1. 导读
近日，华东师范大学地理科学学院陈龙研究员课题组在环境领域著名期刊ES&T上发表了有关海洋大气颗粒态汞模拟研究的最新进展。全球海洋大气颗粒态汞和气态二价汞的观测数据显示，海洋大气边界层存在较高浓度的颗粒态汞，且颗粒态汞占总体二价汞的比例与陆地大气相当。然而，传统基于陆地观测数据发展而来的气固分配参数化方案低估了海洋大气颗粒态汞浓度及其占比。基于不同粒径的观测数据，研究者们发现，相比于陆地大气，海洋大气存在较高浓度的粗粒径颗粒态汞，传统方案在模拟粗粒径颗粒态汞形成时存在不足，这可能是模拟低估的关键原因。由此，研究发展了基于吸附解吸过程的参数化方案，改进了海洋大气颗粒态汞的模拟效果，构建了全球海洋大气汞循环新的收支平衡。参数化方案的改变带来了海洋上空气态二价汞沉降向颗粒态汞沉降的转变，势必引起学界对海洋汞风险的重新审视，以保护全球海产品摄食人群的健康。
2. 研究背景
汞（Hg）是一种神经毒性污染物，在地球上无处不在。大气中的汞有三种形态：气态单质汞（Hg0）、气态二价汞（HgII）和颗粒态汞（HgP）。HgII通过热力学平衡转化为HgP。HgII和HgP是水溶性的，容易沉降至陆地和海洋，并发生甲基化生成高毒性的甲基汞，在食物网中积累，最终对人类造成健康风险。
HgII吸附于气溶胶颗粒（如硝酸盐、硫酸盐和海盐气溶胶）表面而形成HgP，其形成经历了气溶胶颗粒的吸湿性生长、基于浓度梯度的HgII吸附以及空气湿度降低造成的解吸。以往的模拟研究多采用气固分配方案来描述这一过程，它是根据陆地观测点的大气汞观测与环境因素（如细颗粒物浓度、大气温度和相对湿度）之间的数学回归关系得出的，但它存在局限性，难以重现海洋大气边界层HgP浓度及占总体二价汞的比例。相对于陆地大气，海洋大气的相对湿度高，海盐气溶胶（SSA）吸湿增长快、粗粒径占比高，海盐气溶胶（SSA）的增长有利于海洋大气边界层HgP的形成。由此，本研究将基于SSA吸附HgII形成HgP的过程机制，构建新的吸附解吸参数化方案，并纳入大气化学传输模型（GEOS-Chem），模拟海洋大气边界层HgP的循环过程，探究海洋大气海盐吸附态HgP循环对全球大气汞收支平衡的影响。
3. 重现海洋大气边界层HgP浓度
基于数理统计关系的传统方案对于陆地大气边界层HgP浓度及其占总体二价汞比例的模拟效果正常。然而，传统方案所模拟的海洋大气边界层HgP浓度低于观测浓度（图1A和1D），尤其是HgP占总体二价汞的比例显著低于观测，由此可见，在传统方案的模拟中，海洋大气HgII向HgP的转换效率相当低。基于吸附解吸过程的新方案显著提高了海洋大气边界层HgP浓度及其占比的模拟效果（图1B和1F）。两种方案差别较为显著的热点区域主要集中在北太平洋和北大西洋海域，特别是热带和近海水域（图1C和1G）。同时，与传统方案相比，新方案对海洋大气HgP的重现明显促进了HgP湿沉降的增加而减少了HgII的湿沉降。总体而言，新方案的湿沉降总量略低于传统方案的湿沉降总量，整体提高了海洋区域湿沉降观测数据的吻合性。
图1.基于数理统计关系的传统方案和基于吸附解吸过程的新方案对于海洋大气边界层HgP浓度及其占总体二价汞比例的模拟效果对比
4. 不同粒径海盐气溶胶吸附态HgP的全球分布
