全球主要森林系統(tǒng)中植被汞分布特征及其影響因素

李 鑫,常順利*,王 訓(xùn),袁 巍,張毓?jié)?/p>

全球主要森林系統(tǒng)中植被汞分布特征及其影響因素

李 鑫1,常順利1*,王 訓(xùn)2,袁 巍2,張毓?jié)?

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830046；2.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴州 貴陽(yáng) 550081；3.新疆林科院森林生態(tài)研究所,新疆天山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,新疆 烏魯木齊 830063)

基于過(guò)去20a全球森林植被中汞循環(huán)過(guò)程的相關(guān)研究,本文通過(guò)薈萃分析法闡明全球主要森林類型中植被汞分布特征及其影響因素.結(jié)果表明,汞在植被中濃度排序特征(以中值計(jì))依次為凋落物(38.9ng/g )>葉片(24.1ng/g)>樹根(18.5ng/g)>樹皮(13.2ng/g)>樹枝(12.0ng/g)>樹干(3.1ng/g).其中,凋落物與葉片汞濃度具有極顯著相關(guān)性(rho=0.747,<0.01,rho spearman相關(guān)系數(shù),且與樣本數(shù)量有關(guān),下同);葉片與樹干具有顯著相關(guān)性 (rho=0.265,<0.05);而其余組織間無(wú)相關(guān)性(>0.05).上述的相關(guān)性主要受控于植被葉片吸收大氣零價(jià)汞,從葉片由上而下傳輸?shù)綐淠灸举|(zhì)部的過(guò)程.其次,常綠闊葉林的葉片汞濃度(中值:56.0ng/g,下同)高于針葉林(25.5ng/g)、闊葉落葉林(23.0ng/g)和紅樹林(18.6ng/g).這是由于在氣孔導(dǎo)度、氣孔數(shù)量、葉面積與葉壽命等因素綜合影響下,常綠闊葉林葉片汞富集的能力最強(qiáng).地區(qū)間植被汞濃度差異明顯(如葉片汞濃度變化區(qū)間:0.90～225ng/g),其最主要原因是地區(qū)間植被類型與大氣汞濃度差異引起的.本研究為進(jìn)一步量化全球森林植被汞儲(chǔ)庫(kù)與認(rèn)識(shí)全球森林系統(tǒng)汞循環(huán)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與基本認(rèn)識(shí).

全球森林；汞濃度；影響因素；相關(guān)性；薈萃分析

汞是一種生物毒性極強(qiáng)的重金屬污染物,能夠通過(guò)大氣環(huán)流而進(jìn)行長(zhǎng)距離跨國(guó)界傳輸[1].自工業(yè)革命以來(lái),人類活動(dòng)造成的汞排放使得全球大氣汞濃度較工業(yè)革命前增加了3倍左右,對(duì)人類健康、自然生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等造成了嚴(yán)重威脅[2-3].

依據(jù)物理化學(xué)性質(zhì),汞在大氣中可分為3種主要形態(tài),即:氣態(tài)單質(zhì)汞(GEM)、活性氣態(tài)汞(RGM)和顆粒態(tài)汞(PBM)[4].GEM約占大氣汞的90%～95%以上,而PBM占比通常在5%～10%以下,RGM占大氣總汞的1%～3%[5].RGM與PBM化學(xué)性質(zhì)活潑,能夠通過(guò)干濕沉降的方式快速地從大氣中去除,進(jìn)而固定到地表和海洋生態(tài)系統(tǒng)中;而GEM化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且不溶于水,在大氣中滯留時(shí)間可達(dá)約0.5～1.5a[4].目前研究表明,大氣中GEM主要以干沉降的途徑進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)中[3],如通過(guò)葉片氣孔吸收或表皮吸附大氣汞(Hg0),固定在葉片中,以凋落物的方式進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)[6].此外,GEM還可通過(guò)太陽(yáng)輻射、大氣活性自由基與大氣氧化物等的作用下轉(zhuǎn)化為RGM,或吸附于顆粒物形成PBM,經(jīng)降水沉降過(guò)程或顆粒物直接干沉降過(guò)程,進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)[7].沉降到森林系統(tǒng)的汞,隨地表徑流、地下滲流等水文過(guò)程而進(jìn)入下游的水生生態(tài)系統(tǒng),經(jīng)生物的甲基化過(guò)程,甲基汞沿食物鏈的生物放大效應(yīng),可對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅[8].

