[科普中國]-硫循環(huán)

簡介

硫是植物生長發(fā)育所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，主要參與光合作用、呼吸作用、氮固定、蛋白質(zhì)和脂類合成等重要生理生化過程。硫可增強植物環(huán)境脅迫的耐受性，清除有機毒物，并將有機毒物運送至液泡內(nèi)隔離，使細胞免受毒害。硫還能夠提高植物產(chǎn)量及品質(zhì)，抵御重金屬對植物的毒害，增強植物抗病蟲能力。如果土壤中含硫量過低，就會導(dǎo)致植物正常生理活動受阻、代謝紊亂，甚至導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞。1

硫是生物必需的大量營養(yǎng)元素之一，含量為10-2%數(shù)量級水平，是蛋白質(zhì)、酶、維生素B1、蒜油、芥子油等物質(zhì)的構(gòu)成成分。硫因有氧化合還原兩種形態(tài)存在而影響生物體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)過程。硫是可變價態(tài)的元素，價態(tài)變化在-2價至+6價之間，可形成多種無機和有機硫化合物，并對環(huán)境的氧化還原電位和酸堿度帶來影響。

范圍自然界中硫的最大儲存庫在巖石圈，在沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖三類巖石中總含量達294800×1020克。硫在水圈中的儲存量也較大，在海水中含13480×1020克，在極地冰帽、冰山和陸地冰川中含278×1020克，但在地下水、地面水、土壤圈、大氣圈中含量均較小。通過有機物分解釋放H2S氣體或可溶硫酸鹽、火山噴發(fā)（H2S、SO42-、SO2）等過程使硫變成可移動的簡單化合物進入大氣、水或土壤中。

土壤中微生物可將含硫有機物質(zhì)分解為硫化氫，硫黃細菌和硫化細菌可將硫化氫進一步轉(zhuǎn)變?yōu)樵亓蚧蛄蛩猁}，許多兼性或嫌氣性微生物又可將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫。因此，在土壤和水體底質(zhì)中，硫因氧化還原電位不同而呈現(xiàn)不同的化學(xué)價態(tài)。土壤和空氣中硫酸鹽、硫化氫和二氧化硫可被植物吸收，每年全球植物吸收硫總量約為15×1018克，然后沿著食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移。陸地上可溶價態(tài)的硫酸鹽通過雨水淋洗，每年由河流攜入海洋地硫總量達132×1032克。海水和海洋沉積物中積蓄著最大量對生物有效態(tài)硫，總量達16480×1020克。由于有機物燃燒、火山噴發(fā)和微生物氨化及反硫化作用等，也有少量硫以H2S、SO2和硫酸鹽氣溶膠狀態(tài)存在于大氣中。近來由于工業(yè)發(fā)展，化石燃料的燃燒增加，每年燃燒排入大氣的SO2量高達147×106噸，影響了生物圈中硫的循環(huán)。1

基本過程陸地和海洋中的硫通過生物分解、火山爆發(fā)等進入大氣；大氣中的硫通過降水和沉降、表面吸收等作用，回到陸地和海洋；地表徑流又帶著硫進入河流，輸往海洋，并沉積于海底。在人類開采和利用含硫的礦物燃料和金屬礦石的過程中，硫被氧化成為二氧化硫（SO2）和還原成為硫化氫（H2S）進入大氣。硫還隨著酸性礦水的排放而進入水體或土壤。

自然界的硫循環(huán)構(gòu)成全球硫循環(huán)的儲庫主要包括蒸發(fā)巖、海水溶解的硫酸鹽以及海相碎屑沉積物（巖）中硫化物（主要以黃鐵礦形式存在），同時這些儲庫中的硫也經(jīng)常被火山作用釋放出的硫（SO2，H2S）或者火成巖風化的硫所補充。

