汞在水库生态系统中的环境行为是国内外学者关注的研究热点之一^{[1, 2, 3, 4, 5]}. 研究显示，新建水库鱼体内存在甲基汞含量升高现象，被淹没的植被是水库鱼体甲基汞增高的来源之一^[6,7]. 一方面，被淹没的植被在腐解过程中主动或被动地将甲基汞释放到水库生态系统中^[8]； 另一方面，被淹没植被的腐解使水库底部形成厌氧环境^[9]，有利于汞从被淹没植被中溶解出来，为甲基化反应提供充裕的无机汞^[10,11]. 同时，被淹没植被的腐解释放出大量营养物质，为微生物提供了丰富的食物来源，使硫酸盐还原菌等甲基化细菌大量繁殖，加快无机汞向甲基汞转化^[12,13]. 目前，有关新建水库植被在被淹没后向水体释放汞的行为、 无机汞向甲基汞转化以及甲基化过程等方面进行了大量研究，并取得了一些的成果^[14,15].

三峡水库是举世瞩目的特大型调节水库，其独特的调度方式形成了周期性淹水与退水特点的水库消落带. 消落带在每年4~9月的出露期，由于雨热充沛，大片区域会生长出茂密的草本植被，部分消落带被当地农户利用种植农作物. 而目前关于三峡水库消落带植被中汞迁移转化的研究还很缺乏，淹水后植被中汞的释放效应也不清楚. 为此，本研究拟通过室内模拟试验，分析淹水条件下三峡水库消落带植物中汞的动态变化特征，以期为深入了解库区消落带植物对汞水库环境行为的影响提供基础数据.

1 材料与方法 1.1 供试材料

于2013年6月在对消落带分布面积较大的重庆涪陵珍溪、 忠县石宝寨等地进行调查的基础上，采集消落带生长的优势植物狗牙根[Cynodon dactylon(Linn.) Pers．]、 稗草[Echinochloa crusgalli(L.) Beauv]，以及种植面积较大的玉米秸秆(Culmus Zeae mays L.)供试，植物总汞及甲基汞含量见表 1. 同时，采集石宝寨长江水作为模拟试验浸泡水样，其溶解态甲基汞(DMeHg)、 溶解态总汞(DHg)浓度分别为0.19 ng ·L^-1、 15.02 ng ·L^-1，溶解性有机碳(DOC)为4.92 mg ·L^-1，pH为7.82，溶解氧(DO)为10.21 mg ·L^-1.

表 1(Table 1)

表 1 植物总汞、甲基汞含量 Table 1 THg and MeHg content in the original plant tissue 植物种类 甲基汞/ng·g-1 总汞/ng·g-1 甲基汞/总汞 稗草 0.27±0.15a 14.7±2.11a 0.02a 狗牙根 0.21±0.05a 12.32±1.43b 0.02a 玉米秸秆 0.11±0.02b 9.21±0.98c 0.01a 1) 同一列字母相同或者含有相同字母表示差异不显著，字母不同表示差异显著

表 1 植物总汞、甲基汞含量 Table 1 THg and MeHg content in the original plant tissue

将采集到的植物样品用去离子水清洗掉表面灰尘，在黑暗条件下自然风干，脱水至干样. 每种植物另取一部分经冷冻干燥、 粉碎后测量总汞、 甲基汞含量. 在实验室进行不同植物的模拟淹水试验，每种植物各称取10 g风干样品30份(用剪除法调配茎叶比例相当)，分别放入内部尺寸7 cm×30 cm的硼硅玻璃筒中，各灌入1000 mL江水，使用石英玻璃棒将植物压入水中，待植物完全被水体淹没后，用保鲜膜密封筒口，使筒内处于相对缺氧状态； 同时设置仅加江水不加植物样的对照处理30个，即每种植物样处理和对照处理各有30个重复. 于灌水后第1、 3、 5、 10、 15、 25、 35、 45、 60、 90 d，每个处理各取3个重复，分别分析水样DHg、 DMeHg以及DOC、 pH和DO等参数； 并同时观察植物分解状况，测定植物残体质量、 总汞(THg)和甲基汞(MeHg)含量. 1.3 样品分析和计算方法

