导读
汞（Hg）是一种具有强神经毒性的全球性持久性污染物，其环境迁移性强、生物富集性高、健康危害大的特征尤为突出，是全球多边环境条约管控的唯一重金属污染物。汞的《水俣公约》于2017年正式生效，旨在通过控制人为源排放来降低汞风险。相比于人为源排放，自然源汞排放不仅排放量大，而且具备更高的不确定性，其准确量化对于全球汞循环的科学认识和《水俣公约》的履约成效评估至关重要。
近期，华东师范大学地理科学学院陈龙课题组聚焦全球大气汞自然源排放量化，运用理化机制过程模型和物质平衡算法，融合高分辨率遥感数据资料、地基通量观测数据和植被组织含量观测数据，量化了土壤挥发、植被吸收、野火排放等自然过程的排放或吸收通量，系统揭示了汞在大气-土壤-植被等多界面上的迁移转化规律与驱动机制，相关成果发表在Environmental Science & Technology, Earth's Future，ACS ES&T Air，Journal of Geophysical Research: Atmospheres等期刊。
成果一 基于理化机制过程的全球土壤汞挥发通量模拟
汞的地气交换过程是全球大气汞循环的关键过程，然而现有土壤汞挥发通量估算主要依赖经验曲线模型，存在较大不确定性且缺乏全球观测数据的约束。为解决这一问题，研究团队开发了基于理化机制过程的全球地气双向交换模型（GSEM）来模拟量化全球土壤汞挥发通量，模型整合了光化学与非光化学氧化还原反应、土-水分配、气体逸度扩散、土壤孔隙中气态汞的吸附固定等关键生物地球化学过程（图1）（Zhou et al., 2025）。
研究运用全球动态通量箱观测数据对模型结果进行约束验证，结果表明四大主流经验曲线模型均显著低估土壤汞挥发通量，而GSEM模型能精准重现全球挥发通量特征，尤其对热带区域高排放通量的捕捉更为准确。该模型估算的全球土壤汞挥发通量为2272.3吨/年，大幅修正了此前经验曲线模型的低估。空间格局显示，全球土壤汞挥发排放热点区高度集中在热带区域，包括亚马逊、中非、东南亚、东亚等区域；同时，挥发通量呈现出显著的夏季高冬季低的季节变异性特征（图2）。热带区域高挥发通量由高土壤汞浓度、高温高湿气象条件、旺盛的土壤有机质周转共同驱动，而中高纬度地区的季节波动则主要受太阳辐射、土壤温湿度及积雪覆盖的调控。GSEM模型不仅能更准确反映土壤汞循环的复杂过程，还可预测未来全球变化背景下土壤汞挥发通量的变化趋势，为深入研究汞的生物地球化学循环、完善全球汞收支核算体系提供重要支持。
图1. GSEM模型框架
图2. GSEM模型模拟的全球土壤汞挥发通量时空分布
成果二 全球大气汞植被吸收机制模型的改进与应用
陆地植被通过气孔吸收作用，在大气汞的清除中扮演着关键角色。然而，传统模型对该过程的模拟存在一定简化，导致全球植被吸收介导的大气汞干沉降通量估算存在较大不确定性（1000–3000吨/年），不利于全球汞收支的准确评估。为解决这一问题，研究团队在大气化学传输模型中引入了基于植物生理机制的参数化方案。新方案摒弃了传统方案的半经验参数，采用了基于植物生理过程的最优气孔导度和叶肉导度算法，并结合多源卫星数据融合的高质量叶面积指数（LAI）数据，模拟了汞在植被与大气间的交换过程（Chen et al., 2026）。
模拟结果经多类观测数据进行验证，包括通量塔地气交换通量观测、凋落物通量观测、大气汞浓度观测等。新方案改进了经典传统方案在亚洲的低估和南美亚马逊地区的高估，同时新方案能更好地刻画区域差异。新方案估算全球植被吸收介导的大气汞干沉降通量为2257吨/年，沉降热点集中在热带雨林地区（如亚马逊、东南亚）和人为排放密集的东亚地区。热带常绿阔叶林贡献了全球通量的23%，而亚洲大陆的贡献占比最高，达28.3%（图3，4）。该研究将植物生理机制与大气化学模拟结合，提高了植被汞吸收通量估算的可靠性。这一可靠量化对于平衡全球汞收支、预测未来气候变化和植被动态下的汞循环演变，都具有重要意义。
