汞同位素揭示了热带和亚热带森林中叶片汞（Hg0）循环机制因气候和生理因素而产生的差异

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Mercury isotopes reveal climate and physiology driven divergence in foliar Hg0 recycling mechanisms across tropical and subtropical forests

汞稳定同位素示踪结合叶片生理学参数揭示气候梯度下森林植被汞交换机制，发现干燥气候下叶片汞再排放途径由细胞内转向细胞外，导致植被汞汇减弱。

　　

孙美青|王迅|袁伟|贾龙宇|黄珍豪|冯新斌

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，中国贵阳550081

摘要

叶片与大气之间气态元素汞（Hg⁰）的双向交换仍然是全球汞循环中最大的不确定性之一。在此研究中，我们将汞的稳定同位素分析与热湿梯度下的原位叶片生理测量相结合，这些梯度涵盖了热带雨林、亚热带常绿森林和干热稀树草原，以解析控制叶片Hg⁰吸收和再释放的机制。不同的同位素差异表明，Hg⁰的吸收主要受气孔扩散和与光合作用相关的内部氧化作用驱动；而在湿润条件下，其再释放过程从细胞内（如质体或其他细胞器）的Hg(I)光还原转变为细胞外（即活质膜外的连续空间）或表面驱动的过程。在稀树草原中，被吸收的Hg⁰的再释放比例从9%系统性地增加到21%，在亚热带森林中为39–55%，在热带雨林中为61–70%，这反映了气候对叶片汞循环的强烈影响。这一基于同位素的框架直接将受气候调节的叶片生理过程与Hg⁰转化途径联系起来，为量化全球森林汞汇提供了依据。随着变暖和干旱化的加剧，叶片吸收与再释放之间的平衡可能会向增加大气中汞的滞留方向偏移，这意味着陆地汞汇可能会逐渐减弱，并可能对全球汞负荷产生正面反馈。

引言

汞（Hg）具有高度毒性，可以通过大气进行长距离跨界传输，对全球生态安全和人类健康构成重大威胁（Feng等人，2022年）。为了保护环境免受汞污染，联合国环境规划署于2013年通过了《水俣公约》，该公约于2017年生效（Feng等人，2021年）。在全球实施该公约的背景下，明确陆地生态系统中的汞源汇通量是制定国家合规政策和评估减排措施效果的关键（Zhou等人，2021年）。

森林作为大气与土壤之间的关键纽带，是全球汞循环中最活跃和复杂的组成部分之一（Wang等人，2022年）。森林叶片对大气中气态元素汞（Hg⁰）的吸收及其通过落叶的沉积是全球地表土壤汞的主要来源（Wang等人，2016年，Wang等人，2019年）。此外，森林在调节全球大气中Hg⁰的时空分布方面也起着关键作用（Jiskra等人，2018年）。然而，控制叶片-大气Hg⁰交换的机制仍知之甚少。这一知识空白阻碍了能够准确反映实际情况的生理化学模型的发展，从而无法精确限定全球植被的汞汇。

叶片与大气之间的Hg⁰交换是双向的，叶片既吸收也释放Hg⁰（Liu等人，2022年；Yuan等人，2019年）。具体而言，大气中的Hg⁰通过气孔扩散进入细胞（Laacouri等人，2013年；Liu等人，2022年），在质体内非酶促氧化为Hg(I)，然后进一步酶促氧化为Hg(II)；或者它可以在质体外直接氧化为Hg(II），之后在细胞内运输（Liu等人，2021年）。氧化后的汞在光还原为Hg⁰后也可以重新释放到大气中（Yuan等人，2019a）。因此，叶片-大气Hg⁰交换与叶片生理活动密切相关（Laacouri等人，2013年；Teixeira等人，2018年；Wohlgemuth等人，2022年）。观测研究表明，气孔导度和叶片净光合速率等生理因素是叶片Hg积累时空变化的关键驱动因素（Laacouri等人，2013年；Teixeira等人，2018年；Wohlgemuth等人，2022年）。这些特征不仅受森林内部微环境（如光照辐射、温度和湿度梯度）的影响，还受大规模气候条件的影响（Osnas等人，2018年；Rawat等人，2021年；Sun等人，2014年）。因此，叶片Hg积累的时空变化是由气候对叶片生理的调节以及森林冠层结构对叶片生理特征的调节共同驱动的（Sun等人，2025年）。因此，准确评估植被的汞汇通量需要充分考虑气候与叶片生理之间复杂的相互作用，这些相互作用控制着叶片与大气之间的Hg⁰交换。然而，关于气候-叶片生理相互作用如何调节叶片Hg⁰的吸收和再释放，仍存在定量上的知识空白。此外，传统的通量袋方法通过进出口浓度差来推断净Hg⁰通量，无法同时区分或量化这两个相反的过程，也无法阐明其背后的生化机制（Cesário等人，2021年；Choi和Holsen，2009年）。因此，在估算全球植被对大气汞的汇方面仍存在很大不确定性（Agnan等人，2016年；Wang等人，2022年；Zhu等人，2016年）。

