综述：草原中的汞循环：沉积、植物吸收以及生物质燃烧产生的排放

《Frontiers in Environmental Chemistry》：Mercury cycling in grasslands: deposition, plant uptake, and biomass-burning emissions

本文综述了草地中汞的空气-地表交换过程，包括干湿沉降、土壤挥发、植物吸收与排放及生物质燃烧的影响，并探讨稳定汞同位素比值在追踪汞来源中的应用，为评估《马廷达协定》提供科学依据。

　　汞是一种具有独特性质的有毒重金属，其在常温常压下以液态形式存在，并且挥发性较低。这一特性使得汞能够在大气中广泛传播，影响全球范围内的生态系统和生物体。由于汞具有较长的环境滞留时间，其在地表和大气之间的交换过程成为研究的重点。特别是在全球范围内，草地覆盖了地球陆地面积的20%至40%，因此对草地中汞的循环机制进行深入研究，对于评估《水俣公约》的实施效果至关重要。该公约旨在全球范围内控制人为汞排放，因此了解草地中汞的来源、传输、沉降以及植物对汞的吸收与释放过程，有助于更全面地理解汞在环境中的行为，并为相关政策的制定提供科学依据。

草地中的汞循环涉及多个关键过程，包括干沉降、湿沉降、土壤蒸发、植物吸收与排放以及生物质燃烧等。其中，干沉降是指汞在空气中以气态形式（如GEM，即气态元素汞）或氧化态（如GOM，即气态氧化汞）沉积到地表的过程，而湿沉降则通过降水形式发生。在一些研究中，干沉降和植物吸收有时会被合并考虑，但两者在机制上存在显著差异。干沉降主要依赖于物理和化学过程，而植物吸收则涉及生物机制，如叶片对汞的吸附和代谢。因此，区分这两种过程对于准确评估汞的来源和去向非常重要。

在草地生态系统中，汞的干沉降速率仍存在较大不确定性。这主要是因为现有的采样技术难以直接区分空气中的汞和沉积到地表的汞。目前，研究者主要依赖理论模型和观测到的垂直浓度梯度来估算干沉降速率。然而，由于汞的双向传输特性，即既可以沉积到地表，也可以从地表蒸发回大气，使得汞的净交换量难以确定。例如，在某些研究中，高浓度汞沉积区域的土壤汞含量与空气中汞浓度存在显著相关性，表明干沉降在汞的传输中起到了重要作用。然而，对于低浓度汞的情况，干沉降可能并不显著，甚至可能不发生。因此，未来需要更精确的测量手段来揭示汞在不同浓度条件下的沉降行为。

湿沉降是另一种重要的汞传输途径，通常通过降水形式发生。在远距离没有汞源的地区，降水中的汞含量通常以氧化态形式为主，而甲基汞的含量极低。这种氧化态汞在降水中可能与其他有机或无机配体形成络合物，并在光照条件下被还原为元素汞。因此，在降水采样过程中，通常需要加入化学稳定剂以防止汞的氧化或还原反应。此外，降水的体积变化也会影响汞浓度的测量，例如水分蒸发可能导致汞浓度的增加。湿沉降在某些地区对土壤汞的输入具有重要意义，特别是在远离人为汞源的偏远地区。然而，湿沉降的速率与降水总量之间的关系仍存在争议，部分研究显示两者呈正相关，而另一些则显示负相关，这可能与受体区域是否靠近固定汞源有关。

土壤作为汞的主要储存库，其蒸发行为对大气汞的来源和去向具有重要影响。在某些条件下，土壤可以成为汞的排放源，尤其是在温度升高或水分减少的情况下。研究显示，土壤中的汞排放与温度、湿度、光照以及植被覆盖程度等因素密切相关。例如，土壤温度的升高可能促进汞的挥发，而较高的湿度则可能抑制这一过程。此外，植物覆盖层可以减少土壤直接暴露在阳光下的机会，从而影响汞的蒸发速率。这些因素表明，土壤中的汞循环是一个复杂的动态过程，受到多种环境条件的调控。

