（环境科学专业论文）江西省油菜组织硫含量和硫同位素组成特征及对硫源的示踪.pdf

摘要 线性负相关，且油菜荚的相关性最显著，说明江西省油菜作物的组织硫受两种 硫源的共同影响，其中一个硫源就是有着稳定硫含量和高6 3 4 s 值的土壤硫源， 另一个硫源则是有着变化硫浓度和低6 3 4 s 值的大气硫源。 ( 4 ) 在南昌市，市区、郊区、山区的根际土壤总硫含量特别相近。而油菜 组织各部位，市区、郊区样品的硫含量都高于山区样品的硫含量。说明在同样 的土壤背景值下，生长在市区和郊区的油菜组织样品硫含量中大气硫源的贡献 比较大。在油菜组织根、茎、荚、籽中，市区和郊区的油菜籽样品的硫含量明 显高于山区，说明大气硫源对油菜籽样品的硫含量贡献最大。而比较南昌市市 区和郊区的油菜样品发现，市区、郊区样品硫含量没有明显差异，说明随着南 昌市工业的发展，以及居住人口逐渐向郊区转移的趋势，使得南昌市市区和郊 区大气污染程度的差别越来越小。 ( 5 ) 南昌山区土壤样品的63 4 s 值比市区和郊区的63 4 s 值略高一些，市区 和郊区的63 4 s 值差不多，说明南昌市市区和郊区受到同样硫源的影响，而山区 的硫源则不同于市区和郊区。对于油菜组织中油菜茎和油菜荚的63 4 s 值，依次 是山区样品最高，其次是郊区样品，最低的是城市样品，这是因为在土壤63 4 s 值差不多的情况f ，由于城市、郊区和山区大气中的63 4 s 值存在差异，导致生 长在这三个地区油菜组织的63 4 s 值也产生差异，说明大气硫源对油菜组织茎、 荚有一定的贡献。但是油菜根市区、郊区和山区的63 4 s 值差不多，郊区略低一 些，这种规律与根际土壤的规律较接近，说明大气硫源对油菜根的贡献相对较 小，主要是从土壤中获取硫源。对于油菜籽，市区和郊区的油菜籽样品的s 含 量差不多，但市区样品的63 4 s 值却低于郊区样品的63 4 s 值，而一般城市大气中 的6n s 值比郊区大气中的63 4 s 值低，这说明油菜籽受大气硫源的影响比较大。 关键词：油菜；土壤总硫含量；土壤可溶性硫含量；大气硫沉降；63 4 s 值 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le c o n o m y , a i rp o l l u t i o ni s b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s w i t ht h es t r i c tc o n t r o lo ft h ea t m o s p h e r i cp o l l u t a n t s e m i s s i o na n dp o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e s ，a t m o s p h e r i cs u l f u rd e p o s i t i o ni ss t i l lo nt h e r i s e ，a n da c i dr a i nc o v e ra r e ai sa l s oi n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a tt h et i m eo fg l o b a la r e a p a i dh i g ha t t e n t i o nt oa t m o s p h e r i cs u l f u rp o l l u t i o n ，t h ep r o b l e mo fs d e f i c i e n ts o i l si n a g r i c u l t u r a lh a v eg o ta t t e n t i o ns t e pb ys t e p i no r d e rt oe x p l o r et h er e l i a b i l i t yo fu s i n g o i l s e e dr a p et ot r a c es u l f u rs o u r c e ，a n dt or e s e a r c ht h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f a t m o s p h e r i cs u l f u rd e p o s i t i o n ，t h i sp a p e rp a c k e dr h i z o s p h e r es o i l sa n dr a p ei s s u e s i n c l u d e dr o o t ，s t e m ，p o da n dr a p es e e di n21 s a m p l i n gs i t e sa tt h ep l a c e so f f e n g c h e n g ，c h o n g r e n ，y i n g t a n g ，g u i x i ，d e x i n g ，j i n g d e z h e na n dn a n c h a n gi nj i a n g x i p r o v i n c e ，a n dd