• 中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

东海夏季溶解气态汞和活性汞分布特征及控制因素

程国益 陈路锋 刘畅 李雁宾

引用本文:
Citation:

东海夏季溶解气态汞和活性汞分布特征及控制因素

    作者简介: 程国益(1993-),男,河南偃师人,硕士,主要从事中国近海溶解气态汞分布特征及控制因素研究,E-mail:Cgy1275718309@163.com;
    通讯作者: 李雁宾,教授,E-mail: liyanbin@ouc.edu.cn
  • 基金项目: 中央高校基本科研业务费专项项目(201762031,201841008);国家重点研发项目(2016YFA0601300)

Distribution of dissolved gaseous mercury and reactive Hg and their controlling factors in the East China Sea in summer

  • 摘要: 于2018年6月在东海开展航次调查,测定了水体中溶解气态汞(dissolved gaseous mercury,DGM)、活性汞(reactive Hg,RHg)、总汞(total Hg,THg)及溶解态汞(dissolved Hg, DHg)浓度,探究了夏季东海水体中DGM和RHg的分布特征及其控制因素。结果表明,东海水体DGM和RHg浓度分别为151.3±75.9 pg/L和0.8±0.7 ng/L,DGM/THg、DGM/RHg和RHg/THg比例分别为(4.5±2.5)%、(26.7±15.0)%和(21.6±14.8)%。与其他海洋体系相比,东海水体中DGM和RHg浓度显著高于多数大洋水体,低于或接近其他近海报道结果。空间分布上,东海水体DGM和RHg均呈现出相对复杂的分布趋势,在近岸浅层水、外海浅层及深层水中均存在明显的高值区,可能受陆源输入和原位生成/去除过程共同控制。垂直分布上,底层水中DGM和RHg浓度相对较低,其他水层无显著差异。不同水层THg和DHg调查数据显示东海底层水中虽然THg浓度最高,但DHg相对其他水层浓度略低,这可能是导致底层水中RHg和DGM较低的主要原因。Spearman相关性分析和多元回归分析结果表明,RHg浓度和溶解氧(dissolved oxygen,DO)含量是影响海水中DGM浓度的关键控制因素,而DO含量是影响海水中RHg浓度的关键控制因素。
  • 图 1  2018年夏季东海航次采样站位

    Figure 1.  Sampling stations in the ECS in summer 2018

    图 2  夏季东海表层(A)、10 m层(B)和底层(C)水体中RHg的空间分布

    Figure 2.  Spatial distribution of RHg in surface (A), 10 m (B) and bottom (C) water of the ECS in summer

    图 4  夏季东海表层(A)、10 m层(B)和底层(C)水体中DGM的空间分布

    Figure 4.  Spatial distribution of DGM in surface (A), 10 m (B) and bottom (C) water of the ECS in summer

    图 3  夏季东海水体中RHg在D2-D5(A)、P1-F5(B)、P1-P6(C)和W1-W4(D)断面处的垂直分布

    Figure 3.  Vertical distribution of RHg at sections of D2-D5 (A)、P1-F5 (B)、P1-P6 (C)和W1-W4 (D) in the ECS water in summer

    图 5  夏季东海水体中DGM在D2-D5(A)、P1-F5(B)、P1-P6(C)和W1-W4(D)断面的垂直分布

    Figure 5.  Vertical distribution of DGM at sections of D2-D5 (A)、P1-F5 (B)、P1-P6 (C)和W1-W4 (D) in the ECS water in summer

    表 1  东海水体中DGM和RHg浓度、DGM/THg%和DGM/RHg%以及RHg/THg%与其他海洋体系的比较

    Table 1.  Comparisons of DGM and RHg concentrations, DGM/THg%, DGM/RHg% and RHg/THg% in the ECS water with other marine systems

    海洋体系 DGM/pg·L−1 RHg/ng·L−1 DGM/THg/(%) DGM/RHg/(%) RHg/THg/(%) 参考文献
    大洋 地中海(夏) 50±24 0.05±0.07 20.0 96.1 [15]
    东-地中海(夏) 42.2 [7]
    西-地中海(夏) 17.6 [7]
    南大西洋(夏) 240±160 0.3±0.2 41.4 70.6 58.6 [16]
    近海 旧金山湾(全年) 180±176 [18]
    长岛(全年) 40±26 0.3~0.9 5.5±8.4 20 [9]
    黄海表层水(全年) 0.9±0.3 37±14 [17]
    黄海表层水(夏) 63.9±13.7 1.1±0.3 3.7 5.8 [3]
    东海(夏) 151.3±75.9 0.8±0.7 4.5±2.5 26.7±15.0 21.6±14.8 本研究
    下载: 导出CSV

