欧洲东北部北方泰加林中寡营养泥炭地的地球化学背景：评估内生过程和野火对潜在有毒元素积累的贡献

《Chemosphere》：Geochemical background of oligotrophic peatlands in the northern taiga (European Northeast): Assessing the contribution of endogenous processes and wildfires to potentially toxic elements accumulation

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摘要

本研究聚焦于北方泰加林地区泥炭剖面中潜在有毒元素（PTEs）的垂直分布规律。这些元素的分布受内源过程、外部输入、地球化学屏障的影响，同时也受到火灾的干预。根据研究结果，这些元素在土壤剖面中被分为两组：第一组主要富集在下层土层中，包括锌（Zn）、镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）、铁（Fe）、铬（Cr）、钒（V）和镁（Mg）；第二组主要存在于泥炭层中，包含有汞（Hg）、铜（Cu）、铅（Pb）、镉（Cd）以及上述部分元素。植物生物量，尤其是松树和桦木的生物量，在PTEs的沉积过程中起着重要作用。固定PTEs的关键地球化学屏障包括腐殖酸、含硫化合物以及铁的氧化物和氢氧化物，它们在还原条件下能与这些元素形成稳定的结合物。研究特别关注了火灾事件：火灾产生的灰烬是钾（K）、钙（Ca）等碱性和碱土金属元素以及锰（Mn）、钒（V）、镍（Ni）、镉（Cd）、铅（Pb）和铜（Cu）的来源。在不同土壤样本之间观察到了PTE含量的统计学显著差异，这可能归因于影响元素大气传输的气象因素。锰表现出较高的迁移性并呈向下分布趋势，而铜（Cu）和铅（Pb）则与有机物质结合并被固定。总体而言，该研究突显了泥炭生态系统地球化学结构形成的复杂多因素特性。

引言

泥炭生态系统的地球化学特征受到多种因素的共同影响，包括古植物群落的组成、下层岩石的岩性和矿物组成，以及负责水分-矿物质营养的水文条件（Veretennikova等人，2021；Turunen和Sallantaus，2023；Maltseva等人，2024）。泥炭沉积物的成岩作用与其初始形成过程一起，创造了独特的物理化学和微生物条件。这些条件决定了有机物质与矿物成分之间的结构关系。结合地理位置、景观特征和元素迁移路径，共同形成了影响泥炭剖面中微量元素分布的独特地球化学环境（Stepanova等人，2015；Xing等人，2015；Palansooriya等人，2022）。

值得注意的是，潜在有毒元素在流速较低的泥炭水中积累，并在植物体内富集。由于特定的水文和生物地球化学条件，泥炭植被群落将更多分散的元素纳入生物循环中，这与森林群落有所不同（Golubina等人，2020）。富营养和寡营养泥炭地中的不同植被类群以不同方式从环境中吸收特定物质，进而影响泥炭层的化学组成和性质（Vasilevich，2018；Piaszczyk等人，2025）。

土壤的物理化学参数，如pH值、氧化还原电位（Eh）和有机质（OM）含量，在宏量和微量元素在土壤中的迁移和滞留方面起着关键作用（Sokolov等人，2023）。最新研究表明，泥炭沼泽中潜在有毒元素（PTEs）的主要储库位于有机泥炭层（Howard等人，2019；Opekunova等人，2019）。PTEs可与土壤有机质（尤其是腐殖质）紧密结合，腐殖质在PTEs的迁移和生物利用度方面起着关键作用（Bryan等人，2012）。腐殖质包括富里酸（FAs）和腐殖酸（HAs），它们具有不同的溶解性并执行相反的地球化学功能（Yang等人，2025）。作为强大的地球化学屏障，腐殖质能够结合金属，从而降低其溶解度并减少对生物体的潜在负面影响。相反，富里酸（FAs）由于分子较小且水溶性较高，通常会增加PTEs的迁移性和生物利用度。这些性质导致形成了更易迁移的金属-富里酸化合物（Volkov和Polyakov，2023）。不同泥炭沉积物在重金属与腐殖质的结合能力上存在明显差异：汞（Hg）、铬（Cr）、铜（Cu）和铅（Pb）与腐殖质形成稳定化合物，而镉（Cd）、钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）和锌（Zn）的结合较弱（Lodygin等人，2020；Volkov和Polyakov，2020）。

土壤和泥炭沉积物中的吸附地球化学屏障在降低PTEs的迁移性和生物利用度方面具有重要作用。最重要的天然吸附剂包括铁（Fe）和铝（Al）的氢氧化物以及锰的胶体氧化物，它们能够吸附汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、钴（Co）、铜（Cu）、锌（Zn）和其他PTEs（Kabata-Pendias，2011；Vodyanitskii和Plekhanova，2014）。某些阳离子与硫（S）的结合在环境中非常重要。在还原条件下泥炭积累过程中，PTEs被固定并转化为硫化物，从而降低其迁移性、生物利用度和毒性（Palansooriya等人，2020）。