e t e r m i n e ds u l f u rc o n t e n ta n ds u l f u ri s o t o p ev a l u e so fr a p ea n ds o i l a n da l s o ，t h i sp a p e ru s e ds p a t i a la n a l y s i st oa n a l y s i ss u l f u rc o n t e n ta n ds u l f u ri s o t o p e o fr a p ea n ds o i l i nj i a n g x ip r o v i n c e c o m b i n e dw i t ht h ec o r r e l a t i o ns i g n i f i c a n t d i f f e r e n c ea n a l y s i sa n db o xp l o t sm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，i n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i p o fs o i ls u l f u re n v i r o n m e n ta n da t m o s p h e r i cs u l f u re n v i r o n m e n t a l ，a n dr a p ei s s u e s s u l f u ri s o t o p ev a l u e sb e t w e e na t m o s p h e r i cs u l f u r i s o t o p ev a l u e sa n ds o i ls u l f u r i s o t o p ev a l u e s d i s c u s st h es u l f u rs o u r c eo fr a p ei s s u ei nj i a n g x ip r o v i n c e ，a n dt h e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fs u l f u rc o n t e n ta n ds u l f u ri s o t o p ei nr u r a l ，s u b u r b sa n du r b a n a r e a s w i t ht h i ss t u d y , w ec a ng e tar a t i o n a l ea b o u tt r a c i n gs u l f u rs o u r c eo fv a s c u l a r p l a n ts p e c i e s t h er e s u l t ss h o w ： ( 1 ) i nj i a n g x ip r o v i n c e ，t h e r ei sn o ta no b v i o u sd i f f e r e n c ei ns o i lt o t a l - sc o n t e n t ， a n ds o i ls o l u b l e - sc o n t e n ti sm u c hl o w e rt h a ns o i lt o t a l sc o n t e n t b u tn oc o r r e l a t i o n b e t w e e nt h e m s o i lt o t a l s8 3 4 sv a l u e sa r eh i g h e rt h a ns o i ls o l u b l e s8 3 4 5v a l u e s a n d i ne v e r ya r e a s ，s o i lt o t a l - s8 3 4 5v a l u e sh a v en o tab i gd i f f e r e n c e ，b u ts o i ls o l u b l e - s 8 3 4 sv a l u e sa r en o tt h es a m e i nj i a n g x ip r o v i n c e ，m o s st i s s u eh a v eh i g hs u l f u r c o n t e n ta n dl o w8 3 4 sv a l u e s ，b u tr h i z o s p h e r es o i lt o t a l sh a v el o ws u l f u rc o n t e n ta n d h i g h5 3 4 sv a l u e s i ti ss a i dt h a ta t m o s p h e r i cs u l f u rc o n t e n ti sh i g h e rr e l a t i v e l ya n d a b s t r a c t e a s ye n r i c h m e n t “l i g h ts u l f u r ”，b u ts o i lt o t a l sc o n t e n