植株在湿地汞循环中所扮演的剧中人物研究获进

作者:信息科学

湿地作为典型的汞敏感生态系统,是甲基汞的重要产生场所。甲基汞可在食物链顶端的生物体中强烈富集,对整个生态体系的健康发展构成威胁。大型植物作为湿地生态系统的重要组成部分,在区域汞循环过程中扮演着非常重要的角色。国内外学者围绕这一科学问题开展了大量的研究工作,也取得了一系列重要的研究成果。但由于分析水平及实验手段的局限,之前的研究结论均缺乏直接的证据加以支撑,且不同研究者获得的结论存在很大的争议。湿地植物在区域汞循环过程中到底扮演了何种角色,目前仍鲜为人知,这严重制约了人们对区域乃至全球大气汞生物地球化学循环的深入认识。基于此,中国科学院地球化学研究所冯新斌课题组孟博副研究员与美国佛罗里达国际大学Yong Cai教授合作,利用单一稳定汞同位素示踪技术成功示踪了土壤和大气中的汞在土壤-植物-大气界面间的迁移过程及最终归宿,阐明了湿地植物在区域汞生物地球化学循环中所起的作用。

湿地作为典型的汞敏感生态系统,是甲基汞的重要产生场所。甲基汞可在食物链顶端的生物体中强烈富集,对整个生态体系的健康发展构成威胁。大型植物作为湿地生态系统的重要组成部分,在区域汞循环过程中扮演着非常重要的角色。国内外学者围绕这一科学问题开展了大量的研究工作,也取得了一系列重要的研究成果。但由于分析水平及实验手段的局限,之前的研究结论均缺乏直接的证据加以支撑,且不同研究者获得的结论存在很大的争议。湿地植物在区域汞循环过程中到底扮演了何种角色,目前仍鲜为人知,这严重制约了人们对区域乃至全球大气汞生物地球化学循环的深入认识。基于此,中国科学院地球化学研究所冯新斌课题组副研究员孟博与美国佛罗里达国际大学教授Yong Cai合作,利用单一稳定汞同位素示踪技术成功示踪了土壤和大气中的汞在土壤-植物-大气界面间的迁移过程及最终归宿,阐明了湿地植物在区域汞生物地球化学循环中所起的作用。

森林生态系统是全球大气汞的重要汇,从全球尺度看,每年森林生态系统从大气吸收1180吨左右的汞。但是对植被吸收的大气汞是否存在向大气的再释放过程以及再释放通量大小的认识还不清楚。通量箱传统方法只能获得植被与大气间汞交换的净通量值,无法区分植被吸收大气汞的通量和植被向大气排汞的通量。这严重制约了人们对森林生态系统及全球大气汞的生物地球化学循环规律的认识。中国科学院地球化学研究所冯新斌课题组,利用汞稳定同位素手段在哀牢山对典型的亚热带常绿阔叶林数种开展了植被叶片-大气界面间气态汞交换过程的系统研究,取得了一系列新的认识:

主要研究结论包括:明确了土壤和大气中的汞在土壤-植物-大气界面间的迁移过程及最终归宿:研究发现湿地植物根系可以快速从土壤中吸收汞进入体内,并向地上部分运移;来自土壤且被运移至植物地上部分的汞均被固定起来,并没有被重新释放到大气中,这部分汞最终以凋落物的形式重新返回至土壤中。植物叶片可以直接从大气中吸收汞进入体内,这部分汞大部分被固定在植物体内,仅有极少部分可通过叶片-大气界面交换过程被重新释放到大气中明确了湿地植物在区域汞生物地球化学循环中所起的作用:该研究证实湿地植物是大气汞的重要“汇”,植物体内来自大气的汞最终以凋落物的形式进入土壤。植物作为湿地土壤重要的汞输入“源”,显著增加了湿地生态系统汞的负荷,给区域生态安全构成潜在威胁。

主要研究结论包括:明确了土壤和大气中的汞在土壤-植物-大气界面间的迁移过程及最终归宿:研究发现湿地植物根系可以快速从土壤中吸收汞进入体内,并向地上部分运移;来自土壤且被运移至植物地上部分的汞均被固定起来,并没有被重新释放到大气中,这部分汞最终以凋落物的形式重新返回至土壤中。植物叶片可以直接从大气中吸收汞进入体内,这部分汞大部分被固定在植物体内,仅有极少部分可通过叶片-大气界面交换过程被重新释放到大气中明确了湿地植物在区域汞生物地球化学循环中所起的作用:该研究证实湿地植物是大气汞的重要“汇”,植物体内来自大气的汞最终以凋落物的形式进入土壤。植物作为湿地土壤重要的汞输入“源”,显著增加了湿地生态系统汞的负荷,给区域生态安全构成潜在威胁。

