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硫——農(nóng)藝多面手(上)

作者: 發(fā)布日期:2020/7/12 8:15:47   點擊次數(shù):

                                                                                 硫——農(nóng)藝多面手(上)

硫在作物營養(yǎng)和防御機能方面扮演著重要角色。構成功能蛋白(酶類)的三種氨基酸均含有硫。油料和蛋白質作物對硫的需求較其他作物更高,這也解釋了為何硫在美國和加拿大的油菜籽、大豆、草料和玉米產(chǎn)地被視為是僅次于氮和磷的第三大作物營養(yǎng)元素。此外,越來越多的新證據(jù)表明硫對作物的防御機制較為重要,可幫助作物抵御生物及非生物脅迫。土壤有機質是作物可用硫酸鹽的主要來源,而是硫酸鹽是作物的首要硫來源。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,這需要漫長的等待時間。很多作物還會從污染的空氣中吸收硫(例如SOx形態(tài))作為礦物養(yǎng)分。目前,每年的硫需求量約為1400萬公噸,主要為硫酸銨(40%)和過磷酸鈣(21%)。Oded Achilea博士為大家全方位深入解讀硫元素。


一種必不可少的營養(yǎng)元素

硫是所有生命體必不可少的營養(yǎng)元素,因為它是三種氨基酸結構(蛋氨酸、胱氨酸和半胱氨酸)的基本組成。在所有生物體的已知蛋白質中,99%都含有這三種氨基酸,這包括細菌、真菌、高等植物以及人類在內(nèi)的其他生物。從含量上講,硫是人體第七大元素,與鉀大致相等。一個體重70公斤的人,體內(nèi)會含有約140克的硫。肽鏈結構內(nèi)半胱氨酸殘基之間的硫鍵給整個蛋白質結構賦予了更高的韌性和剛度。在大多數(shù)植物中,蛋白質內(nèi)70%的硫都含在半胱氨酸和蛋氨酸內(nèi),在蛋白質(包括酶類)內(nèi)。葉綠素合成也離不開硫。硫化合物對食物品質也極其重要。

硫酸鹽——土施硫源

幾乎所有植物物種都以無機硫酸根陰離子SO42-作為最常用硫源。植物根系通過根細胞內(nèi)的硫酸根離子轉運蛋白的主動攝取機制來捕獲這些陰離子。在擬南芥中,這些轉運蛋白共有14種基因編碼。硫酸根陰離子被運送至根系的木質部導管內(nèi),并通過蒸騰流運送到芽部,隨后通過亞硫酸鹽還原為硫化物并被用于生成半胱氨酸和蛋氨酸。土壤有機質是作物可用硫酸鹽的主要來源。沙質土壤的有機質含量較低,如果地形呈中等或較大坡度,此類田地會因硫含量不足以及淋溶問題,尤其易于缺硫。


土施硫元素

硫的惰性較高,土施硫元素(S0)無法被作物直接利用。因此,在農(nóng)業(yè)實踐中,人們會把硫精細研磨再施用到土壤中,以便在大量土壤微生物的作用下將其氧化成硫酸鹽(S-6)。主要優(yōu)點在于這種調節(jié)過程全部天然,所需人力和能源較少。此過程的速度取決于顆粒大小—越細小,表面積越大,轉變成硫酸鹽的速度就越快。此外,較高的土壤溫度、濕度和pH值,松散的土質以及有機質等也會加快氧化過程。作為副產(chǎn)物,該過程會產(chǎn)生氫陽離子,意味著會降低土壤的pH值。


含硫氣體

在火山活動頻繁或工業(yè)化程度高的地區(qū)(由于燃燒含硫礦物燃料),空氣中有大量的含硫氣體。目前,二氧化硫(SO2)是這些地區(qū)最主要的含硫空氣污染物??諝庵械钠渌驓怏w還包括硫化氫(H2S)、硫化羰(COS)、甲硫醇(CH3SH)、二硫化碳(CS2)以及乙硫醇(C2H6S)。有證據(jù)顯示,植物會吸收這些氣體并將其中的硫用作礦物營養(yǎng)物質。作物主要通過氣孔吸收含硫氣體。


幾十年前發(fā)生的一系列事件最能證明植物能夠通過葉片吸收和利用含硫氣體。在20世紀下半葉,歐盟和北美地區(qū)的二氧化硫空氣污染程度達到令人擔憂的程度。從圖1可以看出,各種污染治理措施的推行已經(jīng)使得大氣中的SO2濃度有所降低。二氧化碳排放已被認定直接導致酸沉積,極大改變了歐洲和北美地區(qū)的土質和水質,對包括水生系統(tǒng)、森林、野生植物和作物以及人類健康造成危害。為了解決這一全球問題,1979年《赫爾辛基協(xié)定》簽訂并強制要求各國政府實施嚴厲的硫氧化物減排措施。大多數(shù)西歐和東歐國家出臺《清潔空氣法》,使得硫排放物急劇下降。出人意料的是,北歐大多數(shù)油菜田和其他需硫作物在此后不久開始出現(xiàn)嚴重缺硫癥狀。這種現(xiàn)象表明,盡管含硫氣體會對環(huán)境和人類健康造成重大威脅,但它們卻深受需硫作物的歡迎。

                               
                圖1.美國1980-2018年期間空氣中二氧化硫濃度的下降圖


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關于硫元素

  • 雞蛋的含硫量很高,以促進雛雞羽毛發(fā)育。雞蛋、毛發(fā)和羽毛中都含有很多的硫鍵,所以腐爛或燃燒時會散發(fā)出刺鼻的異味。

  • 當前具有重要地位的磷硫復合肥過磷酸鈣最早出現(xiàn)于19世紀40年代,由磷礦石與硫酸反應生成,從此開創(chuàng)了現(xiàn)代化肥工業(yè)。

  • 硫包衣尿素是最早的緩釋氮肥之一,它于20世紀60年代末由田納西流域管理局開發(fā)。

  • 由于氮的釋放速率主要取決消耗硫包衣的土壤菌群,因此存在氮供應量與作物需氮量不同步的問題。



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