森林生態(tài)系統(tǒng)約占全球陸地總面積的31%[9],是全球汞循環(huán)中最為活躍的區(qū)域之一.全球森林生態(tài)系統(tǒng)每年能夠以凋落物的形式從大氣中轉(zhuǎn)移1000～1200t汞進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)中,約占全球大氣汞儲(chǔ)庫(kù)的20%.最新的研究表明,全球森林能夠從大氣中轉(zhuǎn)移的汞總量能夠達(dá)到3000t以上[10].森林吸收大氣汞過(guò)程能夠顯著地影響北半球大氣汞含量,即森林生態(tài)系統(tǒng)的分布在一定程度上決定著全球大氣汞濃度分布規(guī)律[11].因此,厘清森林生態(tài)系統(tǒng)汞生物地球化學(xué)過(guò)程是認(rèn)識(shí)全球汞循環(huán)及評(píng)估汞污染環(huán)境健康效應(yīng)的基礎(chǔ).

圖1 文獻(xiàn)報(bào)道的全球主要森林生態(tài)系統(tǒng)的采樣點(diǎn)分布圖

本文基于前人開展的大量關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)中植物葉片、凋落物、樹干等植被重要端源汞濃度的相關(guān)研究,采用薈萃分析法在全球尺度下,分析對(duì)不同植被組織中的汞濃度分布特征及相關(guān)性,研究植被類型與不同地區(qū)間的植被汞的濃度差異及其潛在影響因素,以期為全球森林汞循環(huán)研究提供數(shù)據(jù)支持.

1 研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究方法

本文收集并建立了全球范圍內(nèi)背景地區(qū)(指無(wú)明顯受到人為大點(diǎn)源影響的森林區(qū)域)植被中汞的濃度分布特征數(shù)據(jù)庫(kù),主要運(yùn)用薈萃分析法開展分析.以森林汞為研究主題確定搜索關(guān)鍵詞,如汞、森林、樹葉、,在Springerlink、PubMed、Sciencedirect等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索1996～2020年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn),初步篩選得到108篇文獻(xiàn).按需求(包含作者、汞濃度、標(biāo)準(zhǔn)差、端源、物種、位置類型、位置名稱、地區(qū)、經(jīng)度、維度、海拔、題目、森林類型、樣本數(shù)量、測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、數(shù)量來(lái)源、備注等共18個(gè)要素)把信息整理分類.數(shù)據(jù)庫(kù)中研究站點(diǎn)共收集到160個(gè)(圖1),數(shù)據(jù)庫(kù)中39%的數(shù)據(jù)報(bào)道了樹木葉片中汞濃度,39%的數(shù)據(jù)報(bào)道了樹木凋落物中汞濃度,6%的數(shù)據(jù)報(bào)道了樹根中汞濃度,5%的數(shù)據(jù)報(bào)道了樹皮的汞濃度,7%的數(shù)據(jù)報(bào)道了樹干中汞濃度,4%的數(shù)據(jù)報(bào)道了樹枝中汞濃度.位置類型分為偏遠(yuǎn)地區(qū)、城市郊區(qū)、城市以及污染區(qū)(本文主要討論偏遠(yuǎn)地區(qū)).按地區(qū)來(lái)源分布,數(shù)據(jù)庫(kù)中28%的數(shù)據(jù)來(lái)自東亞,40%的數(shù)據(jù)來(lái)自北美,7%的數(shù)據(jù)來(lái)自南美,7%的數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲,以及1%的數(shù)據(jù)來(lái)自其他地區(qū).按森林類型分布,數(shù)據(jù)庫(kù)中27%的數(shù)據(jù)來(lái)自針葉林,37%的數(shù)據(jù)來(lái)自闊葉落葉林,16%的數(shù)據(jù)來(lái)自常綠闊葉林,16%的數(shù)據(jù)來(lái)自紅樹林,4%的數(shù)據(jù)來(lái)其他類型(主要包括苔蘚、地衣、草地等).數(shù)據(jù)來(lái)源主要指來(lái)源于文獻(xiàn)中的圖或表.

