部分
来 自于对大气 So 的直 接吸 收 、同化 。如何解决好 土壤 、大气 环境 与植 物生 态 系统 中硫 素平 衡 ，既控制 大气
污染 ，又满 足生态 系统 对硫素 的需 求 ，从而促进农 业 的可持 续发展 ，已成 为人们越 来越关注 的问题 。
1 土壤硫素状况及其对植物 的影响
土壤全硫含 量依土壤形 成条件 、土壤 中粘土矿物 和有机质 含量不 同而有很 大变化 ，如世界耕地全 硫含量
一 般为 0～600mg／kg，含有机质 多 的土壤 可达 5000mg／kg。我 国土壤 全硫含量 约为 100～500mg／kg。河北省
土壤含硫量接近于世界平均值 ，北京市与山西省土壤含硫量均低于世界平均值，约为世界土壤均值 的 75％，
黑龙 江省主要 土壤全硫含 量平均为 368．2mg／kg，有 机硫 占 87．2％，而 我 国南 方 和东部 湿润地 区有 机硫 约 占
土壤 全硫量 86％～93．7％ ，且 随土 壤有机质含 量而异 (刘崇 群 ，1993)。根据美 国 Wisconsin大学 土壤 系提 出
的土壤有效硫指 数 (SAI)，认 为 当 SAI大于 7时土壤供 硫能力 差 ，所 有作物施 硫肥有效 ；当 SAI在 7～l4时
对一般作物不需施用硫肥 ，但对需硫较多的作物如油菜等施硫肥有效 ；当 SAI大于 14时土壤供硫能力强，
所有作物不需施用硫肥。据刘崇群等(1993)对我国南方 10个省 6777个样本分析统计 ，SAI值小 于 7的
* 国家自然科学基金资助项 目(398701 34)
收稿 日期：2001—08—06 改回日期 ：2001—10—03
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 3期 崔 岩 山等 ：土 壤 与大 气环 境 中硫 行 为及其 对 植物 的影响 81
土壤 占这 10个省样本 总数的 27．1 J／0，因此可 粗略估计缺硫 土壤 约 占这 i0个 省耕地 面 积 的 25％左 右
，这 表
明土壤缺硫 日趋严 重 ，已成 为制约作物产 量提高 的重要 因素 。
土壤 中含硫化 合物 主要 以无 机硫和有 机硫形 态存在 ，无机硫 主要 来 自岩石或成 土矿物 的 自然 风化
，土壤
中无 机硫 按其物理 、化学性 质又可分为水溶 态硫酸盐 、吸附态硫 、与碳 酸钙 共沉淀 的硫 酸盐 和硫 化物 4种形
态。有 机硫是土壤硫 素的 主要贮备 库 ，作 物不能直接利 用 ，需经微 生物分 解转 化成植 物有 效态 的硫 酸盐 后 ，
才能为作物提供有 效的硫营 养 ，土壤有 机硫分为 3类 ，即氢碘 酸还原硫 、碳键硫 和惰性 硫 (残 余硫 )，土壤总硫
含量 只能反映该土壤对 作物 的供硫 潜力 ，而有效硫才 能反 映土壤对 作物 的供硫 水平 ，二 者有 一定 相关性 ，但
也存在 很大差异 。如对 安徽省 6种 主要农用 土壤 (黄潮 土 、灰 潮土 、砂 姜黑土 、黄褐土 、黄红壤和水稻 土 )耕层
研究表 明 ，黄潮 土 、灰潮 土总硫含量 相对较高 ，潜在供硫 能力较强 ，但土壤有效硫 低 ；砂 姜黑土 、水稻土总硫含
量 中等 ，潜在供硫 能力较大 ，土壤有效硫 中等 ；而黄褐 土 、黄红壤 总硫含量低 ，潜在供硫 能力较弱 ，但 黄褐土有
效硫 中等 ，黄红壤有 效硫最高 。由于含硫化肥 (硫铵 ，普钙 等 )的长期应 用 ，向土壤 中投入 大量 的硫素 ，从而
使土壤 与作物缺硫现象 得到掩盖 。20世 纪 60年代报道缺硫 的 国家有 36个 ，目前土壤 与作 物缺硫 已遍 及 全
球 70余个国家。其主要原因是随着复种指数增加和作物产量的不断提高，土壤中大量的硫以作物收获物形
式从土壤 中移走 ，对 土壤 的人 为归还量 日趋 减少 ；大量含硫 很低 或不含硫 的高 浓度 化肥 如磷铵 、尿 素等 的施
