前沿科技 | 中科院科学家在我国大气汞同位素组成和分馏研究方面取得进展

来源：中国高科技

汞是主要通过大气传输的全球性重金属污染物，而我国是全球人为源和自然源大气汞排放最多的国家之一。汞同位素是目前地球科学和环境科学一个新兴研究领域，能够为示踪表生环境中汞的来源和迁移转化过程提供独特甚至是排他性的研究手段。然而，目前有关大气汞同位素组成特征、分馏过程和来源的同位素指纹谱的认识还不是很清楚。中国科学院科学家团队——地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室研究员付学吾和冯新斌在环境科学和地球科学领域期刊Environmental Science & Technology 和Journal of Geophysical Research：Atmospheres 发表学术论文，阐明了我国背景区大气汞同位素的时空分布规律和影响因素。

东海海洋边界层大气单质汞（GEM）同位素组成和我国大气汞排放同位素指纹谱：通过对我国东海花鸟岛大气GEM同位素组成的研究发现，东海海洋边界层GEM同位素的质量分馏（δ202Hg）和非质量分馏（Δ199Hg）均存在显著的变化特征。进一步研究结果显示，GEM的δ202Hg值与GEM浓度和大气传输过程中累积的人为源排放量呈显著的负相关关系（p < 0.01），而GEM的Δ199Hg值则和GEM浓度和大气传输过程中累积的人为源排放量呈显著的正相关关系（p < 0.01或0.05），表明东海海洋边界层GEM同位素主要受我国大气汞排放和区域大气汞背景混合作用的影响。基于二源混合模型，估算了我国大气汞排放同位素指纹谱的δ202Hg和Δ199Hg值分别为1.79±0.24‰和0.02±0.04‰（图-1），该指纹谱显著区别于东亚地区的大气汞背景同位素指纹谱（δ202Hg = 0.58‰，Δ199Hg=-0.26‰），这为利用汞同位素量化我国汞排放对区域大气汞的贡献提供了数据参考。该研究最后指出，缺乏污染管控的燃煤排放、水泥生产、生物质燃烧和土壤汞排放是导致我国大气GEM排放δ202Hg异常偏负的主要原因。相关研究成果发表于Journal of Geophysical Research：Atmospheres上。

大气颗粒汞（PBM）长距离传输过程的汞同位素非质量分馏：通过对东北长白山、东海花鸟岛、西北瓦里关和西南哀牢山背景区大气PBM同位素的研究发现，我国背景区PBM具有显著的偏正的非质量分馏（mean Δ199Hg = 0.27±0.22‰ to 0.66±0.32‰），明显高于一次人为源（Δ199Hg ≈ 0‰）和我国城市PBM（mean Δ199Hg = -0.02‰ to 0.05‰）的非质量分馏特征，表明我国背景区PBM同位素主要受二次颗粒汞来源的影响。进一步研究发现，我国东部背景区和西部背景区PBM的Δ199Hg值季节性变化特征相反，其中东部地区夏季Δ199Hg高于冬季，而西部地区冬季Δ199Hg高于夏季。分析结果表明，我国背景区PBM的Δ199Hg季节性变化主要受长距离传输人为源和区域一次人为源二源混合作用的影响，其中长距离传输人为源由于受到充分的光化学反应影响导致Δ199Hg显著偏正（图-2），因此PBM非质量分馏是示踪PBM一次和二次来源的潜在的同位素标记物。基于PBM同位素和源汇关系模型，该研究指出南亚污染物长距离传输是我国西部背景区PBM最重要的污染来源，而我国中东部地区人为源区域扩散则是东部背景区PBM最重要的污染来源。相关研究成果发表于Environmental Science & Technology上。

植物活动对森林地区大气单质汞（GEM）同位素组成的调控作用：森林是大气GEM泵，是影响全球大气汞分布的一个重要生物要素。通过对长白山森林冠层下部和上部GEM浓度和GEM同位素垂直梯度的研究发现，森林冠层下部的GEM浓度明显低于冠层上部，而冠层下部GEM的δ202Hg和Δ199Hg值则高于冠层上部。长白山森林GEM同位素组成垂直梯度具有显著季节性分布特征，其δ202Hg和Δ199Hg垂直梯度与植物生长指数显著正相关，表明较强的植物活动能导致大气GEM出现明显偏正的汞同位素质量和非质量分馏。进一步结果表明，由于夏季植物活动的增强，长白山森林大气GEM的δ202Hg和Δ199Hg值会在夏季出现显著的升高；而另一方面，由于缺少较强的植物活动季节性变化，哀牢山亚热带常绿阔叶林的大气GEM同位素组成季节性变化主要受人为源排汞传输过程的季节性变化影响（图-3）。研究最后综合全球大气GEM同位素观测数据，提出植物活动和人为源汞排放是影响全球大气汞同位素组成空间分布的两个最关键影响因素。相关研究成果发表于Environmental Science & Technology上。　　

图1 东海花鸟岛大气单质汞（GEM）同位素组成的二源混合模式图

图2 我国背景区大气颗粒汞（PBM）同位素组成及大气传输过程的同位素分馏示意图

图3 长白山（Mt.Changbai）和哀牢山（Mt.Ailao）大气单质汞同位素组成季节性变化及与植物生长指数和人为源关系示意图