1.2 數(shù)據(jù)處理

本文采用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步收集與整理,采用IBM SPSS statistics 21軟件完成相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 2018、EXCEL、ArcGIS 10.2.1完成圖表制作.主要統(tǒng)計(jì)方法采用Kolmogorov- Smirnov檢驗(yàn)與Levence檢驗(yàn)對(duì)樣本進(jìn)行正態(tài)性與方差齊性檢驗(yàn).數(shù)據(jù)收集后預(yù)處理分析結(jié)果表明,當(dāng)前收集的數(shù)據(jù)不具正態(tài)性與方差齊性.因此,本文對(duì)不同植被類型以及不同地區(qū)的汞濃度進(jìn)行顯著性分析采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn),探討植被組織之間汞濃度相關(guān)性及其影響因素時(shí)采用線性回歸分析與Spearman相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 森林植被汞濃度分布及影響因素

2.1.1 植被中汞濃度分布特征 植被不同端源中汞濃度分布遵從如下規(guī)律(以中值排序):凋落物38.9ng/g(四分位值范圍(IQR):31.0～52.3ng/g,均值:(48.2±32.5)ng/g)>新鮮葉片24.1ng/g (IQR:14.4～40.9ng/g,均值:(31.8±27.9)ng/g)> 18.5ng/g(IQR:7.0～45.0ng/g,均值:(29.5±27.6)ng/g)>樹皮13.2ng/g (IQR:5.0～23.8ng/g,均值:(26.0±44.4) ng/g)>樹12.0ng/g(IQR:6.2～19.0ng/g,均值:(14.0±11.1)ng/g)>樹干3.1ng/g(IQR:1.7～9.5ng/g,均值:(6.7±7.2)ng/g) (圖2).

圖2 全球植被組織汞濃度分布

箱體上相同字母表示無(wú)顯著性差異(>0.05) ;箱體中黑色方框代表均值;箱體中橫線代表中值;()表示樣本數(shù)量;折線為均值連接線

目前研究表明,植物體中的汞來(lái)源主要包括:通過(guò)葉片氣孔攝入葉片細(xì)胞內(nèi)、角質(zhì)層吸附在葉片表面、樹皮表面吸附的大氣汞以及樹木根部從土壤吸收的汞[12].凋落物汞濃度高于葉片汞濃度,且表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(rho=0.747,<0.01,rho: Spearman相關(guān)系數(shù)與樣本數(shù)量N有關(guān),下同,圖3(a)所示).這主要是由于以下兩個(gè)原因造成的.一是,植物生長(zhǎng)過(guò)程中植被葉片持續(xù)地從大氣中吸收/吸附汞[13-14],自然條件下植物葉片能夠在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)表現(xiàn)為汞濃度線性增長(zhǎng)[14].二是,樹葉凋落過(guò)程中,老葉中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至其他組織,而汞在樹葉中移動(dòng)性很差,故而凋落物的單位質(zhì)量減輕,使得凋落物汞濃度升高[15].汞在葉片和凋落物中濃度最高,根次之.其主要原因是,植被葉片中汞主要來(lái)源于大氣中吸收/吸附過(guò)程,其次是植物根系從土壤中吸收汞的過(guò)程.這一分布規(guī)律表明,汞在植物中的來(lái)源及遷移轉(zhuǎn)運(yùn),可能明顯不同于其他重金屬元素(如鉛、鎘等)[16-17]受蒸騰作用驅(qū)動(dòng)下自下而上的遷移模式.葉片與樹干汞濃度之間的相關(guān)性(rho=0.265,<0.05,圖3(b)),雖然在統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)上表現(xiàn)為顯著,但并不具有極顯著相關(guān)性關(guān)系(rhp<0.5).這表明,一方面樹葉中汞可遷移傳輸至樹干中;另一方面,樹干的汞濃度并不與樹葉中的汞表現(xiàn)為強(qiáng)的線性關(guān)系,其主要受制于傳輸過(guò)程、植物的生理特性及樹木徑向生長(zhǎng)的質(zhì)量稀釋效應(yīng)等因素的綜合影響[18].葉片與其他部位間汞濃度無(wú)相關(guān)性(葉片與樹皮:rho=0.309,圖3(c),>0.05;葉片與樹枝: rho=0.009,圖3(d);樹干與樹皮: rho= 0.196,>0.05,圖3(f)).其潛在原因是樹皮、樹干等部位生物量的稀釋效應(yīng)以及樹皮等部位存在額外來(lái)源的汞,如樹皮表面吸附汞.而根中汞濃度與地上部位汞濃度無(wú)相關(guān)性(葉片與根:rho=0.171, 圖3(e),>0.05),其主要原因是根部的汞難以向上遷移.這與先前的室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合,如基于添加汞同位素的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,植物根系能夠傳輸至植物地上部分的汞的量極少(僅占根部的汞總量<1%)[19].