    表 2  夏季东海水体中DGM和RHg与环境参数的关系

    Table 2.  The relationships of DGM and RHg with environmental parameters in the ECS water in summer

    参数 相关系数R 多元回归分析
    Log DGM (n=184) Log RHg (n=175) Log DGM (n=184) Log RHg (n=175)
    Log RHg 0.58*** 0.52
    Log THg 0.04 0.04
    Log DHg 0.07 0.11
    DO 0.31*** 0.26** 0.18 0.22
    DOC 0.13 −0.02
    T 0.11 0.11
    S −0.02 0.09
    Chl a −0.06 −0.09
    NO3- 0.22* −0.09 −0.06
    NO2- 0.01 0.20* −0.09
    R 0.59 0.28
    p <0.001 <0.01
    注:溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC),叶绿素(chlorophyll-a, Chl-a),表中Spearman相关性分析与DGM和RHg显著相关的环境因素加粗显示,其中“*”代表相关性为p<0.05,“**”代表相关性为p<0.01,“***”代表相关性为p<0.001。多元回归分析的β值大小用来评价环境因素在控制DGM和RHg分布中起的作用,并且作用显著的因素在表格中加粗显示
    下载: 导出CSV
  • [1] UNEP. Global mercury assessment 2018[R]. Geneva, Switzerland: UNEP Chemical Branch, 2018.
    [2] SCHROEDER W H, MUNTHE J. Atmospheric mercury - an overview[J]. Atmospheric Environment, 1998, 32(5): 809-822. doi: 10.1016/S1352-2310(97)00293-8
    [3] CI Z J, ZHANG X S, WANG Z W, et al. Distribution and air-sea exchange of mercury (Hg) in the Yellow Sea[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2011, 11(6): 2881-2892. doi: 10.5194/acp-11-2881-2011
    [4] BATRAKOVA N, TRAVNIKOV O, ROZOVSKAYA O. Chemical and physical transformations of mercury in the ocean: a review[J]. Ocean Science, 2014, 10(6): 1047-1063. doi: 10.5194/os-10-1047-2014
    [5] AMYOT M, GILL G A, MOREL F M M. Production and loss of dissolved gaseous mercury in coastal seawater[J]. Environmental Science & Technology, 1997, 31(12): 3606-3611.
    [6] FANTOZZI L, FERRARA R, FRONTINI F P, et al. Dissolved gaseous mercury production in the dark: evidence for the fundamental role of bacteria in different types of Mediterranean water bodies[J]. Science of the Total Environment, 2009, 407(2): 917-924. doi: 10.1016/j.scitotenv.2008.09.014
    [7] FERRARA R, CECCARINI C, LANZILLOTTA E, et al. Profiles of dissolved gaseous mercury concentration in the Mediterranean seawater[J]. Atmospheric Environment, 2003, 37(S1): 85-92.
    [8] AHN M C, KIM B, HOLSEN T M, et al. Factors influencing concentrations of dissolved gaseous mercury (DGM) and total mercury (TM) in an artificial reservoir[J]. Environmental Pollution, 2010, 158(2): 347-355. doi: 10.1016/j.envpol.2009.08.036
    [9] ROLFHUS K R, FITZGERALD W F. The evasion and spatial/temporal distribution of mercury species in Long Island Sound, CT-NY[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2001, 65(3): 407-418. doi: 10.1016/S0016-7037(00)00519-6
    [10] LIU M D, CHEN L, WANG X J, et al. Mercury export from mainland China to adjacent seas and its influence on the marine mercury balance[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(12): 6224-6232.
