全 文 ：大气质量提高与农业中的硫肥需求*
王庆仁* * 李继云 (中国科学院生态环境研究中心,北京 100085)
摘要 论述了植物对硫素的生理需求, 大气中含硫化合物的来源、组成与含量以及对植物生态系统的硫素补
充作用, 植物对气态硫化物的吸收、同化能力及适宜浓度等.近年来由于人类健康与生态环境的需要,世界各国
纷纷通过法律体制对工业含硫废气的排放标准进行了严格控制,却导致了作物缺硫现象的频繁发生,在某些地
区硫已成为限制农业生产的最重要肥料限制因素. 为此 ,全球农业中硫肥的需求量猛增且有效性范围不断扩
大, 进而对硫肥的研究与开发利用提出了新的要求.
关键词 大气质量 含硫废气 农业 硫肥需求
Air quality improvement and sulfur fertilizer requirement in agriculture. Wang Q ing ren and L i Jiyun ( Resear ch Cen
ter f or EcoEnvironmental Sciences, A cademia Sinica, Beij ing 100085) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 1999, 10(4) : 497~
500.
This paper reviewed the physiological requirement of plants for sulfur and the sour ce, composition and concentration of
sulfurcontaining compounds in the air . It also discussed their supplementar y effects to plant ecosystems, the plant s
absorption and assimilation to t he gaseous compounds and their suitable concentrations for plants. As the requirements
of human s health and ecoenvironment in recent y ears, many countries have started to contr ol t he emission rate of
sulfurcontaining waste air by legislation, w hich, on the contrary, has frequently resulted in sulfur deficiency for
crops. I n some areas, sulfur is becoming one of the most important factors limiting the ag ricultural development.
Ther efore, sulfurrequir ing amount and expansion extent are incr easingly enlarg ed in the global agr icultur e, and more
work on the research and development o f sulfur fertilizers should be conducted.
Key words Air quality, Sulfurcontaining waste air, Agriculture, Sulfur fertilizer requirement.
* 国家自然科学基金项目( 39870134) .
* * 通讯联系人.
1998- 03- 07收稿, 1998- 05- 11接受.
1 引 言
硫是含硫氨基酸、蛋白质的结构组分,又是许多酶
与辅酶的活性物质. 所以,硫是一切生物生命活动的必
需营养元素.作为初级产物生产的植物生态系统, 缺硫
会导致代谢紊乱、生长发育受阻乃至死亡. 然而,随着
工业革命的蓬勃兴起,许多含硫废气释入大气,参与硫
素的大气循环, 并以沉降或通过植物气孔的直接吸收
利用补充给土壤与植物. 在过去一般生产力水平下,通
过植物叶片吸收以及降雨、灌水、雾、露等途径即可满
足作物的硫素需求, 但近年来,许多国家通过环境法案
采取有力措施控制大气质量,使工业含硫废气的排放
量不断减少.这一方面有效地改善了人类赖以生存的
生态环境,而另一方面却因大气中含硫化合物水平极
度下降,对土壤与植物的补充能力不断削弱而导致全
球性农作物缺硫现象的广泛发生. 作物缺硫虽然也有
其他因素的作用,如含硫化肥逐渐被无硫或低硫化肥
所取代,高产作物品种的推广应用, 复种指数增加, 土
壤有机质含量不断减少等[ 2] , 但硫素的大气归还、补
充效应无疑对农业的硫素循环具有重要作用.在许多
国家和地区,施用硫肥已逐渐成为农业生产中一项必
不可少的措施. 为此,本文根据近年来有关环境质量控
制与农业中硫肥肥效、硫肥供求矛盾方面的新近研究,
综合评述了大气环境水平对农业的作用、大气质量提
高与作物缺硫矛盾、世界硫肥需求、资源状况及其研究
应用前景.
2 植物对大气硫化物的反应
近年来一些研究结果表明,植物可直接吸收、同化
大气中的某些含硫化合物, 如 SO2、SO3、H2S 及 COS
等.但不同植物或农作物对大气硫化合物的适宜浓度
要求有所不同. 一般作物只能吸收低浓度的大气硫化
物,浓度过高往往对植物造成毒害.
2. 1 大气硫化物的来源、组成与含量
大气中硫的来源主要是, 含硫燃料(如煤、石油、天
然气等)的燃烧、火山喷发、有机物质的嫌气分解、海水
浪花及富石膏土壤尘埃的随风漂移等. 大气中主要含
有 3种基本形态的硫化物,即还原态硫化物、SO2与硫
酸盐.而大气中的还原态硫化物可以多种形态存在,最
简单而普遍的是硫化氢 ( H 2S )、二甲基硫化物
( CH3SCH3)、二硫化碳( CS2 )和羰基硫化物( COS)等.
