中國科大極地環境與全球變化安徽省重點實驗室朱仁斌課題組與美國加州大學伯克利分校Robert C. Rhew課題組合作，在南極苔原鹵甲烷產生與消耗過程和機制的研究中取得重要進展。成果以“Methyl Chloride and Methyl Bromide Production and Consumption in Coastal Antarctic Tundra Soils Subject to Sea Animal Activities”為題線上發表在環境科學著名刊物《Environmental Science & Technology》。
氯甲烷（CH3Cl）和溴甲烷（CH3Br）是重要的痕量溫室氣體，也是大氣中氯和溴的主要攜帶者，它們在大氣中壽命約為10個月，可通過對流層進入平流層催化破壞臭氧。自1987年蒙特利爾條約簽署以來，人為源鹵甲烷的排放得到了有效地遏制，自然源鹵甲烷對臭氧的破壞作用顯得尤為突出。大氣CH3Cl和CH3Br源匯平衡動態，在一定程度上直接影響臭氧層的耗减速度和恢復尺度。現時針對鹵甲烷自然源匯的量化及其機制的研究，主要集中在北半球中低緯度地區，而對兩極地區鹵甲烷源匯研究較缺乏。
南極是全球增溫最劇烈的地區之一。隨著氣候變暖，南極冰蓋退縮形成的無冰區苔原是海洋動物（企鹅和海豹等）的重要棲息地；大量企鹅糞在土壤中的沉積强烈地改變了苔原生物地球化學過程。全球變暖和海洋動物活動可能會影響苔原土壤鹵甲烷的源匯過程。可是，位於南極“臭氧洞”底部的苔原土壤鹵甲烷源匯通量及其影響因素還未見有文獻報導。由於南極嚴酷的環境條件，現場定量苔原鹵甲烷通量很困難；南極土壤是鹵甲烷的源還是匯仍然未知。
圖1.左圖：南極不同類型苔原區域土壤CH3Cl和CH3Br源匯通量特徵（UTS：普通苔原土壤；SCS：海豹聚集區苔原土壤；TMS：苔原沼澤土壤；PCS：企鹅聚集區土壤；PLS：鄰近企鹅聚集區土壤）.右圖：顯示了南極土壤經厭氧培養和熱滅菌實驗測得的CH3Cl通量間的線性相關性.
該研究採集了南極普通苔原、企鹅與海豹聚集區及其附近的苔原，以及苔原沼澤等區域土壤，通過一系列類比培養實驗，發現苔原土壤是CH3Cl和CH3Br的匯，普通苔原土壤對二者消耗速率顯著高於企鹅、海豹聚集區及其附近的苔原土壤。海洋動物活動促進了CH3Cl和CH3Br的產生而降低了匯的强度，動物聚集區苔原環境是南極地區鹵甲烷產生的潜在熱點。所有CH3Cl和CH3Br平均通量呈顯著正相關，表明二者在土壤中具有相似的產生和消耗的機制，且二者通量比值顯著低於北極苔原土壤，暗示了南極苔原土壤更有利於CH3Br的降解。通過-4~12℃溫度梯度土壤培養實驗，揭示了溫度新增促進了普通苔原土壤CH3Cl和CH3Br的消耗，全球變暖將進一步新增二者的匯强。
進一步通過厭氧培養和熱滅菌實驗研究，發現苔原土壤均由CH3Cl匯轉變成淨排放源，且企鹅聚集區土壤CH3Cl排放量顯著高於其它區域土壤。厭氧培養和熱滅菌處理的土壤CH3Cl通量呈現强的正相關性，表明了這些土壤CH3Cl消耗和產生過程分別受微生物氧化和非生物過程調控，且非生物產生過程不依賴於氧氣。海洋動物傳輸為苔原土壤提供了豐富的有機質和鹵素基質，新增了鹵甲烷非生物產生量，抵消了微生物降解速率，從而减小了鹵甲烷的匯强。
圖2.南極不同區域苔原土壤在-4~12℃溫度梯度培養下CH3Cl和CH3Br通量變化特徵（UTS：普通苔原土壤；SCS：海豹聚集區苔原土壤；PCS：企鹅聚集區苔原土壤）。
綜合分析表明：南極苔原土壤CH3Cl消耗速率雖然低於北極幹苔原和亞北極森林土壤，但高於北極濕地苔原，而CH3Br消耗速率顯著高於北極苔原、亞北極濕地和森林土壤。囙此，苔原土壤是南極鹵甲烷重要的區域匯。南極地區對氣候變化高度敏感，氣候變暖將進一步新增苔原土壤鹵甲烷匯的强度。據統計南極約有6.9×107對企鹅，大量企鹅活動及其糞便對海洋源元素的生物傳輸，促進了鹵甲烷非生物產生而减弱了土壤匯的强度；氣候變化影響企鹅的遷移和種群的大小，進而干擾苔原土壤鹵甲烷源匯通量和當地的大氣環境。該研究對於預測南極鹵甲烷源匯過程對未來平流層臭氧破壞的貢獻具有重要意義。
審稿人認為“authors conducted a series of sound，well-designed，and thoughtful experiments，and for the first time they confirmed that overall tundra soil acted as a net sink of CH3Cl and CH3Br.（作者們進行了一系列合理的、精心設計的、周到的實驗，首次證實了南極苔原土壤是CH3Cl和CH3Br的匯）”；“The authors provide compelling laboratory evidence for in-situ formation and degradation of halomethanes in the investigated soil samples.（該工作對南極苔原土壤鹵甲烷的產生與消耗的機制提供了令人信服的實驗室證據）”；“These results are very interesting，novel and original，and are helpful for assessing the relationships between…（這些有趣的、新穎的、創新性的實驗結果有助於在全球變暖背景下評估當地生物地球化學環境與南極區域鹵甲烷淨收支的關係）”。
該論文第一作者是地球和空間科學學院博士生張婉穎；朱仁斌教授與Robert C. Rhew教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金（41776190；41976220）和中國科學院戰略性先導科技專項（XDB40010200）以及美國國家科學基金（EAR-1530375）的資助。
論文連結：https://doi.org/10.1021/acs.est.0c04257