    [11] 刘 畅. 东海汞形态分布、甲基化/去甲基化及控制因素研究[D]. 青岛: 中国海洋大学化学化工学院, 2018: 1-94.
    [12] WANG C J, CI Z J, WANG Z W, et al. Air-sea exchange of gaseous mercury in the East China Sea[J]. Environmental Pollution, 2016, 212: 535-543. doi: 10.1016/j.envpol.2016.03.016
    [13] TSENG C M, LAMBORG C, FITZGERALD W F, et al. Cycling of dissolved elemental mercury in Arctic Alaskan lakes[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68(6): 1173-1184. doi: 10.1016/j.gca.2003.07.023
    [14] DALZIEL J A. Reactive mercury in the eastern North Atlantic and southeast Atlantic[J]. Marine Chemistry, 1995, 49(4): 307-314. doi: 10.1016/0304-4203(95)00020-R
    [15] KOTNIK J, HORVAT M, TESSIER E, et al. Mercury speciation in surface and deep waters of the Mediterranean Sea[J]. Marine Chemistry, 2007, 107(1): 13-30. doi: 10.1016/j.marchem.2007.02.012
    [16] MASON R P, SULLIVAN K A. The distribution and speciation of mercury in the South and equatorial Atlantic[J]. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 1999, 46(5): 937-956. doi: 10.1016/S0967-0645(99)00010-7
    [17] CI Z J, ZHANG X S, WANG Z W, et al. Phase speciation of mercury (Hg) in coastal water of the Yellow Sea, China[J]. Marine Chemistry, 2011, 126(1/2/3/4): 250-255.
    [18] CONAWAY C H, SQUIRE S, MASON R P, et al. Mercury speciation in the San Francisco Bay estuary[J]. Marine Chemistry, 2003, 80(2/3): 199-225.
    [19] MASON R P, ROLFHUS K R, FITZGERALD W F. Methylated and elemental mercury cycling in surface and deep ocean waters of the North Atlantic[J]. Water, Air, and Soil Pollution, 1995, 80(1/2/3/4): 665-677.
    [20] BI C J, CHEN Z L, SHEN J, et al. Variations of mercury distribution in the water column during the course of a tidal cycle in the Yangtze Estuarine intertidal zone, China[J]. Science China Chemistry, 2012, 55(10): 2224-2232. doi: 10.1007/s11426-012-4622-x
    [21] BARNETT M O, TURNER R R, SINGER P C. Oxidative dissolution of metacinnabar (β-HgS) by dissolved oxygen[J]. Applied Geochemistry, 2001, 16(13): 1499-1512. doi: 10.1016/S0883-2927(01)00026-9
  • [1] 张栋华吕钊臻邵主峰孔祥淮高会旺李雁宾 . 胶州湾沉积物柱状样重金属垂向分布特征及其控制因素. 海洋环境科学, doi: 10.12111/j.mes.20190090
    [2] 李敏桥林田李圆圆郭志刚 . 中国东海水体中多氯联苯的浓度及其组成特征. 海洋环境科学, doi: 10.12111/j.mes20190416
    [3] 王燕王艳洁赵仕兰王震姚子伟 . 海水中溶解态总氮测定方法比对及影响因素分析. 海洋环境科学, doi: 10.12111/j.mes20190425
    [4] 钟超孙凯峰廖岩綦世斌陈清华尹倩婷徐敏 . 广东流沙湾海草分布现状及其与不同养殖生境的关系. 海洋环境科学, doi: 10.12111/j.mes20190406
    [5] 杨梦蓉代小蓉肖航 . 象山港海水和沉积物中多环芳烃分布特征和来源研究. 海洋环境科学, doi: 10.12111/j.mes.20190045
  • 加载中
图(5)表(2)
计量
  • 文章访问数:  522
  • HTML全文浏览量:  551
  • PDF下载量:  4
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-24
  • 录用日期:  2019-06-17
  • 网络出版日期:  2019-08-06