应 用 生 态 学 报 1999 年 8 月 第 10 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 1999, 10( 4)497~ 500
此外,还有更复杂的硫醇和二甲基二硫化物等.大气硫
化物浓度与距工业区远近具有密切关系, 如在纽约市
工业区附近,大气 H 2S 浓度高达 1. 4~ 85gm- 3, 而
在美国大西洋中部大气中仅有 0. 007 ~ 0. 07g
m
- 3[ 15]
.大气中 SO2 的浓度也有很大差异, 如临近排
放源(热电厂、火山等)区域可达数 mgm- 3,而远离排
放源的空气中, SO2 浓度仅有 1/ 10 甚至 1/ 100g
m- 3[ 15] .硫酸盐( SO2-4 )也可通过几种途径进入大气
层,如海浪、大气中 SO2 的氧化以及风成土壤的风化
等.其浓度因地理位置而异,如地中海上空大气中 S为
2. 81g m- 3, 而其他地区 S 含量仅有 0. 56g
m- 3[ 15] .
2. 2 植物对大气硫化物的吸收同化
虽然植物通过根系吸收以土壤中的 SO2-4 为其主
要硫源,但有研究表明,植物也可通过叶片的气孔组织
直接吸收大气中一定浓度的含硫化合物[ 16] . SO2 是大
气硫化物的主要成分,经一些植物的测定结果表明,通
过叶片张开气孔所吸收的 SO2 部分经过逐步还原过
程而直接形成还原态的有机硫化物- 含硫氨基酸、谷
胱甘肽等, 但未被还原的 SO2 则在细胞中被氧化为
H2SO4,而 H2SO4 的中和作用则需要植物通过根系吸
收的阳离子( K+ 、Ca2+ 、Mg2+ )来完成[ 16] ,从而形成植
物体内最安全的硫素贮备形态, 随时供给植物同化、
代谢库的需要.
植物不仅可吸收同化大气中的 SO2, 而且还可有
效吸收利用大气中一定浓度的 H 2S 和 COS, 如据 De
Kok等[ 12]的研究,当 H2S 浓度低于 0. 3gL- 1时, 气
体对植物叶片的流通量主要受气孔传导力的制约, 而
在高浓度时,其通量主要受其内部阻抗的限制.进一步
研究表明,H 2S 对植物的内部阻抗主要由其结合为半
胱氨酸的速率来决定,其中形成半胱氨酸所需的 O乙
酰丝氨酸磺酰酶活性及其反应产物 O乙酰丝氨酸水
平,对制约 H2S的吸收与同化起着决定性的作用[ 16] .
Collins[ 11]用 H 235S 和 CO35S(浓度分别是 104. 8
和23. 6gm - 3)分别对小麦、菜豆和甘蓝进行的气熏
示踪试验表明, 两种气体皆可被有效地吸收同化. 其中
H2S 可被直接同化而 COS 则经碳酸酐酶分解释放出
H2S后得以同化[ 20] . 有人用 CO35S气熏后发现, 以谷
胱甘肽形式出现的硫可达标记硫的 67% ,说明大气中
的含硫化合物对植物的硫素需求具有重要的补偿效
应.在近工业区或距大气含硫化合物排放源较近的农
区,作物从未出现缺硫现象的事实就有力地证明了这
一点.
2. 3 植物对大气硫化物浓度的要求
植物对大气硫化物的吸收同化是有一定浓度限制
的,过高则导致在细胞内的过度积累而产生毒害效应.
有关排放源附近植物生态环境受硫化物污染而产生植
物毒害胁迫的报道屡见不鲜. 然而不同植物类型、甚至
不同品系间对气态硫化物的忍受能力具有明显不同.
据报道,当空气中的 SO2 含量为 0. 26~ 0. 52mgm- 3
时,树木不仅不会受害, 而且还可吸收大量的 SO2. 如
松林每天可从 1m3 的空气中吸收 20mg 的 SO2, 柳杉
每年可吸收空气中的 SO2 达 720kghm- 2, 而吸收量
大、抗性强的树种如加杨, 叶片含硫量最高达124. 58
mgg- 1干叶[ 5] .而另一些植物对 SO2 的抗性较差, 如
紫花苜蓿当 SO2 浓度超过 0. 79mgm- 3时, 接触一定
时间后便会产生毒害症状[ 5] .
