哪些因素影响树木年轮中汞的吸收和迁移？

《Science of The Total Environment》：What influences Hg uptake and movement in tree rings?

树轮记录显示火灾年大气汞浓度显著升高，经径向转运后仍能持续五年检出峰值，验证了树轮分析火灾事件的有效性。

　　

作者：Mae Sexauer Gustin、Andrea Baker、Sarrah M. Dunham-Cheatham、Heather A. Haines、Adam Csank、Peter J. Weisberg

美国内华达大学里诺分校自然资源与环境科学系，里诺，NV 89557

摘要

树轮是记录当地汞（Hg）排放源以及大气中元素汞（Hg⁰）浓度区域/全球趋势的宝贵档案。记录大气中汞沉积趋势的档案还包括沉积物、泥炭和冰芯。尽管这些档案记录了不同的过程，但汞浓度的变化趋势却相当一致。高温和相对湿度、水汽亏缺以及低土壤湿度会降低叶片对大气中汞（Hg⁰的吸收，从而减少在这些条件下形成的树轮中的汞含量。土壤中的氮元素有助于叶片吸收汞（Hg⁰），而氮化合物则与汞向其他组织的传输有关。在关联树轮和大气中汞（Hg⁰的变化趋势时，径向迁移是一个重要的干扰因素。本文通过一个案例研究展示了这一点，该研究在野火发生后收集了杰弗里松（Pinus jeffreyi）的树轮。树轮记录了与火灾年份相关的大气汞（Hg⁰峰值。观察到明显的径向迁移现象，尤其是在靠近树皮的树轮中汞浓度更高。以年为单位进行树轮的树木化学分析对于准确检测如野火这样的突发事件至关重要。为了评估径向迁移是否影响了树轮中的汞浓度，需要将其与已知的排放事件或其他档案进行比较，因为许多生理因素都会影响树轮中的汞浓度。

引言

大气中的汞（Hg）有三种形式：气态元素汞（Hg⁰）、氧化态汞（Hg^II）和颗粒态汞。占大气中汞主要成分的Hg⁰在全球范围内分布，并在地球表面与大气之间循环。树木被认为是最大的陆地汞（Hg⁰汇（Sonke等人，2023年）。树木通过气孔和非气孔过程将大气中的汞（Hg⁰）吸收到叶片中（Arnold等人，2018年；Stamenkovic和Gustin，2009年）。大气中的汞（Hg⁰浓度会影响叶片中的汞浓度，这种浓度在生长季节会增加（Laacouri等人，2013年；Frescholtz等人，2003年）。一旦汞（Hg⁰进入叶片，它会被氧化，然后通过韧皮部传输到边材中（Ga?nik和Gustin，2023年；Gustin等人，2022a）。实地和实验室实验表明，这种传输发生在生长季节内（Arnold等人，2018年；Peckham等人，2019a）。树轮已被证明是研究大气中汞（Hg⁰浓度变化趋势的有用档案（Clackett等人，2021年；Cooke等人，2020年；Scanlon等人，2020年；Clackett等人，2018年）。然而，由于不同树种吸收和储存汞（Hg⁰的方式不同，并且受到环境条件和养分可用性的影响，树轮不能直接用于确定大气中的实际汞（Hg⁰浓度（Gustin等人，2022b；Arnold等人，2018年；Laacouri等人，2013年；Siwik等人，2009年；Millhollen等人，2006年）（见下文讨论）。

有许多生理和环境因素会影响叶片对汞（Hg⁰的吸收及其随后向树轮的传输。本文概述了我们对这些因素的当前理解，这些内容在最近的综述中尚未涉及（参见Ga?nik和Gustin，2023年；Liu等人，2024年）。使用树轮作为大气中汞（Hg⁰趋势的档案时，径向迁移是一个重要的考虑因素（Chellman等人，2020年；Novakova等人，2021年）。径向迁移是指元素从首次被吸收的年轮转移到相邻的年轮中。这一过程包括通过薄壁组织和射线细胞的主动运输，以及通过细胞壁和间隙组织的扩散（参见Dominguez和Niittyl?，2021年）。边材面积与心材面积比例较高的树木更有可能发生径向迁移（参见Cutter和Guyette，1993年）。

