天山冰川退縮區(qū)土壤汞分布特征及累積

彭詩雅,劉楠濤,李 鑫,王 訓(xùn),常順利*(.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046；.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所,貴州 貴陽 55008)

汞(Hg)是毒性最強(qiáng)的重金屬污染物之一[1].近代工業(yè)革命以來,人類工業(yè)活動的快速發(fā)展加劇了全球汞循環(huán),使得全球大氣汞的平均含量大約增加了3～5 倍[2].受到人類活動影響的全球主要的汞庫包括大氣(4.4～5.3Gt)、陸地環(huán)境(特別是土壤:250～1000Gg)和水生生態(tài)系統(tǒng)(例如海洋:270～450Gg)[3].汞在大氣中具有3 種形態(tài),即氣態(tài)元素汞(Hg0)、活性氣態(tài)汞(RGM)和顆粒態(tài)汞(PBM).其中,Hg0具有較強(qiáng)的化學(xué)惰性,可在大氣中停留0.5～1.5a[4-5],并且能在大氣環(huán)流的驅(qū)動下進(jìn)行全球范圍內(nèi)的長距離傳輸[6].大氣環(huán)境中的汞可通過干濕沉降進(jìn)入到偏遠(yuǎn)地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)[7].由于汞的生物累積性,大氣沉降的汞經(jīng)甲基化后可進(jìn)入生物體內(nèi)并隨食物鏈富集放大[8-12],進(jìn)而對野生動物和人類產(chǎn)生潛在威脅.

自小冰期以來,全球氣候持續(xù)變暖,全球冰川加速消融,面積不斷減少[13].其中,天山一號冰川自1959年有觀測記錄以來,持續(xù)處于退縮狀態(tài).冰川消融后暴露出來的區(qū)域,形成了冰川前緣的原生裸地.隨著退縮區(qū)域土壤的發(fā)育、成熟,其理化性質(zhì)不斷發(fā)生改變,植被逐漸增多,形成了完整的原生植被演替序列,這為研究汞的空間分布及歷史累積過程提供了基礎(chǔ).當(dāng)前國內(nèi)外對冰川退縮區(qū)汞的生物地球化學(xué)過程研究主要集中在海洋性冰川[14-16].而天山一號冰川作為典型的大陸性冰川,降水補(bǔ)給少,冰川消融程度弱,冰川移動速度緩慢,其退縮區(qū)的植被格局、氣候條件等環(huán)境因子與海洋性冰川退縮區(qū)具有顯著差異.且天山一號冰川位于西風(fēng)帶進(jìn)入我國的上風(fēng)向,歐洲及中亞地區(qū)排放的大氣汞均有可能隨西風(fēng)帶進(jìn)入我國,進(jìn)一步促進(jìn)高山冰川汞的累積.中國大陸性冰川和海洋性冰川具有不同的氣候特征,海洋性冰川的年均降水量為1000～3000mm,年均溫大于-6℃;大陸性冰川的年均降水量為 500～1000mm,年均溫為-6～-12℃[17].典型海洋性冰川——貢嘎山海螺溝冰川退縮區(qū)125 年的原生演替序列的調(diào)查表明,演替的總趨勢為裸地→地被層→草本層→灌木層→喬木層[18].大陸性冰川——天山一號冰川退縮地植物群落演替的研究表明,其演替的總趨勢為裸地→地被層→草本層[19].大陸性冰川退縮區(qū)的植被對于汞富集的介導(dǎo)作用、汞的分布特征及累積過程與海洋性冰川退縮區(qū)存在哪些異同點(diǎn),大陸性冰川退縮區(qū)是否具有海洋性冰川退縮區(qū)類似的汞匯效應(yīng),這些重要的相關(guān)科學(xué)問題目前尚未可知.

