中国科学院地球化学研究所冯新斌研究员团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“全球森林汞生物地球化学循环及其同位素分馏（Mercury cycling and isotopic fractionation in global forests; DOI: 10.1080/10643389.2021.1961505; Published online: 12 Aug 2021）”的特邀综述。汞（Hg）是环境中毒性最强的重金属之一，具有隐蔽性、生物积累性等特点。与其他重金属显著不同，汞是主要通过大气进行长距离传输的全球性污染物。工业革命以来，人为排放汞导致大气汞沉降通量增加了3~5倍。为保护公众健康和生态环境免受人为汞排放的影响，具有法律约束力的《关于汞的水俣公约》于2017年8月生效。森林生态系统系统占全球陆地总面积的31%，在全球汞的生物地球化学循环中发挥着关键作用。过去30年里，森林生态系统中汞的生物地球化学循环研究取得了长足进展。本文基于全球森林生态系统系统中汞的分布、质量平衡以及汞同位素地球化学相关研究，系统阐述了当前对于全球森林生态系统多介质间汞的生物地球化学过程，特别是迁移转化规律和来源追溯方面的最新认识。在此基础上，针对当前森林汞的生物地球化学过程研究的关键科学问题，提出了未来该领域的研究重点和方向。
图1 图文摘要（Graphic abstract）
人为排放到大气中的汞具有三种形态：气态氧化汞（Hg2+）、颗粒结合汞（HgP）和气态零价汞（Hg0）。由于Hg2+和HgP具有活跃的物化性质，它们可以通过干湿沉降迅速从大气中清除。而相对稳定的Hg0在大气中的停留时间较长（0.5~1年）。在陆地生态系统中，Hg0最重要清除途径之一是被植被吸收，进而通过凋落物沉降至森林地面。森林介导的大气汞沉降通量高达2200~3400吨/年，使之成为了全球汞生物地球化学循环的热点地区。森林作为全球重要的汞库，大量人为排放的汞通过大气传输、大气湿沉降、植被吸收与凋落物沉降而被转运累积在森林土壤中（图1）。因而，研究森林生态系统汞的生物地球化学过程对认识全球汞的生物地球化学循环及评估生态环境的健康风险至关重要。
图2 （左）大气-叶片-树干-根-土壤间汞的潜在的迁移传输过程；（右）大气-植被-土壤汞生物地球化学过程中的汞同位素组成特征
森林生态系统汞的生物地球化学过程主要包括4个传输途径：(1)植被叶片-大气界面的汞交换，包括通过叶片气孔从大气吸收或向大气释放元素汞（包括吸收土壤释放的汞），及叶片表面吸附大气中的气态氧化汞或颗粒态汞而后发生光还原向大气释放元素汞；(2)植被-土壤系统的汞交换，包括植被根系通过蒸腾作用从土壤溶液吸收汞，并向地上部分传输、植被凋落物向土壤输入汞、叶片表面吸附的汞经穿透雨冲刷向土壤输入汞；(3)森林土壤-大气界面汞交换；(4)地表径流-土壤-地下渗流系统汞交换。近年来，汞稳定同位素分析技术被广泛应用于大气-植被-水-土壤生态系统生物地球化学过程中汞的来源、迁移、积累和储存。森林生态系统中，植物叶片、雨水、森林土壤及基岩有着各自独特的汞同位素指纹特征（图2和3）。利用森林不同源区的汞同位素特征，解析森林中汞的来源和生物地球化学过程，已成为森林生态系统汞研究的热点。
图3 森林生态系统中的汞同位素组成
在过去三十年里，森林生态系统汞的生物地球化学循环的认识取得了长足的进步。植被对大气中Hg0的吸收过程在近来研究中成为研究热点；模型研究和全球数据的集成分析均表明，森林成为陆地生态系统中最大的大气Hg0汇，在改变大气和土壤表层汞浓度及同位素组成方面发挥着重要作用。本文从汞的分布、质量平衡和同位素组成等多个角度对森林生态系统中汞的生物地球化学循环进行了系统总结。在《关于汞的水俣公约》履约与汞环境外交谈判的大环境背景下，未来森林汞的生物地球化学循环几个潜在的核心研究方向如下：1）加强森林水文过程耦合的系统研究，追溯森林降水-穿透水-径流-地下水整个水文过程中的汞生物地球化学过程；揭示土壤岩石风化及大气沉降来源汞在森林土壤有机质、矿物质及微生物等作用下的形态转变与迁移演化的微观规律，诠释森林土壤与大气界面汞交换过程及关键影响因素，耦合典型气候带土壤特性与地气界面的水热过程，归纳总结典型森林生态系统土壤界面汞排放规律与模型参数化方案；2）先前的研究对大气-叶片间汞交换过程的汞汇大小进行了系统的评估，不确定整个系统的大气汞汇，比如树木木质部、森林附生植被（苔藓、地衣及蕨类植物）的大气汞汇估算存在极大的不确定性，而且目前全球汞生物地球化学循环模型还没有系统考虑这一重要汞汇过程；开展基于生态系统尺度的整合研究，全面厘清从热带森林至高寒针叶林不同植被格局下的大气汞汇，定量全球植被对全球大气汞的生物地球化学循环的影响；3）近年来我国植被覆盖率大幅增加，特别是“退耕还林还草”等重大生态工程稳步实施，可能显著增加了大气汞汇，需要进一步核算，急需开展我国近几十年来植被格局变化对大气汞质量平衡的影响研究，为我国在履约和汞环境外交谈判服务；4) 在全球气候变化下，极端的气候事件、森林大火频发造成的森林汞生物地球化学循环的剧烈波动，而当前人类活动、气候变化、植被格局及相互间耦合作用对森林汞生物地球化学循环的影响规律尚不明确，需更多的研究力量投入这一领域。
王训，中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室研究员、博士生导师。主要研究领域为全球变化与重金属环境地球化学循环。曾入选中国科学院“百人计划”B类，获得国家基金委“优秀青年基金”项目，在CREST、PNAS、ES&T等期刊发表多篇研究论文。冯新斌，中国科学院地球化学研究所所长、环境地球化学国家重点实验室主任、研究员、博士生导师，国家自然科学基金委杰出青年基金获得者、创新群体首席，中组部首批“万人计划”入选者，国家“973”项目首席。目前主要从事环境中汞、镉、铅等有害重金属元素的生物地球化学循环与人体健康、重金属污染环境修复和非传统元素稳定同位素地球化学的研究，在CREST、PNAS、ES&T、GCA等期刊发表数百篇研究论文。