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汞固定机制与植被调控研究在喀斯特地区取得新进展，森林土壤汞富集最显著（表层>110 μg/kg，汞剖面富集指数154.5%），稳定有机碳（MAOC）主导汞固定（占比84.2%），植被恢复通过增强铁-有机复合体吸附提升汞稳定性，为喀斯特生态治理提供依据。
杨丽萍|徐久东|宋宇|埃马纽埃尔·阿科姆|何云峰|杜佐·梅·纳穆|王傲宇|张辉|夏继成
教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，贵州大学资源与环境工程学院，贵阳550025，中国
摘要
植被主要通过形成和转化土壤有机碳（SOC）库来调节土壤中汞（Hg）的封存，但这种控制机制的量化仍不够充分，尤其是在生态脆弱的喀斯特地区。我们在一个典型的喀斯特流域中，结合总汞（THg）、溶解态汞（DHg）、矿物相关有机碳（MAOC）、颗粒有机碳（POC）、铁相关有机碳（Fe-OC）以及稳定碳和氮同位素的测量数据，使用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）和多元非线性回归分析（MNRA），研究了耕地、草地和林地土壤剖面中汞的分布和形态。研究表明，林地土壤积累的汞最多，表层土壤中的汞浓度超过110 μg/kg，汞的剖面富集强度（PEI_Hg）超过154.5%，这是由于矿物相关有机碳的积累（M-Hg/THg：84.2 ± 6.1%）。从耕地到林地的植被演替过程中，铁相关有机碳在汞保留中的作用显著增强，表明矿物吸附是喀斯特系统中关键的封存途径。植被覆盖度、土壤深度、pH值和铁氧化物（Fed）共同通过调节SOC组成来影响汞的积累：稳定的SOC有助于持续封存汞，而易分解的SOC可能会释放被固定的汞并促进其迁移。全球文献数据显示，在未受污染地区，土壤汞与SOC之间的决定系数（R^2）（0.49 ± 0.32）远高于高度污染地区（0.14 ± 0.19），这表明受污染地区的汞-C耦合机制可能受到地质背景和外来输入等额外因素的影响。本研究表明，在SOC缺乏的生态脆弱喀斯特地区，植被恢复过程可以通过促进SOC的形成，有效封存土壤中的汞并抑制其向大气或水体的迁移。这一发现为制定以植被恢复为导向的土地利用管理和生态恢复策略提供了重要的科学依据。
引言
汞是一种具有高毒性和长距离传输潜力的全球污染物[1]，其环境和影响受到了广泛关注。汞会抑制植物生长并扰乱微生物代谢[2]，而甲基汞通过食物链发生生物放大作用，对人类神经系统和肾脏造成不可逆的损害[3]、[4]，从而构成重大健康风险[5]。在全球汞循环中，汞以Hg^0的形式稳定存在于大气中，并进行长距离传输。它通过干沉降、湿沉降和落叶等过程不断进入土壤，使土壤成为重要的汞汇[6]、[7]、[8]。全球土壤中的汞总量估计约为1000 Gg[9]，土壤中的汞还可能通过挥发、径流和作物吸收转化为排放源，对环境构成持续威胁[10]、[11]。尽管《水俣公约》的实施导致全球人为汞排放量显著下降，但每年仍有约200 Mg汞从土壤重新释放到大气中[9]，因此了解土壤对汞的保留能力和稳定性对于评估二次污染风险和确保长期环境安全至关重要。
植被是大气与土壤之间的关键纽带，森林作为大气中Hg^0的重要全球汇[7]、[12]。植被-土壤相互作用不仅决定了汞的输入，还通过调节SOC影响汞的生物可利用性和环境风险[12]、[13]。落叶的分解提供了富含功能团的有机碳，从而增强了汞的吸附和保留[14]、[15]。多项研究一致显示SOC与汞之间存在强烈的正相关[16]、[17]、[18]、[19]，但这种关联的环境影响具有双重性。土壤有机碳可以通过-COOH和-SH基团与Hg^2+结合形成稳定的SOC-Hg复合物[20]、[21]、[22]、[23]、[24]，促进土壤团聚体的形成并将汞封存在微观结构中[25]，从而降低汞的迁移性和生物可利用性。溶解态有机碳可以通过与汞竞争矿物吸附位点来增加溶解态汞的比例[26]。此外，SOC还通过调节甲基化汞的微生物活性来影响汞的形态[27]。这在喀斯特峰丛洼地尤为明显，有机-矿物复合物使土壤中的汞浓度比斜坡地高出10到40倍[28]。同时，SOC组分的不同为阐明喀斯特土壤中的汞积累提供了重要的分类框架[20]。因此，在植被覆盖度发生显著变化的背景下，SOC组成（包括POC（>53μm）和MAOC（<53μm）[20]、[29]）的变化如何调节汞的封存稳定性和潜在释放风险，仍是一个需要进一步深入研究的关键问题。碳和氮同位素（δ^13C、δ^15N）的自然丰度是表征这些生物地球化学过程的强大天然示踪剂[30]、[31]。这些同位素被广泛用于区分有机物来源、量化微生物活动并阐明养分循环[32]、[33]，从而为揭示喀斯特土壤中的汞积累模式提供了有价值的工具[32]。