本研究假設(shè)植被是調(diào)控其冰川退縮區(qū)土壤汞累積與分配的主要因素,并基于生態(tài)學(xué)中空間替代時間的研究方法,以新疆天山一號冰川為研究對象,測定了土壤、植被、基巖的汞含量及土壤的相關(guān)理化性質(zhì),明確土壤汞的分布特征及累積過程,進(jìn)一步估算了該區(qū)域汞的歷史累積速率,旨在為認(rèn)識大陸性冰川退縮區(qū)汞的生物地球化學(xué)循環(huán)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究以新疆天山烏魯木齊河源一號冰川(以下統(tǒng)稱“天山一號冰川”)退縮區(qū)為研究對象(43°11′N,86°81′E,海拔高度 3620～3860m)(圖1).天山一號冰川為高寒生態(tài)系統(tǒng),是典型的侵蝕性堆積地貌,冰川遺跡保存完整;氣候寒冷,年均溫度為-4.6℃ ,年平均降水量約為460mm,其中78%的降水量集中在5 月～9 月[20];受西風(fēng)帶的影響,是典型的溫帶大陸性氣候[21-23];植物群落結(jié)構(gòu)簡單,物種貧乏,以高山草甸和苔原為主.天山一號冰川退縮區(qū)的草甸植物以火絨草(Leontopodium leontopodioides)、新疆早熟禾(Poa versicolor subsp. Relaxa)、囊種草(Thylacospermum caespitosum)、黑褐穗薹草(Carex atrofusca subsp. Minor)等為主[19],苔蘚優(yōu)勢種主要為大曲背蘚[Oncophorus virens(Hedw.) Bird.]、折葉紐蘚[Tortella fragilis(Drumm.) Limpr.]、南歐紫萼蘚(Grimmia tergestina Tomm. ex Bruch et Schimp.)、卷葉灰蘚[Hypnum revolutum(Mitt.) Lindb.]等[24].由于天山一號冰川海拔較高且氣溫較低,該區(qū)域植被形成耐寒旱等特征.

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)Fig.1 Location of study area and sampling sites

1.2 樣品采集

于2022 年6 月對天山一號冰川退縮區(qū)土壤、植物、基巖樣品進(jìn)行了采集.基于實(shí)驗(yàn)站資料 、現(xiàn)場考察及210Pbex和137Cs 放射性同位素定年確定了不同樣地的退縮年代.設(shè)置了13 個樣地,其中9 個樣地地處冰川退縮區(qū)內(nèi)(樣地S1:2017 年;樣地S2:2015 年;樣地S3:2001 年;樣地S4:1985 年;樣地S5:1977 年;樣地S6:2007 年;樣地S7:1965 年;樣地S8:1871 年;樣地S9:1777 年),其余4 個樣地屬于退縮區(qū)附近的成熟草甸區(qū)域(樣地S10～樣地S13).本研究在每個樣地設(shè)置面積為1m×1m 的5 個重復(fù)樣方,按照0～5cm、5～10cm、10～15cm 的深度對土壤進(jìn)行采集.冰川退縮區(qū)植被稀少,對于植被樣品則設(shè)置50cm×50cm 面積大小的樣方進(jìn)行采集.并在每塊樣方底層采集巖石.天山一號冰川退縮區(qū)的樣地信息如表1、表2 所示.

表1 天山一號冰川退縮區(qū)樣地信息Table 1 Sampling sites information of the No.1 Glacier retreated area in Tianshan Mountains

表2 天山一號冰川退縮區(qū)0～5cm 土壤層的放射性同位素比活度(Bq/kg)Table 2 Radioisotope specific activity in 0～5cm soil layer of the No.1 glacier retreated area in Tianshan Mountains(Bq/kg)

1.3 樣品處理和測定

土壤樣品放置于黑暗干燥無塵的室內(nèi)自然風(fēng)干后,稱量后利用行星式瑪瑙研磨儀器(上海凈信實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司,型號JX-4G)研磨土壤樣品,研磨過后的土樣去除>2mm 的粗粒,稱量并記錄其干重用以計算土壤容重,最后再過200 目的尼龍篩(74μm).植被樣品和巖石樣品先用超純水將表面雜質(zhì)清洗掉,然后放置于50℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重.風(fēng)干后的植物樣品按照地上部分和地下部分進(jìn)行分離,稱量并記錄其干重.植物用電動研磨機(jī)研磨至粉末狀.巖石同樣研磨至粉末狀.樣品研磨前均用清水清洗一遍瑪瑙研磨儀器、尼龍篩和電動研磨機(jī),儀器和工具烘干后再用酒精擦拭,待完全風(fēng)干后再進(jìn)行磨樣.處理過的土壤、植物和巖石樣品均置于乙烯密封袋中保存?zhèn)溆?