东海夏季溶解气态汞和活性汞分布特征及控制因素

    作者简介:程国益(1993-),男,河南偃师人,硕士,主要从事中国近海溶解气态汞分布特征及控制因素研究,E-mail:Cgy1275718309@163.com
    通讯作者: 李雁宾,教授,E-mail: liyanbin@ouc.edu.cn
  • 1. 中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100
  • 2. 中国海洋大学 化学化工学院,山东 青岛 266100
  • 3. 江汉大学 环境与健康研究院,湖北 武汉 430056
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项项目(201762031,201841008);国家重点研发项目(2016YFA0601300)

摘要: 于2018年6月在东海开展航次调查,测定了水体中溶解气态汞(dissolved gaseous mercury,DGM)、活性汞(reactive Hg,RHg)、总汞(total Hg,THg)及溶解态汞(dissolved Hg, DHg)浓度,探究了夏季东海水体中DGM和RHg的分布特征及其控制因素。结果表明,东海水体DGM和RHg浓度分别为151.3±75.9 pg/L和0.8±0.7 ng/L,DGM/THg、DGM/RHg和RHg/THg比例分别为(4.5±2.5)%、(26.7±15.0)%和(21.6±14.8)%。与其他海洋体系相比,东海水体中DGM和RHg浓度显著高于多数大洋水体,低于或接近其他近海报道结果。空间分布上,东海水体DGM和RHg均呈现出相对复杂的分布趋势,在近岸浅层水、外海浅层及深层水中均存在明显的高值区,可能受陆源输入和原位生成/去除过程共同控制。垂直分布上,底层水中DGM和RHg浓度相对较低,其他水层无显著差异。不同水层THg和DHg调查数据显示东海底层水中虽然THg浓度最高,但DHg相对其他水层浓度略低,这可能是导致底层水中RHg和DGM较低的主要原因。Spearman相关性分析和多元回归分析结果表明,RHg浓度和溶解氧(dissolved oxygen,DO)含量是影响海水中DGM浓度的关键控制因素,而DO含量是影响海水中RHg浓度的关键控制因素。

English Abstract

  • 汞(Hg)是一种全球性的持久性有毒金属污染物。环境中Hg的来源主要包括自然活动(地热活动、水体及土壤/沉积物的再释放等)和人为排放(燃料燃烧、手工业及工业生产活动、采矿、冶炼等)[1]。排放至大气中的零价汞(elemental Hg, Hg0)因其具有较长的停留时间(0.5~2 a)[2],且能够在大气环流的作用下进行长距离的传输[3],使得局域的Hg污染也影响到全球环境。排放到环境中的无机Hg在水环境中也可以被转化为毒性高、易富集的甲基汞(methylmercury, MeHg),从而对人体和生态系统造成健康风险[4]。溶解气态汞(dissolved gaseous mercury, DGM)是参与海-气界面Hg交换的主要Hg形态,在海洋Hg循环中具有重要作用[2, 4]。2018年UNEP报告显示,每年约有2900~4000 t的Hg0从海洋中挥发进入大气[1]。海水DGM再释放过程也是减少海洋中Hg赋存量的一个重要途径,能显著降低表层水中Hg的水平[4]。此外,水体中DGM的还原生成也会降低海水中溶解态二价汞(divalent Hg, Hg2+)的水平,抑制MeHg的生成,进而降低海洋中Hg的生态风险[2, 4]。水环境中的DGM主要来源于生物/非生物Hg的还原和去甲基化过程[4-6],受Hg2+浓度[5-6]、溶解氧(dissolved oxygen, DO)[7]、光照[5, 8]、悬浮颗粒物[8-9]等因素的影响。海水中并非所有的Hg2+都可被还原和甲基化[4]。Amyot等研究发现活性汞(reactive Hg, RHg)(主要为溶解态、胶体态的Hg2+)是参与Hg还原、甲基化等过程的主要Hg形态[5]。Ci等研究发现水体中较高的RHg浓度和RHg占总汞(total Hg, THg)的比例能够促进海水中Hg的还原过程[3]

    东海是中国重要的陆架边缘海,是连接黄海与西太平洋的重要枢纽。受沿岸地区工业生产、人为活动及河流输入的影响,每年有大量的含Hg污染物排放进入东海,据Liu等估算,长江等河流每年输入到东海中的Hg总量高达144 t,占中国近海Hg入海总量的61%[10]。目前关于东海Hg循环已有一些相关研究,主要集中在水体、沉积物中THg、MeHg分布及控制因素[11]、表层水中DGM分布特征、影响因素及DGM海-气交换过程(速率、通量)等[12]。例如,刘畅等研究了夏、秋季节东海水体、沉积物中THg、MeHg的时空分布,探究了其主要控制因素,并初步探讨了东海水团混合过程对近海Hg分布的影响[11]。Wang等测定了东海表层水中DGM浓度、海-气交换通量,并探讨了环境因素对DGM分布的影响[12]。然而,目前对于东海水体中RHg以及深层水中DGM的分布特征及控制因素还缺乏相关研究,一定程度上限制了对东海水体中Hg循环过程的理解和认识。本研究于2018年夏季在东海开展了一次航次调查,测定了水体中DGM、RHg、THg和溶解态汞(dissolved Hg, DHg)浓度及相关的环境参数,探究了东海水体中DGM和RHg的分布特征,并通过Spearman相关性分析和多元回归分析识别了可能影响东海水体中DGM和RHg分布的关键控制因素。

