期刊：PNAS

英文题目：Climate warming and atmospheric deposition jointly accelerate the Antarctic Peninsula atmosphere–glacier–land–ocean mercury loop

中文题目：气候变暖与大气沉降共同加速南极半岛大气–冰川–陆地–海洋汞循环

作者：Chengzhen Zhou, Maodian Liu, Qianru Zhang, Nikki H. Zhang, Xuejun Wang.

发表日期：2026年7月27日

摘要：

汞（Hg）是全球重点关注的有毒污染物，威胁着生态系统与人类健康。人为排放与极地变暖共同重塑汞循环，但南极系统内汞循环响应机制仍不明确。本研究通过南极半岛陆架全域16根沉积物岩芯的地球化学与同位素记录和自主构建的观测约束多介质汞收支模型，重建了南极半岛过去200年间汞的源汇动态变化。研究发现，尽管南极半岛远离人为排放源，但现代南极半岛陆架的汞累积速率高达93±58 μg⋅m^-2⋅y^-1，是全球大陆架平均水平的2倍。自工业化以来，这一累积速率增长了160%，汞累积加速由两个耦合机制共同驱动：（1）增强的大气沉降与海冰退缩导致的开阔水域扩大，强化了大气–海洋循环中海水对大气汞的直接吸收；（2）冰川融化和地表侵蚀激活了大气–冰川–陆地–海洋循环，使封存在陆地中的历史遗留汞被重新释放。两个循环耦合使冰川消融驱动的陆源汞释放提升了550%，海洋–大气交换通量增加了350%。由此可见，气候变暖正将南极洲规模庞大的历史汞储库转化为活跃的次级污染源，加剧了极地汞污染风险。

研究背景：

汞是具有神经毒性的全球性污染物，其甲基化产物严重威胁生态与人体健康。汞在大气中的停留时间为6‑12个月，可跨半球传输至远离人为排放源的偏远区域。极地受人类直接扰动相对最小，但对汞污染高度敏感。

近期监测显示，工业化之后南极大陆及其陆架区域汞累积速率快速上升。结合其他研究结果，学者们推测：现代南大洋及其沉积物能够高效固存大气汞，其中大部分属于人为来源。但目前仍然缺少直接观测证据证实。此外，全新世变暖已被证实会加速汞释放与海岸带汞累积。部分再活化的极地汞可重新排放到大气，形成大气–冰川–陆地–海洋循环。但至今尚无直接观测证据证明，工业化后气候变暖驱动的冰川消融加剧了南大洋汞污染。

南极半岛及其周边海域是南极受气候变暖影响最强烈的区域，是南大洋汞污染最严重区域之一，也是探究南大洋对人为汞排放与气候变暖响应的理想天然实验场。本文以南极半岛为研究区域，采集南极半岛周边海域16根沉积物岩芯，通过高分辨年代地层学、地球化学、同位素示踪等手段重建过去200年南极半岛海洋沉积物汞的源汇时空演变规律。同时构建观测约束多介质汞收支模型，定量解析大气沉降、冰川消融释放、地表侵蚀对南极半岛陆架汞的来源–迁移–归宿过程的影响。

研究结果

（1）南极半岛陆架是海洋汞富集的关键热点区

数据显示，南极半岛陆架现代表层沉积物汞平均含量为48.8 ± 24.0 (1σ) ng⋅g^-1（图2A），高于全球大陆架平均值（42 ng⋅g^-1）、多数北极陆架观测值（~30 ng⋅g^-1），约为全球深海平均水平的6倍。在南大洋范围内，该数值略高于威德尔海陆架（44 ng⋅g^-1），接近罗斯海陆架（56 ng⋅g^-1），几乎是南大洋沉积物工业化前本底值（~30 ng⋅g^-1）的 2倍。按照地累积指数（I_geo）分级标准，表明沉积物处于未污染至中度污染水平，为可量化的汞富集提供进一步证据。