ti sl o w e ra n de a s ye n r i c h m e n t “h e a v ys u l f u r ”m o s st i s s u e s6 3 4 sv a l u e sa n ds o i ls o l u b l e s6 3 4 sv a l u e sa r ea l m o s t e q u a l l y , d e c l a r e dt h a tt h es o u r c eo fs o i ls o l u b l e - sa r ef r o md r ya n dw e ta t m o s p h e r i c 8 0 2d e p o s i t i o n ( 2 ) i nj i a n g x ip r o v i n c ea b o u tr a p e ，s u l f u rc o n t e n to fr a p es e e da r em u c hh i g h e r t h a nr o o t ，s t e ma n dp o d ，a n dt h eo t h e rt h r e ep a r t sa r ea l m o s te q u a l l y c o n t r a s tt h ef o u r p a r t so fr a p et i s s u e s ，t h e6 3 4 8v a l u e sf r o mr o o tt or a p es e e dr e d u c ei nt u r n s ，b e y o n d s e v e r a l s a m p l e s o fs t e mo r p o dh a v eh i g h e r6 抖s v a l u e sc a u s e db y i s o t o p e f r a c t i o n a t i o n t h er e a s o nw h y r a p es e e d8 3 4 8v a l u e sa r el o w e s tb e c a u s et h a tr a p eh a v e l a r g ed e m a n df o rsa tt h es t a g eo fr a p es e e dg r o w t h ，a n ds o i lsi sf a rf r o mt h eq u a n t i t y d e m a n d e df o rr a p e ，a n dr a p et i s s u e sa b s o r ba t m o s p h e r i cs u l f u rw i t hl o w8 3 4 sv a l u e s l a r g e l ya tt h i ss t a g e ，a n da l m o s ta l lt i s s u e ssa r es t o r e di nr a p es e e d ，s or a p es e e d e n r i c hm u c hm o r e “l o ws u l f u r ”a n dh a v el o w8 3 4 sv a l u e s ( 3 ) i nj i a n g x ip r o v i n c e ，t i s s u e ss u l f u ri s o t o p ea n ds u l f u rc o n t e n to fr o o t ，s t e m a n dp o ds h o w e dan e g a t i v el i n e a rc o r r e l a t i o n ，a n dt h ec o r r e l a t i o na r es i g n i f i c a n ti n p o d s a c c o r d i n gt ot w o - s u l f u rs o u r c em o d e l ，r a p ei nj i a n g x ip r o v i n c em a yb ea f f e c t e d b ya c o m b i n e ds u l f u rs o u r c e ，w h i c ho n ei ss o i ls u l f u rs o u r c ew i t hs t a b l es u l f u rc o n t e n t a n d h i g h8 3 4 sv a l u e s ，a n dt h eo t h e ro n ei sa t m o s p h e r i cs u l f u rs o u r c ew i t hs h i f t ys u l f u r c o n t e n ta n d1 0 w5 3 4 8v a l u e s ( 4 ) a tr u r a l ，s u b u r ba n du r b a na r e a si nn a n c h a n g ，r h i z o s p h e r es o i l st o t a l - s c o n t e n ta r ea l lc l o s et o h o w