5．5．6　硫循环

1．硫循环及其主要特点

硫是蛋白质和氨基酸的基本成分，是植物生长不可缺少的元素。在地壳中硫的含量只有0．052%，但是其分布很广。在自然界，硫主要以元素硫、亚硫酸盐和硫酸盐等三种形式存在。硫循环（sulfur cycle）兼有气相循环和固相循环的双重特征。SO₂和H₂S是硫循环中的重要组成部分，属气相循环；被束缚在有机或无机沉积物中的硫酸盐，释放十分缓慢，属于固相循环。

岩石圈中的有机、无机沉积物中的硫，通过风化和分解作用而释放，以盐溶液的形式进入陆地和水体。溶解态的硫被植物吸收利用，转化为氨基酸的成分，并通过食物链被动物利用，最后随着动物排泄物和动植物残体的腐烂、分解，硫又被释放出来，回到土壤或水体中被植物重新利用。另外一部分硫以H₂S或SO₂气态形式进入大气参与循环。硫进入大气的途径有：化石燃料燃烧、火山爆发、海面挥发和在分解过程中释放气体等。煤和石油中都含有较多的硫，燃烧时硫被氧化成SO₂进入大气。每燃烧1t煤就产生60kg SO₂。硫多以硫化氢形态进入大气，但很快就氧化成SO₂。SO₂可溶于水成为硫酸盐，并随降水到达地面。氧化态的硫在化学和微生物作用下，变成还原态的硫，还原态的硫也可以实现相反转化。在循环过程中部分硫会沉积于海底，再次进入岩石圈。

硫在大气中停留的时间比较短。如果在对流层，停留时间一般不会超过几天；如果在平流层，可停留1～2年。由于硫在大气中滞留的时间短，全年大气收支可以认为是平衡的。然而，硫循环的非气体部分，在目前还处在不完全平衡的状态，因为经有机沉积物的埋藏进入岩石圈的硫少于从岩石圈输出的硫。

2．与硫循环有关的环境问题

人类对硫循环的影响是很大的。通过矿石燃料的使用，人类每年向大气输入的SO₂已达1．47×10⁸t，其中70%来自煤的燃烧。进入大气中的SO₂，与水分子结合形成硫酸，从而造成空气污染。硫酸对人的危害很大，只要有百万分之几的浓度就会对人的呼吸道产生刺激。如果形成细雾状的微小颗粒，还能进入肺部。硫酸浓度过高，就会成为灾难性的空气污染，例如1930年比利时马斯河谷、1939年美国多诺拉、1952年伦敦以及60年代纽约和东京都因大气含硫量过高而造成当地居民支气管哮喘病数量上升及死亡率增加。

SO₂污染严重的地区，常形成酸雨（acid rain）。硫酸型酸雨发生的主要原因是化石燃料燃烧排放的SO₂等酸性物质。防止酸雨，必须减少主要SO₂的排放量。目前的对策主要有两条。①调整能源战略，一方面节约能源，减少煤炭、石油的消耗量，以减少SO₂等大气污染物的排放量；另一方面，积极开发新能源，尽量利用无污染或减少污染的新能源，如太阳能、水能、地热能、风能等。②解决大气SO₂污染问题，并以法律形式加以规定，进行一些具体的国际合作，规定减少各国的SO₂排放量。

3．海洋二甲基硫的产生及其作用

在海洋硫循环中，浮游植物释放的二甲基硫（CH₃）₂S（DMS）与全球气候变化密切相关，成为全球气候变化的重要研究课题之一。海洋中的DMS主要来源于海洋藻类。海藻摄取环境中的硫合成半胱氨酸、胱氨酸或直接合成高半胱氨酸，经高半胱氨酸进一步合成蛋氨酸。蛋氨酸经脱氨和甲基化作用形成二甲基硫丙酸（DMSP）。DMSP再经酶促反应转化为DMS。浮游植物细胞内的DMS可释入海水中，而未分解的DMSP经浮游动物捕食作用也释入海水中，借助于微生物的活动，通过酶促反应，将DMSP转化成DMS。

DMS在海洋水体中的含量与初级生产力和浮游植物的分布有关。在大洋区海水中DMS的平均浓度为1．4～2．9nmol/L，沿岸、河口和极地海水的含量高于开阔海洋，而南极海域DMS的产量估计是全球的10%。大洋水体DMS主要分布在真光层，真光层下方的含量极微，深海DMS的浓度为0．015～0．03nmol/L。据估计，全球天然（海洋＋陆地＋火山等）DMS输入大气的量为0．78Tmol/a，由海洋表层输入大气的为（0．5±0．3）Tmol/a，约占总输入量的1/3。

海洋DMS进入大气后，主要被OH自由基氧化生成非海盐硫酸盐和甲磺酸（MSA）。这些化合物是气溶胶和雨水酸性的主要来源，容易吸收水分，可以充当云的凝结核（CCN）。由于CCN对云层的形成是很灵敏的，所以海洋DMS大量进入大气后会直接增加CCN的密度形成更多的云层，从而增加太阳辐射的云反射，使地球表面温度降低，同时，使植物光合作用对太阳能的利用降低。通过不断增加大气中DMS数量的正反馈作用和云层对太阳辐射能反射作用的上升（负反馈作用）形成一个调节气候的封闭性环。