水样DMeHg采用蒸馏-乙基化-GC-CVAFS法^[16]测定，植物体MeHg采用溶剂萃取-水相乙基化衍生GC-CVAFS联用的方法^[17]测定，植物体THg采用硝酸水浴消解-冷原子荧光光谱法^[18]测定，水样DHg利用两次金汞齐富集-原子荧光光谱法^[19]测定.

因浸泡条件下植被分解会使其质量发生变化，为了较为直观地比较各时间段的植物元素含量，故需要对植物体元素含量进行校正，本研究中所有植物体元素含量均为校正值，计算如下^[20]：

试验过程采用空白试验、 平行试验和标准物质GBW 10016(GSB-7)进行质量控制，测定结果显示总汞的平均回收率为95.6%～102.6%，甲基汞浓度相对偏差小于10%. 试验中所需的玻璃仪器在使用前均用硝酸(25%，体积分数)浸泡24 h，无汞超纯水(Milli-Q)清洗，然后经马弗炉500℃灼烧30 min，在洁净无汞的环境下冷却后使用. 水体指标经0.45 μm微孔滤膜(Millipore)过滤后测定. 样品处理所用化学试剂均为优级纯，水为无汞超纯水(Milli-Q). 采用SPSS 13.0与Origin 8.0软件对数据进行处理和分析.

2 结果与分析 2.1 淹水过程中植物质量变化动态

淹水试验表明，随着淹水时间的增加，植物不断分解. 在90 d的淹水期内，3种消落带植物分解速率整体表现出由快到慢的变化特征(图 1). 淹水15 d内，各植物质量损失明显，流失率较快，剩余干重百分率均值为82.4%，稗草剩余干重百分率最低，为74.92%，其余两种植物相近，为84.85%~86.35%. 15 d后，各植物的分解速率逐渐降低，到90 d时，剩余干重百分率为46.65%~67.68%，均值为57.2%. 各植物剩余干重百分率表现为：玉米秸秆>狗牙根>稗草. 在整个淹水过程中，稗草、 狗牙根、 玉米秸秆的质量损失存在显著差异(P<0.05)，其质量损失率分别为53.35%、 37.41%和32.33%. 说明在淹水条件下，植物基质对植物质量损失有重要影响.

图 1

Fig. 1

图 1 植物干重流失动态 Fig. 1 Dynamics of dry mass loss in the processing of soaked plant

本试验在室内条件下进行，外界环境因子相同，因此植物在淹水分解过程主要受到植物的组织结构、 营养元素等因素影响^[21]. 稗草茎秆柔软，丛生，叶片相对宽大，易分解，而狗牙根茎秆相对硬实，玉米秸秆干样中醇溶性物质及水溶性物质等含量相对较少，木质素含量较多，不易分解. 同时，Masifiwa等^[22]和Chimney等^[23]认为，淹水植物的腐烂分解速率与组织C/N呈负相关，与含氮量呈正相关. 从表 2中可以看出，稗草的C/N含量最低，分解最为迅速，而狗牙根和玉米秸秆C/N含量较高，所以分解相对缓慢.

表 2(Table 2)

表 2 淹水植物体中碳氮含量 Table 2 Total carbon and total nitrogen content in the original plant tissue 植物种类 全碳/% 全氮/% C/N 稗草 40.56±1.83 1.64±0.09 24.73±3.71 狗牙根 41.87±1.45 1.21±0.13 34.60±4.97 玉米秸秆 35.49±0.25 0.92±0.03 38.57±5.27

表 2 淹水植物体中碳氮含量 Table 2 Total carbon and total nitrogen content in the original plant tissue