喀斯特地区具有浅层土壤和脆弱的生态系统[34]、[35]，土壤侵蚀容易促进汞从土壤向水体的迁移。这一特性使得植被-土壤-汞的耦合关系尤为独特和关键。贵州省是中国典型的喀斯特地区，也是长江上游和珠江流域的生态屏障[36]，属于全球汞矿化带，具有独特的汞地质特征[37]。该地区的土壤天然汞背景值（0.11 mg/kg）显著高于全国平均水平（0.065 mg/kg）[38]，表明该地区的土壤具有较高的汞释放潜力。之前应用于汞污染矿区的技术，如植物修复和活性炭吸附，在一定程度上减轻了汞的迁移[39]。然而，汞封存的长期稳定性仍是一个具有挑战性的研究焦点。在过去二十年里，得益于大规模生态项目的实施[40]，贵州省的森林覆盖率显著增加，从1990年的14.8%增加到2024年的63.3%[41]，使中国西南部的喀斯特地区成为全球绿化热点[42]。这种大规模的植被恢复改变了地表植被结构和SOC库。然而，目前仍缺乏关于植被恢复是否降低了环境汞风险或增加了其潜在释放风险的系统评估。尽管之前的研究已经量化了森林生态系统中的汞库和通量[8]、[43]，但SOC动态驱动汞封存的机制仍不清楚，特别是在对环境变化敏感的喀斯特地区，且缺乏全剖面土壤分析[44]、[45]。
为了解决这些问题，本研究选择了陈奇流域作为研究地点，这是一个典型的脆弱喀斯特流域。通过结合详细的土壤剖面测量和PLS-SEM及MNRA分析，我们研究了植被介导的SOC动态控制汞封存和稳定性的主要途径。这些结果将加深对喀斯特地区及类似特征地区汞生物地球化学循环的理解，为制定可持续的土地利用策略以降低区域汞暴露风险提供科学依据。
研究地点和采样
陈奇流域面积约为1.69平方公里（图1），位于贵州省普定县，地质汞背景较低。普定县位于东经105°27′–105°58′，北纬26°09′–26°31′之间。
该县位于长江和珠江流域之间，以丘陵地形为主，是典型的喀斯特地区，存在严重的岩石荒漠化现象[46]。研究区域属于亚热带季风气候（年平均温度：15.1°C；平均
不同植被覆盖下喀斯特土壤中汞的空间分布特征
研究区域的土壤pH值范围为5.68至8.16，属于微酸性至弱碱性范围（表S7）。土壤剖面中的汞浓度范围为8.07 μg/kg（P12）至146.17 μg/kg（P17），平均±标准差为82.05 ± 27.89 μg/kg（表S8）。这表明该地区属于地质背景较低的地区。研究区域的表层土壤（0-10 cm）表现出显著的汞富集现象，不同
结论
本研究表明，植被覆盖度通过调节SOC动态显著控制土壤中汞的积累。林地表现出最强的地表汞富集，剖面富集指数（PEI_Hg）为154.5%，远高于草地（85.0%）和耕地（34.8%）。矿物相关有机碳（MAOC）是汞封存的主要驱动力，占SOC库的71.1 ± 9.7%，并封存了84.2 ± 6.1%的THg。因此，生态恢复促进了汞的封存
环境意义
基于以大气沉降为主要汞来源和未受污染或轻度污染条件的区域尺度，本研究建立的实证模型为：Y = 63.5436 × 深度^0.0274 × 铁相关有机碳（Fe-OC）^0.1388 × 矿物相关有机碳（MAOC）^0.6864 × 颗粒有机碳（POC）^0.0365（图7b），量化了SOC组分对汞封存的差异贡献，特别强调了MAOC的核心正向贡献（指数0.6864）。这为改进现有的全球汞耦合模型提供了两个关键界面
环境意义
本研究表明，植被恢复通过增加稳定有机碳和增强铁-有机结合物上的汞吸附作用，提高了喀斯特土壤中的汞储存量。这对于像贵州这样的脆弱喀斯特地区具有重要的生态意义，表明恢复项目可以同时加强碳和汞的汇，减少汞的迁移和甲基化风险。在全球范围内，它为评估恢复区域（如“ Grain for Green”项目）中的汞循环提供了框架。
CRediT作者贡献声明
埃马纽埃尔·阿科姆：撰写 – 审稿与编辑，方法学。宋宇：方法学，调查。徐久东：方法学，调查。杨丽萍：撰写 – 初稿，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理。夏继成：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。张辉：撰写 – 审稿与编辑，方法学。王傲宇：方法学，调查。杜佐·梅·纳穆：方法学，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢徐晓航博士为本研究提供采样设备。本工作得到了国家自然科学基金（42107497）、环境地球化学国家重点实验室（SKLEG2024201）、贵州大学特殊自然科学研究基金（2023 [51]）以及贵州省2021年科技补贴项目（GZ2021SIG）的支持。