植物叶片吸收大气汞过程发生显著汞同位素质量分馏。新生叶片由于吸收大气汞速率快,暂时保留大气汞同位素信号,但随叶片变老,叶片中部分汞被光致还原,重新释放到大气,叶片中富集了较轻的汞同位素,叶片成熟时,叶片与大气间汞同位素质量分馏可达-3‰。

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该研究可被视为一个典型案例,其研究方法可作为研究环境介质中汞迁移、转化、归宿等关键过程的理想手段被推广应用。研究成果为了解大气-植物-土壤界面汞的交换过程及机理提供了直接证据,在深入认识湿地生态系统汞的迁移转化过程、减小区域/全球大气汞循环模型的不确定性等方面,具有非常重要的理论和实际意义。

植物叶片与大气汞的交换过程中还发生显著的奇数汞同位素的非质量分馏。植物叶片在吸收大气汞过程中,保留了大气汞奇数汞同位素非质量分馏信号。但当叶片中汞被光致还原为气态单质汞的过程中,会产生显著的奇数汞同位素的非质量分馏,因此叶片中奇数汞同位素的非质量分馏值向更负的方向偏移,这表明叶片汞的再释放作用导致了叶片中奇数汞同位素非质量分馏偏负。

图1 植物在湿地生态系统汞循环过程中所扮演的角色

该研究工作在美国佛罗里达国际大学教授Yong Cai课题组完成,成果在环境刊物Environ Sci Technol上发表:Meng B*, Li YB, Cui WB, Jiang P, Liu GL, Wang YM, Richards J, Feng XB, Cai Y*. Tracing the uptake, transport, and fate of mercury in sawgrass (Cladium jamaicense) in the Florida Everglades using multi-isotope technique. Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 3384-3391。

证实叶片与大气汞的交换过程是双向的,一方面叶片从大气吸收大气汞,另一方面叶片向大气释放汞。成功地利用植物叶片奇数汞同位素非质量分馏D199Hg/D201Hg比值,结合植被叶片体内汞含量变化,获得了植物叶片不同生长阶段叶片吸收大气汞的通量及叶片表面向大气再释放汞的通量。研究发现,约有30%先前叶片吸收的大气汞能够再释放到大气。

该研究可被视为一个典型案例,其研究方法可作为研究环境介质中汞迁移、转化、归宿等关键过程的理想手段被推广应用。研究成果为了解大气-植物-土壤界面汞的交换过程及机理提供了直接证据,在深入认识湿地生态系统汞的迁移转化过程、减小区域/全球大气汞循环模型的不确定性等方面,具有非常重要的理论和实际意义。

论文链接

研究结果表明,森林生态系统植被与大气汞交换过程中产生显著汞同位素的质量与非质量分馏,从而改变全球大气汞同位素的比值。同时,研究表明汞同位素比值可以揭示汞的地表生物地球化学过程,成为研究汞的生物地球化学循环演化规律的重要新手段。相关成果发表在环境科学领域期刊Environ. Sci. & Technol

该研究工作在美国佛罗里达国际大学Yong Cai教授课题组完成,成果在环境领域权威SCI刊物Environ Sci Technol上发表:Meng B*, Li YB, Cui WB, Jiang P, Liu GL, Wang YM, Richards J, Feng XB, Cai Y*. Tracing the uptake, transport, and fate of mercury in sawgrass (Cladium jamaicense) in the Florida Everglades using multi-isotope technique. Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 3384-3391。全文链接

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该研究受到国家自然科学基金项目(41430754, 41473121, 和 41703134)及环境地球化学国家重点实验室开放基金项目(SKLEG2017906)共同资助。

(环境室冯新斌课题组供稿)

植物在湿地生态系统汞循环过程中所扮演的角色

论文信息:Yuan, W.; Sommar, J.*; Lin, C.-J.; Wang, X.; Li, K.; Liu, Y.; Zhang, H.; Lu, Z.; Wu, C.; Feng, X.*, Stable Isotope Evidence Shows Re-emission of Elemental Mercury Vapor Occurring after Reductive Loss from Foliage. Environ Sci Technol 2019, 53, , 651-660.

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图1:哀牢山森林叶片-大气交换过程不同端元汞同位素特征结果

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