用 ，使补充到土壤 中的硫逐年 减少 ，使 土壤硫素供需 平衡 出现失 调 ；全球 范 围内人们环保 意识 的逐步加 强 ，对
含硫气体排 放严格控制 和污染治理 ，使大气 含硫 量下 降 ；含硫 农药 正逐 步为高 效低 毒 、无 硫 或低硫 的有 机农
药所替代 ，同样减少 了对 生态 系统 的硫 投入 量 。据报 道 ，我 国缺 硫范 围涉及 到东 北 、华北 、西南 以及华 南地
区 ，施用硫肥有增 产效应 的作 物达 20多种 ，包括谷物 、油料作 物 、牧草 以及经济作物 和热带作物等 ，如贵州省
油菜施硫肥 增 幅 为 0．5％ ～15．36％，每 kg硫 增 产 油 菜 籽 0．12～0．39kg，施 硫 磺 粉 小 麦 增 产 5．83％ ～
13．06％。在 云南 、广东 、广西 、海南省 (区 )6个地 区施硫 肥 的田间试 验共 163组 ，其 中增产 148组 ，占 91％，平
产 l5组 ，仅 占 9％。不 同植 物对硫 营养的生理 反应不 同 ，即高营 养适应 型(High Nutrient—Adapted)植 物 随
着外界硫素 的增 多 ，其生物量和组织 中硫浓度也 随之增 加 ，如洋葱 随硫肥 的施 入而增 多 ，鳞 茎 中总硫 量 和硫
酸盐量均 随之增 加 。而低 营养适应 型 (Low Nutrient—Adapted)植物 则变 化较 小 ，如禾 本科羊 茅 属 中的 Idaho
fescue(Festuca idahoensis)则随外 界硫 素的增多 ，其生物量 和组织 中硫浓 度变化很小 。同时不 同作物对 硫 的
需求量有很 大差异 ，如油菜正 常情况下需硫 量为大麦等 禾谷类作物正 常情况下需硫量 的 3～10倍 。
2 大气 中硫素及其作用
2．1 大气中硫素形态与主要来源
大气 中的硫化 物包 括 SO，、H，S和 各 种有 机 硫 气体 [二 甲基 硫 (DMS)、甲基 硫 醇 (CH SH)二 甲基二 硫
(DMDS)]，它们 主要 来 自地表 的 自然源和 人为 源 。 自然源 主要 有海 洋挥 发 、陆地 土壤 释放 、植 物释 放 、火 山
喷发等 ，而人为 源主要为含硫 矿物 的燃烧 。近年来 国外学 者对 自然 界含硫有机气体 做 了不少研究 ，海洋发生
的有机硫气 体 中主要是二 甲基硫 (DMS)，陆地生 态 系统 由于 时空 变化 的复杂 性 ，各单 元 发生 的有 机硫 气 体
差异很大 。据报道 ，美国东部 和东南部每年 土壤发生 的有 机硫气体 冲积 土约为 0．002～0．45g／m ，淋 溶土 约
为 0．002～2．14g／m!，灰土约为 0．008～0．02g／m 。国外一些学者对植物释放含硫气体研究结果表明，植
物释放 的含硫 气体 主要 有二 甲基硫 、甲基硫 醇 、氧硫 化碳 、二硫化碳 、硫化 氢等 。Ken—ichi K．等 ⋯ 对 42种 高
等陆生植物 含硫气体释放 的研究表 明 ，在 42种植物 中大部 分植 物释放 最多 的含硫 气体 为二 甲基硫 ，最高 达
每 kg干物质 量每 min释放 0．445t~g；也 有一 些植 物 如百合 科葱 属 中的 Allium stulosum 释放 甲基硫 醇 最
多 ，最高达每 kg干物质量每 min释放 1．38 g。据杨震等 测定不同地方旱地土壤和水稻土在室内培养情
况下挥发性 有机硫气 体的释放表 明 ，这些 土壤可产生 硫化 氢 、氧硫化 碳 、甲基硫 醇 、二 甲基硫 、二硫化 碳 和二
甲基二硫 等含硫气 体 ；同时说 明水稻 土产生 的有 机硫 气体高 于旱地 土壤 ；施用有机肥加 化肥后土壤 中发生 的
有机硫气 体高于仅施用 化肥 的处理 ；在厌 氧条件下检测 到 的有 机硫 气体高 于好 氧条件 ；在较高温度下 气体 的
