陆地生态系统含硫气体释放研究进展

生态环境2005,14(1):[e-mail]基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX3-SW-332）；中国科学院知识创新工程重大项目专题（KZCX1-SW-01）作者简介：李新华（1979－），女，博士研究生，主要从事湿地环境生态与生物地球化学研究。收稿日期：2004-08-22陆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11.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（amissingsource），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FloridaSpartinaAlterniflora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NewHanpshire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。118生态环境第14卷第1期（2005年1月）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（saltmarsh）、咸水沼泽（Brackishmarsh）和淡水沼泽（Freshwatermarsh）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38ng·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7~77Tg·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-100mV时释放速率达到最大值，COS在-100mV到-70mV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3~10Gmol.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。1.6沙漠沙漠是陆地生态系统的主要组成部分之一，由于沙漠处于强氧化条件下，没有还原性含硫气体的存在和释放，但风蚀作用引起含硫风沙的迁移。早期估计风蚀造成的硫释放为0.2Tg·a-1[30]，而近期李新华等：陆地生态系统含硫气体释放研究进展119Aneja[3]估计风蚀硫量为20±10Tg·a-1。2中国陆地生态系统自然硫释放研究现状中国陆地生态系统含硫气体释放的研究始于20世纪90年代。杨震等[31]首次测定了水稻土含硫气体地释放，聂亚峰等[32]完成了小麦田硫通量的测定，张晋华等[33]开展水稻田通量的监测。在影响因素探索方面中国也开展了一些工作，乔维川等[34]研究了土壤理化条件变化对含硫气体释放的影响，张晋华等[35，36]通过在土壤中添加不同硫源，探讨了水稻土中含硫气体产生和释放的途径。和国外相比，中国陆地生态系统含硫气体释放还不够深入、全面，通量测定主要集中在水稻田和小麦田，对不同影响因素下含硫气体的释放情况只是做了初步的探讨，在释放机理方面尚未开展工作。中国拥有9.60×106km2的土地，开展陆地生态系统自然硫释放研究就显得尤为重要。我们应该正视差距，全面系统地开展陆地生态系统硫释放研究。3研究中存在的不足与研究前景经过数十年的研究发展，人们对陆地生态系统中各种自然源的硫释放有了一定的了解但是由于陆地生态系统本身的复杂性，硫种类的多样性及其硫释放的时空变异性，再加上释放浓度低不易测量等诸多困难，人们对这个系统中含硫气体释放的了解还不完善，还可能存在尚未认识的源，对已明确的自然释放源的监测缺乏长期性和系统性，试图精确估计自然界硫的释放量已受到资料有限性的限制[9，32]同时对其释放机制和规律的认识还不准确、全面。鉴于此，陆地生态系统自然硫释放的研究应在以下几个方面加强：（1）开展不同生态系统上含硫气体释放通量的监测，以便对全球通量做出准确的估算。（2）在同一地区，开展在不同影响因素下，如温度、水分、光照等，含硫气体的释放动态的研究，从而明确影响含硫气体释放的主要环境因子。（3）确定一系列合理的途径和方法探讨含硫气体的释放机理和规律，只有明确了含硫气体释放的机理和途径，才能进一步研究含硫气体释放的驱动力，解释自然生态系统发生的现象。（4）深入研究含硫进入大气后的行为，评价自然硫释放对全球硫污染的贡献。（5）在上述基础上建立含硫气体释放模型，估算自然硫释放在全球硫循环和全球变化的贡献。参考文献：[1]ANDREAEMO,JAESCHKEWA.Exchangeofsu