3种消落带植物淹水分解过程中总汞含量整体呈下降趋势(图 2). 植物残体总汞含量在淹水前期(15 d)迅速下降，随着淹水时间的增加，总汞含量下降幅度逐渐变缓. 植物残体总汞含量降幅顺序为：稗草>玉米秸秆>狗牙根. 其中，稗草的总汞含量下降最快，到90 d试验结束，其总汞含量降幅为55.96%(从14.70 ng ·g^-1下降到8.22ng ·g^-1). 而狗牙根和玉米秸秆的总汞含量下降较为缓慢，降幅分别为41.57%(从12.31 ng ·g^-1下降到7.19ng ·g^-1)和35.81%(从9.21 ng ·g^-1下降到5.91ng ·g^-1). 统计分析表明，3种植物在浸泡过程中总汞含量变化存在显著差异(P<0.05). 表明植物种间差异对淹水浸泡过程中残体总汞含量变化存在显著影响.

图 2

Fig. 2

图 2 植物残体总汞含量变化特征 Fig. 2 Variation of THg content in decomposing plant tissue

3种消落带植物淹水分解过程中甲基汞含量整体呈上升趋势，并在淹水60 d后逐渐达到稳定(图 3). 到90 d时，稗草、 狗牙根、 玉米秸秆这3种植物残体的甲基汞含量分别为初始含量的3.07倍(从0.27 ng ·g^-1 上升到0.83 ng ·g^-1)、 3.04倍(从0.21 ng ·g^-1上升到0.64 ng ·g^-1)和6.63倍(从0.11 ng ·g^-1上升到0.73 ng ·g^-1). 统计分析表明，3种植物在淹水过程中甲基汞含量变化存在一定差异，但这种差异并未达到显著水平(P>0.05)，表明植物类型尽管对淹水过程中残体甲基汞含量变化存在一定影响，但其并未造成显著差异.

Heyes等^[20]研究发现，在野外淹水条件下植物的甲基汞含量会随时间的增加而不断升高，并推断其原因并非从周围水体中吸收甲基汞，而是植物组织中汞的原位甲基化所造成. 而本试验观察到与之相似的现象，一方面，淹水植物腐解所释放的营养物质，使硫酸盐还原菌等甲基化细菌大量繁殖. 另一方面，试验处于密闭系统，溶解氧的降低提高了甲基化微生物的活性，使其具有更强的汞甲基化能力，从而为植物组织内的甲基化提供了充裕的条件.

图 3

Fig. 3

图 3 植物残体甲基汞含量变化特征 Fig. 3 Variation of MeHg content in decomposing plant tissue

消落带3种植物淹水腐解过程中上覆水的DHg浓度变化呈持续升高的趋势(图 4)，上覆水DHg浓度在植物淹水后45~60 d达到迅速增长的临界点，之后保持平稳，波动较小. 淹水结束时，稗草、 狗牙根和玉米秸秆上覆水的DHg浓度分别增加了232.15%(从15.02 ng ·L^-1增加到49.89 ng ·L^-1)、 142.41%(从15.02 ng ·L^-1增加到36.41 ng ·L^-1)和103.23%(从15.02 ng ·L^-1增加到30.53 ng ·L^-1)，而对照空白上覆水DHg浓度却下降了34.68%(从15.02 ng ·L^-1下降到9.81 ng ·L^-1). 统计分析表明，3种植物上覆水DHg浓度变化过程存在显著差异(P<0.05). 植物基质对上覆水DHg浓度变化有显著影响. 同时，各种植物与空白对照差异显著(P<0.05)，这说明植物淹水后释放的汞是造成上覆水DHg浓度显著上升的重要因素.

上覆水DHg浓度的增加几乎全部来自于植物汞的分解释放，研究表明，植物分解前期主要是易溶物质的迅速洗脱过程，此时植物汞释放主要受淹水植物初始性质决定，而后期分解主要受微生物分解者的生物化学过程控制^[24]. 在淹水初期受到初始基质的影响，各植物上覆水DHg浓度变化差异较大，淹水后期由于植物残体一些难分解物质的积累和外界微生物的缓慢作用，使植物的进一步分解受到抑制，分解速率明显减慢，因此各种植物上覆水DHg浓度变化逐渐变缓，趋于一致.

