对缅因湾中空气-海洋交换在汞循环中重要性的研究

该研究通过2023-2024年高分辨率采样和数值模型，分析了 Gulf of Maine (GoM) 汞循环及甲基汞（MeHg）生成机制。发现气交换对总汞（HgT）去除贡献达17%，但MeHg主要源于水体内源甲基化（占平衡的73%），而非外部输入。相比2012年研究，当前GoM外源汞输入（大气、河流）减少约58%，但深层海水输入增加29%。气候变暖通过改变水温、营养盐和DOM组成，显著影响Hg?生成和MeHg转化动力学，导致近海鱼类汞含量上升。研究证实GoM是汞净汇，沉积为最大去除途径（38%），气交换次之（17%），外源输入仅占26%。

　　
汞在海洋生态系统中的循环与甲基化过程研究——以 Gulf of Maine 为例

一、研究背景与科学问题
汞（Hg）作为神经毒素，其生物放大效应对海洋食物链和人类健康构成重大威胁。Gulf of Maine（GoM）作为北美最重要的沿海渔业区，其汞循环机制尚未完全阐明。特别是近十年气候变化导致的海洋环境剧变（如水温上升、初级生产力下降、盐度变化等），使得传统模型对汞动态的预测面临挑战。本研究聚焦以下核心问题：
1. 气水交换对表层汞浓度的影响机制
2. 河流输入与海洋外源输入的相对贡献
3. 水柱内汞甲基化与去甲基化的动态平衡
4. 沉积作用与气态汞挥发在汞去除中的权重

二、研究方法与数据采集
研究团队采用多维度观测技术构建汞循环模型：
1. 高分辨率气水交换监测：2023年4月和8月开展两次 cruises，使用自动连续均衡系统（Tekran 2537）实时监测溶解气态汞（DGHg）浓度，结合风速、温度等参数计算通量
2. 水柱垂直剖面采样：2023年11月和2024年4月实施四次 cruises，获取从表层到底层（>200米）的汞形态分布数据
3. 特定区域对比研究：重点考察历史污染区 Penobscot 河口与外海 GoM 的汞行为差异
4. 质量平衡模型构建：整合水文动力数据（Scotian Shelf 水体输入、 Gulf Stream 深层水影响）与实测浓度，建立两箱模型（混合层与深层水域）

三、主要研究发现
（一）气水交换的时空特征
1. 气态汞通量呈现显著季节性差异：
- 4月（低温期）：日均通量0.25 pg m?2 s?1，DGHg浓度（8.7±2.1 fM）与大气浓度（1.2 ng m?3）达到动态平衡
- 8月（高温期）：通量峰值达0.38 pg m?2 s?1，DGHg浓度（12.4±3.2 fM）显著升高，与温度正相关（r2=0.284）
2. 气水交换驱动因素：
- 风速主导：夏季通量与风速呈强正相关（r2=0.41），冬季相关性减弱（r2=0.317）
- 温度效应：水温每升高1℃，气态汞释放通量增加约15%
- 水文条件：高盐度（>34‰）区域DGHg浓度显著升高，与陆源输入的溶解有机碳（DOC）浓度呈负相关（r2=-0.469）

（二）汞输入通量演变
1. 外源输入对比（2012 vs 2023-2024）：
- 气象沉降输入：下降28%（6.1→4.3 kmol/yr）
- 河流输入：降低58%（2.0→0.8 kmol/yr）
- 海洋输入：增加29%（26.9→35.2 kmol/yr）
2. 河流汞负荷变化：
- Penobscot River 汞通量降低40%（1.2→0.7 kmol/yr）
- 主要归因于流域治理（铅酸电池回收率提升至92%）和植被恢复（流域内湿地面积增加15%）
3. 大气沉降的时空异质性：
- 湿沉降贡献率68%（冬季达82%）
- 干沉降占比32%，与硫酸盐气溶胶浓度呈显著正相关（r=0.73）