然而,植物可通过不同的生理机制产生对 SO2 长
期接触的适应性.如云杉通过增强根系对土壤阳离子
的吸收活性而中和针叶细胞内积累态 SO2 所产生
H2SO4 的酸化作用[ 16] , Rao 和 Dubey[ 21]对印度 4个小
麦栽培种长期接触 SO2 的研究结果说明, 植物体内的
谷胱甘肽还原酶( GR)活性以及 GSH/ GSSG的比率高
低是衡量植物耐受 SO2 强弱的重要指标, 且不同品种
间具有明显差异.据研究, 在极端试验条件下,植物对
SO2 的直接吸收量可达植物吸收总量的 25% ~
80%
[ 23, 24]
. 据 Schnug报道[ 23] ,在欧洲, 通过这种来源
对作物的贡献约为 20kghm- 2, 基本可以满足一般作
物的生理需求( 20~ 40kghm - 2) .然而, 植物通过呼吸
作用也向大气层释入一定量的硫化物气体, 如盐沼向
大气层释入的硫化物达 3. 5~ 650gm- 2y r- 1, 湿润与
干旱带森林分别为 0. 88和 0. 023gm- 2y r- 1, 农作物
以玉米田的释放率最高, 为 0. 273gm- 2yr- 1[ 8] .
3 大气硫化物对植物硫素的间接补充作用
除某些炼油厂、焦化厂周围外,大气中的 SO2 很
少会达到植物的毒害水平,所以大气中的 SO2对植物
生长具有明显的益处.然而,大气中硫化物除了植物直
接吸收外,还可通过沉降返回到陆地或海洋, 形成硫素
的大气循环.
3. 1 大气硫化物的沉降作用
植物除直接吸收外, 大气中的硫化物还可通过干
沉、湿沉作用进入陆地生态系统,从而间接补充植物硫
素的需求. 其中,湿沉是指 SO2 气体在阴雨天气遇水
汽(雾、露)或降水形成 H 2SO4 或 H 2SO3 而降落到地
表,形成酸雨. 雨水对大气中的 SO2 具有重要的冲刷
498 应 用 生 态 学 报 10卷
作用,据研究,在工业地区每年由降雨所带入土壤的硫
素可达 234kghm- 2,但与距工业区远近密切相关,如
在远离工业区的偏远乡村仅有 2. 2kghm- 2.
大气硫素对土壤的添加作用以及对植物的贡献,
还可从作物对硫肥的有效性上区分出来. 一般在高度
密集的工业区附近, 作物往往对硫肥的肥效反应不明
显,如 Jordan等( 1960)曾对美国东南部由大气来源供
给植物的硫素进行过定量估计,并通过田间试验表明,
在每年从雨水中带来 6. 0kghm- 2的地区, 作物对硫
肥有肥效反应, 但雨水加入量达到 14. 6kghm- 2的地
区,作物未表现出肥效反应.
3. 2 环境质量控制对大气硫化物补充量的影响
基于对生态环境的保护与人类健康的需要,世界
各国先后以法律手段严格限制工厂含硫废气的排放,
使大气中的硫化物浓度明显降低. 如在德国的
Schlesw igHolstein西海岸地区, 1956年大气硫对地表
的年输入量为 80kg hm- 2, 1980 年下降到 35kg
hm
- 2
, 1985年下降到 20kghm- 2, 90 年代仅有 10kg
hm- 2,而且目前还在不断下降[ 23] .
大气硫化物排放量的严格控制无疑提高了人类赖
以生存的环境质量, 而且改善生态环境,提高人类健康
水平当然是每个国家的民生大计. 然而, 值得重视的
是,由于大气环境质量提高, 硫化物水平下降,对土壤
与植物硫素的补充效应明显减少, 再加上近年来无硫
或低硫化肥(尿素、磷铵、重钙等)的广泛应用,导致许
多地区农作物出现缺硫现象,施用硫肥在这些地区已
成为必不可少的生产措施.
4 全球性农作物缺硫现象与硫肥的增产效果
4. 1 目前世界农业的缺硫现象
目前, 全世界农作物缺硫的报道已达 70 余个国
家, 施硫的增产效果已被愈来愈多的研究所证
实[ 2, 22, 23] . 农业缺硫现象几乎遍及世界各地, 如德国
的一项调查结果表明, 1980年主要作物的硫素状况尚
可达到令人满意的产量水平, 但 1991 年, 仅有占 1%
抽样调查地块中农作物的叶片硫浓度高于相应的临界
值,而接近 50%的农作物在生长季节表现出明显的缺
硫症状. 研究者认为, 10 年中如此急剧的变化主要是
大气硫沉降率严重减少所致[ 23] .
油菜是需硫量较高的作物之一, 随着大气硫的减
少,在作物不施硫肥的情况下,北欧很大范围内已无法
发挥油菜的增产潜力. 近年来有关作物施硫增产效果
的报道逐渐增多,而表现为严重缺硫症状的作物竟至
颗粒无收,且农作物缺硫症状的出现在英国和丹麦也
正变得日趋普遍[ 23] .在澳大利亚,缺硫曾导致新南威
尔士州中、南部的油菜产量损失高达 80%, 同时含油
量还减少 20% [ 13] , 在该生产条件下,硫肥的增产效应
远高于氮肥[ 3] .在拉丁美洲, 至少有 12 个国家的大约
55%的耕地缺硫,加拿大的农业缺硫现象已遍及西南
5省, 印度政府也早已认识到本国农业的缺硫现
状[ 10] .在孟加拉国, 有 80%以上的农田供硫不足, 缺
硫已成为仅次于氮的第二位土壤限制因素[ 10, 14] .在泰
国、印度尼西亚、菲律宾及我国的南方地区, 土壤缺硫
矛盾正日益突出,缺硫范围也在不断扩大[ 2, 19] .