图 4

Fig. 4

图 4 淹水植物上覆水总汞浓度变化特征 Fig. 4 Variation of DHg concentration in the overlying water of the soaked plant

3种消落带植物淹水后，上覆水的DMeHg浓度均呈对数曲线状变化(图 5). 总体上，各种植物上覆水DMeHg浓度在淹水35 d前变化差异明显，35~45 d达到迅速增长的临界点，之后DMeHg浓度变化速率变缓，逐渐趋于稳定. 淹水结束时，稗草、 狗牙根和玉米秸秆上覆水的DMeHg浓度分别为初始浓度的16.05倍(从0.19 ng ·L^-1增加到3.05 ng ·L^-1)、 14.84倍(从0.19 ng ·L^-1增加到2.82 ng ·L^-1)和15.47倍(从0.19 ng ·L^-1增加到2.94 ng ·L^-1)，而对照空白上覆水的DMeHg浓度也为初始浓度的2.63倍(从0.19 ng ·L^-1增加到0.50 ng ·L^-1). 此外，计算得出3种植物上覆水DMeHg增幅量都超过了植物自身甲基汞完全分解的释放量. 可见，除了植物自身分解产生一定量的甲基汞溶解到水体当中，更有可能是发生了生物和非生物甲基化作用，使得上覆水DMeHg浓度有明显的增加. 在植物淹水过程中，上覆水DMeHg浓度存在一定差异，但并未达到显著水平(P>0.05)，说明植物种间差异并不是决定上覆水DMeHg浓度的决定因素. 同时，植物淹水后上覆水DMeHg浓度均与空白对照差异显著(P<0.05)，表明植物淹水后汞的释放和转化是造成上覆水DMeHg浓度显著升高的重要因素.

图 5

Fig. 5

图 5 浸泡植物上覆水甲基汞浓度变化特征 Fig. 5 Variation of DMeHg concentration in the overlying water of the soaked plant

3种消落带植物残体内的总汞在浸泡15 d内迅速降低,23.4%的总汞在此阶段释放，随后其降解速率逐渐减小； 至90 d总汞的残留率为55.54%. 稗草的总汞释放最快，到90 d试验结束，其总汞残留率为44.03%(图 6). 而狗牙根和玉米秸秆的总汞释放较为缓慢，至试验结束仍有58.42%和64.18%的总汞残留. 对比分析可以看出，3种植物在淹水过程中，总汞的损失并非与质量分解同步，其释放过程略超前于质量分解过程. Van等^[25]认为在植物分解过程中，元素损失率等于干物质质量损失率时，元素的损失途径主要是通过矿化途径，而当元素损失率大于干物质质量损失率时，元素的损失途径主要是通过淋溶作用. 在本研究中，3种植物每个时期的总汞损失率均大于干物质质量损失率，说明淋溶作用可能是造成植物总汞损失的主要途径，其原因有待进一步研究.

图 6

Fig. 6

图 6 腐解植物总汞残留率与时间的关系 Fig. 6 Relationship between the THg residue rate and time

有研究指出，水生环境中甲基汞浓度与总汞浓度相关性很小^[26]，甲基汞的产生也不仅仅只受系统中总汞浓度的影响. 相反，甲基汞的形成主要受到一系列环境因素影响，包括DO、 pH、 DOC等. 其中，DOC对汞的形态、 溶解度、 流动性的显著影响尤为重要^[27]. 淹水过程中,3种消落带植物上覆水中DOC浓度均呈峰值偏左的抛物线状变化(图 7). 上覆水的DOC浓度均在15~25 d左右达到最大值，之前各种植物上覆水的DOC浓度变化差异明显，与上覆水中DMeHg浓度上升趋势极为相似. 在缺氧的环境下，微生物能利用植物分解释放的有机质作为能量来源，对其自身的增长起到促进作用，还能提高水体甲基化速率. 同时，一旦甲基汞形成，DOC将促进它的溶解^[28]，致使上覆水DMeHg浓度上升. 上覆水DMeHg与DOC的相关性分析表明，在淹水的前30 d内,3种植物上覆水DMeHg浓度与DOC浓度均呈显著正相关关系(P<0.05)，相关系数为0.764^*~0.896^*，说明上覆水DOC浓度变化对DMeHg浓度的升高有着重要的影响，这与Hurley等^[29]的研究结果相似.