2.1.2 不同森林類型植被葉片與凋落物中汞濃度分布特征 森林植被吸收大氣汞的潛力,主要受大氣汞濃度及不同類型森林植被功能性狀共同決定.野外通量袋實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)均表明植被葉片汞濃度與大氣汞濃度呈線性正相關(guān)[20-22].葉片功能性狀的差異,如葉片表面積擴(kuò)增[13],氣孔密度增加[22],凈光合速率增長(zhǎng)[23],氣孔導(dǎo)度[22, 24]提升,葉片生長(zhǎng)周期[14,25]增加等均能夠促進(jìn)植物葉片汞濃度提升.除了環(huán)境因素,如溫度[26],太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(特別是紫外線)[27],大氣湍流[28]等因素能夠影響植物葉片積累汞的過(guò)程以外,葉片內(nèi)物質(zhì)的化學(xué)活性,如過(guò)氧化氫酶活性[29]和抗壞血酸濃度變化[30],均能影響葉片氧化或者還原汞的過(guò)程,進(jìn)而引起葉片中汞濃度的改變.

圖3 不同植被組織間汞濃度相關(guān)性分析

相關(guān)性分析采用Spearman相關(guān)性分析法;rho:表示Spearman相關(guān)系數(shù);表示樣本數(shù)量

全球的分析結(jié)果也表明森林植被類型被是驅(qū)動(dòng)植被葉片及凋落物中汞濃度分布特征的重要影響因素.全球不同森林類型植被葉片汞濃度(中值)分布情況依次為:常綠闊葉林的中值為56.0ng/g (IQR:32.0～87.4ng/g,均值:(65.2±46.9)ng/g)>針葉林中值為25.5ng/g(IQR:14.1～41.3ng/g,均值:(29.5±19.9) ng/g)>闊葉落葉林中值為23.0ng/g(IQR:12.6～39.1ng/g,均值:(19.9±9.2) ng/g)>紅樹林中值為18.6ng/g,(IQR:13.6～24.7ng/g,均值: (26.5±12.6) ng/g) (圖4a);凋落物汞濃度(中值)依次為:常綠闊葉林(中值:57.0ng/g,IQR:40.0～85.0ng/g,均值: (65.0±36.1) ng/ g)>闊葉落葉林(中值:39.9ng/g,IQR:33.4～49.9ng/g,均值: (47.6±38.6) ng/g)>針葉林(中值:38.4ng/g,IQR: 21.0～54.9ng/g,均值:(45.1±24.6) ng/g)>紅樹林(中值:33.5ng/g,IQR:29.8～36. ng/g,均值: (34.9±9.9ng/g) (圖4b).

常綠闊葉林葉片與凋落物汞濃度顯著高于其他植被類型葉片和凋落物中汞濃度(<0.05, Kruskal-Wallis檢驗(yàn),下同),其主要原因是:常綠闊葉林葉片具有較大的葉面積、較多的氣孔數(shù)量、較長(zhǎng)的葉周期(闊葉落葉林葉周期小于1a,常綠闊葉林通常為1～2a,針葉林通常為2～5a[31]),以及常綠闊葉林葉片較高的氣孔導(dǎo)度[32].上述因素均有利于常綠闊葉林植物葉片對(duì)于大氣汞的吸收/吸附過(guò)程.此外,常綠闊葉林多存在熱帶/亞熱帶等氣候濕潤(rùn)、水熱條件配合良好的地區(qū)[33],導(dǎo)致植被葉片一年內(nèi)呼吸與光合作用時(shí)間較長(zhǎng)、強(qiáng)度較高,因此葉片汞積累量明顯多于針葉林及落葉闊葉林等.紅樹林葉片與凋落物汞濃度顯著低于其他森林類型中相應(yīng)樣品汞濃度(<0.05),其原因可能是紅樹林植被多生長(zhǎng)于海陸潮汐帶,海陸間大氣環(huán)流等過(guò)程有利于大氣汞污染的消散,導(dǎo)致大氣汞濃度較低(植被葉片中汞濃度一定程度上受制于大氣汞濃度[34]),進(jìn)而導(dǎo)致紅樹林葉片汞濃度較低.闊葉落葉林和針葉林葉片得凋落物汞濃度無(wú)顯著差異(>0.05)(圖4),其原因可能是針葉林葉片較長(zhǎng)的葉生命周期抵消了大氣汞濃度以及葉性狀差異(如氣孔導(dǎo)度、氣孔數(shù)量、葉面積等)的影響[35].總的來(lái)說(shuō),全球森林植被的葉片、凋落物汞濃度是大氣汞濃度,氣候特征以及植被葉片功能性狀共同作用的結(jié)果.

