综述：人类工业活动对地球表面硫循环的影响

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Impact of Earth’s surface sulfur cycle caused by human industrial activities

硫的自然循环与工业代谢过程及其对地球化学平衡的影响

　　

陈凡云|刘振|王青伟|高青山|董志成|田晨|柴丽媛|张琳

中南大学冶金与环境学院，中国长沙，410083

摘要

硫是全球生物地球化学循环中的关键元素，参与陆地、海洋和大气系统之间的能量交换。在早期，自然硫循环保持着输入与输出的平衡。然而，工业活动的迅速扩张通过改变硫物种的转化途径和通量分布打破了这种平衡。这迫使我们探索新的硫平衡状态，以减少对生态环境的影响。迄今为止，研究人员已经对现代硫循环进行了一系列研究，但这些发现尚未得到系统性的整理。本综述从自然和人为的综合角度系统地探讨了硫循环。其中，自然硫循环涵盖了地球的陆地、海洋和大气系统，重点关注硫物种、转化和循环通量。此外，对硫的工业代谢过程的研究表明，人类活动已经破坏了地球硫循环的平衡，导致资源枯竭和环境退化。为了减轻这些影响，推进工业内部的硫回收策略对于减少初级资源消耗和废物排放至关重要。本综述为实现可持续的硫利用和恢复全球硫平衡提供了基础框架。

引言

硫是地球上第五大丰富的元素[1]，是连接大气圈、水圈和岩石圈的关键元素之一。硫具有很高的化学反应性，其价态范围从-2到+6，形成多种含硫化合物，如硫化氢（H₂S）、二氧化硫（SO₂）、硫酸盐（SO₄^2-）和硫代硫酸盐（S₂O₃^2-）[2]。这些含硫物种在好氧和厌氧环境中经历一系列复杂的化学转化，包括陆地系统中的硫矿化、涉及水生生物的硫氧化还原过程以及大气中硫化合物的迁移。自然硫循环在维持生态系统平衡、调节气候、支持生物多样性和影响全球元素循环方面发挥着重要作用。

同时，硫在现代工业体系中占据着不可替代的核心地位。作为少数可以通过工业化大规模提取和利用的非金属元素之一，硫资源的利用直接决定了多个基础工业部门的水平。随着工业化的加速，人类对硫的需求急剧增加。根据美国地质调查局的数据，2024年全球硫产量达到了8500万吨[3]，主要依赖于矿产资源的开采和工业转化过程。然而，人类工业活动对硫循环的干扰可能会引发严重的环境和生态危机。因此，理解和保护自然硫循环的平衡对于实现可持续发展至关重要。

目前，关于硫循环的研究主要集中在两个方面。一是自然转化过程的研究，主要关注土壤、海洋和大气中的硫转化[4,5]，特别是生物和非生物因素对自然硫转化的影响；二是工业代谢过程中的硫转化，主要关注“来源-加工-消费-环境排放”整个生命周期中硫的变化。实际上，地质化学循环中的自然硫转化过程与工业代谢过程之间存在显著的耦合关系。以煤炭中的硫为例，工业煤炭的燃烧会释放出多种形式的硫，如H₂S、SO₂和硫醇[6]。在20世纪70年代之前，这些排放物未受到人类控制，导致许多地区出现酸雾和酸雨，并导致全球气温上升。20世纪80年代后，人们开始关注这些问题，并尝试通过脱硫从烟气中回收硫，大约98%的硫被氧化并回收用于生产硫酸（H₂SO₄[7]。这一脱硫过程减少了煤炭燃烧烟气中94%的SO₂排放，缓解了酸雾和酸雨等环境问题[8]。毫无疑问，过程工业中的资源利用已经破坏了自然硫循环的平衡[9]。由人类活动引起的陆地、海洋和大气之间硫通量的变化对生态平衡、气候变化、生物多样性和全球元素循环产生了严重影响。

因此，本综述整合了硫的自然转化过程和工业代谢过程，系统地探讨了硫的地质化学循环。首先，我们分析了陆地、海洋和大气生态系统中的自然硫循环，重点关注关键硫物种及其生化通量。然后，我们评估了硫的工业代谢过程，特别是人为污染物如何破坏全球硫循环。通过连接自然和工业硫过程，本研究将为硫资源的可持续利用提供全面的视角。

章节摘录

自然界中的硫资源

硫在自然界中广泛分布，主要以元素硫矿物、金属硫化物矿物和硫酸盐矿物的形式存在。此外，少量硫还存在于天然气、石油、煤、油砂和油页岩中[10,11]。根据美国地质调查局发布的《2025年矿产商品概要》[3]，全球约有5000百万吨可用硫，包括蒸发岩和火山沉积物中的硫矿床、天然气和石油中的硫

地球表面的自然硫循环

自然硫循环包括发生在陆地、海洋和大气系统中的转化和迁移过程。硫在这些系统之间经历各种物理状态的变化（液态、固态和气态），维持了地球各圈层之间硫含量的动态平衡。理解这一循环为评估人类活动的影响奠定了重要基础。

硫产品的工业流动

工业文明兴起后，硫作为一种不可或缺的产品获得了重要地位。从天然矿物中提取出的硫主要流向化工行业、有色金属冶炼和黄铁矿酸行业。这些工业过程中的硫会经历复杂的化学转化，成为硫酸、硫和有机硫等产品[3]。根据美国地质调查局的最新数据调查

人类工业活动下的硫的地质化学循环

为了明确人类工业代谢过程对地球表面自然硫循环的具体影响，我们总结了工业硫循环和地质化学硫循环在人类活动影响下的全球硫循环平衡以及由此产生的环境问题。

总结与展望

总体而言，本综述从自然硫循环和工业硫循环两个方面总结了工业活动对地球表面硫循环的影响。在没有人类活动影响的情况下，自然硫循环是一个动态平衡过程，涵盖了地球的陆地、海洋和大气系统。这些系统中的硫不仅内部自我循环，还通过化学转化和物理迁移相互交换。

作者贡献

Z.L.、C.T.、Q.W.和L.C.提供了指导并监督了手稿的撰写。F.C.、Z.L.、Q.G.和Z.D.收集、解释了研究结果并整理了图片。F.C.和C.T.是手稿撰写和编辑的主要贡献者。所有作者都已阅读并同意发表的手稿版本。

未引用的参考文献

[76]。

CRediT作者贡献声明

陈凡云：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、调查、数据分析、数据管理。刘振：调查、数据分析、数据管理。王青伟：资源获取、方法论、调查。高青山：方法论、数据分析、数据管理。董志成：调查、数据分析、数据管理。田晨：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、方法论、资金筹集、数据分析。柴丽媛：