研磨過后的土壤、植物和巖石樣品利用固體進(jìn)樣直接測汞儀(DMA-80,Milestone,Italy)測定總汞濃度.土壤在有機(jī)碳含量測定之前先進(jìn)行處理,以達(dá)到去除土壤中無機(jī)碳的目的.稱取已過200 目篩子的土樣0.5～1g 放置于15mL 的離心管中,加入5mL 的2mol/L 的稀鹽酸,充分搖勻后靜置7h 以上,隨后用超純水洗土和離心4 次,直至上層清液pH>6.植物測定其總碳含量和總氮含量,土壤測定其有機(jī)碳含量和總氮含量.植物和處理過后的土壤的碳氮含量采用德國元素分析儀(Elementar Vario Macro Cube)測定.

測樣時,每10 個樣品設(shè)置一對平行樣品、一個空白和一個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定,土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率為92%～108%,植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率為95%～105%(巖石汞濃度的測定也采用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計算回收率). 測定汞濃度的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW07404a(GSS-4a,標(biāo)準(zhǔn)濃度:(72±6)μg/kg)灰?guī)r地區(qū)土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),測定汞濃度的植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為NIST SRM 1515(標(biāo)準(zhǔn)濃度:(43.2±2)μg/kg)蘋果葉生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);測定碳氮含量的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為IVA33802189,測定植物碳氮含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為AR-2026.利用伽瑪能譜探測儀(美國Canberra 公司,型號GX6020)測定土壤的放射性同位素,從而對樣地進(jìn)行定年.

1.4 樣地定年

本研究中位于天山一號冰川退縮區(qū)內(nèi)的樣地共有9 塊,其中兩塊樣地是根據(jù)前人的文獻(xiàn)資料記載進(jìn)行定位后采集的[25],這兩塊樣地位于小冰期形成的冰磧壟上,易于分辨,分別是退縮年份為1871 年和1777 年對應(yīng)的樣地8 和樣地9.其余的7個樣地將根據(jù)210Pbex和137Cs 放射性同位素進(jìn)行定年.

利用210Pbex計算樣地退縮年齡的公式如下:

式中: C 為采樣年份土壤的210Pbex的比活度,Bq/kg;C0為每年沉降到土壤中的210Pbex的比活度,Bq/kg;k為210Pbex的衰變常數(shù),0.0311/a;n 為采樣年份與該樣地冰川退縮年份之間的相隔年份數(shù),a.

137Cs 是一種人工放射性核素,在自然界中不存在,人工核爆炸試驗(yàn)之后才出現(xiàn)在自然環(huán)境中.歷史上137Cs 的產(chǎn)生存在3 個峰值,其中最大峰值出現(xiàn)在1963年.因此,可以根據(jù)土壤中的137Cs含量將所有樣地進(jìn)行排序,樣地表層0～5cm 土壤的137Cs 含量越高,表明該樣地越接近于1963 年.本研究主要采用210Pbex進(jìn)行樣地定年,137Cs 起到校正、檢驗(yàn)的作用.基于210Pbex和137Cs 放射性同位素定年結(jié)果,樣地1～7 分別對應(yīng)的冰川初始退縮年份是:2017 年、2015年、2001 年、1985 年、1977 年、2007 年、和1965 年.

1.5 統(tǒng)計計算和分析

土壤容重的計算公式如下:

式中:BD 為土壤容重,g/cm3; m 為風(fēng)干的土壤質(zhì)量,g;V 為環(huán)刀容積,100cm3.

土壤汞儲量的計算公式如下:

式中:Pool 為土壤汞儲量,μg/m2; BD 為土壤容重,g/cm3; Conc.為土壤汞含量,μg/kg; h 為土壤剖面深度,5cm.

利用冰川退縮時間與土壤總汞儲量作散點(diǎn)圖,通過非線性擬合求得曲線方程,將冰川退縮時間代入曲線方程求導(dǎo)得到的導(dǎo)數(shù)之中,得到對應(yīng)的具體退縮年份數(shù)的汞累積速率.

