我国科学家首次发现“山地汞诱捕效应”
全球地表面积约有27%为山地(广义，包括高原和丘陵在内)，而且全球有将近22%的人口生活在山地地区。我国是一个典型的多山国家，广义的山地(包括高原和丘陵在内)共占全国陆地总面积的三分之二。我国的山地面积不仅广大，而且地势高峻，其中海拔高于1000米的山地和高原超过全国土地总面积的50%。因此，与山地系统相关的汞污染研究对于政策制定者准确认识和评估我国的汞污染问题具有重要的指导意义。然而，目前国际上对山地生态系统汞的生物地球化学循环特征和机理的认识尚不清楚。
中科院地球化学研究所冯新斌研究员带领的汞污染研究团队通过选取我国西南地区典型高海拔山地为研究区域，对不同海拔梯度下的苔藓、凋落物、土壤及基岩等样品进行系统采集并测试了样品的总汞、甲基汞含量以及汞同位素组成，同时结合气候、生物和其它环境因素, 综合探讨 “海拔效应”对山地环境汞的迁移、转化和归趋的影响和制约。通过利用新兴的汞同位素示踪手段结合传统地球化学惰性元素“源”解析方法，研究人员最终实现了对土壤环境中汞的人为源(大气沉降)和自然背景贡献率的定量解析。研究结果表明，山地环境大气汞沉降随着海拔增加而逐渐升高，并成功解释了山地土壤对大气汞沉降的 “山地汞诱捕效应”(Mountain Trapping Effect of Mercury)的响应机制和特征规律(图1和图2)。
这项研究是国际汞研究领域对山地区域大气汞沉降“海拔效应”的首次发现和报道，同时也是国际上第一次率先结合新兴的汞同位素技术和传统惰性元素示踪方法对土壤环境汞的“大气沉降”和“地质背景”贡献率成功进行源解析的对比研究案例。其创新性的研究思路和方法体系不仅丰富了传统地球化学的汞研究模式，对相关领域其它元素的生物地球化学循环的研究同样具有启示意义。
一般而言，较高海拔的山顶区域相对山麓区域除了具有频繁的降雨和雾日天数以外(降雨相对周边的低海拔区域来说，较高海拔的山地环境具有显著的气候、生物和环境分异特征，如山顶区域气候通常表现为具有较低的大气温度、大气压及蒸发率，但却具有较高的降雨量和湿度等。这些分异特征可能会导致高海拔山地区域环境中的汞与周边低海拔区域相比具有不同的生物地球化学行为。所谓“山地汞诱捕效应”指较高海拔的山地区域相对周边低海拔区域由于表现出“沉降多”(如降雨多、云雾多、湿度大等)以及“释放少”(温度低导致挥发少等)等特征，从而导致山地区域可能成为汞的相对聚集地带。汞的这一属性同“持久性有机污染”(POPs)极为相似，本研究为早期有关“汞可以被列入‘持久性有机污染物’(POPs)行列”的提议提供了一定的科学依据。
这项研究的开展对于全球/区域的汞的迁移和分布同样具有重大启示意义。由于目前广泛应用的大气汞污染模型(如CMAQ-Hg和GEOS-Chem)均忽略了“山地汞诱捕效应”，因此已有的认识可能低估了山地区域尤其是我国广大的山地区域对汞的截留效应，从而高估了我国对全球汞循环的贡献和影响。这一重大科学结论的发表不仅对我国的汞污染防治和国际汞污染谈判提供了重要的理论基础和决策依据，而且对汞全球迁移和循环机制的研究认识同样具有重要的启示意义并可能改写国际上对全球/区域汞的循环和分布模式的传统认识。在全球尺度上，大气汞通过长距离迁移将倾向于从温度较高的纬度带迁移到温度相对较低的极地区域形成蓄积，但陆地区域“山地汞诱捕”对汞的截留效应同样不可忽略。
以上成果(Zhang, H. et al. Atmospheric mercury inputs in montane soils increase with elevation: evidence from mercury isotope signatures. Sci. Rep. 3, 3322;DOI:10.1038/srep03322(2013))发表在Nature出版集团旗下新创办的的开源性综合期刊《科学报告》(ScientificReports)上。
本研究成果受国家“973”项目 (2013CB430003)“ 我国汞污染特征、环境过程及减排技术原理”和国家基金委面上项目(41203092)“中国西南典型山地大气汞沉降的海拔效应及汞污染的源解析”等相关项目的联合资助。
图 1.“山地汞诱捕效应”的概念模型图
图 2 汞同位素示踪技术和传统惰性元素方法对山地土壤大气汞沉降贡献率对比
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