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硫——农艺多面手(上)

作者: 发布日期:2020-7-12 8:15:47   点击次数:

                                                                                 硫——农艺多面手(上)

硫在作物营养和防御机能方面扮演着重要角色。构成功能蛋白(酶类)的三种氨基酸均含有硫。油料和蛋白质作物对硫的需求较其他作物更高,这也解释了为何硫在美国和加拿大的油菜籽、大豆、草料和玉米产地被视为是仅次于氮和磷的第三大作物营养元素。此外,越来越多的新证据表明硫对作物的防御机制非常重要,可帮助作物抵御生物及非生物胁迫。土壤有机质是作物可用硫酸盐的主要来源,而是硫酸盐是作物的首要硫来源。土施硫元素要在被土壤微生物氧化后才可被作物吸收利用,这需要漫长的等待时间。很多作物还会从污染的空气中吸收硫(例如SOx形态)作为矿物养分。目前,每年的硫需求量约为1400万公吨,主要为硫酸铵(40%)和过磷酸钙(21%)。Oded Achilea博士为大家全方位深入解读硫元素。


一种必不可少的营养元素

硫是所有生命体必不可少的营养元素,因为它是三种氨基酸结构(蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸)的基本组成。在所有生物体的已知蛋白质中,99%都含有这三种氨基酸,这包括细菌、真菌、高等植物以及人类在内的其他生物。从含量上讲,硫是人体第七大元素,与钾大致相等。一个体重70公斤的人,体内会含有约140克的硫。肽链结构内半胱氨酸残基之间的硫键给整个蛋白质结构赋予了更高的韧性和刚度。在大多数植物中,蛋白质内70%的硫都含在半胱氨酸和蛋氨酸内,在蛋白质(包括酶类)内。叶绿素合成也离不开硫。硫化合物对食物品质也极其重要。

硫酸盐——首选土施硫源

几乎所有植物物种都以无机硫酸根阴离子SO42-作为最常用硫源。植物根系通过根细胞内的硫酸根离子转运蛋白的主动摄取机制来捕获这些阴离子。在拟南芥中,这些转运蛋白共有14种基因编码。硫酸根阴离子被运送至根系的木质部导管内,并通过蒸腾流运送到芽部,随后通过亚硫酸盐还原为硫化物并被用于生成半胱氨酸和蛋氨酸。土壤有机质是作物可用硫酸盐的主要来源。沙质土壤的有机质含量较低,如果地形呈中等或较大坡度,此类田地会因硫含量不足以及淋溶问题,尤其易于缺硫。


土施硫元素

硫的惰性较高,土施硫元素(S0)无法被作物直接利用。因此,在农业实践中,人们会把硫精细研磨再施用到土壤中,以便在大量土壤微生物的作用下将其氧化成硫酸盐(S-6)。主要优点在于这种调节过程全部天然,所需人力和能源非常少。此过程的速度取决于颗粒大小—越细小,表面积越大,转变成硫酸盐的速度就越快。此外,较高的土壤温度、湿度和pH值,松散的土质以及有机质等也会加快氧化过程。作为副产物,该过程会产生氢阳离子,意味着会降低土壤的pH值。


含硫气体

在火山活动频繁或工业化程度高的地区(由于燃烧含硫矿物燃料),空气中有大量的含硫气体。目前,二氧化硫(SO2)是这些地区最主要的含硫空气污染物。空气中的其他含硫气体还包括硫化氢(H2S)、硫化羰(COS)、甲硫醇(CH3SH)、二硫化碳(CS2)以及乙硫醇(C2H6S)。有证据显示,植物会吸收这些气体并将其中的硫用作矿物营养物质。作物主要通过气孔吸收含硫气体。


几十年前发生的一系列事件最能证明植物能够通过叶片吸收和利用含硫气体。在20世纪下半叶,欧盟和北美地区的二氧化硫空气污染程度达到令人担忧的程度。从图1可以看出,各种污染治理措施的推行已经使得大气中的SO2浓度有所降低。二氧化碳排放已被认定直接导致酸沉积,极大改变了欧洲和北美地区的土质和水质,对包括水生系统、森林、野生植物和作物以及人类健康造成危害。为了解决这一全球问题,1979年《赫尔辛基协定》签订并强制要求各国政府实施严厉的硫氧化物减排措施。大多数西欧和东欧国家出台《清洁空气法》,使得硫排放物急剧下降。出人意料的是,北欧大多数油菜田和其他需硫作物在此后不久开始出现严重缺硫症状。这种现象表明,尽管含硫气体会对环境和人类健康造成重大威胁,但它们却深受需硫作物的欢迎。

                               
                图1.美国1980-2018年期间空气中二氧化硫浓度的下降图

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关于硫元素

  • 鸡蛋的含硫量很高,以促进雏鸡羽毛发育。鸡蛋、毛发和羽毛中都含有很多的硫键,所以腐烂或燃烧时会散发出刺鼻的异味。

  • 当前具有重要地位的磷硫复合肥过磷酸钙最早出现于19世纪40年代,由磷矿石与硫酸反应生成,从此开创了现代化肥工业。

  • 硫包衣尿素是最早的缓释氮肥之一,它于20世纪60年代末由田纳西流域管理局开发。

  • 由于氮的释放速率主要取决消耗硫包衣的土壤菌群,因此存在氮供应量与作物需氮量不同步的问题。


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