采用EXCEL2021 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,采用IBM SPSS Statistics 26.0 進(jìn)行統(tǒng)計分析,采用 Origin 2018 完成圖表的制作.運(yùn)用線性回歸模型分析土壤有機(jī)碳含量、氮含量與汞濃度以及植物地上部分汞濃度與植物地下部分汞濃度之間的關(guān)系.運(yùn)用非線性回歸模型分析土壤和植物的碳氮比與汞碳比之間的關(guān)系.采用單因素方差和獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)

在2015 年之前退縮的樣地,隨著退縮年齡的增加,土壤pH 值從8.02 逐漸變?yōu)?.24,呈現(xiàn)出降低的趨勢(表1).其中位于天山一號冰川退縮區(qū)0～5,5～10,10～15cm 層土壤的pH 值變化范圍分別為7.14～8.11、7.18～8.32 和7.28～8.26.冰川退縮區(qū)不同層土壤的容重差異較小,依次為:10～15cm[(1.42±0.17)g/cm3]>5～10cm[(1.36±0.16)g/cm3]>0～5cm[(1.35±0.12)g/cm3].不同深度土壤的pH 值和容重?zé)o顯著差異(P>0.05,單因素方差分析).

如圖2 所示,天山一號冰川退縮區(qū)土壤的有機(jī)碳含量依次為:0～5cm[(0.50±0.20)%]>5～10cm[(0.46±0.16)%]>10～15cm[(0.34±0.08)%];土壤的氮含量由大到小依次為:0～5cm[(0.045±0.020)%]> 5～10cm[(0.042±0.020)%]>10～15cm[(0.029±0.007)%].成熟草甸土壤的有機(jī)碳含量由大到小依次為: 0～5cm[(8.76±1.05)%]>5～10cm[(5.22±0.79)%]>10～15c m[(2.85±0.55)%];土壤的氮含量由大到小依次為:0～5cm[(0.79±0.13)%]>5～10cm[(0.51±0.07)%]>10～1 5cm[(0.28±0.06)%].冰川退縮區(qū)土壤的有機(jī)碳含量和氮含量均較低.成熟草甸各層土壤有機(jī)碳含量和氮含量顯著高于冰川退縮區(qū)(P<0.05,獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)).

圖2 天山一號冰川退縮區(qū)土壤的有機(jī)碳和氮含量Fig.2 Soil organic carbon and nitrogen content of the No.1 glacier retreated area in Tianshan Mountains

2.2 土壤和植被中的汞分布

隨著冰川退縮時間增加,其土壤汞含量呈增加趨勢(圖3).1777～2017 年的樣地土壤平均汞含量為(11.45±6.08)μg/kg,其土壤和基巖的汞含量依次為:0～5cm[(12.99±5.50) μg/kg]>5～10cm [(11.78±7.02)μg/kg]>10～15cm[(9.56±5.06)μg/kg]> 基巖[(0.28±0.08) μg/kg].0～5cm 層的土壤汞含量最高值是最低值的3.7 倍,5～10cm 層的土壤汞含量最高值是最低值的6.7 倍,10～15cm 層的土壤汞含量最高值是最低值的7 倍.其中1871 年樣地和1777 年樣地5～10cm層的土壤汞含量[(23.56±8.70)μg/kg 和(20.33±3.18)μg/kg]大于表層0～5cm 層的土壤汞含量[(18.97±7.45)μg/kg 和(19.00±2.40μg/kg)].所有樣地的基巖汞含量均較低[(0.17±0.03)μg/kg～(0.42± 0.33)μg/kg].不同層土壤的汞含量均比基巖的汞含量大.成熟草甸土壤和基巖的汞含量由大到小依次為: 0～5cm[(32.07±6.91)μg/kg]>5～10cm[(23.88±5.88)μg/kg]>10～15cm[(20.75±7.75)μg/kg]>基巖[(0.40± 0.10)μg/kg].成熟草甸各層土壤汞含量均大于冰川退縮區(qū).

圖3 天山一號冰川退縮區(qū)土壤和基巖的汞濃度Fig.3 Mercury content in soil and bedrock of the No.1 glacier retreated area in Tianshan Mountains

植物地上部分汞含量的均值為(16.56±6.57)μg/kg(7.70～29.47μg/kg),植物地下部分汞含量的均值為(18.40±8.97)μg/kg(8.72～41.91μg/kg).植物根的汞含量與土壤汞含量的比值均小于1;而植物地上部分的汞含量與植物地下部分的汞含量的平均比值小于1(圖4).植物的地上部分和地下部分汞濃度呈正相關(guān)(圖5).