陸地硫循環(huán)1、火山活動

強烈的火山噴發(fā)能直接將含硫物質(zhì)推入平流層，對地球氣候產(chǎn)生很大影響。火山活動會產(chǎn)生含硫氣體的釋放，然而，研究發(fā)現(xiàn)在火山非噴發(fā)期比噴發(fā)期釋放的硫量大得多。缺氧巖漿熱動力學(xué)平衡計算表明，在高溫狀態(tài)下釋放的氣體中SO2是主要的，在低溫狀態(tài)下H2S是主要氣體，野外測定證實了這一結(jié)果。SO2是火山釋放氣體的主要組成，H2S和COS是次要的組成。盡管火山對大氣硫總量的貢獻大小還存在相當大的分歧，但最近的研究表明，全球火山硫通量不會低于每年10Tg S。2

陸上火山爆發(fā)，使地殼和巖漿中的硫以H2S、硫酸鹽和SO2的形式排入大氣。海底火山爆發(fā)排出的硫，一部分溶于海水，一部分以氣態(tài)硫化物逸入大氣。陸地和海洋中的一些有機物質(zhì)由于微生物分解作用，向大氣釋放H2S，其排放量隨季節(jié)而異，溫熱季節(jié)高于寒冷季節(jié)。海洋波浪飛濺使硫以硫酸鹽氣溶膠形式進入大氣。

2、植被

陸地植物可從大氣中吸收SO2。陸地和海洋植物從土壤和水中吸收硫。吸收的硫構(gòu)成植物本身的機體。植物殘體經(jīng)微生物分解，硫成為H2S逸入大氣。

3、濕地生態(tài)系統(tǒng)

因為濕地硫釋放明顯，所以早期對陸地硫循環(huán)的研究很多集中在濕地、沿海沼澤地和交替潮汐地帶。從濕地生態(tài)系統(tǒng)釋放的含硫氣體通量一般比內(nèi)陸土壤高一個或幾個數(shù)量級。眾多的研究結(jié)果表明，濕地系統(tǒng)釋放的含硫氣體通量有很強的時空變異性，甚至在同一地點不同時間測出的含硫氣體通量會相差兩個數(shù)量級以上。

4、生物質(zhì)燃燒

作為揮發(fā)性含硫氣體的強釋放源，生物質(zhì)燃燒具有區(qū)域性和短期性。嚴格來講，生物質(zhì)燃燒釋放硫與人為的行為有關(guān)，如受控森林管理燃燒，木材作為燃燒源和農(nóng)用材料等，也與純自然行為如野火有關(guān)。前者約超過后者的20倍。以干物質(zhì)計，植物平均含硫約為0.2%，假如燃燒的干物質(zhì)為每年8700Tg，那么每年硫釋放量約為17Tg S。在燃燒過程中約50%的硫釋放進入大氣層，其余部分則保留在灰分中。

海洋硫循環(huán)海洋是自然硫源的主要部分，由于廣泛的野外測定和模型計算，海洋對大氣總硫的貢獻已基本明確。20世紀 80年代初曾估計海洋向大氣釋放的硫通量約為每年30-40 Tg S。后來的研究結(jié)果顯示海洋硫釋放已大大減少，大約降低了2-5倍。盡管如此，海洋仍然是主要自然硫源。

大氣中的SO2和H2S經(jīng)氧化作用形成硫酸根，隨降水降落到陸地和海洋。SO2和硫酸根還可由于自然沉降或碰撞而被土壤和植物或海水所吸收。由陸地排入大氣的SO2和硫酸根可遷移到海洋上空，沉降入海洋。同樣，海浪飛濺出來的硫酸根也可遷移沉降到陸地上。陸地巖石風化釋放出的硫可經(jīng)河流輸送入海洋。水體中硫酸鹽的還原是由各種硫酸鹽還原菌進行反硫化過程完成的。在缺氧條件下，硫酸鹽作為受氫體而轉(zhuǎn)化為H2S。1

人類活動的干預(yù)人類燃燒含硫礦物燃料和柴草，冶煉含硫礦石，釋放大量的SO2。石油煉制釋放的H2S在大氣中很快氧化為SO2。這些活動使城市和工礦區(qū)的局部地區(qū)大氣中SO2濃度大為升高，對人和動植物有傷害作用。SO2在大氣中氧化成為硫酸根，是形成酸雨和降低能見度的主要原因。