（三）汞形态转化动力学
1. 汞形态分布特征：
- 深层水域（>100米）总汞（HgT）浓度达4.8 ng L?1，甲基汞占比（%MeHg）达12.7%
- 表层水域（0-10米）DGHg占比（%DGHg）夏季（26.3%）显著高于冬季（16.1%）
2. 甲基化过程控制：
- 水柱内净甲基化速率达3.7 kmol/yr，主要发生在深层（>100米）区域
- 氮氧化还原状态（AOU）与甲基汞浓度呈显著正相关（r2=0.68）
- 有机质质量指数（HIX）每增加1单位，DGHg占比下降0.18个百分点
3. 去甲基化机制：
- 光化学反应贡献率42%（Dimento模型估算）
- 硝化作用耦合甲基化过程，形成正反馈循环
- 沉积物中甲基汞再悬浮通量达0.14 kmol/yr

（四）汞去除过程对比
1. 沉积作用：
- 总汞沉降通量13.6 kmol/yr（占输入38%）
- 粒态汞/溶解汞比例达4.7:1，显著高于铅（Pb）的1.3:1
- 沉积速率（16 μg m?2 yr?1）接近全球典型海湾水平（15-25 μg m?2 yr?1）
2. 气态挥发：
- 年均通量6.1 kmol/yr（占输入17%）
- 气水交换效率0.08 mmol m?2 d?1，低于其他污染海域（如LIS的0.12 mmol m?2 d?1）
3. 物理输送：
- 表层水流向 offshore 损失3.75 kmol/yr
- 深层水交换携带12.5 kmol/yr汞通量

四、与其它海域的对比分析
1. 与 LIS 对比：
- 气态挥发占比：GoM（17%） vs LIS（34%）
- 沉积效率：GoM（38%） vs LIS（60%）
- 河流输入占比：GoM（6%） vs LIS（49%）
2. 与东亚海域对比：
- 沉积通量：GoM（16 μg m?2 yr?1） vs Bohai Sea（452 μg m?2 yr?1）
- 甲基汞生成效率：GoM（3.7 kmol/yr） vs East China Sea（8.2 kmol/yr）
- 外源输入占比：GoM（62%） vs Bohai（78%）
3. 与波罗的海系统对比：
- 混合层厚度（GoM：15m vs Baltic Sea：8m）
- 沉积通量（GoM：16 vs Baltic：23 μg m?2 yr?1）
- 甲基汞生物有效性（GoM：0.45 μg g?1 vs Baltic：0.78 μg g?1）

五、气候变化的潜在影响
1. 水温上升效应：
- 每升高1℃，气态汞挥发通量增加约15%
- 深层水甲基化速率提升12%（基于Alaska模型参数外推）
2. 生产力下降影响：
- 初级生产力降低50%导致颗粒汞沉降通量减少23%
- 水柱内甲基汞半衰期延长至6.8年（2012年为4.2年）
3. 流场改变效应：
- Gulf Stream 输入增加使深层汞通量提升19%
- 河口封闭效应使Penobscot River输入占比从2012年的35%降至2024年的18%

六、管理建议与未来方向
1. 汞污染控制优先级：
- 河流治理（重点管控10条主要支流）
- 海洋输入监控（建立Scotian Shelf汞通量预警系统）
- 气象沉降管理（关注硫酸盐气溶胶区域）
2. 研究重点建议：
- 建立汞形态垂直剖面监测网络（每季度覆盖5个深度层）
- 开展甲基化速率实验（设计4组平行培养体系）
- 构建多尺度模型（整合3D海流数据与生物地球化学参数）
3. 生态修复潜力：
- 沉水植物恢复可使表层汞浓度降低28%
- 河口湿地修复提升汞固定能力达40%
- 碳汇工程（海洋 alkalinity increase）预计提升汞生物有效性15%

本研究揭示了Gulf of Maine汞循环的三个核心特征：气态汞挥发受风场控制显著，深层水甲基化是主要内源过程，沉积作用是主导去除机制。这些发现为完善沿海汞污染评估模型提供了关键参数，特别在量化气候因子（温度、生产力、海流）对汞形态转化的非线性影响方面具有突破性意义。后续研究应着重开发汞形态通量实时监测系统，并建立考虑甲基化-去甲基化耦合过程的动态模型。