    • 2018年6月搭载“东方红2”科考船在东海进行了现场调查,使用Niskin(24×12 L)采水器(General Oceanics, USA)在44个站位分别采集了表层(0~3 m)、10 m层、30 m层、50 m层、75 m层和底层海水,采样站位如图1所示。C1-C4和J1-J3位于黄海,TW1-TW3位于台湾海峡,其余采样站位均位于东海。采水器打上水后,立即将2 L海水缓慢转移至用酸洗净的硼硅玻璃瓶中,直至顶空,用于现场测定DGM[13]。将100 mL未过滤海水转移至150 mL的硼硅玻璃气泡瓶中,用于现场测定RHg。向未过滤海水(35 mL)中加入一定体积的HCl至0.5%(v/v),用于测定THg。另一份海水样品(35 mL)经0.40 μm聚碳酸酯膜(德国Merck公司)过滤,加入HCl(0.5%(v/v)),用于测定DHg,于−20 ℃冷冻保存。

      图  1  2018年夏季东海航次采样站位

      Figure 1.  Sampling stations in the ECS in summer 2018

    • 水体中DGM的测定主要参照Tseng的方法[13]。现场采样后,立即将2 L海水转移至2.5 L的气泡瓶(包裹铝箔纸)中,通高纯氮气(600 mL/min)吹扫20 min,金管取下后用氮气继续吹5 min使其干燥。捕集在金管的Hg在500 ℃下热解析后,采用冷原子荧光仪检测(MODEL III,美国Brooks Rand公司)。

      水体中RHg的测定基于Dalziel的方法[14]。现场采样后,立即向海水(100 mL)中加入0.5 mL的HCl和0.5 mL 20%(w/v)的SnCl2(将所有的Hg2+还原为Hg0),通高纯氮气(350±50 mL/min)吹扫20 min,金管取下后用氮气继续吹5 min使其干燥。捕集在金管的Hg在500 ℃下热解析后,采用冷原子荧光仪检测。

      水体中THg、DHg的测定采用美国EPA 1631 E的方法。向25 mL未过滤/过滤的海水中加入125 μL的BrCl,消解12 h以上,随后加入62.5 μL的NH2OH·HCl除去多余的BrCl,最后加入125 μL 20%(w/v)的SnCl2将Hg2+还原为挥发态的Hg0,利用汞自动分析仪(Brooks Rand Lab., Seattle, WA, USA)测定海水中THg、DHg含量。

    • DGM和RHg测定的方法空白分别为1.6~2.7 pg/L和0.1~0.2 ng/L,检出限分别为1.2 pg/L和0.1 ng/L。THg、DHg测定中,为保证数据质量,每批样品(20个)加做两个方法空白、两个加标回收以及随机选择一个样品测定3次估算重现性。THg和DHg测定的方法空白为0.3~0.4 ng/L,符合EPA测定要求(< 0.5 ng/L),检出限为0.2 ng/L。THg和DHg测定中的加标回收率为90%~116%,随机挑选的3个平行样的相对标准偏差(RSD)为2.7%~9.3%,符合EPA测定要求(回收率为70%~130%, RSD<15%)。

    • 平面分布、垂直分布采用(Ocean Data View,AWI, Germany)绘制。Spearman相关性分析(用来检验DGM、RHg与环境参数的相关性是否显著)、多元回归分析(用来识别影响DGM、RHg分布的主要控制因素)和one-way ANOVA检验(用来检验不同水层中DGM、RHg浓度是否存在显著性差异)使用SPSS 16.0 (SPSS Inc., Chicago, IL)软件完成。Spearman相关性分析和多元回归分析中对DGM、RHg数据进行了对数转置以满足正态分布。

    • 夏季东海航次,RHg的平均浓度为0.8±0.7 ng/L(< 0.2~2.7 ng/L)。东海水体中RHg占THg的比例(RHg/THg%)为(21.6±14.8)%(5.7%~48.0%)(表1)。与其他海洋体系相比,东海水体中RHg浓度显著高于多数大洋水体(如地中海[15]、大西洋[16]等),而与其他近海报道结果相当(如长岛[9]、黄海[17]等)。东海水体中RHg/THg%明显低于大洋水体(如大西洋[16]等),而与近海报道结果相当(如长岛[9]、黄海[17]等)。近海水体中悬浮颗粒物含量较高(刘畅等测定的夏季东海水体中悬浮颗粒物浓度为5.4±5.8 mg/L(0.6~49.9 mg/L)[11],显著高于大洋水体,如大西洋(0.24±0.08 mg/L)[14]、地中海(0.38~1.63 mg/L)[15]等),可能会降低水体中易被还原的Hg2+浓度,导致水体中RHg/THg%较低[17]