e v e r , e v e r yp a r t so fr a p et i s s u es u l f u rc o n t e n ta r eh i g h e r a ts u b u r ba n du r b a na r e a st h a na tr u r a la r e a s i ti sb e c a u s et h a ta t m o s p h e r i cs u l f u r s o u r c ec o n t r i b u t e sm o r et or a p et i s s u e sg r o w na ts u b u r ba n du r b a nw i t hs a m es o i l b a c k g r o u n dv a l u e c a u s e do fa t m o s p h e r i cs u l f u rs o u r c eh a v et h el a r g e s tc o n t r i b u t i o n f o rr a p e s e e d ，t h es u l f u rc o n t e n to f r a p es e e da ts u b u r ba n du r b a na r em u c hh i g h e rt h a n a tr u r a la r e a s b u tc o n t r a s tt h es a m p l e sb e t w e e ns u b u r ba n du r b a np l a c e s ，t h er a p e t i s s u e ss u l f u rc o n t e n ta r ea l m o s ts a m e ，i n d i c a t e dt h a tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r y , a sw e l la st h er e s i d e n tp o p u l a t i o ng r a d u a l l ym o v i n gt os u b u r bp l a c e s ， a t m o s p h e r i cp o l l u t i o ne x t e n ti ns u b u r ba r e a sa r ec l o s e dt ou r b a ni nn a n c h a n g ( 5 ) s o i lt o t a l s6 蚪sv a l u e sa tr u r a la r e a sa r es l i g h th i g h e rt h a na ts u b u r ba n d u r b a ni nn a n c h a n g ，a n da ts u b u r ba n du r b a ns o i lt o t a l s8 3 4 8v a l u e sa r ea l m o s ts a m e ， i v a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h i sr e s u l t ，w ec a nc o n c l u d et h a ti nn a n c h a n gs u b u r ba n du r b a na r e a s h a v es a m es u l f u rs o u r c e s ，b u tr u r a la r e a sh a v ed i f f e r e n ts u l f u rs o u r c e s f o rr a p es t e m a n dp o dt i s s u e s8 j 4 sv a l u e s ，r u r a ls a m p l e sa r et h eh i g h e s t ，a n dt h e ns u b u r bs a m p l e s ， t h el o w e s ta r eu r b a ns a m p l e s ，i ti sb e c a u s et h a ta tt h e s et h r e ea r e a s ，s o i l8 3 4 8v a l u e s a r ea l m o s te q u a l l y , b u ta t m o s p h e r i c6 sv a l u e sa r ed i f f e r e n t s or a p et i s s u e sh a v e d i f f e r e n t6 sv a l u e sw h i c hg r o w na tr u r a l 。