Cutter和Guyette（1993年）指出，边材年轮的数量受到“激素压力、水分压力以及各种其他环境和遗传因素”的影响。由于径向迁移仅发生在参与运输的细胞（即边材细胞）中，他们建议在树木化学分析中使用边材年轮数量有限的树种。一旦木材转变为心材，这些细胞就不再具有生理活性，也不参与养分或液体的运输，因此径向迁移也会停止。Cutter和Guyette（1993年）用于推荐树木化学分析的其他特征还包括心材的渗透性、含水量、生态属性、地理分布和叶片类型。他们建议用于树木化学分析的北美温带树种包括“白橡树和POST橡树、 catalpa树、东部红雪松和大多数可定年的刺柏、西部红雪松、原始林分的花旗松以及大鼠尾草。此外，如狐尾松、原始林分的红杉和巨型红杉等树种也可能适用于局部研究。”本文还提到了其他树种，包括黄松。Sargent（1926年）指出，软松（如单叶松、西部白松和柔韧松）通常具有较少的边材年轮，而硬松（如黄松和杰弗里松）则具有较多的边材年轮，因此具有更大的径向迁移潜力。

本文介绍了一个案例研究，该研究在2021年7月3日至10月25日期间发生的两次大规模野火（Dixie Fire和Beckwourth Complex）之后收集了树芯（图1）。研究区域直接受到Beckwourth Complex的影响，位于Sugar Fire区域内。后者于7月3日开始，并在2021年8月2日之前被控制住。由于该地区典型的西风，采样树木位于Beckwourth Complex的下风方向，因此在大约四个月的时间内受到了火灾排放的影响。2021年夏季当地天气炎热干燥，气温位列有记录以来最热的前三名；那一年，美国西部90%的地区经历了D4级干旱，属于极端干旱（Seager等人，2022年）。干燥的燃料和极端的火灾天气条件引发了整个北加州的野火（Turco等人，2023年）。火灾过后，连续四年每年从同一株杰弗里松（Pinus jeffreyi）树木中采集树芯，这是火灾附近最常见的树种。研究测试了两个假设：1）由于野火期间植被会释放汞（López等人，2022年），受火灾影响的树木会在2021年的树轮中记录到汞（Hg⁰；2）在火灾后的几年里，2021年形成的树轮中的汞会通过边材向其他年轮径向迁移。

章节摘录

案例研究

2022年6月，在Sugar Fire边界内的两个地点从杰弗里松树中收集了树芯，距离火灾事件已经过去了11个月（图1）。在一个地点（高烧毁严重程度区域，HBSS），树木位于严重烧毁区域的边缘，至少有一半的树冠部分被烧焦，下部枝条的叶子已经脱落，但上部枝条仍然存活且健康（见图形摘要）。这些树木之所以能够存活，是因为它们三面被

树轮作为点源和全球来源汞（Hg⁰排放的档案

多项研究表明，树轮可用于监测来自局部点源的汞（Hg⁰排放趋势（例如，Fornasaro等人，2023年；Novakova等人，2022年；Novakova等人，2021年；Clackett等人，2021年；Schneider等人，2019年；Navratil等人，2017年）。此外，从未受污染源影响的地区收集的树轮也可以用来记录区域和全球的排放趋势。例如，Gustin等人（2022b）制作了一张显示树轮中汞浓度的地图

结语

从文献中可以看出，某些树种的树轮可以记录当地的汞（Hg⁰排放源，而原始生态系统中的树木则可以记录全球汞（Hg⁰的排放趋势。尽管在案例研究中采样的杰弗里松在火灾后出现了汞的径向迁移现象，但与火灾年份相关的汞峰值在树轮记录中仍然明显存在，持续时间超过了5年。树木能够捕捉到由于

CRediT作者贡献声明

Mae Sexauer Gustin：监督、资源获取、方法论、概念制定、初稿撰写。Andrea Baker：调查、资金获取、数据管理、撰写——审阅与编辑。Sarrah M. Dunham-Cheatham：监督、方法论、调查、撰写——审阅与编辑。Heather A. Haines：监督、方法论、撰写——审阅与编辑。Adam Csank：资源获取、调查、撰写——审阅与编辑、资金获取。Peter J. Weisberg：资金提供

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本项工作得到了内华达大学EPSCoR本科生研究基金和国家科学基金会（编号#2152873）的资助，该基金来自地球生物学与低温地球化学部门。作者感谢本科生研究助理Mitch Aiken、Leah Conner、Abi Connolly、Chris Ford、Zuleima Hernandez、Aidan Noonan、Momiji Ohyama和Sydney McDonald，以及技术员Nicole Choma，以及研究生Brandon Wildling和Killian Miller在数据收集和处理方面的帮助