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全球表層土壤汞的空間分布與驅動機制取得新進展

發布時間:2019-10-30

土壤是全球最大的汞庫,全球表層土壤汞的濃度與空間分布是當前研究全球汞生物地球化學循環的基礎。然而,當前關于全球土壤汞累積過程、庫存及空間分布方面的認識存在較大的不確定性。中科院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室馮新斌研究員領導的研究團隊,在環境科學領域期刊《Environmental Science& Technology》發表了題爲“Climate and Vegetation As Primary Drivers for Global Mercury Storage in Surface Soil(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b02386)的研究文章,重建了全球表層土壤(0-20 cm)汞空間分布格局,並提出了相應的驅動機制。  

前人研究表明,土壤汞與土壤有機質(SOC)、葉面積指數 (LAI)、植被淨生産力(NPP)、人爲源汞排放有著較好的統計相關關系。本研究將上述影響因子歸爲三類:氣候因子(降雨、溫度與太陽輻射)、植被因子(LAINPPSOC)、人为活动影响因子(人口分布與人为源汞排放),进一步通过整合中国與美国的地质调查数据,在大陆尺度或全球尺度解析这三类相关因子與土壤汞空间分布之间的相互作用关系,并应用汞同位素示踪技术,解析了全球主要陆地生态系统中表层土壤汞的来源。  

结果表明,土壤汞浓度的空间分布與气候因子的相关性最高,其次为植被因子,最低为人为活动影响因子。这表明气候與植被在大陆尺度上能较好的指示表层土壤汞的空间分布。结构方程模型(SEM)分析详细展示了气候因子、植被因子與人为活动因子对土壤汞浓度空间分布的影响关系。结果如圖1所示,SEM模型表明氣候因子對植被因子的直接影響作用爲0.91,對人爲活動影響因子的直接作用爲0.63。汞同位素研究进一步表明,與植被相关的大气零价汞的干沉降是表层土壤汞的主要来源。气候和植被分布格局是影响全球表层土壤汞空间分布的关键因素(圖2)。  

最后通过建立全球土壤汞浓度與气候因子、植被因子及人类活动影响作用的多种线性回归模型,重建了全球表层土壤汞的空间分布。模型结果表明,全球表层土壤中汞的储量为1088±379 Gg,其中32%分布在熱帶/亞熱帶森林地區,23%分布在溫帶/北方森林地區,28%分布在草地、草原及灌叢,7%分布在凍土帶,10%分布在沙漠和干旱区灌丛 (圖3)。研究最後指出,未來全球氣候變化-植被格局改變-人類活動的影響作用可能根本上改變當前全球汞的生物地球化學循環模式。《水俣公約》的執行雖然能顯著迅速降低人爲源汞的排放,但環境介質中的汞濃度由于氣候-植被-人類活動的相互反饋作用,可能並不隨之立刻降低。 

  
 1.SEM 模型揭示土壤汞的空间分布與气候因子、植被因子及人类活动因子的相关关系及其之间的反馈作用

2. 农田、森林、草地、泥炭地、苔原與西藏湿地中汞MIF特征


 3. 模型預測的全球0-20cm表層土壤汞的空間分布特征,WWF生态系统分类中的汞库分布與全球不同区域的汞库分布特征 

  (馮新斌課題組/供稿)