除了内源过程外，泥炭生态系统的地球化学特征还受到人为和自然来源的PTEs输入的影响。通过分析寡营养泥炭土壤中分层土层的微量元素组成，可以重建大气气溶胶的地球化学背景，这对于评估技术污染地区的生态状况至关重要（Vasilevich等人，2023）。泰加林地区的泥炭地中重金属的重要来源是自然和人为火灾，大量研究证实了火灾对元素（包括PTEs）重新分布的重要影响（McCarter等人，2023；Papazotos等人，2026）。森林火灾可通过径流及其伴随的土壤颗粒和灰烬的输送，对环境中宏量和微量元素的分布产生重要影响（Valskys等人，2023）。研究者关注火灾释放出的钒（V）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、镉（Cd）和铅（Pb）等元素。这些元素的高毒性和在各种环境中的持久性对其生态重要性具有重要意义（Campos等人，2016）。

研究区域位于欧洲东北部，属于佩乔拉河流域的北方泰加林亚带，远离主要的本地和区域PTE排放源。这有助于评估内源性因素对泥炭生态系统地球化学状况的自然贡献，并结合大气气溶胶的天然背景，估算PTEs的累积水平。选择研究地点时考虑了它们具有相似的景观类型、地球化学和物理化学条件，以及古植被组成和泥炭积累阶段。本研究的创新之处在于通过分析所研究泥炭的地球化学剖面差异，揭示了当地自然PTE来源（尤其是野火）的影响。

本研究的目标是：(i) 详细研究北方泰加林地区泥炭剖面中潜在有毒元素的垂直分布特征；(ii) 明确关键地球化学屏障在PTEs固定中的作用；(iii) 分析火灾事件对泥炭剖面中PTEs积累动态的影响。

章节摘录

地理环境

Rodionovo（SP–1，样方2025–1）和Sokolovo（SP–2，样方2025–2）采样点位于佩乔拉低地的中心部位，具体位于佩乔拉岭东部大斜面的较低处，距离河床1.5–2公里（图1）。该地区的气候为温带大陆性气候，气候凉爽，年降水量最多为700毫米。风势主要受气旋活动影响，风向为东南风。

泥炭植物组成

研究的土壤剖面包括高沼泽（样方2025–1、2025–2）和过渡性泥炭（样方2025–1），具有不同程度的分解程度。古植物群的物种组成多样性较低。主要存在的泥炭类型包括泥炭藓-棉草型、棉草-泥炭藓型、木质莎草过渡型泥炭（图2）。总体而言，这些土壤剖面在植物组成上相似。

碱性物理化学屏障

观察到的统计趋势（图6A）表明，嗜铁元素和嗜石元素的积累与还原条件及较低酸度之间存在关联。这一发现与其他研究结果一致，后者指出在微酸性至中性环境中的泥炭地中这些元素的浓度最高（Zafeiriou等人，2022；Piaszczyk等人，2025）。pH值的急剧上升呈现出阶梯状变化。

结论

本研究揭示了北方泰加林地区泥炭剖面中PTEs的垂直分布特点。PTEs在泥炭层中的积累是内源因素（包括植物生物量的作用）、外部来源（例如火灾后的大气降水）和地球化学屏障共同作用的结果。

根据其分布规律，这些元素被分为两组：第一组包括锌（Zn）、镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）、铁（Fe）、铬（Cr）、钒（V）和钛（Ti）等。

作者贡献声明

Roman Vasilevich：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、研究监督、方法论制定、数据分析、概念构建。Andrey Panjukov：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资源保障、研究支持。Dmitriy Gabov：负责写作——审稿与编辑、资源保障、研究支持。Oleg Kuznetsov：负责写作——审稿与编辑、数据可视化、方法论制定、研究支持。

资金信息

本研究由联邦预算资助，属于俄罗斯科学院科米科学中心生物研究所的研究项目“欧洲俄罗斯东北部的土壤与土壤资源：气候变化、人为压力和社会经济挑战的影响”（项目编号125021902454-1）。该研究同样得到了俄罗斯科学院卡累利阿分院生物研究所研究项目的资助（项目编号122031700449-3）。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢斯韦特兰娜·卡利尼娜（俄罗斯科学院卡累利阿分院生物研究所

Roman Vasilevich|Andrey Panjukov|Dmitriy Gabov|Oleg Kuznetsov

俄罗斯科学院乌拉尔分院科米科学中心生物研究所，地址：Kommunisticheskaya街28号，Syktyvkar，167982，俄罗斯联邦

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