加拿大东部大规模苔藓监测大气痕量元素：空间分布模式、生态风险及环境驱动因素

《Environmental Pollution》：Large-scale bryomonitoring of atmospheric trace elements in eastern Canada: Spatial patterns, ecological risk, and environmental drivers

　　

Mia Courville-Todorov | Olivier Clarisse | Mélanie Jean

蒙克顿大学生物系，加拿大蒙克顿

摘要

大气中微量元素的沉降是扩散性环境污染的主要途径，影响着广阔空间范围内的生态系统，但在许多人口稀少地区，这一过程仍缺乏充分的了解。本研究是北美首次大规模、高分辨率的苔类监测调查，旨在评估加拿大新不伦瑞克省的大气微量元素沉降情况。根据ICP-Vegetation方案，在涵盖多种生态系统的205个地点采集了Pleurozium schreberi苔类样本，并收集了有关气候、植被、土地使用和基质条件的现场数据，使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析了22种元素。通过普通克里金法绘制了元素的空间分布图，并将其纳入生态风险指数，结果显示整个省份的整体风险较低。然而，发现几种有毒微量元素（As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn）存在明显的南北梯度，同时还存在Cd-Hg-Pb-Zn共现的现象，这指出了未来研究排放源和传输途径的重点区域和元素组合。多元分析表明，环境变量（如降水、pH值、距离道路的距离）解释了浓度变异的6.1%，而单变量分析则揭示了各元素的特异性响应。在局部和区域尺度上都存在的显著空间异质性强调建立本地基线值的重要性，以支持长期监测和检测时间变化。总体而言，这项工作为北美未来的苔类监测工作提供了方法论和概念基础，有助于更好地评估大气污染物的时空趋势，并为大规模评估累积沉降和生态风险提供支持。

引言

尽管近几十年来空气污染治理取得了显著进展，但大气污染仍是全球范围内重要的环境问题（Sicard等人，2023年）。常规空气质量监测网络主要在固定监测站点测量气态污染物（CO、NO_X、O₃、SO₂、VOC）和颗粒物（PM_2.5、PM₁₀）（美国环境保护署，2016年；加拿大政府，2024年）。然而，很少包括微量元素的测量，这限制了对其大气沉降、空间累积模式和生态风险的分析。此外，由于后勤和资金限制，监测网络主要分布在城市地区，导致农村和偏远地区的监测不足（Novák等人，2020年）。这种局限性在人口密度低的国家和地区尤为明显，例如加拿大，这些地区的大气微量元素沉降模式尚未得到充分研究。

利用苔类进行被动生物监测是一种有效且经过广泛验证的方法，可以补充仪器监测，尤其是在缺乏密集监测基础设施的地区（Chaudhuri和Roy，2024年）。苔类非常适合这一用途，因为它们没有维管系统和根系，直接从湿气和干空气中吸收养分。通过细胞壁和膜上的离子交换过程，苔类积累了多种元素，从而能够评估多元素沉降模式（Rühling和Tyler，2001年；Chaudhuri和Roy，2024年）。光合苔类配子体中的元素浓度整合了多年来的大气沉降信息，提供了时间累积的测量结果（Berg等人，1996年）。因此，苔类调查可以绘制出微量元素沉降的空间分布图，并在区域到大陆尺度上确定背景值（Holy等人，2010年）。

自20世纪90年代以来，欧洲通过ICP-Vegetation大气重金属沉降计划开展了多次大规模苔类调查，提供了对陆地生态系统大气沉降的可靠评估（Holy等人，2010年；Harmens和Frontasyeva，2019年）。目前全球约有50个国家参与这一标准化项目，由此产生的数据集用于评估空间梯度、识别污染源地区、建立基准条件，并支持空气污染缓解政策（Harmens等人，2015年；Hayes等人，2025年）。该计划通过标准化的站点选择标准和目标苔类物种确保了研究之间的可比性，并证明苔类中微量元素浓度空间模式主要受模拟的大气沉降模式影响（Holy等人，2010年；Lequy等人，2017年；Harmens和Frontasyeva，2019年）。同时，考虑降水量、土壤性质、岩性和冠层结构等环境协变量可以更精确地解释不同环境下的累积模式（Lequy等人，2017年）。