图3. 大气汞干沉降通量的全球分布及不同植被群系和陆地区域的沉降通量
图4. 新方案的全球大气汞收支示意图及期刊副封面
成果三 基于物质平衡法的全球野火物质燃烧汞排放估算
野火生物质燃烧作为全球汞循环的重要环节，会将植被和土壤中储存的汞释放到大气中。过往研究估算其排放量约为300–600吨/年，多采用排放因子法，该方法存在一定局限性：基于烟羽中汞/一氧化碳增强比的空天测量会忽略汞在传输中的化学损失，同时观测数据的稀疏性会导致其无法体现植被生物群系和区域的高空间变异性，也无法区分植被燃烧导致的汞直接排放与土壤加热导致的汞间接挥发。针对传统汞排放因子法的局限性，研究团队通过植被组织汞浓度数据构建了质量平衡模型，对2010–2019年全球野火生物质燃烧的汞排放量进行了重新估算，实现了对植被多组织排放的精细量化，克服了传统排放因子法的局限，为气候变化背景下全球汞循环模拟提供了更可靠的数据支持（Shen et al., 2026）。
研究结果表明，全球2010–2019年均排放量为280吨（90%置信区间：93–803吨），显著低于以往基于排放因子法的估算结果（约600吨/年）。排放主要集中在热带地区，非洲贡献最大（49%），其次为亚洲（29%），热点区域包括热带非洲稀树草原、中南半岛及亚洲中高纬度森林（图5）。叶片为植被排放主要来源（占总植被组织排放的58%），凋落物燃烧与泥炭地火灾分别贡献81吨与70吨，合计占总汞排放的一半以上，稀树草原是全球排放贡献最大的生物群系（29%）（图6）。全球生物质燃烧汞排放呈三峰季节模式（1月、3月、8月），与南北半球非洲干旱期及东南亚农业活动高峰期一致，年际波动主要受极端火灾事件（如ENSO引发的2015年印尼泥炭地火灾）驱动，十年长期排放量相对稳定，呈略微下降趋势。估算结果低于传统排放因子法的结果，主要因为植被组织实际汞浓度低于传统汞排放因子的测量结果，且本研究并未量化土壤加热带来的汞间接排放。更加精确的生物质燃烧汞排放估算有助于提高全球大气汞收支的认识并应对气候变化背景下北方泥炭地等脆弱区域日益增长的火灾风险。
图5. 2010–2019年均全球野火生物质燃烧汞排放空间分布及期刊副封面
图6. 不同火灾类型生物质燃烧汞排放的时空特征
成果四 全球野火加热表层土壤所引起的土壤汞排放量化
气候变化加剧导致全球野火发生频率显著上升，且火灾集中分布于热带雨林、北方草原等生态脆弱区，使野火成为大气汞排放的重要自然源。野火汞排放不仅来源于地表植被生物质燃烧，其燃烧过程对表层土壤的加热同样会造成汞排放。当土壤温度超过150℃时，吸附于土壤胶体的汞会转化为易挥发的单质汞而进入大气，释放通量与土壤汞含量和加热深度直接相关，后者则由火灾强度所决定。以往基于排放因子法的野火汞排放估算难以区分生物质燃烧直接排放和土壤加热带来的汞间接排放。为此，研究团队基于全球火点数据和土壤汞含量数据，提出了一种估算全球野火期间表层土壤加热引起的汞排放量化的新方法，该方法考虑了火灾频发地区土壤汞库的损耗量及其缓慢恢复过程，将土壤加热汞排放划分为两类来源：一是野火期间表层土壤历史遗留汞的排放，二是表层土壤汞库恢复阶段新沉降汞的再排放（图7）（Wang et al., 2026）。
基于上述方法，研究首次量化了全球野火表层土壤加热带来的汞排放，并利用大气化学传输模型评估了排放对全球大气汞循环的影响。研究结果表明，全球土壤年均汞排放总量为98.1吨（80%置信区间：24.5–290吨），其中历史遗留汞排放量约为69.2吨，新沉降汞再排放量为28.9吨。排放热点集中在北半球高纬度地区（占比25%）与热带地区（占比41%），但驱动机制存在差异：热带地区因频繁的火灾与高大气汞沉降通量，以新沉降汞的再排放为主；而高纬度地区因历史火灾稀少、土壤中累积了大量遗留汞，加之气候变暖下野火频率与强度增加，成为历史遗留汞排放的热点（图8）。从区域贡献看，非洲中西部和亚洲北方森林合计贡献全球60%的土壤加热汞排放；从植被类型看，稀树草原是主要排放源，占比37.1%。野火期间表层土壤排放的气态单质汞经长距离传输后，在热带地区主要以干沉降形式进行去除，而在北半球高纬度沿海地区则被氧化为二价汞并大量沉降，后者经甲基化作用在海洋食物链中富集，对北极及亚北极原住民的健康造成潜在威胁。研究填补了全球野火土壤汞排放的量化空白，证实土壤是野火期间汞排放的重要来源；在气候变暖野火加剧的背景下，高纬度地区土壤汞库将持续加速释放汞，显著增加北方地区生态环境风险。