      海洋体系 DGM/pg·L−1 RHg/ng·L−1 DGM/THg/(%) DGM/RHg/(%) RHg/THg/(%) 参考文献
      大洋 地中海(夏) 50±24 0.05±0.07 20.0 96.1 [15]
      东-地中海(夏) 42.2 [7]
      西-地中海(夏) 17.6 [7]
      南大西洋(夏) 240±160 0.3±0.2 41.4 70.6 58.6 [16]
      近海 旧金山湾(全年) 180±176 [18]
      长岛(全年) 40±26 0.3~0.9 5.5±8.4 20 [9]
      黄海表层水(全年) 0.9±0.3 37±14 [17]
      黄海表层水(夏) 63.9±13.7 1.1±0.3 3.7 5.8 [3]
      东海(夏) 151.3±75.9 0.8±0.7 4.5±2.5 26.7±15.0 21.6±14.8 本研究

      表 1  东海水体中DGM和RHg浓度、DGM/THg%和DGM/RHg%以及RHg/THg%与其他海洋体系的比较

      Table 1.  Comparisons of DGM and RHg concentrations, DGM/THg%, DGM/RHg% and RHg/THg% in the ECS water with other marine systems

      平面分布上,海水中RHg呈现出相对复杂的分布趋势。在表层和10 m层水中,RHg浓度高值区主要集中在东海沿岸、台湾海峡以及外海区域(图2A2B)。在底层水中,RHg高值区主要集中在东海北部、台湾海峡附近,在外海也存在一定的高值区(图2C)。分布结果显示,表层、10 m层和底层水体中RHg高值区基本都位于DGM高值区内,表明RHg可能对控制DGM的平面分布具有重要作用(图2图4)。

      图  2  夏季东海表层(A)、10 m层(B)和底层(C)水体中RHg的空间分布

      Figure 2.  Spatial distribution of RHg in surface (A), 10 m (B) and bottom (C) water of the ECS in summer

      图  4  夏季东海表层(A)、10 m层(B)和底层(C)水体中DGM的空间分布

      Figure 4.  Spatial distribution of DGM in surface (A), 10 m (B) and bottom (C) water of the ECS in summer

    • 垂直分布上,夏季东海水体中RHg浓度在表层为0.9±0.6 ng/L(< 0.2~2.2 ng/L),10 m层为0.7±0.5 ng/L(< 0.2~2.7 ng/L),30 m层为0.8±0.4 ng/L(< 0.2~1.5 ng/L),50 m层为0.8±0.5 ng/L(0.2~1.7 ng/L),75 m层为0.8±0.6 ng/L(< 0.2~1.5 ng/L),底层为0.6±0.4 ng/L(< 0.2~2.4 ng/L)。分布结果显示,底层水中RHg浓度较低(p<0.05),而其他水层无明显差异(p>0.05)。夏季东海底层水中虽然THg浓度最高(表层为3.8±1.3 ng/L, 10 m层为3.9±1.9 ng/L,30 m层为3.5±1.0 ng/L,50 m层为3.4±1.0 ng/L,75 m层为3.4±0.8 ng/L,底层为4.3±1.8 ng/L),但DHg相对其他水层浓度却略低(表层为2.8±0.8 ng/L, 10 m层为2.6±0.9 ng/L,30 m层为2.7±0.7 ng/L,50 m层为2.5±0.7 ng/L,75 m层为2.5±0.3 ng/L,底层为2.4±0.5 ng/L),这可能会导致底层水中RHg浓度也相对较低[17]

      本研究选择了4个断面(D2-D3-D4-D5、P1-F1-F2-F3-F4-F5、P1-P2-P3-P4-P5-P6和W1-W2-W3-W4)来探究东海水体中RHg的垂直分布特征(图1)。结果表明,在D2-D5断面,水体中RHg浓度整体较低,且高值区主要集中在底层水中(图3A)。在P1-F5断面,水体中RHg高值区主要集中在近岸表层水和底层水中,在外海表层水中也有一定的高值区(图3B)。在P1-P6断面,RHg高值区主要集中在外海次表层水和次底层水中,呈近岸低于外海的趋势(图3C)。在W1-W4断面,RHg高值区主要集中在近岸表层水中,呈现出由近岸向外海递减的趋势(图3D)。分布结果显示,4个断面水体中RHg与DGM总体分布趋势相似,且RHg高值区基本都位于DGM高值区内,表明RHg可能对控制DGM的垂直分布具有重要作用(图3图5)。

      图  3  夏季东海水体中RHg在D2-D5(A)、P1-F5(B)、P1-P6(C)和W1-W4(D)断面处的垂直分布

      Figure 3.  Vertical distribution of RHg at sections of D2-D5 (A)、P1-F5 (B)、P1-P6 (C)和W1-W4 (D) in the ECS water in summer