释放和 衰减速度均高 于低温时 。乔维川等 报道 ，在不 同培养条件下 土壤 的各种物理 、化学 条件对含硫 气体
的释放 具有一定影 响 ，如 土壤在含水量 为 50％～75％、pH=3．25～8．62、较 大 的 C：N 条件下 含硫 气体 释放
量较 大 ，其原 因主要是该 条件下最适 于微生物生 长 ，微 生物活动促进 了含硫气体 的释放 。
2．2 大气中硫行为对植物的影响
大气 中 SO，对植物生 态系统具有 重要 的补偿 效 应 ，SO 主要 通 过干 、湿沉 降进入 土 壤或 被植 物直 接 吸
维普资讯 http://www.cqvip.com
中 国 生 态 农 业 学 报 第 10卷
收 ，这是植 物获得硫 素的重 要途径之 一 ，这 也表 明植 物是吸收 大气 中 SO 的一个重 要 的汇 ，但植 物吸 收大气
中 SO：又受其 自身 的生 理生化条件 所影响 。据 Tomasz S．等 研究认 为 ，在松树 针 叶表面 存有 吸收 SO，的
位点 ，这个位点受外界特别是降水冲洗的影响，降水 冲洗后这些位点将 自动更新。Godzik S．等 和 stasze—
wski T．等、 认为松针表面的蜡质层影响大气中SO：的吸收，吸收 SO 量与蜡质结构及松针表面颗粒物数量
和性质有关 ，松针表面颗粒物有助于 so 的吸收。同时植物对大气硫化物的吸收同化受一定浓度限制，过
高则导致细胞内过度积累而产生毒害作用。不同植物类型甚至不同品系间对气态硫化物的忍受能力有明显
不同 ，通常草本植物比木本植物敏感，木本植物中针叶树 比阔叶树敏感 ，阔叶树中落叶比常绿的抗性弱。
大气 SO：浓 度过高对植 物生理活 动有很大 影响 ，过 高 SO：刺激 植 物气孔 不 正常 地开 放或 关 闭 ，影 响其 正常
生理活动，不 同植物气孔对 SO，的敏感性不一，蚕豆 、菜豆 、玉米、萝 卜等接触过高 SO：使气孔开放，致使 SO
更 多地进入 叶内 ，同时 由于气孔 开闭机能失 调 ，导 致 因大量蒸 腾而迅速枯 萎 。相 反花生 、番茄 、郁金香等对过
高 SO：的反应是气孔关 闭 ，阻碍 s02的进入 。过高 SO：也使植 物呼 吸作 用受到 干扰 ，一般 是呼 吸作用加 快 ，
且 过高 SO，可能使植 物营养 代谢 过程发生 改变 ，如孔 繁翔 等 用 SO 对 地衣 熏 气试验 表 明 ，随着 SO：浓度
的增高，地衣中叶绿素含量降低 ，叶绿素／脱镁叶绿素比率明显下降 ，而葡萄糖一6一磷 酸脱 氢酶、甘露醇一1一磷酸
脱氢酶及海藻糖酶活性增强。同时过高 SO 对植物光合作用和叶绿素含量也有明显影响 ，高浓度 SO：气体
抑 制 CO，在二磷 酸戊 酮羧化 酶活性 中心 的结合 ，使 CO 固定受 阻 ，严 重影响植物 光合作用 ，如孔 国辉等 用
0．2mg／kg SO，熏气 8h的结果表明，华凤仙 、假连翘和朱槿等 7种植物叶绿素总量降低 5．5％～20％。SO
浓 度过高还对植 物生殖 器官正常发 育产 生不利 的影 响 ，如 小麦 孕穗 期 、扬 花期 经过 高浓 度 SO 熏 气后 ，s()2
使相 当多 的花粉粒解体 ，抑制 花粉粒在柱 头上 的萌发 和花 粉管伸 长 ，形成 异型 花粉粒 ；且 SO：浓度 过高还 对
小 麦胚囊分化 和受精过 程有伤害效 应 ，特 别是小麦 卵细胞对 SO：有 高敏感性 。
3 建 议
综合 土壤 、大气 、植 物生态系统 中硫行为研 究现状 ，合理 解决 这些 问题可通过各 学科交叉研究 ，从硫 素的
生物地化循 环过程 、植物需求 等综合分 析并实现其量 化 ，以揭 示生 态 系统 中硫 素平 衡 、有 效循 环及调 控机 理
的客观规律 ；探 寻土壤 、大气 、植物之 间硫 素 的平衡 ，使硫肥 施入 ，含硫污 染物排放 ，植物需 求之 间有量化 的平