图 7

Fig. 7

图 7 植物上覆水的DOC浓度变化 Fig. 7 Variation of DOC concentration in the overlying water of the soaked plant

3种植物淹水后上覆水中DO随着淹水时间的增加呈明显下降趋势(见图 8)，这可能与系统相对缺氧的状态和植物腐解消耗水体DO密切相关，逐渐形成的厌氧环境促进了甲基汞的生成^[9]. 上覆水DMeHg与DO的相关性分析表明,3种植物上覆水DMeHg浓度与DO浓度均呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数为-0.907 ^**~-0.925 ^**，说明上覆水DO浓度变化对DMeHg浓度的升高有着重要的影响. 几种植物上覆水pH值变化趋势并不明显，淹水结束时，稗草上覆水pH值从7.82下降到6.32，狗牙根上覆水的pH值从7.82下降到6.51，玉米秸秆上覆水的pH值从7.82下降到6.61. 这与植物腐解过程中所释放出的有机酸有关，致使水体pH值下降^[24]. Nagase等^[30]研究发现，水体pH值越低，甲基汞含量越高，本试验也发现有相似结果，但其相关性不显著.

图 8

Fig. 8

图 8 植物上覆水的DO浓度变化 Fig. 8 Variation of DO concentration in the overlying water of the soaked plant

随着淹水时间的增加，3种植物残体总汞含量逐渐降低，与之对应的上覆水DHg浓度随之升高，并且两者变化趋势相反(图 9). 3种植物残体总汞含量与上覆水DHg浓度存在极显著负相关关系，Pearson相关系数范围为-0.928 ^**~-0.966 ^**(P<0.01). 表明植物淹水分解后会向水体释汞，直接促进了上覆水DHg浓度的升高. 同时，上覆水DHg浓度的改变，可能也会影响到植物残体总汞含量. 在淹水试验结束时，稗草、 狗牙根、 玉米秸秆这3种植物残体的总汞释放量分别为82.25、 51.21和32.99 ng. 同时，对应上覆水DHg增加量为34.86、 21.38、 15.51 ng，分别为植物总汞释放量的42.38%、 41.74% 和47.01%. 由此可见，植物分解所释放的汞一部分进入水体，另一部分可能被植物分解的残体颗粒所吸附.

图 9

Fig. 9

图 9 植物残体总汞与上覆水DHg关系 Fig. 9 Correlations between THg content in decomposing plant tissue and DMeHg concentration in the overlying water

(1)淹水过程中，3种植物残体总汞含量呈下降趋势，表明发生汞释放； 而植物甲基汞含量呈现上升趋势，表明发生原位甲基化，这是由于淹水环境为植物体组织内的生物甲基化提供了充裕条件.

(2)植物淹水后汞的释放和转化使得上覆水DHg、 DMeHg浓度升高，均呈现出由快到慢的上升趋势，植物分解速率是影响DHg浓度变化的主要因素； 淹水前期，上覆水DO和DOC浓度变化对DMeHg浓度的升高有着重要的影响，其相关性都达到显著水平.

(3)植物分解所释放的汞一部分进入水体，另一部分可能被植物分解的残体颗粒所吸附. 淹水结束时，稗草、 狗牙根、 玉米秸秆的上覆水DHg变化量分别为植物总汞释放量的42.38%、 41.74% 和47.01%，各植物残体总汞含量与上覆水DHg浓度存在极显著负相关关系.