水文过程显著增加了喀斯特稻田生态系统中的汞相关生态风险：来自汞同位素的证据

《Journal of Hazardous Materials》：Hydrological Processes Significantly Increase Mercury-Related Ecological Risk in Karst Paddy Ecosystem: Evidence from Mercury Isotope

　　

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  来自喀斯特地区的水稻籽粒显示出较高的汞（Hg）浓度。
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  喀斯特地区的降雨-径流过程加速了汞向稻田的迁移。
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  山坡土壤是稻田生态系统中汞的重要生物可利用来源。
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  孔隙水是驱动水稻植物中汞生物积累的关键储库。
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  水文耦合增强了稻田中汞的甲基化和甲基汞（MeHg）的积累。

引言

汞（Hg）是一种强大的神经毒素，对全球人类健康、野生动物和生态系统都有负面影响。汞在自然环境中以多种化学形式存在，其中甲基汞（MeHg）尤其值得关注，因为它会在水生生态系统中积累[1][2]。降雨-径流过程可以将陆地上的汞带入水生生态系统，从而构成重要的生态风险[3][4][5]。然而，目前涵盖从降雨-径流过程到稻田生态系统风险评估的全面研究相对较少，这严重阻碍了对这一过程所造成风险的有效识别。

喀斯特地区分布广泛，约占世界陆地总面积的15%[6]。在这些地区，可溶性矿物质（如钙）的淋溶，加上碳酸盐土壤中铁氧化物和有机碳的强金属吸附能力，导致土壤中重金属的富集[7][8]。喀斯特地区独特的水文特性，表现为高渗透性和快速的水文循环，显著增强了重金属的移动性[4]。此外，碳酸盐岩的持续溶解以及浅层、养分贫瘠的土壤发展进一步促进了金属的活化与传输[9]。值得注意的是，喀斯特土壤中可移动汞成分（如交换性汞和结合在碳酸盐中的汞）的比例相对较高，进一步提高了汞的生物可利用性[10][11]。由降雨驱动的径流可以将土壤中的汞迁移并输送到下游流域和地下水系统，这一点在喀斯特地区和汞矿区都有证据[3][4][5][12]。因此，降雨驱动的径流可能将可移动且生物可利用性高的汞从山坡土壤输送到低洼的稻田生态系统，从而增加这些农业系统中的汞相关生态风险。尽管如此，目前准确评估这一过程对稻田生态系统影响的研究仍然有限。

汞的稳定同位素是追踪汞来源和环境过程的强大工具[13][14]。汞的质量依赖性分馏（MDF，表示为δ²⁰²Hg）与多种物理、化学和生物过程有关，包括物理过程如蒸发、吸附和扩散[15][16][17]；化学过程如光还原和暗氧化[18][19]；以及生物介导的过程如微生物介导的甲基化和脱甲基作用，以及植物吸收（Blum等人，2014b；[20][21]）。相比之下，汞的质量独立性分馏（MIF，主要表示为Δ¹⁹⁹Hg、Δ²⁰¹Hg和Δ²⁰⁰Hg）主要源于有限的过程，如光化学反应[18][22]。因此，汞的MIF信号（通常使用Δ¹⁹⁹Hg）已被用于追踪不同生态系统中的汞来源及其传输和转化过程。例如，根据Δ¹⁹⁹Hg的值，Xia等人[4]发现，来自径流传输的土壤来源汞占背景流域地下水总汞输入量的80%以上[4]。Yan等人[12]发现，通过降雨从矿废料中淋溶出的汞是当地水生生态系统中的主要汞污染源[12]。此外，Zhang等人的研究[23]使用汞同位素质量平衡模型表明，径流占湖泊生态系统总汞负荷的62.4%[23]。这些研究强调了流域径流在调节水生系统中汞传输的关键作用[23]。对于稻田生态系统，通过使用化合物特定同位素分析（CSIA），Qin等人[13]发现，地上水稻组织中的无机汞（IHg）主要来自大气中的汞，而水稻植物中的甲基汞主要来自汞矿区的土壤-水系统[13]。虽然汞同位素已被广泛用于追踪水文过程和稻田生态系统中的汞来源，但它们在这两个系统中的综合应用仍然有限，特别是在降雨-径流过程对调节稻田系统中汞传输和积累的影响方面。

在这项研究中，我们选择了中国西南部贵州省的一个典型喀斯特稻田生态系统作为研究地点。我们应用了CSIA来分析整个水稻生长期间稻田生态系统中IHg和MeHg的同位素组成。这项研究的主要目的是追踪降雨-径流过程中的汞传输，并阐明这些过程对稻田生态系统中汞循环和积累的影响。该研究填补了关于由降雨-径流过程驱动的喀斯特稻田生态系统中的汞相关生态风险的知识空白，并为减轻这些与自然地质和水文过程相关的风险提供了新的见解。

章节片段

研究区域和采样

研究区域位于中国西南部的贵州省（坐标为25°39′57″ N, 106°41′23″ E，见图S1）。该地区具有亚热带季风气候，年平均温度约为20°C，年平均降水量约为1,335毫米。该地区的裸露岩层主要由碳酸盐岩构成，具有典型的喀斯特地形。该研究区域与主要交通网络、城市中心和工业区相对隔离。

稻田生态系统中的汞含量

过滤后的孔隙水、降水、地表水和灌溉水中的平均总汞（THg）浓度分别为8.7 ± 3.3 ng/L（n = 6）、4.6 ± 1.4 ng/L（n = 3）、4.3 ± 1.3 ng/L（n = 6）和2.0 ± 0.6 ng/L（n = 3）。在这些水体中，孔隙水中的总汞浓度最高（见图1a）。这一发现表明孔隙水是稻田中重要的汞储库。然而，该地区孔隙水和地表水中的总汞浓度要低得多。

结论

本研究首次应用了化合物特定同位素分析（CSIA）来研究水文过程对喀斯特地区稻田生态系统生态安全的影响。我们的结果表明，由降雨驱动的径流将大量具有高生物可利用性的汞从山坡土壤输送到稻田生态系统，显著增加了这些系统中的汞相关生态风险。具体而言，由降雨径流产生的灌溉水中的汞占孔隙水中汞总量的近一半（47.6%）。

意义声明

本研究采用了化合物特定同位素分析（CSIA）来阐明和量化降雨-径流过程对喀斯特稻田生态系统中汞相关生态风险的影响。结果表明，由降雨驱动的径流可以将大量具有高生物可利用性的汞从山坡土壤输送到稻田生态系统。这种活性汞不仅可以直接被水稻植物吸收，还可以被微生物甲基化为甲基汞（MeHg）。

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

魏朗飞：写作——审阅与编辑，初稿写作；方法论制定，调查实施。梁星宇：写作——审阅与编辑；方法论制定。杨绍春：写作——审阅与编辑；方法论制定。宋正成：写作——审阅与编辑；写作——审阅与编辑。李平：写作——审阅与编辑；监督；方法论制定；资金获取；概念构思。胡海燕：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了贵州省重大科技计划（[2025]002）和国家关键环境地球化学实验室（SKLEG2024102）自主战略项目的资助。

魏朗飞|杨绍春|梁星宇|宋正成|胡海燕|李平