图7. 野火加热过程中表层土壤历史遗留汞排放估算的技术思路
图8. 全球野火期间土壤加热深度及气态单质汞排放的空间分布
相关学术成果
Zhou, Q.; Xu, Z.; Chen, Q.; Zhang, Y.; Zhang, X.; Shen, Y.; Wang, D.; Chen, L.* Improved model predictions of global soil mercury volatilization fluxes. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2025, 130, e2025JD045023.
Chen, Q.; Chen, L.*; Shen, Y.; Wang, D.; Zhou, Q.; Zhang, Y.; Yang, Y. Improved mechanistic modeling of global vegetation-mediated mercury deposition. ACS ES&T Air, 2026, 3, 842–853.（副封面论文）
Shen, Y.; Chen, L.*; Wang, D.; Chen, Q.; Zhou, Q.; Huang, Y.; Du, W.; Chen, Y.; Yang, Y. Global mercury emissions from open biomass burning estimated using a mass-balance approach. Environmental Science & Technology, 2026, 60 (8), 6415–6426.（副封面论文）
Wang, D.; Chen, L.*; Shen, Y.; Chen, Q.; Zhou, Q.; Ma, T.; Yan, J.; Li, Y.; Wang, Y.; Yang, Y. Initial estimates of soil mercury emissions induced by soil heating during global wildfires. Earth's Future, 2026, 14 (3), e2026EF008074.
项目支持
该系列研究受到国家自然科学基金项目资助，以及华东师范大学公共创新服务平台（001）支持。
作者简介
第一作者：
第一作者分别为周埼（2022级硕士生，已毕业）、陈钦铮（2023级硕士生）、申禹哲（2024级硕士生）、王丹钰（2024级博士生）。
通讯作者：
陈龙，华东师范大学地理科学学院教授，博士生导师。研究方向为污染物的环境过程与效应。主持3项国家自然科学基金项目，并在国内外学术期刊发表论文80余篇，其中以第一/通讯作者在Nature Food、Nature Commun、One Earth、ES&T等主流期刊发表论文近30篇，多篇入选高被引或期刊副封面，总引3000余次。曾获环境保护科学技术奖自然科学奖二等奖，华人产业生态学会“最佳论文奖”，多次校级优秀毕业论文指导教师奖等。担任2本学术专著副主编和《生态环境学报》青年编委。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、文汇报等机构和媒体关注。
个人主页：
https://faculty.ecnu.edu.cn/_s33/cl2_16995/main.psp
Email：
chenlong@geo.ecnu.edu.cn