图1 南极半岛陆架沉积物岩芯采样点位

南极半岛陆架现代汞累积速率（HgAR）平均值达93±58 μg⋅m^-2⋅y^-1，部分点位超过220 μg⋅m^-2⋅y^-1（图2B）。该数值不仅为全球现代大陆架平均水平（42 μg⋅m⁻²⋅y⁻¹）的2倍，而且较威德尔海、罗斯海等典型南大洋陆架高出一个数量级（10‑20倍），表明明显的汞富集现象很可能由冰川消融所驱动（图2A）。

南极半岛陆架汞累积的空间分布与沉积物质量累积速率（MAR）密切相关。沉积物的MAR介于0.03~0.42 g⋅cm^-2⋅y^-1（相当于0.04‑0.39 cm⋅y^-1的沉积速率）（图2B），该结果与一些极地、亚极地峡湾的观测结果一致，高于大部分温带峡湾及其他陆架区域。表层沉积物HgAR（＜1~220 μg⋅m^-2⋅y^-1）的空间变异性可达60%，MAR越高通常对应HgAR越高（图2）。冰架前缘附近点位呈现出更高的MAR（图1，2），促进了南极半岛陆架的汞累积。

图2 南极半岛陆架沉积物中的汞含量、质量累积速率（MAR）以及汞累积速率（HgAR）

（2）人为排放与气候变暖协同加剧汞富集

工业化以来，人为汞排放造成大气沉降增强，与此同时，气候变暖通过冰川消融、侵蚀与风化过程加快陆源物质输入，进一步加剧汞富集。沉积记录表明，几乎所有沉积物岩芯自工业化之后均出现显著的汞富集（Mann-Kendall检验，P < 0.05），HgAR平均升高160%，最高可达340%（图3A），增幅高于全球陆架平均水平。同一时期岩芯的MAR平均上升130%（图3A）。与之相对应，过去200年间I_geo持续上升，表明南极半岛陆架汞污染逐步加剧。值得注意的是，该增长并非线性。20世纪50年代以来，平均HgAR明显加快，表明伴随着人为汞排放、区域变暖和冰川融水排放的增加，汞富集在20世纪后期加剧最为显著（图3A）。

汞同位素数据表明，工业化之后，大气汞沉降（直接沉降至海面）是南极半岛陆架汞的主导来源。沉积物岩芯的汞同位素偶数非质量分馏信号接近零，但略偏负（Δ²⁰⁰Hg变化范围为−0.09~0.05‰，中位数为−0.03‰，图3B）。该数值显著低于南大洋深海（Δ²⁰⁰Hg=−0.01±0.03‰）、大西洋（0.01±0.03‰）、地中海（0.03±0.03‰）、太平洋（0.04±0.02‰）。这些点位代表均以大气沉降本底为主。这种负偏移说明，相比于大洋开阔海域，南极半岛陆架沉积物受陆源汞贡献更大。利用同位素二元混合模型开展模拟，结果显示，大气沉降、陆源输入对南极半岛陆架岩芯汞的平均贡献分别为56 ± 30% 和44 ± 30%。因此，尽管工业化后大气沉降是本区汞富集的主导来源，但陆源输送的贡献同样不可忽略。

图3 南极半岛陆架沉积物岩芯的历史记录与汞同位素特征

气候变暖主要通过两条关键途径显著加剧南极半岛陆架汞富集：无冰水域面积扩张以及促进冰川消融。水域面积的扩大大幅提升海洋对大气沉降汞的吸收效率。沉积物的汞累积速率与有机碳累积（OC）速率，尤其海源有机碳累积速率呈显著正相关（P < 0.05）。气候变暖驱动冰川消融，加速陆源汞向海洋释放。南极半岛陆架沉积物中Δ¹⁹⁹Hg整体偏负（均值为−0.08 ± 0.10‰，图3B），与南极雪、植被、土壤的汞同位素分馏特征接近（−0.06 ±0.17‰)。尤其是工业化以来，沉积物中Δ¹⁹⁹Hg负值程度不断加大，与其同时，汞和冰川来源有机碳累积量同步升高（图3A）。该结果进一步证实：气候变暖通过冰川消融、无冰区扩张、土壤风化增强，加速陆源汞输入至南极半岛陆架。