圖4 不同森林類型葉片與凋落物汞濃度分布

箱體上相同字母表示無(wú)顯著性差異(>0.05) ;箱體中黑色方框代表均值;箱體中橫線代表中值;()表示樣本數(shù)量

2.1.3 不同森林類型植被其他組織汞濃度分布 不同類型植被中樹枝汞濃度表現(xiàn)出大致相近結(jié)果:常綠闊葉林12.1ng/g(IQR:12.0～12.5ng/g)、針葉林11.7ng/g(IQR:6.2～20.0ng/g)、闊葉落葉林9.5ng/g (IQR:5.0～17.0ng/g).樹皮汞濃度以植被類型劃分依次為:針葉林25.7ng/g(IQR:13.4～88.0ng/g)、闊葉落葉林11.3ng/g(IQR:5.0～18.0ng/g)、常綠闊葉林7.0ng/ g(IQR:7.0～22.0ng/g)、紅樹林1.6ng/g(IQR:1.2～2.0ng/g).針葉林樹皮中汞濃度明顯較高的原因可能與針葉樹皮多褶皺、比表面積大的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)[36].樹干汞濃度以植被類型汞劃分依次為:紅樹林(以中值計(jì),下同)22.5ng/g(IQR:15.0～30.0ng/g)>常綠闊葉林9.3ng/g(IQR:4.0～16.0ng/g)>針葉林2.7ng/g(IQR: 1.9～4.6ng/g)>闊葉落葉林1.8ng/g(IQR:0.8～2.7ng/g) (均值±方差與樣本量N由表1所示,下同),其樹干汞濃度變化范圍為0.1～30.0ng/g,其中常綠闊葉林植被樹干(=35)汞濃度顯著大于闊葉落葉林(=35)(< 0.05),可能是由于常綠闊葉林植被葉片中汞的濃度較高導(dǎo)致的(圖4a).

圖5 不同森林植被類型樹干、樹根、樹皮、樹枝汞濃度分布

箱體中黑色方塊代表均值;箱體中橫線代表中值;表示樣本數(shù)

更為重要的是,考慮到常綠闊葉林樹干的生物量通常較大,而較高的汞濃度意味著常綠闊葉林中樹干汞儲(chǔ)庫(kù)可能高于其他森林類型.值得注意的是從樹葉遷移至樹干的這部分汞也是重要的大氣汞匯,但在當(dāng)前模型研究中,這部分汞匯常常被忽略[37],因此未來(lái)新全球汞的沉降模型中應(yīng)予以更全面考量植被的汞匯效應(yīng).根汞濃度以植被類型劃分依次為:草本39.5ng/g(IQR:30.1～63.0ng/g)、常綠闊葉林25.0ng/g(IQR:23.0～36.0ng/g)、紅樹林17.6ng/g (IQR: 3.3～19.0ng/g)、針葉林12.7ng/g(IQR: 6.0～18.3ng/g)、闊葉落葉林(7.5ng/g,IQR:6.0～60.0ng/g),根汞濃度變化范圍較大(2.5～113.0ng/g),主要原因是植被根中汞濃度很大程度上受制于植被周邊土壤中汞濃度,并且由植株地上部分遷移至根中的汞極少[19,38-39],因而存在極大的異質(zhì)性.

表1 不同森林植被類型組織間總體汞濃度均值(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)(ng/g)

注:表示樣本數(shù)量;No表示無(wú)數(shù)據(jù).