汞的稳定同位素在汞的生物地球化学过程中表现出特征性的分馏模式，为追踪叶片-大气Hg⁰交换提供了强有力的工具（Blum等人，2014年；Sun等人，2019年）。如果Hg⁰通过气孔的传输完全由扩散控制，则预期的质量分馏（即δ²⁰²Hg）应为-1.28‰（van Groos等人，2014年）。然而，实际观测到的叶片δ²⁰²Hg值通常在-2.9‰到-3.7‰之间，显著高于大多数其他汞生物地球化学过程（Demers等人，2013年；Yuan等人，2019年；Zheng等人，2016年）。这种差异表明，叶片中Hg的氧化可能是导致显著质量分馏的原因。因此，叶片Hg质量分馏的变化可以指示Hg⁰在叶片中的氧化途径。只有少数生物地球化学过程（如光化学Hg(II)还原）会产生与质量无关的分馏（即Δ¹⁹⁹Hg和Δ²⁰¹Hg）（Blum等人，2014年；Kritee等人，2018年；Zheng和Hintelmann，2009年；Zheng和Hintelmann，2010年）。因此，Hg同位素与质量无关的分馏变化可用于追踪叶片生命周期中Hg⁰再释放的时间和强度。此外，由于叶片对Hg⁰的吸收和再释放通常不会产生与质量相关的分馏（Δ²⁰⁰Hg）（Blum等人，2014年；Yuan等人，2019年），叶片中的Δ²⁰⁰Hg可以作为大气中汞来源的可靠示踪剂。叶片中Hg的氧化还原反应本质上是由光合作用和呼吸作用产生的代谢物和酶驱动的。因此，Hg同位素的动态分馏与叶片生理过程紧密相关。我们提出，通过整合不同气候区域的Hg同位素动态与叶片生理特征，可以阐明“气候条件、植物生理以及叶片Hg吸收和再释放”之间的内在联系和反馈机制。

我们在中国西南部的三个森林生态系统中建立了研究站点，这些生态系统沿着热湿梯度分布：一个亚热带山地常绿森林（冷湿）、一个热带雨林（暖湿）和一个热带稀树草原（暖干）。我们的综合方法结合了对关键树种中Hg同位素分馏的动态监测、气象因素和叶片生理的观测。这种设计使我们能够（1）阐明气候和生理因素对叶片Hg⁰吸收和再释放的综合影响，（2）为这些代表性森林类型建立稳健的年际Hg⁰再释放比率。最后，我们讨论了气候和生理因素驱动的叶片Hg⁰循环机制差异的全球意义。

研究地点简介

研究地点描述

研究地点位于哀牢山亚热带森林生态系统研究站（ALS，北纬24°32′，东经101°01′，海拔2476米）（Yuan等人，2019年；Yuan等人，2022年）、西双版纳布崩热带雨林站（XSBN，东经101°35′，北纬21°37′，海拔711–737米）（Xia等人，2022年）和元江稀树草原生态站（YJ，东经102°11′，北纬23°28′，海拔553米）（Jin等人，2017年）。这三个森林生态系统的详细描述已在先前的研究中提供（

叶片、大气及叶片释放Hg⁰中的Hg同位素组成概述

图2和表S1-S3展示了三个森林生态系统中大气、叶片及叶片释放的Hg⁰的Hg同位素特征。总体而言，大气样本的δ²⁰²Hg值（0.51±0.33‰，n=55；配对t检验，p<0.001）显著高于叶片样本的δ²⁰²Hg值（-2.58±0.41‰，n=236；配对t检验，p<0.001），以及从叶片释放的Hg⁰的δ²⁰²Hg值（-2.24±0.80‰，n=11；K-W检验，p<0.001）。叶片和大气样本之间的δ²⁰²Hg值没有显著差异

追踪叶片Hg⁰的吸收和再释放

叶片与大气之间Hg⁰的动态交换涉及特定的反应过程，这些过程会导致明显的Hg同位素分馏（Liu等人，2022年；Yuan等人，2019年）。首先，Hg⁰通过气孔扩散会产生质量依赖的分馏（MDF）-1.28‰，而没有质量无关的分馏（MIF）（van Groos等人，2014年）。一旦进入细胞，Hg⁰会被生理过程中产生的活性氧物种（如HO·、O₂·?和¹O₂）氧化

结论与意义

本研究强调，气候通过影响叶片生理特征，导致不同森林类型中叶片Hg⁰吸收和再释放的显著差异。然而，目前全球对叶片汞汇（Chen等人，2024年；Zhou和Obrist，2021年）和落叶中Hg沉积通量的估计（Wang等人，2016年）并未考虑到这些过程的双向性质。使用模拟的热带和亚热带湿润阔叶林的Hg⁰再释放比率

CRediT作者贡献声明

孙美青：撰写——初稿撰写、调查、数据分析、概念构建。王迅：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、数据分析。袁伟：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、数据分析。贾龙宇：撰写——审稿与编辑、软件使用、数据分析。黄珍豪：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构建。冯新斌：撰写——审稿与

数据获取

数据可通过Mendeley Data获取，网址为：https://doi.org/10.17632/vbk5g868xg.1

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了国家自然科学基金（42394093、42377255和42577297）、贵州省科技项目（CXTD[2023]023）以及中国科学院地球化学研究所科技创新发展基金（2024-03）的支持。作者感谢位于哀牢山的国家森林生态系统研究站、西双版纳的国家森林生态系统研究站和元江稀树草原生态系统研究站的帮助