4. 2 施用硫肥对作物产量与品质的影响
油菜的需硫量较高, 施硫对其产量与质量影响的
报道较多.如早在 70年代,在加拿大对双低油菜施用
硫肥后子粒产量竟提高 28%~ 1000%以上[ 9] . 在孟加
拉国 97%的缺硫地块中, 施用石膏(含 S16% ) 125kg
hm- 2可使芥末产量增加 45% ;在澳大利亚,施 S 13kg
hm- 2可使油菜产量由对照的 430kghm- 2增加到
1200kghm- 2[ 12] , 同时, 施硫还可使该区油菜籽含油
量由 38%增加到 46%, 产油量由 340kghm- 2增加到
1730kghm- 2[ 3] ,并且在开花期追施硫肥 40kghm- 2
时,还可有效地提高菜籽的蛋白质含量[ 1] . M alavolta
等[ 17]在巴西 3个州对菜豆、甘蓝、咖啡、玉米、大豆、高
粱、小麦等 10余种作物的施硫试验表明, 产量可超过
对照的 8%~ 69%. 我国近年来对硫肥增产效果的报
道也不断增多, 如从 1978 年起累计在云南、广东、广
西、海南等省 178000hm2 的耕地上试验, 硫肥具有明
显的增产效应[ 4] . 刘崇群报道[ 6] , 我国南方施硫可明
显提高许多作物的产量. 其中,平均增产油菜 18. 2%、
水稻 15. 7%、芝麻 19. 5%、花生 7. 8%、萝卜 13. 4%、
黄麻 5. 7%、紫云英 14. 8%、大蒜 12%、烟草 14. 6%、
甘蔗 9. 6%、大豆 6. 4% .张宽等[ 7]在东北地区的试验
结果表明,施硫可使该区水稻增产 11. 4% ~ 33. 7%,
大豆平均增产 7. 5% , 说明硫肥在我国农业中也具有
很大的增产潜力与应用前景.
4. 3 世界硫肥需求与资源状况
随着全球性农作物缺硫现象的发生, 对农用硫肥
的需求增长较快.如在拉丁美洲, 过去 10 年间硫肥消
费量从 2. 3 106t增至 3. 6 106t; 北非硫的需求量从
1981年的 3. 4 106t 到 1991年就已增至 5. 7 106t;
在亚洲, 印度是完全依赖进口的国家, 90 年代初进口
量就达 1. 5 106t , 较 10年前增加了 67% [ 10] .我国对
硫的需求量也较大, 1991年消费总量就达 7. 0 106t,
但其中主要用于磷肥生产与其他工业(纤维、食糖、橡
胶等)需求.美国硫研究所根据我国国民生产总值的增
4994 期 王庆仁等:大气质量提高与农业中的硫肥需求
长速率(约 10%) ,以磷肥生产和工业方面的硫需求年
增长率为 7% ~ 9%进行预测,我国 2010年将缺硫 4. 1
106t ,占亚洲缺硫总量的 45% [ 18] .
世界硫资源占据优势的国家主要是加拿大、美国
和中东地区. 其中加拿大硫资源最为丰富, 90年代初
出口量就达6. 2 106t, 占世界硫出口量的 41% [ 10] ,而
且据估计,随着世界硫肥的紧缺,加拿大和美国依其雄
厚的资源优势将继续主导世界硫贸易市场.
5 结论与展望
总之, 随着人类健康标准的提高, 环境质量的改
善,有效地控制了大气中的硫化物含量,但同时也减少
了大气硫化物对土壤、作物的补充效应,加上农业集约
化水平的不断提高, 无硫或低硫高浓度化肥的广泛应
用,农作物种植指数增加, 产量不断提高等原因,导致
土壤、作物硫素供求矛盾的激化. 因而, 在许多国家和
地区,施用硫肥对作物具有明显的增产效果, 由此而刺
激了农业中硫肥需求量的增加及对硫肥资源的开发利
用.根据我国的农业生产现状与发展前景, 预计未来
10年至少在某些地区, 硫将成为农业生产进一步发展
中主要的肥料限制因素. 为此,目前对硫肥的研究与开
发应用已成为土壤肥料工作者不容忽视的任务.
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作者简介 王庆仁,男, 39 岁,副研究员, 博士后,主要从事农业
生态与植物营养研究, 发表论文 36 篇. Email: qingrenw@ 263.
net
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