2.2 地區(qū)植被汞濃度的分布及其影響因素

2.2.1 地區(qū)間葉片與凋落物汞濃度分布 不同地區(qū)的植被葉片汞濃度一定程度上能反映該地區(qū)的大氣汞濃度分布規(guī)律及源匯關(guān)系,因此研究地區(qū)植被汞濃度差異對(duì)環(huán)境健康評(píng)價(jià)以及全球汞循環(huán)具有重要意義.葉片按地區(qū)間汞濃度(以中值計(jì))排序依次為南美61.5ng/g(IQR:38.0～99.0ng/g)>歐洲35.5ng/ g(IQR:23.9～54.0)>東亞34.0ng/g(IQR:12.8～53.6ng/g) >北美20.0ng/g(IQR:10.9～31.1ng/g)>東南亞18.9ng/g (IQR:14.3～26.3ng/g)(均值、方差以及N如表2所示,下同)(圖6a).南美地區(qū)植被葉片汞濃度顯著高于其他地區(qū)植被葉片汞濃度(<0.05),其原因是南美洲地區(qū)已報(bào)道數(shù)據(jù)多為熱帶森林植被的研究結(jié)果,熱帶常綠闊葉林森林植被葉片氣孔數(shù)量多及葉片面積大,以及良好的水熱配合下有利于熱帶森林葉片累積大氣汞[34];另外,南美洲亞馬遜流域由于常年的森林大火與農(nóng)業(yè)毀林[40],以及土法煉金等點(diǎn)源污染的汞排放[41],也是葉片汞濃度較高的潛在原因.東亞大氣汞濃度(3.0～5.0ng/m3)高于歐美(1.0～2.0ng/m3),這可能是北美地區(qū)葉片顯著低于東亞地區(qū)森林葉片汞濃度的原因之一(<0.05)(圖6a).但東亞與歐洲地區(qū)葉片汞濃度無(wú)顯著差異(>0.05),推測(cè)原因?yàn)?當(dāng)前報(bào)道的數(shù)據(jù),東亞以亞熱帶常綠闊葉林和溫帶落葉闊葉林為主,而歐洲地區(qū)森林以溫帶/北方針葉林森林為主,歐洲地區(qū)植被較長(zhǎng)的葉片生長(zhǎng)周期可在一定程度上抵消了東亞地區(qū)高大氣汞濃度的影響作用,使得上述兩個(gè)區(qū)域的葉片汞濃度整體相當(dāng).

凋落物按地區(qū)間汞濃度(中值)高低排序?yàn)槟厦?中值:74.1ng/g,IQR:55.5～96.5ng/g)>歐洲(中值: 59.0ng/g,IQR:50.2～63.1ng/g)>北美(中值:41.1ng/g, IQR:34.5～51.2ng/g)>東亞(中值:37.7ng/g,IQR: 22.0～57.2ng/g)(圖6B).南美地區(qū)凋落物汞濃度顯著高于其他地區(qū)(<0.05),其可能是由于南美地區(qū)植被葉片汞濃度顯著高于其他地區(qū);而北美、歐洲、東亞地區(qū)之間植被凋落物汞濃度無(wú)顯著差異(>0.05),與葉片規(guī)律相一致.

圖6 不同地區(qū)植被葉片與凋落物汞濃度差異

箱體中黑色方框代表均值;箱體中橫線代表中值;箱體上相同字母表示無(wú)差異(>0.05);(N)表示樣本數(shù)量

2.2.2 不同地區(qū)植被其他組織汞濃度分布 東亞地區(qū)植被根汞濃度為12.6ng/g(IQR:6.0～20.4ng/g)、樹干汞濃度為2.8ng/g,(IQR:1.3～7.7ng/g)、樹皮汞濃度17.4ng/g(IQR:13.2～24.6ng/g)、樹枝汞濃度為10.9ng/g(IQR:6.0～17.8ng/g)(各地區(qū)的均值、方差以及N由表2所示,下同);歐洲地區(qū)植被根汞濃度為55.0ng/g(IQR:31.0～78.0ng/g)、樹干汞濃度為11.0 (IQR:2.0～13.0ng/g)、樹枝汞濃度為25.0ng/g(IQR: 17.0～57.0ng/g);北美地區(qū)植被樹干汞濃度為2.2ng/ g(IQR:1.6～6.3ng/g)、樹皮汞濃度為11.3ng/g(IQR: 5.0～21.4ng/g)、樹枝汞濃度為11.0ng/g(IQR: 8.0～20.0ng/g);南美地區(qū)植被根汞濃度為23.0ng/g (IQR: 12.0～36.0ng/g)、樹干汞濃度為20.5ng/g(IQR: 15.0～23.0ng/g);東南亞地區(qū)植被根汞濃度為11.6ng/g (IQR:3.3～30.4ng/g)、樹皮汞濃度為1.6ng/g(IQR: 1.2～2.0ng/g).各地區(qū)間其他植被組織汞濃度變化較大(0.1～137.0g/g),表明其他植被組織汞濃度受氣候、海拔、大氣汞濃度、土壤汞濃度、植被類型等眾多因素的影響,且影響機(jī)制較為復(fù)雜.這需要未來(lái)更多的研究工作,進(jìn)一步詳細(xì)探討其分布規(guī)律與影響機(jī)制.