圖4 草本植物地上和地下部分汞濃度以及植物根與土壤汞濃度之比、植物地上與地下部分汞濃度之比Fig.4 Mercury concentration in the aboveground and underground parts of herbaceous plants, and the ratio of mercury concentration in plant roots to soil and the aboveground and underground plant parts

圖5 植物地上與地下部分汞濃度的線性關(guān)系Fig.5 Linear relationship between mercury concentration in aboveground and underground plant parts

表層土壤中的汞主要來自大氣Hg0的沉積(植被吸收大氣中的Hg0及凋落物輸入)、大氣Hg2+的輸入(降水)以及地質(zhì)成因(基巖的風(fēng)化)3 種來源[14].如圖3 所示,整體上,土壤汞含量隨著深度增加逐漸遞減,且各層土壤汞含量均顯著高于基巖汞含量(0.28±0.08μg/kg),表明表層土壤汞的累積可能受到外源汞輸入的影響.從時間尺度上看,隨著冰川退縮時間增加,土壤汞含量呈現(xiàn)出增加趨勢,這與Wang等[14]在海洋性冰川退縮區(qū)的研究結(jié)果一致.考慮到短距離內(nèi)降水量(大氣Hg 濕沉降)變化可忽略,推測這可能是由于植被演替介導(dǎo)的大氣Hg0增加以及土壤侵蝕作用增強(qiáng)等原因所致[26].1871 年和1777 年樣地5～10cm 層的土壤汞含量大于表層0～5cm,這可能是由于該樣地退縮時間較長,具有相對成熟的草甸植被覆蓋,且處于地勢較低的位置,易受到冰川融水的沖刷和淋溶作用,從而導(dǎo)致深層土壤汞濃度高于表 層.

2.3 土壤汞含量與有機(jī)碳和氮含量之間的關(guān)系

如圖6 所示,各層土壤的汞含量與有機(jī)碳含量和氮含量均存在顯著正相關(guān),其中5～10cm 土層的汞含量與有機(jī)碳含量和氮含量的相關(guān)性最強(qiáng)(r 分別為0.81 和0.93).此外,土壤汞碳比隨著碳氮比的降低呈指數(shù)增長(圖7).

圖6 天山一號冰川退縮區(qū)土壤汞濃度與有機(jī)碳及氮含量的線性關(guān)系Fig.6 Linear relationship between soil mercury concentration and organic carbon content or nitrogen content of the No.1 Glacier retreated area in Tianshan Mountains

0～15cm 土壤中的汞濃度與有機(jī)碳含量及氮含量均呈顯著正相關(guān)(圖7),這歸因于二價汞與有機(jī)分子中還原硫基團(tuán)或氮氧基團(tuán)的強(qiáng)烈絡(luò)合作用[27].考慮到植物殘體為土壤有機(jī)碳和氮元素的重要來源[28],推測植被可能是影響退縮區(qū)土壤汞分布的重要因素.本研究中土壤汞碳比隨著碳氮比的降低呈指數(shù)增長(圖7),而C/N 是衡量有機(jī)質(zhì)分解程度的指標(biāo),其中高C/N 通常代表新鮮的、分解程度較低的有機(jī)質(zhì),而低C/N 則代表相對較老的、分解程度高的有機(jī)質(zhì)[29],這表明相對較老的、分解程度較高的有機(jī)質(zhì)中積累的汞比新鮮的、分解程度較低的有機(jī)質(zhì)中累積的汞多.從土壤剖面上看,首先,由于表層土壤直接暴露于大氣之中,從而使得表層土壤比深層土壤更容易接收大氣汞;其次,表層土壤有植被生長(植被類型多為地被層和草本層,屬于淺根系列),受植物根系分泌物的產(chǎn)生及凋落物輸入的影響,使得表層土壤積累的有機(jī)質(zhì)比深層土壤多,而有機(jī)碳含量與汞濃度呈顯著正相關(guān),所以土壤汞含量整體上表現(xiàn)出隨深度增加逐漸遞減的現(xiàn)象.從時間尺度上看,碳氮比隨退縮時間增加逐漸降低,土壤汞碳比隨著碳氮比的降低呈指數(shù)增長(圖7),進(jìn)一步證實(shí)了隨著冰川退縮時間的增加,植被生物量的增加促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的增加,從而進(jìn)一步促進(jìn)土壤汞的富集.