s u b u r b a n dr u r a la r e a s a 1 lt h e s e d i f f e r e n c e st e l lu st h a ta t m o s p h e r i cs u l f u rs o u r c ec o n t r i b u t et or a p et i s s u e so fs t e m a n dp o d t or a p er o o t ，8 3 4 sv a l u e sa r en o td i f f e r e n ta tt h o s et h r e ea r e a s ，t h er e s u l ta r e s a m ew i t hr h i z o s p h e r es o i l ，s ow ec a nc o n c l u d et h a ta t m o s p h e r i cs u l f u rs o u r c e c o n t r i b u t el i t t l et or a p er o o t ，t h er a p et i s s u e ss u l f u ro fr o o tm o s ta b s o r b e df r o ms o i l s u l f u rs o u r c e t or a p es e e d ，s e e dh a v es a m es u l f u rc o n t e n tw h i c hg r o w na tu r b a na n d s u b u r b ，b u ts a m p l e s6 j 4 sv a l u e sa tu r b a na r e a sa r el o w e rt h a na ts u b u r ba r e a s a 1 1 d a t m o s p h e r i cs u l f u r8 3 4 sv a l u e sa tu r b a na r ea l s ol o w e rt h a ns u b u r ba n dr u r a la i - e a s s o w ec a ng e tac o n c l u s i o nt h a ta t m o s p h e r i cs u l f u rs o u r c ei m p a c tr a p es e e dg r e a t l y k e yw o r d ：r a p e ；s o i lt o t a l - s ；s o i ls o l u b l e s ；a t m o s p h e r i cs u l f u rd e p o s i t i o n ； 6 3 4 8v a l u e s v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据 早在2 0 世纪6 0 年代初，由于大气污染逐渐严重，酸沉降也就越来越受关 注。由于我国近几十年经济的高速发展，环境遭受着严重的破坏，目前我国已 经成为继欧洲和北美洲之后世界第3 大酸雨区，而在我国酸雨严重的地区主要 分布于华南、西南和长江中下游地区【l 2 】。由于大气污染越来越严重，我国早已 就此问题采取了相应的措施，以控制大气环境。 土壤作为植物获取营养物质的主要场所，其各种物质的含量及利用率对植 物体影响巨大。土壤硫是植物硫需求的来源之一，然而如今我国很多地区乃至 世界各国土壤缺硫的状况日趋严重，这给农作物的产量和品质带来了巨大的威 胁。尤其对一些硫需求量较大的作物而言，即使土壤供硫水平不错，仍然需要 施用硫肥才能有效地提高作物产量【3 1 。 油料是我国的重要农作物之一，在我国主要的油料作物有油菜、花生、胡 麻、芝麻等。其中，油菜是种植面积最大的油料作物，其产量占油料总产量的 5 0 ，因而对于油菜产量和品质的研究一直是研究界一个比较热门的话题。油菜 是对硫需求量比较大的农作物，需求量仅次于氮、钾，而与磷的需求量相当【4 】， 缺硫严重会抑制其产量和油菜籽的品质。但由于作物携走、高产作物品质的普 及、有机肥施用的减少或施用的肥料中硫含量低以及近年来国家对大气污染的 有效控制，油菜缺硫症状在很多地区逐渐显现出来1 5 j 。国内现在对于油菜的研究， 主要集中在油菜硫营养的研究及其与品质的关系、硫对油菜产量和抗逆性的影 响、油菜施用硫肥的效果等方面，然而关于油菜组织的硫含量与大气硫沉降和 土壤硫环境之间的关系这方面的研究几乎没有。 稳定同位素技术是从地球化学发展而来的，从上个世纪5 0 年代开始在生命 科学研究领域被广泛的应用。利用稳定同位素技术可以对大气自然过程的硫源 进行空间分析，对森林生态系统、农田生态系统或水域生态系统进行硫动态研 究，对我国酸雨问题进行研究【6 】。在过去两个世纪，全球硫循环在人类活动的影 响下遭受到了巨大的破坏，过量的硫沉降造成了水分和土壤的酸化，因而稳定 硫同位素技术对于大气中硫动态以及生态系统中硫循环的研究是极其有效的工 第1 章引言 具。近年来，我国的不少学者开始利用植物组织的硫含量以及同位素来分析大 气硫沉降的问题【7 j ，由于苔藓的寄生生长特性以及同位素分馏效应很小，所以在 利用“生物指示剂”探究大气沉降问题方面苔藓组织显现出绝对的优势。目前， 国际上利用高等植物组织的硫含量和稳定硫同位素探究硫源以及大气硫环境的 变化方面的研究较少，在我国更是没有开始这方面的研究，因而利用硫需求量 极高的油菜作物，通过油菜组织的硫含量和硫同位素示踪硫源，以及对大气硫 环境和土壤硫环境的理论解释方面是一个值得研究的问题。 