相比之下，北美标准化苔类监测的应用仍然有限。现有研究主要集中在局部尺度模式（Rinne和Estrup，1980年；Wilkie和La Farge，2011年；McDonough等人，2022年；Michel等人，2025年）、污染源导向的研究（Shotyk和Cuss，2019年；Cowden和Aherne，2019a）或环境因素对苔类中元素积累的影响（Michel等人，2024年；Chaligava等人，2025年）。迄今为止，北美尚未开展过大规模的标准化苔类调查，导致缺乏统一的基线数据，限制了区域或国家尺度上的空间模式、时间趋势和生态风险的评估。

为填补这一关键空白，我们根据ICP-Vegetation方案在北美实施了首次省级高分辨率苔类生物监测调查，以评估大气微量元素的沉降。加拿大新不伦瑞克省拥有多样的生态系统、复杂的地质环境、复杂的土地利用历史以及多种本地和远距离污染源（Zelazny等人，2007年），是区分区域背景沉降和局部影响的理想场所。通过收集来自多种生态系统的Pleurozium schreberi样本（n=205），我们（1）量化了22种微量元素的积累情况，并绘制了九种选定元素的空间分布图及综合生态风险指数；（2）评估了关键生物和非生物因素对苔类中元素浓度的影响；（3）评估了从局部到省级的变异性，以建立未来时空监测的可靠基线值。通过结合标准化的ICP-Vegetation框架并明确整合环境协变量，本研究提供了北美大气微量元素沉降的第一个地质统计学上有效的、大规模评估，并为长期监测和基于风险的环境管理建立了方法论基准。

部分摘录

研究区域

本研究在加拿大东部的新不伦瑞克省进行，该省面积为72,908平方公里，人口约为86万（图S1）。该省属于Wabanaki-Acadian森林的一部分，这是一个位于北方-温带生态过渡带上的区域，以冷杉（Abies balsamea）、黑云杉（Picea mariana）、红枫（Acer rubrum）和颤杨（Populus tremuloides）为主的混交林地（Zelazny等人，2007年）

微量元素浓度

在所有采样点中，99 ± 1%（均值±标准差）的样本中元素浓度超过了检测限（LOD）。铬（Cr）的检测频率最低，但在95%的样本中仍高于LOD。同样，91 ± 18%的样本中铬（Cr）、锂（Li）和铝（Al）的浓度超过了定量限（LOQ）（表S5）。

总体而言，各个元素的浓度范围与在偏远地区进行的大规模苔类生物监测研究中的结果相当（

大气沉降和相对污染压力

新不伦瑞克省整体较低的生态风险反映了该地区低排放、低人口密度的特征，对应着较低的大气微量元素浓度（表1）。这些元素的浓度与北部偏远地区报告的结果相当，但远低于受城市工业或采矿影响的地区（例如，Rühling和Tyler，2001年；Michel等人，2024年；Zhou等人，2017年；Gatina等人，2024年）。

结论

本研究首次全面评估了北美一个大范围内的大气微量元素沉降情况。通过建立地质统计学上稳健的基线数据，解决了长期以来在空间覆盖范围和研究间可比性方面的问题，这限制了区域到大陆尺度上的大气沉降评估。观察到的显著异质性（最小和最大RI值之间有七倍的差异）突显了……

作者贡献声明

Mia Courville-Todorov：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学研究、数据整理、概念化。Olivier Clarisse：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法学研究、数据分析。Mélanie Jean：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源协调、项目管理、方法学研究、资金申请、数据分析、概念化

加拿大环境与气候变化部，2024b；新不伦瑞克省政府 - 环境与地方政府部，2022年；新不伦瑞克省政府 - 自然资源与能源发展部，2023年；Jean等人；美国环境保护署，2016年；Vergel等人，2022年；世界卫生组织，2007年。

本研究得到了新不伦瑞克环境信托基金（ETF；201295、220092、230064）、新不伦瑞克创新基金会（NBIF、TRF（2021-005）以及蒙克顿大学的支持。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

作者感谢Janelle Bourgeois、Nicolas Paquet、Maurane Bourgouin、Antony Thériault和Gabriel Dekker在数据收集和处理方面的帮助，感谢Alexandre Landry和Samuel Banville在化学分析方面的协助，以及Guillaume Fortin在ArcGIS软件使用方面的支持。