圖7 植物與土壤樣品的Hg/C 與C/N 的關(guān)系Fig.7 Relationship between Hg/C and C/N of plant and soil samples

2.4 土壤汞儲量分布及汞累積速率

隨著冰川退縮時間的推移,土壤汞儲量呈現(xiàn)出增加的趨勢(圖8).冰川退縮區(qū)各層土壤汞儲量依次為:0～5cm[(480.56±269.28)μg/m2]>5～10cm[(362.80±264.80)μg/m2]>10～15cm[(284.28±165.81)μg/m2]. 其中1871 年樣地的土壤汞儲量最高,為2080μg/m2.成熟草甸各層土壤汞儲量依次為:0～5cm[(1139.2±90.58)μg/m2]>5～10cm[(986.82±86.06)μg/m2]>10～15 cm[(852.88±85.84)μg/m2].成熟草甸各層土壤汞儲量均顯著大于冰川退縮區(qū)(P<0.05).

圖8 天山一號冰川退縮區(qū)土壤汞儲量Fig.8 Soil mercury storage in the No.1 Glacier retreated area in Tianshan Mountains

土壤0～5cm 層的汞儲量(480.56±269.28)μg/m2約為10～15cm 層(284.28±165.81)μg/m2的2 倍,且土壤汞儲量隨深度增加逐漸降低,表明退縮區(qū)土壤汞的分布可能受地質(zhì)來源的影響較小,外源Hg 輸入可能是影響土壤汞分布的關(guān)鍵因素.趙井東等[30]對天山一號冰川的冰磧地貌研究表明,天山一號冰川的巖性較為單一,以火成巖和變質(zhì)巖為主,其汞含量與沉積巖相比較低,這可能是地質(zhì)Hg 來源占比較小的原因.而外源Hg 不斷輸入,例如植被吸收大氣Hg0后形成凋落物輸入到土壤環(huán)境中的“歸還作用”等,使得外源輸入Hg 成為土壤汞庫的重要組成部分[31].

隨著冰川退縮時間的推移,土壤汞儲量呈現(xiàn)出增加的趨勢(圖8),且成熟草甸各層土壤汞儲量均顯著大于冰川退縮區(qū)(P<0.05),植被在其間扮演著舉足輕重的作用.Wang 等[14]研究表明,海螺溝冰川退縮區(qū)植被演替過程中,植被為大氣Hg0的“泵”,使大氣Hg0不斷向土壤沉降累積,從而使冰川退縮區(qū)成為重要的大氣Hg0匯.Obrist 等[32]利用汞穩(wěn)定同位素對北極苔原土壤汞來源進(jìn)行解析,證實(shí)了大氣Hg0沉降是土壤汞的主要來源.而天山冰川退縮區(qū)植被生物量同樣隨演替時間增加而增加,因此土壤汞庫的變化可能與植被介導(dǎo)的大氣Hg0沉降有關(guān).

利用冰川退縮時間與土壤總汞儲量作散點(diǎn)圖(圖9(a)),通過非線性擬合求得曲線方程,將冰川退縮時間代入曲線方程求導(dǎo)得到的導(dǎo)數(shù)之中,得到對應(yīng)的具體退縮年份數(shù)的汞累積速率.天山一號冰川退縮區(qū)土壤記錄的歷史汞累積速率為0.09～ 33.43μg/(m2?a)(圖9(b)).1777 年(0.09μg/(m2?a))至2017 年(33.43μg/(m2?a))間土壤記錄的汞累積速率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢.其中,1777 年(0.09μg/(m2?a))至1871年(0.94μg/(m2?a)),冰川退縮區(qū)的汞累積速率緩慢增加;1871 年(0.94μg/(m2?a))之后,冰川退縮區(qū)的汞累積速率快速增加.

圖9 天山一號冰川退縮時間與土壤汞儲量及汞累積速率的關(guān)系Fig.9 Relationship between the retreated time and soil mercury storage, accumulation rate of mercury in the No.1 Glacier retreated area of Tianshan Mountains