      图  5  夏季东海水体中DGM在D2-D5(A)、P1-F5(B)、P1-P6(C)和W1-W4(D)断面的垂直分布

      Figure 5.  Vertical distribution of DGM at sections of D2-D5 (A)、P1-F5 (B)、P1-P6 (C)和W1-W4 (D) in the ECS water in summer

      总体而言,平面和垂直分布上,近岸浅层水、外海浅层及深层水中均存在明显的RHg浓度高值区,表明除陆源输入外,其他环境因素,如风[17]、洋流运动[14-15, 19]、潮汐[20]、颗粒物清除作用[9]和配体(有机配体,如溶解有机质(dissolved organic matter, DOM);无机配体,如硫离子(sulfur ion, S2−))络合过程[4]等,也可能会影响水体中RHg的分布。

    • 2018年夏季东海航次,DGM的平均浓度为151.3±75.9 pg/L(18.3~395.9 pg/L)。东海水体中DGM占THg的比例(DGM/THg%)和DGM占RHg的比例(DGM/RHg%)分别为(4.5±2.5)%(0.3%~12.8%)和(26.7±15.0)%(2.9%~84.3%)(表1)。与其他海洋体系相比,东海水体中DGM浓度显著高于多数大洋水体(如地中海[15]等),而低于其他近海报道结果(如旧金山湾[18]等)。东海水体中DGM/THg%明显低于大洋水体(如大西洋[16]、地中海[15]等),而与近海报道结果相当(如长岛[9]、黄海[3]等)。近海水体中悬浮颗粒物含量较高,这可能会降低水体中易被还原的Hg2+浓度,进而抑制DGM的生成,导致水体中DGM/THg%较低[17]

      平面分布上,海水中DGM呈现出相对复杂的分布趋势。在表层水中,DGM浓度高值区主要集中在长江口、东海沿岸和台湾海峡附近,除此之外,在外海站位(P6、E5)也发现了明显的高值区(图4A)。在10 m层海水中,高值区主要集中在南黄海近岸、东海的东南外海区域(图4B)。在底层海水中,DGM的高值区主要位于南黄海近岸和长江口附近(图4C)。

    • 垂直分布上,夏季东海水体中DGM浓度在表层为156.7±71.0 pg/L(56.6~395.6 pg/L),10 m层为158.5±73.4 pg/L(29.2~395.9 pg/L),30 m层为156.3±80.3 pg/L(48.3~384.4 pg/L),50 m层为176.4±88.6 pg/L(71.5~304.7 pg/L),75 m层为124.3±56.9 pg/L(67.1~214.3 pg/L),底层为122.9±67.1 pg/L(18.3~350.5 pg/L)。分布结果显示,75 m层和底层水中DGM浓度较低(p<0.05),而其他水层无明显差异(p>0.05)。夏季东海底层水中RHg浓度也明显较低,可能会抑制底层水中DGM的还原生成,进而导致底层水中DGM浓度较低[5]

      在东海选取了4个断面来探究东海水体中DGM的垂直分布特征(图1)。结果表明,在D2-D5断面,近岸底层水、外海表层水中均存在明显的高值区(图5A)。在P1-F5断面,水体中DGM呈现出较为明显的由表层向底层递减的趋势,且近岸明显高于外海(图5B)。在P1-P6断面则呈现出相反的分布趋势,近岸明显低于外海,且DGM浓度高值区主要集中在外海的次表层和次底层水中(图5C)。在W1-W4断面,DGM高值区主要集中在近岸中层水中,呈现出由近岸向外海递减的趋势(图5D)。

      总体而言,平面和垂直分布上,东海水体中DGM均呈现出相对复杂的分布特征,近岸浅层水、外海浅层及深层水中均存在明显的高值区,表明水体中DGM可能受陆源输入和原位生成/去除过程共同控制[4-6]。已有研究表明,水体中DGM浓度显著受到一些环境因素的影响,如Hg2+浓度[5-6]、DO含量[7]等,这些参数对DGM分布的影响将在2.5中详细进行讨论。

