2018, Vol. 39
2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
3. 中国林业科学研究院湿地研究所, 北京 100091
2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. Institute of Wetland Research, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
汞(Hg)是唯一能够在自然条件下以液态形式存在的剧毒重金属污染物[1~4], 常温下蒸发的Hg蒸气可以伴随着大气循环进行远距离的传输[5], 在全球Hg的生物地球化学循环过程中起到了重要作用[6].大气中Hg0一方面继续随着大气环流进行长距离的传播, 另一方面通过被植物吸收或氧化后以干湿沉降的方式返回陆地地表, 使生态系统受到污染[6]. Hg主要以无机Hg的形式存在于自然环境中, 通过甲基化过程转化成MeHg[7]. MeHg具有生物富集和食物链放大的作用, 对特定人群构成威胁[8, 9].非生物因素(pH、有机质等)和生物因素是影响Hg甲基化过程的重要因素[10~16]. Hg发生甲基化的甲基供体是厌氧微生物产生的甲基钴胺素[17], 所以甲基化反应常发生在厌氧环境中, 好氧环境则不利于微生物的甲基化[18~20].这些厌氧微生物的分布特征以及数量直接决定着MeHg在湿地生态系统中的富集程度[21].尽管Hg甲基化反应可以在很多环境发生, 但是沉积物和土壤是其主要场所[22~24].前人对MeHg的研究主要集中在森林土壤[25, 26]、水稻土壤[27]、水体环境[28]以及沉积物[29], 对沼泽中MeHg积累的报道相对较少.因此, 本文以大兴安岭不同湿地类型(中位沼泽、低位沼泽、岛状林、森林土)为研究对象, 分析4种湿地类型土壤MeHg含量, 通过揭示湿地环境, 尤其是沼泽湿地, MeHg的分布特征及其影响因素, 以期为湿地中Hg污染防控提供重要数据支持.
1 材料与方法 1.1 研究区域样品采集于南瓮河国家自然保护区内, 该区是大兴安岭地区湿地面积最大、资源最集中的地区.研究区域的地理位置为东经125°08′11″~125°16′38″, 北纬51°8′15″~51°10′17″, 海拔最高为460 m, 最低为420 m.湿地类型主要有森林湿地、草丛湿地、灌丛湿地、湿地岛状林、冰间湖湿地和湖泊湿地[30].湿地地形走势是西北高东南低, 南瓮河是该湿地水分的主要来源[31].
1.2 样品采集和处理2016年8月, 在大兴安岭南瓮河湿地分别采集了低位沼泽(4份样品)、中位沼泽(9份样品)、岛状林(9份样品)和森林土(10份样品)这4个不同湿地的土壤样品.用样品袋密封之后低温运回实验室, 除去土壤样品中混有的植物枯枝落叶和石头等杂质, 自然风干.
1.3 土壤基本理化性质分析土壤样品理化性质的测定参照《土壤农化分析》[32]中的方法.土壤pH采用pH计(Fe20-K)测定, 水：土=2.5：1;土壤含水率采用烘干法测定; 土壤有机质采用重铬酸钾-比色法测定; 铵态氮含量采用连续流动分析仪(AA3, 德国SEAL公司)测定, 用1 mol·L-1的KCl(国药, 优级纯)溶液浸提(液土比5：1);总碳和总氮采用元素分析仪(Vario TOC, 德国Elementar公司)测定.
1.4 土壤THg与MeHg测定THg测定：采集的土样自然风干、研磨, 过100目筛.称取0.1 g土壤样品于镍舟之中, 每个样品3个重复, 放入测汞仪(Milestone DMA-80 Direct Mercury Analyzer)进行THg分析.
MeHg测定：称取0.5 g左右过100目的土壤样品于15 mL的离心管中, 在通风橱中加入2 mL的消解液(KOH-甲醇)、涡旋, 使土壤样品和消解液充分混匀; 将离心管倾斜放在摇床上, 70℃、230 r·min-1振荡4 h, 消解过程中取出涡旋一次; 消解结束后, 冷却至室温, 用超纯水定容至12 mL; 4 000 r·min-1离心20 min.取50 μL上清液与缓冲液、乙基化试剂混合之后用全自动甲基汞仪(Model Ⅲ, Brooks Rand Labs)测定, 检出限为0.001 ng·mL-1.