本研究基于冰川退縮時間及土壤汞庫估算了歷史汞累積速率.與Wang 等[14]對中國的3 個海洋性冰川退縮區(qū)的研究結(jié)果對比,天山一號冰川退縮區(qū)土壤記錄的歷史汞累積速率較低(0.09～33.43μg/(m2?a))(圖9(b)).1777 年～2017 年土壤記錄的汞累積速率由0.09μg/(m2?a)增加到33.43μg/(m2?a),總體呈先緩慢增加后快速增加的趨勢.結(jié)合天山一號冰川周圍環(huán)境及歷史背景推測其退縮區(qū)土壤記錄的歷史汞累積速率不斷增加的原因可能有以下2 個方面:一是周邊人為活動的影響.天山一號冰川是最為臨近人類活動區(qū)域的冰川之一.人類生產(chǎn)和生活伴隨的重金屬的開采、冶煉、利用等一系列活動可能會導(dǎo)致大氣汞含量的增加.隨著烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,天山一號冰川周圍的工業(yè)生產(chǎn)活動(包括焦炭廠、水泥廠、火電廠、電石廠、石灰廠等生產(chǎn)企業(yè))增多可能是導(dǎo)致其土壤記錄的汞累積速率增加的關(guān)鍵因素.Kang等[33]對天山雪嶺云杉年輪汞的研究發(fā)現(xiàn),1900～1950年天山區(qū)域大氣汞濃度顯著增加,證實(shí)了這一現(xiàn)象與當(dāng)?shù)厝藶楣欧琶芮邢嚓P(guān),這與本研究中天山一號冰川退縮區(qū)土壤記錄的汞累積速率于1871 年(0.94μg/(m2?a))后快速增加基本一致.賀春露等[34]的研究表明,中亞地區(qū)工業(yè)發(fā)展排放的大氣汞會經(jīng)西風(fēng)帶輸送到我國新疆境內(nèi).新疆及中亞地區(qū)工業(yè)發(fā)展所帶來的共同影響,是導(dǎo)致土壤記錄的歷史汞累積速率由緩慢增加轉(zhuǎn)為快速增加的重要原因.

二是近幾十年來全球背景下大氣汞沉積量的增加.UNEP 報告[35]顯示,自工業(yè)革命開始以來,人為排放量一直大于自然排放量.David等[36]的研究表明,目前大氣汞沉積量是1850 年(工業(yè)時代的開始)的3倍.這與本研究土壤記錄的汞累積速率于1871 年(0.94μg/(m2?a))后快速增加基本相符.馮新斌等[37]的研究顯示,盡管全球范圍內(nèi)的人為活動向大氣排放的汞含量有所下降,但是土壤與生物的汞含量并沒有降低,這也意味著自工業(yè)革命以來先前排放的汞仍在當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)中周而復(fù)始的循環(huán)傳輸.

綜上所述,區(qū)域背景和全球背景下大氣汞含量增加以及植被對土壤汞富集的影響,都可能是導(dǎo)致冰川退縮區(qū)土壤記錄的汞累積速率增加的原因.

3 結(jié)論

3.1 退縮區(qū)內(nèi)各層土壤汞濃度與有機(jī)碳含量和氮含量呈顯著正相關(guān), 表明退縮區(qū)植被的生長促進(jìn)了土壤有機(jī)碳含量和氮元素的積累,從而促進(jìn)了土壤汞的富集.

3.2 從土壤剖面上看,土壤汞含量和汞儲量隨著深度增加逐漸而遞減,各層土壤汞含量均顯著高于基巖汞含量,表現(xiàn)為:0～5cm[(12.99±5.50)μg/kg]>5～10cm[(11.78±7.02)μg/kg]>10～15cm[(9.56±5.06)μg/kg]>基巖[(0.28±0.08)μg/kg].退縮區(qū)土壤汞的分布可能受地質(zhì)來源的影響較小,外源Hg 輸入可能是影響土壤汞分布的關(guān)鍵因素;從時間尺度上看,隨著冰川退縮時間的增加,退縮區(qū)各層土壤汞含量和汞儲量呈現(xiàn)出增加趨勢,可能與植被的數(shù)量和類型有關(guān).

3.3 由于植被生物量較小,天山一號冰川退縮區(qū)土壤中汞的累積速率較低.土壤記錄的汞累積速率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢.其中1777 年0.09μg/(m2?a)至1871 年(0.94μg/(m2?a))的汞累積速率緩慢增加,1871年(0.94μg/(m2?a))之后的汞累積速率快速增加.區(qū)域背景和全球背景下大氣汞含量增加以及植被對土壤汞富集的影響,是導(dǎo)致冰川退縮區(qū)土壤記錄的汞累積速率增加的主要原因.