江西省是我国“十五”计划中规划的“两控区”之一，在江西省内，酸雨 区成“r ”型分布，南昌、吉安、赣州三点呈一竖线，吉安、永丰、抚州、鹰潭、 德兴呈一斜线【8 。同时朱仁果【9 】等对江西省尤其是南昌市的大气硫沉降的空间变 化和来源的研究为本研究提供了强有力的参考依据。 本论文的选题主要基于植物生态学和稳定硫同位素技术的结合，研究油菜 组织的硫含量和稳定硫同位素值与大气硫环境和土壤硫环境之间的关系，目的 在于从同位素地球化学的角度示踪油菜组织的硫源，分析土壤硫和大气硫对油 菜组织各部位的贡献，为油菜耕作中硫肥的施用研究提供一个理论依据，同时 也可以依据油菜作物各部位的生长发育特性反应当地的大气硫环境和土壤硫环 境。 1 2 大气硫沉降的研究 1 2 1 大气硫沉降的形成及其影响 大气硫沉降( a t m o s p h e r i cs u l f u rd e p o s i t i o n ) 分为干、湿沉降两个过程，所谓干 沉降是指大气中的含硫气体污染物和含硫气溶胶粒子污染物在大气湍流扩散、 布朗运动及重力的作用下而直接沉降到地表或由植被等吸附的过程；湿沉降是 指这些含硫污染物在雨、雪等降水和其它水汽凝结物( 如雾、霜、露等) 作用下向 地表迁移的过程【l0 1 。大气干、湿沉降的比例也一直是研究的热点问题，虽然在 有些降水地方，大气的湿沉降比例可以从2 0 到9 5 不等，但综合而言，硫的 湿沉降占硫的总沉降量的2 5 - 8 6 0 2 】 大气中的硫有5 种价态，分别以固相( 硫酸盐、s ) 、液相( h 2 s 0 3 、s 0 3 2 。、 s 0 4 2 - ) 、气相( s 0 2 、c s 2 、h 2 s 、o c s 、c h 3 s h 、c h 3 s c h 3 等) 三种形式存在【1 3 。1 4 。 一般来说，大气中s 0 2 等低氧化态的硫化物化学性质相对活泼，很快就会在大 2 第l 章引言 气中被氧化，最终通过液相多相氧化或气相均相氧化形成硫酸盐【l5 l 。硫酸盐可 以以无机盐颗粒的形式存在，同时也是主要的气溶胶粒子之一，而在空气中形 成的硫酸盐气溶胶可以充当云的凝聚核心。一般情况下，气溶胶在大气环境中 的滞留时间从几天到几个星期不等( 表1 1 ) ，所以硫酸盐气溶胶可以跟随大气 扩散迁移到数百至数千公里的地方，而最终将以湿、干沉降的方式回到地面【1 6 】。 因此，一个地区甚至一个国家硫化物的沉降取决于整个地区的硫化物总的排放 量以及硫化物在大气中长距离迁移的方式。 大气中硫的来源分为自然源和人为源两种，而气态含硫污染物中主要是以 s 0 2 和h 2 s 为主。s 0 2 的人为源主要是煤和油的燃烧，自然源主要来自于火山活 动。h 2 s 的人为源主要是化学过程和污水处理过程，自然源则来源于火上活动和 沼泽中的生物作用。现如今，工业化和现代化高速发展，大气污染越来越严重， 硫化物在大气中存在的各种形态也是主要的大气污染物之一，这给人体的健康、 植物的成长以及器物和材料的使用保存带来了严重的影响，同时对大气能见度 和气候的影响也不容小视。 表1 1不同形态硫在大气中的停留时间 t a b l e1 1r e t e n t i o nt i m eo fs u l f i d ei na t m o s p h e r e 【1 7 】 1 2 2 大气硫沉降的研究现状 目前，人们对大气污染的关注己由局部的或区域的污染扩展至全球气候变 化，大气硫沉降也是当前环境污染的主要问题之一。自上世纪8 0 年代以来，城 市、区域、洲际以及全球范围内的大气污染物的输送以及沉降被人们普遍关注 引。与此同时，东亚地区已经成为世界上排放s 0 2 总量最大的地区，也是世界 上第三个重酸雨地区【1 9 l 。由于酸雨的区域性危害不断扩展，因而以硫酸型污染 为主的酸沉降的研究也就逐渐受到重视。欧洲和美国的一些地区，就利用区域 尺度硫沉降量来制定酸雨控制的标准【2 川。英国利用拉格朗日模式和欧拉模式对 干、湿沉降量和分布情况进行研究，是最早开展大尺度研究的国家【2 1 i 。随后在 日本、波兰、前苏联、南亚等地硫沉降的研究也逐步发展起来【2 2 j 。 我国工业起步比较晚，早前s 0 2 的排放量虽然有一定数量，但是由于环境 的缓冲作用，湖泊的酸化和森林大面积衰亡并没有遭受到严重的威胁【23 i ，然而 气 第1 章引言 近2 0 年中国的经济高速发展，环境问题也越发显现出来。酸雨在我国已经日益 成为一个严重的问题，我国已经成为继西欧和北美之后第三大酸雨区。国家环 保局提出了酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案，划定“两控区”总 面积为1 0 9 万k m 2 ，占国土面积的1 1 4 【2 4 j 。我国不少学者也通过拉格朗日模式 及欧拉模式研究了厦门、闽南、南宁以及重庆等地区的大气硫沉降【2 5 2 7 1 。我国 “八五”国家科技攻关项目也曾专门立项研究硫沉降这一焦点问题。 随着酸雨范围慢慢扩大，大气酸沉降也直接和间接的影响了森林生态系统 和农田生态系统。1 9 8 2 年国家环境保护局组织在全国范围内发起酸雨的研究【2 引。 之后，国家建立酸沉降监测网络( n a d m n ) 以加快各省的酸沉降的研究工作进 程1 2 9 | 。