研究模拟了不同粒径海盐气溶胶吸附态HgP的大气浓度和沉降通量，如图2所示。研究模拟了9类不同粒径海盐气溶胶吸附态HgP的循环过程，并将9类整合为3类进行分析，包括粒径小于1 μm（SBM1）、粒径小于2.5 μm（SBM2.5）和粒径小于10 μm（SBM10）。结果表明，SBM1的大气浓度和年沉降通量远低于SBM2.5和SBM10，但SBM2.5和SBM10的量级具有可比性（图2A-2C和2E-2G）。不同粒径海盐气溶胶吸附态HgP的全球累积平均浓度和总沉降通量如图2D和2H所示。当粒径小于8 µm时，随着粒径的增大，其累积浓度和通量迅速增加。然而，当粒径大于8 µm时，累积浓度和通量则进入平台期。累积浓度和通量的最高增长率出现在SBM2.5附近，表明相应粒径的气溶胶颗粒对HgII具有较高的吸附效率。SBM1、SBM2.5和SBM10的全球总沉降通量分别为520 Mg yr-1、1190 Mg yr-1和1550 Mg yr-1，分别占海盐气溶胶吸附态HgP全球总沉降通量的33.1%、75.8%和98.7%。因此，传统方案对于粒径为2.5 µm的海盐气溶胶吸附态HgP的模拟浓度并不能代表海洋大气HgP的全部情况，而能够重现粗粒径海盐气溶胶吸附态HgP的新方案则具备更好的模拟效果。
图2.基于吸附解吸过程的新方案所模拟的不同粒径海盐气溶胶吸附态HgP的大气浓度和沉降通量
5. 全球大气汞收支平衡的变化
研究构建了一个新的全球大气汞收支平衡，平衡纳入了海洋大气边界层海盐气溶胶吸附态HgP的循环过程（图3）。在基于传统方案的收支平衡中，经海盐直接吸收的气态HgII沉降达到1,610 Mg yr-1。而新方案显示，这部分气态HgII并未直接被海盐吸收沉降，而是转化成海盐气溶胶吸附态HgP，转化通量达1570 Mg yr-1，海盐气溶胶吸附态HgP后经干湿沉降到达表层海水，通量分别为160 Mg yr-1和1410 Mg yr-1。海盐气溶胶吸附态HgP的大气赋存量较低（4 Mg），这是因为它的形成主要发生在高度有限的海洋边界层中。此外，海盐气溶胶的大粒径和海洋区域的高湿环境所导致的高沉降速率同样抑制了海盐气溶胶吸附态HgP在海洋大气中的长期存留。总的来说，新平衡的主要变化是从海洋上空的气态HgII沉降转变成HgP沉降，这种转变的出现也伴随着全球海洋区域大气汞沉降空间分布的变化。这需要学界对海洋汞风险进行重新审视，以保护全球海产品摄食人群的健康。
图3.全球大气汞收支平衡的变化
论文信息：
Zhang, Y.; Xu, Z.; Han, G.; Chu, Z.; Zhou, Q.; Chen, Q.; Wu, G.; Shi, G.; Wang, X.;Chen, L.* Improved mechanistic modeling on reproducing particle-bound mercury in the marine atmosphere. Environmental Science & Technology 2025. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c09481
作者简介
第一作者：张艳平，华东师范大学地理科学学院自然地理学硕士毕业生，现就读于中国科学院生态环境研究中心，研究方向为大气汞循环模拟。
通讯作者：陈龙，华东师范大学地理科学学院研究员、博导，研究方向为污染物环境过程与效应。先后主持多项国家自然科学基金项目，以第一/通讯作者在Nature Food、Nature Commun.、ES&T等知名SCI期刊发表论文20余篇，多篇入选高被引和期刊封面。研究成果受到联合国环境规划署、美国地球物理协会、中国科学报等机构媒体关注。曾获环境保护科学技术奖-自然科学奖二等奖、2020年度华人产业生态学会“最佳论文奖”等。
E-mail: chenlong@geo.ecnu.edu.cn
