海螺沟冰川退缩区森林演替序列土壤汞的再释放过程及其同位素分馏研究

The geochemical processes in forest ecosystems play an important role in global atmospheric mercury cycling. However, the processes controlling the mercury re-emission from soil, a fundamental geochemical process in forest ecosystems, are poorly understood. This proposed research aims to quantify the contribution to mercury re-emission from soil mercury pool, and fractions changes of atmospherically deposited mercury of during various time period, and develop a conceptual model for mercury re-emission from soil and the associated isotope fractionation through characterizing the soil re-emission processes using stale mercury isotope techniques in the forests of different ages in the glacier retreated area of Hailuogou, China. Results from the proposed study will provide new insights to global mercury cycling, advance the understanding in mercury geochemical processes in glacier and frozen ground under the changing climate, and assess the environmental effects caused by mercury inputs from the historic emissions since the onset of industrialization of the western world as well as the effectiveness of emission reduction measures required by the legally binding Minamata Convention.

森林系统汞的生物地球化学过程在全球大气汞的循环中扮演了重要角色。然而通过大气沉降到森林系统土壤的汞的再释放这一核心的汞生物地球化学过程，仍十分缺乏系统的认识。本项目拟运用海螺沟冰川退缩区森林演替序列的土壤为研究对象，结合汞同位素新技术手段，探讨土壤汞库存、先前沉降的汞在土壤“老化”过程中的汞形态变化对大气-土壤汞的再释放通量的影响作用，建立典型的先前沉降汞的再释放过程及其汞同位素分馏的概念模型。项目的研究结果为正确认识汞的全球生物地球化学循环、全球变暖背景下冰川冻土环境汞的生物地球化学行为、计算欧美国家在工业发展期对我国汞输入而造成的环境效应及履行国际《水俣公约》与汞环境外交谈判提供重要的基础数据。

本项目以海螺沟冰川退缩区森林演替序列的土壤为研究对象，结合汞同位素新技术手段，探讨土壤汞库存、先前沉降的汞在土壤“老化”过程中的汞变化对大气-土壤汞的再释放通量的影响作用，建立典型的先前沉降汞的再释放过程。本项目共发表SCI文章6篇与1篇中文核心，取得了了如下结论：（1）基于汞同位素的三源混合模型发现，全球变暖促使冰川、冻土加速融化，使得原本冻结在冰川与冻土中的汞重新释放到大气及下游的水生生态系统中，产生系列的环境汞污染。而本研究却揭示了一个相反的现象，在冰川融化向植被的演替过程中，大量的气态零价汞被固定在土壤中，即冰川退缩区存在显著的汞汇，冰川退缩区演替过程中，植被扮演着“汞泵”的角色，使得大气零价汞不断向土壤沉降累积；（2）退缩区土壤HgII逐渐老化，土壤可再释放汞的潜在含量占总汞含量的从2‰递减到0.5‰，但演替后期土壤汞总量显著增加，使得演替后期土壤再排放明显高于演替初期。首先，光致还原作用只发生在土壤表层，但由于演替初期土壤汞含量低，Hg-SOM结合较少，在UVA、UVB与可见光作用下，产生-MDF与-odd-MIF；演替后期的土壤，汞含量高，土壤中HgII主要是含-S基团络合作用而稳定存在，而与-SH结合态的Hg在还原作用下产物Hg0中会累积(+)odd-MIF与-MDF特征。其次，微生物的还原作用和有机质的暗还原作用主要发生在演替后期，其产生的Hg0在土壤孔隙中聚积，并在土壤孔隙中进一步扩散进入土壤和大气的交换界面，该过程产生的Hg0具备壤中气Hg0相同的odd-MIF特征。再次，大气Hg0沉降的过程中不会引起Hg的odd-MIF的变化。大气-土壤间Hg0交换的净通量是Hg0从土壤向地表大气释放的速率(包含了土壤中壤中气的再释放和表层土壤的光致还原作用)与大气向土壤界。本研究结果的科学意义在于（1）全球变暖下，冰川退缩区在全球汞循环中不再是汞源，而是扮演着显著汞汇的角色；（2）演替后期阶段森林土壤的排放能力显著高于初期。