致使酸沉降对植物生态系统的影响研究从表观监测逐步发展到深层次的 机理研究。 1 3 大气环境的硫同位素的研究 1 3 1 环境中硫同位素的组成 硫是自然界中非常重要也是极其丰富的元素，它的同位素2 5 中，但有4 种 稳定性同位素，其相对丰度分别是：3 2 s ，9 5 ；3 3 s ，0 7 4 ；3 4 s ，4 2 ；3 6 s ，0 0 1 6 3 0 1 。 在地球表面环境中，由于物理的、化学的和生物的作用，上述4 种同位素在环境 介质中的分配会发生改变。在硫同位素的研究中，用样品的同位素比值相对于 标准样品同位素比值的千分偏差来表示硫同位素的丰度。即： 摊c 叫融。l 1 0 0 。 硫同位素国际标准为c d t 标准，是用c a n y o nd i a b l o 铁陨石中的陨硫铁 ( t r o i l i t e ) ，其绝对硫同位素比值3 4 s 3 2 s = 0 0 4 5 0 0 4 5 + 9 3 ，定义其63 4 s = 0 0 。 1 3 2 大气硫同位素的研究 随着分析技术的不断进步，同位素示踪法已经逐渐在各个领域被运用。硫 同位素作为一种分析工具，其测量技术也在逐步的完善。自然界中63 4 s 值的范 围变化很大，从4 0 o + 4 0 。范围内变化【3 1 】。稳定同位素之间，在化学性质上并 没有明显的差别，但在物理性质上会有微小的差别。所谓的同位素效应( i s o t o p e e f f e c t ) ，通常就是指反应物和生成物之间同位素组成发生了变化，从而物理化学 4 第1 章引言 性质会有差别的一种现象。同位素效应一般有两种表示方法：同位素判别( i s o t o p e d i s c r i m i n a t i o n ) 和同位素分馏( i s o t o p ef r a c t i o n a t i o n ) 。简而言之，所谓同位素分 馏就是指反应物的同位素组成发生改变的效果；同位素判别则是指反应物的同 位素组成发生改变的原因或者过程1 3 2 l 。 硫循环是大气酸化的主要来源，同时也是自然界的组成部分之一。而利用 稳定硫同位素作为一种工具来示踪大气硫的不同来源已经逐渐被大家认识【3 引。 同位素示踪法是依据63 4 s 值的不同来确定硫的来源，例如，来自海洋生物的硫 酸盐其63 4 s 值大约为1 7 o ，而海盐中的硫酸盐63 4 s 值则为2 0 【3 4 1 。当潜在硫 源小于两种的时候，利用63 4 s 值不但可以直接判断硫源，还可以定量的分析各 种硫源对污染物的贡献率【3 5 j 。如果潜在硫源大于两种的时候，利用63 4 s 值可以 定性的分析硫源，缩小污染源范围p 6 | 。 大气中的硫主要来源分别是：海洋产生的硫酸盐气溶胶；生物作用产生的 ( c h 3 ) 2 s 和h 2 s ：人类活动产生的s 0 2 ；火山喷发释放出来的h 2 s 和s 0 2 【3 7 3 8 1 。 在这些来源中，人类自然活动所产生的s 0 2 和硫酸盐是大气硫污染中最主要的 污染物，但在一些沿海地区，海洋硫源也是大气硫污染物的主要来源之一。一 般而言，不同硫源的63 4 s 值相差很大，如生物成因硫一般相对富集轻的硫同位 素，其63 4 s 值一般为负 3 9 - 4 0 】；海洋硫的63 4 s 值一般是2 0 0 0 【4 1 】；而煤炭的63 4 s 值的范围比较大，从3 0 0 3 0 o 【4 引。有研究表明，在太平洋区域，偏远地区的大 气酸沉降主要来源于自然硫循环，其主要的硫来源于海洋中的d m s ，而重工业 地区的硫源主要来自于人为活动所产生的s 0 2 【4 3 j 。在东亚地区，大气中的硫酸盐 浓度存在季节性变化，同时63 4 s 值也呈现季节性变化，夏季低，冬季高。这种 63 4 s 值的季节性变化与当地所使用的煤、石油等燃料密切相关。同样，在欧洲 地区，大气气溶胶的63 4 s 值也呈现季节性变化，但与东亚地区相反，欧洲部分 区域夏季大气中的63 4 s 值普遍高于冬季，这种硫同位素值的季节性变化同样归 结于化石燃料的使用j 。 虽然我国在硫同位素运用方面的研究比较少，但酸雨中的硫源一直是比较 热门的问题。酸雨中的硫主要来源有三个方面：人为成因硫源、自然生物硫源 以及远距离源。但除此之外，在部分地区，海盐、火山喷发产生的s 0 2 和h 2 s 等以气溶胶出现的污染物也可能成为硫源的一种【45 i 。煤炭和石油等化石燃料中 含有一定量的硫元素，其燃烧后产生大量的硫氧化物进入大气，我国白1 9 7 0 年， 由于化石燃料的燃烧释放到空气中的s 0 2 含量急剧上升，因此人为成因硫是酸 第1 章引言 雨产生的主要原因【4 6 1 。 1 4 土壤硫环境 1 4 1 土壤硫的形态 硫是危害环境的元素之一，同时也是植物生长的必须元素之一，土壤作为 硫循环系统中重要的组分，研究土壤中的硫是极其重要的。然而要全面的分析 和了解土壤的供硫潜力及供硫水平，必须对土壤硫的存在形态及组分进行研究。 土壤总硫包括无机硫和有机硫两个部分，其中无机硫一般占总硫含量的1 0 左 右，而无机硫有三种赋存形态，主要为水溶性s 0 4 2 。、吸附性s 0 4 2 一以及难溶性硫 酸盐【4 7 1 。