地環境與全球變化安徽省重點實驗室朱仁斌課題組與尹雪斌課題組合作,在南極苔原土壤硒揮發與硒形態轉化研究中取得重要進展,成果以“Selenium volatilization from tundra soils in maritime Antarctica”為題線上發表在環境科學頂級刊物《Environment International》(IF=7.577)。
硒是人和動物必需的微量元素,也是植物的有益元素,對生態系統營養安全具有重要作用。硒的甲基化/揮發是環境中硒生物地球化學迴圈的重要過程之一,大氣中識別的揮發性硒包括氣態無機硒(如H2Se)和有機硒(如二甲基硒DMSe、二甲基二硒DMDSe)。估計從自然源排放的氣態硒占全球源的50-70%,可是這些估算是基於較少的資料,仍有很大不確定性。現時,關於硒揮發的研究主要集中於富硒的土壤/植物和硒污染的環境,很多自然環境中Se的甲基化/揮發過程仍然未知。在遙遠的南極,硒竟然是企鹅、海豹糞土層中訓示它們活動强度的標型元素,這是因為南大洋中有充沛的“硒源”,企鹅、海豹通過捕食硒含量豐富的磷蝦,將海洋源硒富集、搬運到陸地苔原,實現了硒的海-陸傳輸。那麼,搬運到南極苔原的硒將何去何從?氣候變暖對硒揮發及其地球化學迴圈產生怎樣的影響?硒揮發、傳輸與沉降對苔原植被發育影響如何?
圖1.南極苔原硒揮發路徑(左圖);凍融過程對不同苔原土壤硒揮發速率的影響(右圖)。注:SCS海豹活動區土壤;STS鄰近海豹活動區苔原土壤;PCS企鹅活動區土壤;TMS鄰近企鹅活動區的沼澤土壤;NTS普通苔原土壤).
為了回答這些問題,該研究採集了南極背景土壤,企鹅/海豹糞土及其鄰近的苔原、沼澤土壤以及植物等樣品,分析表明企鹅/海豹糞土富集的硒含量比背景土壤高一個數量級,以有機硒為主(占70-80%)。通過化學誘捕預濃縮實驗發現企鹅、海豹活動顯著增加了土壤硒揮發速率(VRSe),4oC下企鹅糞土VRSe是背景土壤的2倍;海豹糞土VRSe低於企鹅糞土,是背景土壤的1.3倍。形態分析揭示企鹅、海豹糞(土)揮發性硒分別主要是二甲基硒和二甲基二硒;企鹅糞和海豹糞中主要有機硒形態分別是硒代胱氨酸和硒代蛋氨酸,訓示了糞(土)中產生揮發性硒的前體物差异,導致了不同的硒甲基化過程。企鹅與海豹糞的沉積對苔原土壤硒甲基化與揮發有重要影響,是南極大氣硒的主要來源。
凍-融模擬實驗表明,由凍結到融化土壤VRSe顯著增加,一直持續到土壤完全融化且維持較長的時間,最大VRSe出現在完全融化的企鹅糞土中;凍土融化新增了氣態硒的擴散速率和土壤微生物活性,加速了土壤硒的還原(圖1)。經0-20oC土壤溫度梯度培養實驗,揭示了苔原土壤VRSe均隨溫度新增,且4-12oC糞土硒揮發效率比背景土壤高一個數量級。VRSe與土壤溫度呈强的非線性正相關(R2=0.96,n=17),且VRSe對溫度敏感係數(Q10)平均值略高於全球其它區域,表明南極苔原土壤VRSe具有極高的溫度敏感性(圖2)。
圖2.南極苔原不同生態區土壤硒揮發速率與溫度的關係及其相對揮發效率
苔蘚是廣泛用於大氣污染物的生物訓示計之一,苔蘚體內元素水准與當地大氣硒沉降量緊密相關。該研究發現鄰近企鹅活動區生長的苔蘚體內硒水准顯著高於背景區苔蘚,暗示了苔蘚體內增高的硒水准來源於企鹅糞(土)揮發性硒的大氣沉降。南極和亞南極島嶼有69×106對企鹅,占南極海鳥數量的90%,全球變暖、高頻的凍融迴圈以及企鹅糞有機硒的輸入,將進一步促進南極苔原土壤硒的揮發,對硒生物地球化學迴圈過程產生顯著影響。另外,企鹅糞(土)氣態硒揮發、傳輸與沉降,對缺硒土壤增施了硒肥,對苔原植被發育將產生積極的影響。該研究成果對於解析全球變暖下南極苔原硒生物地球化學過程具有重要性,對於闡明硒揮發對維持苔原生態系統的穩定性與植被抗逆性具有潜在的重要的生態學意義。
審稿人認為“作者很好地描述了實驗設計和化學分析過程,結果提供了極好的洞察力進入了陸地/海洋硒的介面(The authors describe very well the experimental design and chemical analysis performed.…the results provide fascinating insights into the terrestrial-aquatic selenium interface)”;“在富有挑戰性的環境中對硒的產生與轉化開展了詳細的研究,對陸地生態系統硒迴圈過程做出了重要貢獻(The work is an exhaustive study about Se occurrence and transformations in a very challenging environment. This study provides an important contribution of the selenium cycling in terrestrial ecosystems.)”。
該論文第一作者是地球和空間科學學院畢業博士生葉文娟;朱仁斌教授為論文的通訊作者。該工作得到國家自然科學基金(41776190;41976220)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB40010200)的資助。
論文來源:Wenjuan Ye,Linxi Yuan,Renbin Zhu*,Xuebin Yin,Gary Banuelos.Selenium volatilization from tundra soils in maritime Antarctica.Environment International,2021146106189.
論文連結:https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106189.