加拿大西北部偏远泥炭沼泽中泥炭藓（Sphagnum）微量元素：当代背景参考值的建立

《Environmental Science: Atmospheres》：Trace elements in Sphagnum moss from remote bogs in northwestern Canada: establishing contemporary reference valuesOpen Access

　　

苔藓是大气微量元素（TE）沉降的有效被动监测生物，然而未受干扰泥炭地的现代基线数据仍然稀缺。本研究利用2015年从加拿大阿尔伯塔省西北部三个雨养（ombrotrophic）泥炭沼泽采集的泥炭藓（Sphagnum）建立了参考浓度。先前报道的这些样品的低灰分和酸不溶性灰分浓度表明其受土壤矿物粉尘影响极小。为评估方法的稳健性，比较了两种微波辅助消解方法（HNO₃和HNO₃+HBF₄），并使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析了元素。虽然参考植物材料的回收率总体相当，但添加HBF₄显著增强了一些亲石元素（Al、Co、Cr）的释放。尽管存在微小的空间变化，各站点的元素浓度一致，表明区域背景沉降具有同质性。主成分分析（PCA）解释了63.5%的总方差，识别出两个主要控制因素：一个岩源梯度（PC1：51%）和一个生物-营养梯度（PC2：12.5%）。使用Al和Sc计算的富集因子（EFs）表明，大多数亲石元素（Ba、Co、稀土元素REEs）和一些亲铜元素（As、Pb、Tl）的EF≤10，与主要地壳来源一致。相反，Cd、Mn、P、S、Se和Zn的EF≥100，反映了强烈的生物循环和/或非地壳输入。泥炭藓中的Pb/Sc比值（4.9）与瑞士泥炭沼泽中全新世中期泥炭（4）和加拿大北极冰（6.3）的报道值相似，表明当代人为影响极小。这组51种元素的数据集为北方雨养泥炭地的泥炭藓提供了可靠的基线，可作为区域和全球大气沉降研究的参考。

本解读基于论文主体内容，按研究背景、研究方法、研究结果、讨论与结论四个部分进行总结。研究人员为“研究人员”而非“我们”。

**一、研究背景与问题**

过去二十年，全球多种空气污染物负荷持续上升，对生态系统和人体健康构成显著风险。在微量元素（TE）监测中，主动采样虽能提供高时间分辨率数据，但成本高且依赖基础设施；被动采样成本低但时间长。生物监测，尤其是苔藓，因无真根、高表面积比和主要接受大气输入，成为大型或偏远区域评估的有效补充工具。泥炭藓（Sphagnum）在北方泥炭地占优势，仅通过干湿沉降接受养分，是记录当前大气沉降的理想介质。在加拿大阿尔伯塔省北部，已有研究利用Sphagnum评估油砂区域大气沉降，但背景数据有限：已有数据集基于较少样本和元素，且浓度常接近检出限，影响代表性。为此，本研究从阿尔伯塔省西北部Utikuma研究区（URSA）三个雨养泥炭沼泽，扩大样本量与元素种类，旨在评估两种消解方法，确认数据是否代表当代背景水平，并解释未受干扰条件下泥炭藓中的元素富集模式。

**二、研究方法**

研究人员于2015年10月从URSA三个雨养泥炭沼泽（URSA 19-21、URSA 300-3、URSA 41-524）每个泥炭沼泽按系统网格各采集10个泥炭藓样品（共30个）。样品经清洗、制备后，测定灰分与酸不溶性灰分（AIA）。比较两种微波辅助消解方法：仅HNO₃和HNO₃+HBF₄，采用ICP-OES测定主量元素（Ca、K、Mg、Na、P、S、Si）及Al、Fe、Mn，采用三重四极杆ICP-MS测定41种微量元素。质量保证/质量控制使用NIST 1515（苹果叶）和Moss-1343（苔藓）标准参考物质。富集因子（EF）以Al和Sc为保守参考元素，相对上地壳（UCC）计算。统计分析包括PERMANOVA、配对t检验、方差分析、主成分分析（PCA）等，均在R中完成。

**三、研究结果**

**3.1 灰分和酸不溶性灰分（AIA）含量**
全部30个样品中，灰分平均为1.94±0.05%，AIA为0.30±0.03%。各站点灰分和AIA变化范围较小，表明矿物粉尘输入极低。

**3.2 消解方法性能评估**
两种消解方法在参考物质中的回收率大多处于80–120%以内。但对NIST 1515，添加HBF₄显著提高Cr（+25%）和U（+45%）的回收率；对Moss-1343，Al、U、Na的回收率显著增加。在真实样品中，HNO₃+HBF₄显著提高Na、Si及若干亲石元素（Al、Be、Cs、Cr、U）和部分重稀土元素的浓度，而K、Mg、P、S等主量营养元素无显著差异。这表明氟化物辅助消解有助于溶解矿物颗粒中的难熔元素，但对生物主导元素影响有限。

**3.3 元素分布与空间变异性**
主量元素浓度顺序为K > Ca > P ≈ Mg > S > Si > Na。微量元素中，Al、Fe、Mn、Zn浓度最高，其次为Ba、Cu、Rb、Sr、V，其余微量元素多在1–100 μg kg^-1范围。尽管PERMANOVA检测到站点间存在显著多变量差异，但经FDR校正后，仅有Cd、Cs、Mn、Rb、U表现出显著空间差异，且差异幅度较小，总体空间变异性低。

**3.4 富集因子（EFs）**
以Al或Sc归一化得到的EF分布几乎一致。EF>100的元素包括Cd、Mn、P、S、Se，反映强烈生物循环或非地壳来源。EF在10–100之间的元素包括多种宏量/微量营养元素。大多数亲石元素（如稀土元素）和亲铜元素（如As、Pb、Sb、Tl）EF在1–10之间，接近地壳丰度。Be、Na、Si的EF低于1，表明相对UCC无富集。

**3.5 主成分分析（PCA）**
前两个主成分解释63.5%的总方差。PC1（51%）由亲石元素（Al、Fe、Si、Sc、稀土元素）和Pb、Tl主导，反映矿物粉尘输入的岩源梯度。PC2（12.5%）由灰分、S及Ca、Cu、K、Mn、Zn等营养元素定义，反映生物累积与营养循环过程。AIA载荷较弱，表明灰分并非矿物粉尘的直接指标，而是无机输入与生物累积的综合结果。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，HNO₃消解足以定量多数植物营养元素和生物活性元素，但添加HBF₄对难熔矿物结合元素是必要的；在URSA低灰分背景下矿物颗粒丰度低，方法选择对背景浓度影响有限。植物标准参考物质（如NIST 1515）因来自农业/森林叶片，元素浓度常高于泥炭藓，不适合直接作为自然丰度基准，而欧洲苔藓标准物质（如Moss-1343）与本研究Sphagnum浓度接近，但某些元素仍有差异。PCA和EF联合表明，亲石元素低EF且主导PC1，说明矿物粉尘是样品间变异的主要驱动；高EF元素（如P、S、Mn）来自生物循环，Cd和Se则可能反映非地壳均匀背景。与区域泥炭记录对比，URSA苔藓多数元素浓度低于深层历史泥炭，元素/Th归一化后接近工业化前水平；与欧洲对比，URSA浓度显著更低，表明当代人为影响极小。限制包括单次采样无法捕捉季节/年际变化，以及长期储存样品的水分再平衡可能引起微小系统低估，但不影响EF或相对趋势。结论认为，该数据集为北方雨养泥炭地Sphagnum提供了可靠当代基线，可用于评估工业发展和远程大气传输的影响。