而有机硫占土壤总硫的比例特别大，一般在9 0 以上，其存在形态有 三种，包括碳键硫、硫酸酯和惰性硫【4 8 4 9 1 。土壤中的有机硫不能被植物直接利 用，只有通过微生物的分解转化为有效态的硫酸盐才能被植物所吸收，因而土 壤总硫只能反映土壤对植物的供硫潜力，而有效硫则能反映土壤对植物的供硫 水平。 1 4 2 影响土壤硫素状况的因素 ( 1 ) 土壤有机质。土壤中的有机质是土壤硫素的主要部分，因此土壤中有 机硫含量高，其总硫含量一般都会比较高。而有机硫和有效硫之间的关系要视 情况而定，一般有机硫含量比较大且矿化条件适宜，则土壤有效硫含量与有机 硫含量有相关性1 5 。 ( 2 ) 物理性粘粒。所谓物理性粘粒就是土壤的粗细程度。当土壤的有机质 含量差不多时，粗质土壤的全硫和有效硫含量会偏低。 ( 3 ) 全硫与有效硫的关系。土壤中硫存在的各种形态中，其无机盐硫和可 分解转化的有机硫占主要部分，所以总硫和有效硫之间有密切的关系，当全硫 含量降低到一定程度时，全硫对有效硫的影响更大。 1 4 3 土壤缺硫现状及原因 目前，土壤缺硫是我国乃至世界各地面临的一个严峻的问题，而且范围在 逐年渐扩大。1 5 年前，全球只有3 6 个国家土壤缺硫，而如今增加至7 2 个国家， 拉丁美洲有1 2 个国家5 5 的耕作土壤缺硫，孟加拉国有8 0 的农田缺硫【5 l 】。在 6 第1 章引言 我国土壤缺硫状况同样很严重，尤其在我国南方地区，由于地处热带和亚热带 两地区，高温多雨的气候造成土壤中的硫素容易分解淋失，所以土壤更容易缺 硫。我国南方1 0 省，以江西省有效硫含量最低，贵州省有效硫含量最高，而全 硫含量四川省最低，贵州省最高【5 2 j 。 造成土壤缺硫状况的原因很多，包括：大量含硫少或者几乎不含硫的高 浓度化合肥的施用，使土壤中硫的补充量越来越少，土壤硫素的供需平衡遭到 严重的破坏；由于复种指数的增加和高产品种的施用，高的作物产量导致吸 收大量的土壤硫素，而土壤的人为归还量却日益减少；由于新能源的开发利 用，燃煤量在逐渐下降，即便使用传统燃料也多会选用低硫产品；农田耕作 使用的农药正在向高效无毒，低硫、无硫化有机农药转变，减少了对生态系统 的投入量；全球范围内人们对环保意识的不断增强，及对大气污染治理和控 制，使得大气中的硫含量降低，以干、湿沉降进入土壤环境的硫素也随之减少。 1 5 油菜的分类和生物学性质 1 5 1 油菜的分类 油菜，又叫油白菜或苦菜，是十字花科植物。在我国南北方都广泛的种植 油菜，四季均有供产。它不是单一的物种，还包括芸苔属中许多种。根据我国 油菜的植物形态特征、遗传亲缘关系，结合农艺性状栽培利用特点等，将油菜 分为三种类型，即白菜型油菜、芥菜型油菜和甘蓝型油菜【5 3 。5 4 】。其中每个类型 中又包括若干个种。 1 5 2 油菜的形态学特征 油菜为十字花科，芸苔属，一年生草本。直根系。茎直立，分枝较少，株 高3 0 9 0 c m 。叶互生，分基生叶和茎生叶两种。基生叶不发达，匍匐生长，椭 圆形，长1 0 2 0 c m ，有叶柄，大头羽状分裂，顶生裂片圆形或卵形，侧生琴状 裂片5 对，密被刺毛，有蜡粉。茎生叶和分枝叶无叶柄，下部茎生叶羽状半裂， 基部扩展且抱茎，两面有硬毛和缘毛；上部茎生叶提琴形或披针形，基部心形， 抱茎，两侧有垂耳，全缘或有枝状细齿。总状无限花絮，着生于主茎或分枝顶 端。花黄色，花瓣4 ，为典型的十字型。雄蕊6 枚，为4 强雄蕊。长角果条形， 长3 8 c m ，宽2 3 c m ，先端有长9 2 4 c m 的喙，果梗长3 1 5 m m 。种子球形，紫褐 7 第1 章引言 色。 1 5 3 油菜对水分的吸收机制 油菜，属于高等植物的一种，因而其水分的吸收机制与大多数高等植物相 一致。油菜对水分的吸收是其存活的必要条件，其水分的吸收及利用效率也会 直接影响到植物体的各种生态学性质。油菜生长所需的水分都是从土壤水分和 大气湿度两方面吸收的【55 i ，但土壤水分还是植物生长所需水分的主要来源。油 菜通过根系从土壤中吸收水分，供给植物生长发育、新陈代谢、蒸腾作用等一 系列生理活动【56 | ，以满足正常的生长需求。植物根系对水分的吸收主要包括三 种途径共同作用：跨膜途径，质外体途径和公质体途径【，7 | 。但是植物根系对水 分的吸收不光取决于水源，还和很多因素有关。土壤的通气条件就是影响因素 之一，当土壤通气条件比较差的时候，植物的呼吸作用减弱，因而能量供应就 会不足，所以吸水能力就会下降，如果通气条件更差，植物根系就会发生无氧 呼吸，会导致根系中毒。土壤的含水量是另外一个影响因素，当土壤的水势较 低的时候，土壤会与植物争夺水分，这样；o n n 0 了植物缺水。因为土壤的水势是 由硫酸盐浓度决定的，所以土壤的硫酸盐浓度无疑也是其中的一个影响因素。 最后一个影响因素就是温度了，过高或过低的温度都对根系水分的吸收有影响 【5 8 】 o 水分从植物根系被吸收进植物体之后，其利用率又是另外一方面问题。植 物的水分利用效率是评价植物生长程度的综合性指标【5 9 1 ，指示着植物的生长和 生理生态变化。其实，水分利用效率其实质就是光合速率与蒸腾速率之比，所 以这两者对利用效率都有影响。叶片面积是水分利用效率的影响因素之一，叶 片面积越小，光合速率也就越快，水分利用效率就越高【60 | 。气孔阻力也是影响 因素之一，因为气孔阻力影响着蒸腾速度