实验过程采用平行实验、标准物质和空白对照进行质量控制, THg的标准物质为GBW07405(GSS-5), 参考含量为(0.29±0.03) μg·g-1, 测定值为(0.30±0.12) μg·g-1, MeHg的标准物质为ERM-CC580, 参考含量为(75±4) μg·kg-1, 测定值为(73±3) μg·kg-1. THg和MeHg的标准物质的加标回收率分别为100.5%~108.43%和94.5%~101.9%, 实验中空白值为样品测定值的1%~3%, 可忽略不计.
1.5 数据处理采用Excel 2010对数据进行汇总; SPSS 19.0软件对数据进行相关分析、单因素方差分析; Origin 9.0软件绘图.
2 结果与分析 2.1 各湿地类型土壤基本性质由表 1可以看出, 森林土的含水率低于另外3种类型, 但其有机质含量高于岛状林和中位沼泽.低位沼泽土壤的含水率、总氮、铵态氮和总碳均高于中位沼泽. 4种湿地土壤均为酸性, 其中中位沼泽地区的pH值变化范围明显高于其他3种地形, 且其有机质含量最低.
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表 1 不同湿地类型土壤理化指标的变化范围1) Table 1 Variation of the physicochemical soil index of different wetland types |
2.2 各湿地类型土壤中THg和MeHg含量
表 2为4种湿地类型中THg、MeHg含量和甲基化率(MeHg/THg)的平均值.可见, 各类型土壤中THg的平均含量均高于黑龙江省土壤环境背景值37 ng·g-1 [33].森林土和岛状林土壤中THg含量显著高于中位和低位沼泽(P＜0.05)[图 1(a)]; 森林土中MeHg含量显著低于岛状林、低位和中位沼泽(P＜0.05)[图 1(b)]; 森林土的MeHg/THg与岛状林、低位和中位沼泽存在显著性差异(P＜0.05)[图 1(c)]. MeHg与THg含量在4种湿地类型土壤中变化趋势不一致.
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表 2 4种湿地类型土壤中THg、MeHg含量和MeHg/THg值1) Table 2 Contents of THg, MeHg, and MeHg/THg in the soil of four wetland types |
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图中误差线为标准偏差, 其上方不同小写字母代表不同湿地类型之间的差异性显著(P＜0.05) 图 1 不同湿地类型下THg、MeHg含量和甲基化率 Fig. 1 Total Hg content, MeHg content and methylation rate of different wetland types |
各类型湿地土壤中MeHg含量的变异性特征如图 2所示.总体看来, 森林土中MeHg的含量低于岛状林、低位和中位沼泽.在森林土和低位沼泽区, 不同取样点之间MeHg含量的波动较小, 而岛状林和中位沼泽地区, 不同取样点之间MeHg含量的波动较大.其中, 岛状林最高浓度为3.31 μg·kg-1, 是最低浓度的41倍; 中位沼泽最高浓度为2.72 μg·kg-1, 是最低浓度的17倍.
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图 2 不同湿地类型中MeHg含量变异性特征 Fig. 2 Variation of MeHg of different wetland types |
表 3为各类型湿地土壤样品理化指标与MeHg含量、MeHg/THg的Spearman相关性分析. MeHg含量与土壤pH呈显著正相关(P＜0.05); MeHg/THg与土壤pH呈显著负相关(P＜0.01), 与土壤有机质和THg含量呈显著正相关(P＜0.05).不同湿地类型影响MeHg形成的土壤理化因子不同(图 3), 在中位沼泽地区, MeHg含量与土壤含水率(P＜0.01)、有机质(P＜0.05)、总碳(P＜0.05)、THg含量(P＜0.01)具有线性关系; 在岛状林地区, MeHg含量则与土壤pH及NH4+-N含量具有线性关系.