植物在汞循环中也扮演了重要角色，尤其是在吸收和释放汞方面。一些研究发现，植物可以吸收大气中的汞，尤其是在生长季节，植物叶片对汞的吸附能力较强。此外，植物在进行光合作用时，会通过叶绿素和气孔等结构吸收大气中的汞，并将其固定在叶片组织中。这种植物对汞的吸收能力可能与植物种类、叶片年龄以及环境条件有关。例如，某些植物可能比其他植物更有效地吸收汞，而幼叶可能比老叶具有更高的吸附能力。然而，目前关于植物对汞的吸收和释放机制的研究仍较为有限，尤其是在草地生态系统中。

生物质燃烧是汞循环中的一个重要环节，尤其是在半自然草地中，人类为了防止森林侵占和控制害虫而定期进行的焚烧活动，可能会释放大量汞进入大气。研究发现，燃烧过程中，植物和枯枝落叶中储存的汞会被重新释放到空气中，同时，土壤中的汞也可能因高温而挥发。因此，生物质燃烧不仅是汞的潜在排放源，还可能影响汞在生态系统中的分布和迁移。例如，在亚马逊地区、南美洲的某些地区以及非洲的开普半岛，森林火灾已被证实是汞的重要排放途径。近年来，随着全球变暖的影响，大规模的野火事件增加，使得汞的排放量可能进一步上升。因此，研究生物质燃烧对汞循环的影响具有重要意义。

为了更准确地追踪汞的来源，科学家们开始利用稳定的汞同位素比值。汞的稳定同位素包括196Hg、198Hg、199Hg、200Hg、201Hg、202Hg和204Hg。通过测量这些同位素的比值，可以识别不同来源的汞，例如大气中的汞、降水中的汞、土壤中的汞以及植物中的汞。例如，研究发现，不同来源的汞在同位素比值上存在显著差异，这使得同位素比值成为一种有效的追踪工具。在一项研究中，科学家们对日本半自然草地中的汞同位素比值进行了分析，并将其与降水、土壤和大气中的汞数据进行了比较。结果显示，草地燃烧产生的汞同位素比值与土壤和植物中的汞具有明显差异，这表明同位素比值可以用于区分不同来源的汞。

此外，汞同位素比值的分析还揭示了汞在环境中的非质量依赖性分馏现象。这一现象是指汞的同位素比值在不同过程中发生变化，而这种变化并不完全由质量差异决定。例如，在干沉降和湿沉降过程中，汞的同位素比值可能会因化学反应和物理过程而发生改变。因此，结合汞通量研究和同位素比值分析，可以更全面地了解汞在环境中的传输和转化过程。

尽管草地在汞循环研究中受到关注，但目前的研究仍较为有限。大多数关于汞通量的研究集中在森林生态系统，而草地的研究相对较少。然而，草地的植被结构相对简单，植物高度较为一致，这使得草地中的汞通量研究更加可行。此外，草地中的生物质燃烧活动为研究汞的来源和去向提供了独特的实验条件，因为燃烧可以重置地表汞的储存量，从而帮助科学家更清晰地观察汞的传输过程。因此，未来的研究应加强对草地汞循环的探讨，尤其是在同位素比值分析和通量测量方面，以提高我们对汞在环境中的行为和命运的理解。

总之，草地作为地球陆地面积的重要组成部分，其汞循环机制的研究对于评估《水俣公约》的实施效果具有重要意义。通过深入研究干沉降、湿沉降、土壤蒸发、植物吸收与排放以及生物质燃烧等过程，科学家可以更准确地追踪汞的来源，并预测其在环境中的迁移路径。同时，利用稳定的汞同位素比值作为追踪工具，可以为汞的来源识别和环境行为研究提供新的视角。未来的研究应进一步拓展对草地汞循环的探索，以弥补当前研究的不足，并为全球汞污染治理提供更坚实的科学基础。