陆地生态系统含硫气体释放研究进展

陆地生态系统含硫气体释放研究进展

李新华1, 2，刘景双1，王金达1，孙志高1

1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130012；

2. 中国科学院研究生院，北京100039

摘要：由自然生态系统释放的含硫气体在全球硫循环中起着重要作用。陆地生态系统主要的自然硫释放源有湿地、土壤、植被、内陆水体和火山等，由自然源释放的含硫气体主要产生于有机硫化物的降解和硫酸盐的还原，同时受温度、光照等环境因素的影响。文章主要综述了对人类有影响的几种含硫气体（DMS、H2S、COS、CH3SH、CS2和DMDS等）从各种自然源释放的情况，同时简要介绍了环境因素如温度、光照、土壤状况、氧化还原条件等对自然源释放含硫气体的影响，最后结合中国的研究现状，指出今后应开展和加强陆地生态系统含硫气体释放通量监测、释放机理及在大气中的转化等方面的研究，以及在此基础上建立含硫气体释放模型。

关键词：陆地生态系统；含硫气体；释放

中图分类号：X142 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）01-0117-04

硫是一种多化合价元素，具有从-2到+6之间不同的价态，存在多种形态，对人类有影响的气态硫化合物主要包括二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、二甲基硫（DMS）、羰基硫（COS）、甲基硫醇（CH3SH）、二硫化碳（CS2）、二甲基二硫（DMDS）等。其中SO2、H2S为无机含硫气体；DMS、COS、CH3SH、CS2、DMDS为有机含硫气体。含硫气体主要来自人为源和自然源，由自然源释放的含硫气体的量和人为源释放的量相当[1]。近年来，随着工业的发展，人为释放的大量含硫气体排入大气，干扰了自然界正常的硫循环，给人类带来的一系列环境问题，酸沉降、温室效应乃至臭氧层耗损均与硫污染有直接或间接的关系[2, 3]。为了了解自然生态系统硫循环和精确计算其释放进入大气中含硫气体的量，有效控制硫污染的产生，各国学者对海洋、陆地生态系统和大气圈中的硫循环进行了广泛的研究[3~5]。人们对自然源释放的含硫气体种类的认识经历了曲折的路程，开始时人们对硫释放只局限于人为硫源的SO2释放和少量自然源的H2S释放的研究。但是在估算全球大气硫储量时，进入大气的硫通量不等于输出大气系统的硫通量，由此Eriksson[6, 7]认为在大气和陆地之间存在一种丢失的源（a missing source），许多科学家受此启示，试图在陆地生态系统中寻找这个源。20世纪80年代后，人们才陆续发现并开始重点研究由自然源释放的有机含硫气体，这部分硫化合物可能对全球硫负荷平衡有重要贡献，因此目前这一领域的工作越来越受到各国研究者的重视。本文就陆地生态系统自然硫释放进行综述，剖析其存在的不足，对未来研究发展提出展望。

1 陆地生态系统中主要的自然硫释放源

陆地生态系统是重要的自然硫释放源之一，在陆地生态系统的自然硫释放源中，湿地作为陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡地带，硫释放明显，通常被划分为独立的硫释放源，但在陆地生态系统的其他体系，硫的自然释放源一般按自然要素划分，已明确的自然硫释放源有土壤、植物、内陆水体、火山等[8, 9]。从各种自然源释放的含硫气体主要来自于硫酸盐的还原和有机硫化物的降解[1]。

1.1 湿地

湿地是处于水陆交错带的特殊生态系统，其独特的生物条件显著影响着元素的形态转化。湿地释放的含硫气体有H2S、DMS、COS、DMDS、CS2[10,已有的数据表明湿地硫释放明显，一般比内陆土壤高一个和几个数量级，湿地释放含硫气体具有很强的时空变异性，受温度，物种，潮汐周期变化和湿地类型等因素的影响[11~14]。Anejia等[11]在研究美国卡罗莱纳州北部的一个淡水沼泽时发现其主要释放H2S，其次是DMS、COS、CS2和DMDS。Copper[12]在Florida Spartina Alterniflora 沼泽测定了短时间内生物硫气体的释放，结果发现在不同的测量点H2S的通量变化很大，其变化和潮汐变化相一致；DMS、CS2和DMDS的通量变化不大，和温度变化趋势一致。Michael等[13]在New Hanpshire盐沼的S.alterniflora和S.patens地区测定了DMS、CH3SH和COS短期的释放速率，结果表明在短时间内，同一测量点所有硫气体的通量变化不大，生物量的数量和植被类型是控制释放速率的主要因素。Delanue等[14]利用两年的时间，在路易斯安娜海滨沼泽沿着盐度梯度分别定量化测定了盐沼（salt marsh）、咸水沼泽（Brackish marsh）和淡水沼泽（Freshwater marsh）中还原性含硫气体的释放通量，其释放量为：盐沼>咸水沼泽>淡水沼泽。