衡 ；加强大气 中 SO，气体对植 物影响 的研究 ，目前 SO 气体对 植物 影 响 的研究 只局 限 于进行 简单 的熏气 试
验 ，观察植物 的反应等 ，而对植物 吸收 SO，气体 的量 化分 析 及植 物通过 大 气获得 硫 素 的研究 尚有待 于进 一
步研究 ；加强 生态农业 中硫 素供需 状况 、土壤背景含量 、硫 素来源 (水气补充 ，土壤 风化 ，肥料施入 及残落物归
还等 )与去 向(作物 吸收 、还 原释放 、径流 淋失等 )的研究 ；加 强硫 肥及施 硫方 法改 善 的研究 ，从 而使 硫肥 合理
有效地 利用 ，同时还应重 视高产地 区土壤有效 硫及时合理 补偿 的研究 。
参 考 文 献
1 孔国辉，汪嘉熙 ，陈庆诚 大气污染与植物．北京：中国林业出版社，1985 28～29
2 胡正 义 ，张继榛 ，竺 伟 民 安徽 省 主要农 用 土壤 中硫形 态组 分 的初 步研究 土壤 ，1996(3)：119～122
3 杨 震 ，神田 健一 ，鹤田 治雄等 土壤 中发生的挥发性有机硫气体的研究 环境科学学报，1997，17(1)：14～18
4 乔维川，席淑琪 ，张晋华等 土壤理化条件变化对含硫气体释放的影响 ．环境科学 ，2000，21(1)：78～80
5 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
6 孔繁 翔 ，胡 伟 ，曹淑艳 等 二 氧化 硫 对地 衣 中藻菌 营养 关 系的影 响研 究 中国学 术期 刊 文摘 ，1998，4(11)：1425～1427
7 Staszewski T ，Godzik S ，Poborski P Physico—chemical characteristics of pine needle surfaces exposed tO different air pollution sources Nato
ASI Series．1994．36：341～349
8 Bret E O ，Jeffrey S J Plasticity of high and low nutrient-adapted grasses to added sulfur and nitrogen Journal of Plant Nutrition，1999，
22(4，5)：641～655
9 Adams D F ，Farwell S D ，Park M R ，et al Biogenic sulfur gas emissions from soil in easten and southeastern United States．J Air
Pollut Contro1．1981，31：1083～ 1089
1 0 Ken—ichi K ．Harus T Emissions of sulfur gasesfrom various types of terrestrial higher plants Soil Sci Plant Nutr，1 995，4 1(2)：32 1
1 1 Tomasz S ，Godzik S ．Poborski P Repeated labelling of scots pine shoots with” SO2 Archiwum Ochrony Srodowiska，1 992，1：27～34
1 2 Godzik S ．Staszewski T The effects of Dine needle surface wax layer structure on water loss and uptake of¨ CO2 and S0 Nato ASI Se—
ries．1994，36：269～276
维普资讯 http://www.cqvip.com