（3）大气–冰川–陆地–海洋循环放大汞循环

基于OC‑MMB模型定量表明：大气沉降输入汞通量为6.6 Mg⋅y⁻¹，其次淡水径流（来自冰架消融，包含冰山崩解通量与冰架基底融化），以及伴随沉积物侵蚀带来的陆源输入，贡献分别为6.5 Mg⋅y^-1和2.2 Mg⋅y^-1（图4）。输入的汞中，约90%通过快速沉降被沉积物封存，约10%通过海洋–大气交换重新释放回到大气。总体上，南极半岛及其陆架海域汞总输出与总输入基本平衡（输出13.7 Mg⋅y^-1，输入13.5 Mg⋅y^-1）。自工业化以来，输入南极半岛陆架的总汞通量激增 570%（图4），解释了南极半岛陆架汞富集快速上升的现象（图3A）。该增幅之中，海水接收的大气汞沉降通量上升720%。气候变暖驱动的冰川消融与陆源汞通量激增550%，这部分汞进一步被沉积物捕获封存（图4）。受大气沉降增强与冰川消融的共同驱动，过去200年间南极半岛周边海域海洋–大气汞交换通量升高350%，经海洋流向开阔大洋输出的汞通量激增400%。模型揭示了大气沉降快速提升南极半岛汞储量的同时，气候变暖通过大气–冰川–陆地–海洋循环加剧汞向大气的再次释放。

图4 南极半岛陆架观测约束多介质汞收支模型示意图

（4）气候反馈加剧极地汞污染风险

当前，南极半岛冰川融水占南极大陆总淡水输出的10%‑50%。将冰川消融汞通量外推至整个南极大陆，并结合北极与格陵兰的已有估算，表明极地冰川消融及其伴随的沉积物汞通量可达50‑100 Mg⋅y^-1，约占现代极地海洋大气汞沉降通量的13%‑24%。尽管存在较大不确定性，但南极冰盖规模远大于北极，其冰川封存的汞储存量很可能远超北极（~2400 Mg）的储量。南极半岛既是气候变暖的放大器，也是冰川消融的核心区域，其汞富集现象对整个南极的生态安全具有警示意义。南极半岛陆架面积仅占南极陆架总面积的约5%，但自工业化以来其汞累积通量相当于整个南极陆架大气沉降汞通量的约15%，说明南极半岛陆架的汞源与汞汇足以影响南大洋汞收支。

此外，工业化以来南极半岛冰川融水输出量增长60%，带动陆源汞释放增长550%。若全球变暖持续，冰架失稳现象可能大范围向南极内陆蔓延，释放更多陆地封存的汞。因此，气候变暖或将不均衡地加剧南大洋的汞污染风险。

研究意义

南极通常被视作远离工业污染的区域，但研究表明，南极半岛已成为汞富集的热点。本研究将16根沉积物岩芯的地球化学、同位素记录与观测约束汞收支模型相结合，发现该陆架的汞累积量是全球陆架海域平均水平的2倍，自工业化以来汞含量急剧升高。该增长不仅由大气沉降驱动，而且气候变暖引发的冰川消融与侵蚀作用，使储存在陆地上的历史遗留汞重新释放。研究结果表明，极地变暖正促使南极冰冻圈由汞汇转变为活跃的次级污染源，这对评估极地海洋与生态系统未来的汞风险具有重要启示。

文献来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2613472123

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：卓胜男

初审：任   杰

复审：杜   军

终审：鲁   鹏