表2 不同地區(qū)植被類型組織間總體汞濃度分布情況(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)/ (ng/g)

注:表示樣本數(shù)量;No表示無(wú)數(shù).

圖7 不同地區(qū)植被根、樹皮、樹枝、樹干汞濃度分布

箱體中黑色方塊代表均值;箱體中橫線代表中值;n代表樣本數(shù)量

3 結(jié)論

3.1 植被汞濃度特征為凋落物>葉片>根>樹皮>樹枝>樹干,這與其他重金屬在植被中的分布規(guī)律不同.不同端源汞濃度相關(guān)性具有差異,主要受控于大氣、土壤來(lái)源的汞在植被各組織間的傳輸、分配過(guò)程.

3.2 不同森林類型的植被葉片汞濃度存在明顯差異,主要是由大氣汞濃度、氣候特征和森林植被功能性狀等因素共同決定.對(duì)全球森林系統(tǒng)而言,熱帶與亞熱帶常綠闊葉林存在明顯偏高的葉片、樹干汞濃度,較高的大氣汞匯.

3.3 全球尺度下,南美洲地區(qū)植被葉片汞濃度最高,歐洲和東亞地區(qū)葉片汞濃度次之,北美地區(qū)葉片汞濃度最低.這表明不同氣候帶下森林類型與大氣汞濃度是決定區(qū)域汞差異的重要因素.

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Distribution and influencing factors of vegetation mercury in major forest systems across the globe.

LI Xin1, CHANG Shun-li1, WANG Xun2, YUAN Wei2, ZHANG Yu-tao3

(1.College of Resources and Environmental Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China；2.Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550081, China；3.Institute of Forest Ecology, Xinjiang Academy of Forestry, Xinjiang Tianshan Forest Ecosystem National Observation, Urumqi 830063, China)., 2022,42(4)：1884～1891

Based on the studies on the global mercury cycling processes in forests over the last 20-year, this study aims to elucidate the vegetation mercury distribution and its influencing factors in major forest types globally through meta-analysis. Results showed that the descending order of mercury concentrations in vegetation (in terms of median value) was litterfall (38.9ng/g) > foliage (24.1ng/g) > root (18.5ng/g) > bark (13.2ng/g) > branch (12.0ng/g) > stem (3.1ng/g). Litterfall was highly significantly correlated with foliage Hg concentration (rho=0.747,<0.01, rho: Spearman's correlation coefficient, depending on number of samples, hereafter), and a significant correlation (rho=0.265,<0.05) between leaves and trunks, but no correlations among the rest of tissues (>0.05). The above correlations are mainly controlled by the uptake of atmospheric elemental mercury by foliage and the upward transport from foliage to the xylem of trees. In addition, vegetation Hg concentrations in broadleaf evergreen forest leaves (median: 56.0ng/g, below) were higher than those in coniferous (25.5ng/g), broadleaf deciduous (23.0ng/g), and mangrove (18.6ng/g) forests. This is because the combined effects of stomatal conductance, stomatal number, leaf area and leaf longevity lead to the evergreen broadleaf forests with the greatest capacity for mercury enrichment. this study showed a significant inter-regional variation in vegetation Hg concentrations (e.g., up to range of 0.90～225ng/g). This can be attributed to the inter-regional differences in vegetation type and atmospheric mercury concentrations. This study provides important data and expanded our understanding to further quantify the global forest vegetation Hg pool and sink.

global forests；mercury concentrations；influencing factors；correlation；meta-analysis

X131

A

1000-6923(2022)04-1884-08

李 鑫(1996-),男,重慶榮昌人,新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院在讀碩士,主要從事森林汞循環(huán)研究.發(fā)表論文1篇.

2021-09-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資質(zhì)項(xiàng)目(42122053,U1503187)

*責(zé)任作者, 副教授, ecocsl@163.com