1.2 土壤

Adams等[15]在1981年首次测定了美国35处土壤的硫通量，测试的含硫气体的总释放通量为38 ng·m-2·min-1，土壤能够释放COS、CH3SH、CS2、H2S、DMS和DMDS等气体。土壤释放的含硫气体主要来源于土壤表层，土壤硫释放量和释放种类具有很强的时空变异性，根据已有的数据估算全球土壤向大气释放的含硫气体（以硫计算）约为7~77 Tg·a-1 [3, 16]。由于土壤含硫气体的释放过程与土壤微生物的活性密切相关，因此任何影响微生物活性的因素都能影响土壤释放含硫气体。其影响因素有：

1.2.1 土壤类型

土壤中硫酸盐、含硫氨基酸和少量四价硫化物都能产生含硫气体，不同的土壤类型，硫化物的种类和数量不同，所以产生的含硫气体也不同。Kanda等[17]研究了水稻田的释放情况，发现在不同的土壤间，DMS的年释放速率为：矿土>水稻土>非氮土，COS的年释放速率为：水稻土>非氮土>矿土。

1.2.2 肥料施加

施加氮肥和有机肥，可调整土壤的w(C)/w(N)，加速土壤微生物的新陈代谢活动，引起硫释放增加。Melillo等[18]向森林土壤中添加氮肥，发现COS和CS2的释放速率增加。Kanda等[17]在研究水稻田硫释放时发现：加有机肥料和化学肥料的硫释放量>只加有机肥或化学肥料的硫释放量>不加肥料的土壤中硫释放量。

1.2.3 氧化还原条件

土壤氧化还原条件是影响硫气体释放的一个重要因素,随着Eh的变化，硫的不同形态随之发生变化，形成不同的产物。Istvan等[19]研究了Eh的变化对含硫气体产生的影响，发现随着氧化还原电位的降低，总的含硫气体释放量增加，但不同的气体增加的比例不同，H2S在-100 mV时释放速率达到最大值，COS在-100 mV到-70 mV之间增加显著。

1.2.4 温度

温度是影响微生物生长和代谢最重要的环境因素，微生物生长需要一定的温度，温度超过最低和最高限度时，微生物会停止生长或死亡。Goldan等[20]发现土壤温度对含硫气体释放有明显影响，随着温度的升高含硫气体的释放速率随之增加。Staubes等[21]对德国北部地区土壤研究发现，土壤释放的主要含硫气体：DMS和COS释放速率的年变化和月变化与土壤温度变化趋势一致。但Kanda等[17]对水稻、小麦和玉米的生长过程监测表明含硫气体的释放量与温度相关性不大，控制农田系统中含硫气体释放的主要因素是施用肥料和作物生长。

1.3 植物

硫是植物必需的营养元素之一，植物利用的硫主要来自于根从土壤中吸收的硫酸盐，少部分来自于对大气SO2的直接吸收和同化。各种植物都能释放出大量含硫气体，一般来说DMS、H2S的释放量大，COS、CH3SH、DMDS次之。植物释放含硫气体通常被认为是植物平衡不同部位硫的一个调节机制，取决于植物的生理需求，随机体生长而不同[22，23]，植物释放含硫气体的同时，也吸收含硫气体，Fall等[24]认为植物是大气中COS最大的汇，植物通过开放的叶孔可吸收硫3~10 G mol .a-1。植物不论是吸收含硫气体还是释放含硫气体都受温度、光照的影响。Filner[25]等在研究高等植物硫释放时发现植物叶面产生的H2S取决与光照强度，在光照时释放量很高，无光照时几乎观测不到。Kanda[17]等在水稻田的研究发现水稻释放含硫气体与太阳辐射强度呈正相关关系。Fall[24]等通过对农作物的研究发现，温度能显著影响农作物（例如玉米，小麦紫花苜蓿）释放含硫气体，因此植物硫释放在高纬度地区具有明显的季节变化，然而在热带地区的干湿季没有明显的变化。

1.4 火山

强烈的火山喷发可以直接将含硫物质推入平流层，对地球产生较大的影响。然而研究表明火山非喷发期释放的含硫气体比喷发期量大的多[26]，SO2是火山释放的主要成分，其次是H2S 和COS[27]。

1.5 内陆水体

内陆的淡水体系如湖泊和河流等也能释放挥发性含硫气体，由于水流和水量变化的影响，对河流系统含硫气体的释放研究相对较少。Kim等[28]曾分别对美国东海岸几个港口湾横段面上的DMS和CS2进行了测定，研究表明，DMS是河流生态系统中释放的主要含硫气体，且释放量很小，仅有毫微摩尔级。Turner等[29]测定了含氧淡水湖泊中含硫气体的释放情况，结果和河流生态系统相似，即主要排放DMS。