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表 3 湿地土壤中MeHg含量、甲基化率与理化指标的相关分析1) Table 3 Correlation analysis of the MeHg content, methylation rate, and physicochemical indexes of wetland soils |
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图 3 不同湿地土壤MeHg含量与理化指标相关分析 Fig. 3 Relationship between the content of MeHg and soil properties of different wetland soils |
有研究报道, 美国Louisiana湖泊2个不同水体沉积物中甲基化率分别为0.27%和0.5%[34], 加拿大Kejimkujik公园湿地的甲基化率达到了3.2%[35], 美国North Dakota的Lostwood野生动物保护区湖泊湿地沉积物中甲基化率为2.2%[36], 大沽河排污河道水体沉积物中甲基化率为2.4%[37].而在大兴安岭南瓮河区域4种湿地类型中, 低位沼泽的甲基化率为0.38%、中位沼泽的甲基化率为1.08%、岛状林的甲基化率为1.12%、森林土的甲基化率为0.09%.总体来看, 岛状林、中位沼泽、低位沼泽和森林土的甲基化率均低于国外湿地中的甲基化率.本课题组对若尔盖湿地土样中的MeHg也进行了测定, 发现在若尔盖湿地地区甲基化率为0.174%~3.253%, 贵州铜仁和万山水稻土的甲基化率分别为0.06%~0.17%和0.02%~0.23%(未发表数据).可见, 南瓮河区域4种湿地类型的甲基化率高于贵州铜仁、万山水稻土的甲基化率, 和若尔盖湿地的甲基化率相近.水稻土中甲基化率低于沼泽和湿地, 可能是因为水稻土存在干湿交替的现象, 淹水期间土壤中MeHg含量增加, 当稻田处于干旱时, 甲基化产物主要是二甲基汞, 导致MeHg的积累降低[38]; 湿地土壤长年浸泡在水中, 形成了稳定的厌氧环境, 使Hg甲基化反应维持在一个相对平稳的状态, 因此, MeHg含量不断积累.湿地是森林中MeHg的重要来源[39], 通过对湿地中MeHg的研究, 可以采取一些措施减少MeHg的暴露, 减少对人类的危害.
3.2 影响湿地土壤MeHg含量的主要因素本研究探讨了影响大兴安岭南瓮河4种湿地类型中MeHg含量的分布特点及其影响因素.森林土有机质含量高于另外3种地形, 但其MeHg的含量最低, 可能是由于从森林演变成沼泽的过程中, 植物凋落物中有机质的归还量逐渐减少[40], 导致土壤中有机质的含量降低; 有机质对Hg的甲基化具有双重作用, 一方面可以为微生物生存提供充足的营养物质, 另一方面能与Hg紧密结合, 降低无机Hg对甲基化微生物的生物有效性[19, 41, 42], 进而影响MeHg的含量.森林土和岛状林湿地中的碳含量明显高于低位沼泽和中位沼泽, 是因为森林生态系统是陆地生态系统最大的碳库[43].岛状林湿地土壤表面和孔隙中的水含有大量的可溶性碳, 为甲基化微生物进行代谢活动提供了充足的营养物质[40].岛状林周围沼泽中积累的MeHg随着地下水和地表水的流动转移到土壤中, 从而导致岛状林土壤中MeHg含量较高. pH与MeHg含量呈显著正相关(P＜0.05), 有研究发现, pH会影响Hg在土壤中的溶解度, 也可以间接影响Hg在土壤中的存在形态[40], 酸性土壤会增加Hg的甲基化程度, 但当pH＜4时, 易受到腐殖酸的影响, Hg的活性降低, 从而降低Hg的甲基化程度[44].本研究4种类型土壤pH的变化范围是4.78~6.77, 属于酸性土壤, 在一定程度上促进MeHg的形成.除了非生物因素之外, 微生物作用引起的Hg甲基化也逐渐受到人们的广泛关注[45], 厌氧沉积物中主要的甲基化微生物是硫酸盐还原菌, 随后又相继发现产甲烷菌和铁还原菌也具有甲基化的能力[11, 12, 46, 47].在大兴安岭4种湿地类型中, 沼泽地区的MeHg含量明显高于未沼泽(森林土)地区, 说明沼泽地区形成的厌氧环境有利于甲基化微生物的代谢活动, 长期的沼泽环境导致其较高的MeHg累积.
4 结论(1) 大兴安岭湿地中, 森林土[(117.57±32.44) mg·kg-1]、岛状林[(138.76±101.97) mg·kg-1]、低位沼泽[(71.8±1.42) mg·kg-1]、中位沼泽[(65.11±26.69) mg·kg-1]中THg的含量均高于黑龙江省土壤环境背景值, 表明该区域湿地土壤受到Hg的污染.
(2) 大兴安岭4种湿地类型中, 土壤pH是影响MeHg含量的主要因素; 森林土中MeHg的含量低于沼泽土壤; 中位沼泽地区, 土壤含水率、总碳、有机质、THg含量与MeHg含量具有线性关系, 说明这些因子也能在一定程度上影响MeHg的积累.
(3) 中位沼泽中MeHg的含量[(0.87±1.06) μg·kg-1]高于低位沼泽[(0.28±0.06) μg·kg-1], 表明沼泽形成的时间越长, 其环境越有利于Hg的甲基化.
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