    • 为了识别出影响东海水体DGM和RHg分布的关键控制因素,首先利用Spearman相关性分析挑选出与DGM和RHg相关的环境参数(p<0.05),再通过多元回归分析识别出主要的控制因素。Spearman相关性分析结果表明,水体中DGM与RHg(R=0.58, p<0.001)、DO(R=0.31, p<0.001)呈显著的正相关,与(nitrate, NO3)呈显著的负相关(R=-0.22, p<0.05)。水体中RHg与DO呈显著的正相关(R=0.26, p<0.01),与亚硝酸盐(nitrite, NO2)呈显著的负相关(R=−0.20, p<0.01)。多元回归分析结果表明,RHg浓度(β=0.52)和DO含量(β=0.18)是影响水体中DGM浓度的关键控制因素,而DO含量(β=0.22)是影响水体中RHg浓度的关键控制因素(表2)。

      参数 相关系数R 多元回归分析
      Log DGM (n=184) Log RHg (n=175) Log DGM (n=184) Log RHg (n=175)
      Log RHg 0.58*** 0.52
      Log THg 0.04 0.04
      Log DHg 0.07 0.11
      DO 0.31*** 0.26** 0.18 0.22
      DOC 0.13 −0.02
      T 0.11 0.11
      S −0.02 0.09
      Chl a −0.06 −0.09
      NO3- 0.22* −0.09 −0.06
      NO2- 0.01 0.20* −0.09
      R 0.59 0.28
      p <0.001 <0.01
      注:溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC),叶绿素(chlorophyll-a, Chl-a),表中Spearman相关性分析与DGM和RHg显著相关的环境因素加粗显示,其中“*”代表相关性为p<0.05,“**”代表相关性为p<0.01,“***”代表相关性为p<0.001。多元回归分析的β值大小用来评价环境因素在控制DGM和RHg分布中起的作用,并且作用显著的因素在表格中加粗显示

      表 2  夏季东海水体中DGM和RHg与环境参数的关系

      Table 2.  The relationships of DGM and RHg with environmental parameters in the ECS water in summer

      夏季东海水体中RHg与DO呈明显正相关,这可能是由于氧气会促进海水中非可还原态的硫化汞(mercury sulfide, HgS)的增溶,增加水体中RHg的占比[21]。夏季东海0 m、10 m、30 m、50 m和底层(75 m层除外,仅5个站)海水中RHg与DGM浓度均呈明显的正相关(p<0.05),表明RHg浓度可能也是控制水体中DGM生成的重要因素[5]。以往研究发现水体中可被还原的Hg2+浓度是限制DGM生成的主要因素[5-6],且近岸水体中DGM的生成主要与溶解态和胶体态Hg2+的还原过程有关(60%)[5]。此前研究中海水DGM与DO多呈负相关关系,推测可能是深层水中厌氧微生物作用引起的[7, 15]。然而也有研究表明近海水体中的好氧细菌也能够将溶解态的Hg2+还原为DGM[6]。本文在研究中发现夏季东海水体中DGM与DO存在显著正相关,表明好氧微生物有可能在东海Hg还原中起着一定作用。此外,在DO浓度较高的浅层水中,光照较强,光还原过程也能够促进DGM的生成,这也可能是DGM和DO呈较好正相关的原因之一[8]

    • (1)夏季东海水体中DGM和RHg浓度分别为151.3±75.9 pg/L(18.3~395.9 pg/L)和0.8±0.7 ng/L(< 0.2~2.7 ng/L)。与其他海洋体系相比,东海水体中DGM和RHg浓度显著高于多数大洋水体,低于或接近其他近海报道结果。

      (2)夏季东海水体中DGM和RHg均呈现出相对复杂的分布趋势,在近岸浅层水、外海浅层及深层水中均存在明显的浓度高值区,表明DGM和RHg的分布可能受陆源输入和原位生成/去除过程共同控制。

      (3)数据统计分析结果表明,RHg和DO是影响海水中DGM分布的关键控制因素,而DO是影响海水中RHg分布的关键控制因素。东海水体中氧气对HgS的增溶会增加水体中RHg的占比,而好氧微生物作用及DO含量较高的浅层水中的光还原过程都会影响DGM的生成,这也可能是导致RHg、DGM和DO呈较好正相关的重要原因。

      致谢:特别感谢“The National Key Research and Development Program (NO. 2016YFA0601300)”对本研究的支持。本论文中TS数据由“中国东部陆架海域生源活性气体的生物地球化学过程及气候效应”夏季东海航次提供。DO和DOC数据由中国海洋大学杨桂朋老师课题组提供。Chl a数据由厦门大学高亚辉老师课题组提供。NO3、NO2数据由中国海洋大学辛宇老师课题组提供,在此一并致以衷心的感谢。

参考文献 (21)

目录

    /

    返回文章