南极苔原土壤硒挥发与形态转化研究取得新进展

极地环境与全球变化安徽省重点实验室朱仁斌课题组与尹雪斌课题组合作，在南极苔原土壤硒挥发与硒形态转化研究中取得重要进展，成果以“Selenium volatilization from tundra soils inmaritime Antarctica”为题在线发表在环境科学顶级刊物《EnvironmentInternational》(IF=7.577)。

硒是人和动物必需的微量元素，也是植物的有益元素，对生态系统营养安全具有重要作用。硒的甲基化/挥发是环境中硒生物地球化学循环的重要过程之一，大气中识别的挥发性硒包括气态无机硒（如H₂Se）和有机硒（如二甲基硒DMSe、二甲基二硒DMDSe）。估计从自然源排放的气态硒占全球源的50-70%，可是这些估算是基于较少的资料，仍有很大不确定性。目前，关于硒挥发的研究主要集中于富硒的土壤/植物和硒污染的环境，很多自然环境中Se的甲基化/挥发过程仍然未知。在遥远的南极，硒竟然是企鹅、海豹粪土层中指示它们活动强度的标型元素，这是因为南大洋中有充沛的“硒源”，企鹅、海豹通过捕食硒含量丰富的磷虾，将海洋源硒富集、搬运到陆地苔原，实现了硒的海-陆传输。那么，搬运到南极苔原的硒将何去何从？气候变暖对硒挥发及其地球化学循环产生怎样的影响？硒挥发、传输与沉降对苔原植被发育影响如何？

图1. 南极苔原硒挥发路径（左图）；冻融过程对不同苔原土壤硒挥发速率的影响（右图）。注： SCS海豹活动区土壤；STS邻近海豹活动区苔原土壤；PCS企鹅活动区土壤；TMS邻近企鹅活动区的沼泽土壤；NTS普通苔原土壤）.

为了回答这些问题，该研究采集了南极背景土壤，企鹅/海豹粪土及其邻近的苔原、沼泽土壤以及植物等样品，分析表明企鹅/海豹粪土富集的硒含量比背景土壤高一个数量级，以有机硒为主（占70-80%）。通过化学诱捕预浓缩实验发现企鹅、海豹活动显著增加了土壤硒挥发速率（VR_Se），4 ^oC下企鹅粪土VR_Se是背景土壤的2倍；海豹粪土VR_Se低于企鹅粪土，是背景土壤的1.3倍。形态分析揭示企鹅、海豹粪（土）挥发性硒分别主要是二甲基硒和二甲基二硒；企鹅粪和海豹粪中主要有机硒形态分别是硒代胱氨酸和硒代蛋氨酸，指示了粪（土）中产生挥发性硒的前体物差异，导致了不同的硒甲基化过程。企鹅与海豹粪的沉积对苔原土壤硒甲基化与挥发有重要影响，是南极大气硒的主要来源。

冻-融模拟实验表明，由冻结到融化土壤VR_Se显著增加，一直持续到土壤完全融化且维持较长的时间，最大VR_Se出现在完全融化的企鹅粪土中；冻土融化增加了气态硒的扩散速率和土壤微生物活性，加速了土壤硒的还原（图1）。经0-20 ^oC土壤温度梯度培养实验，揭示了苔原土壤VR_Se均随温度增加，且4-12^oC粪土硒挥发效率比背景土壤高一个数量级。VR_Se与土壤温度呈强的非线性正相关（R²=0.96，n=17），且VR_Se对温度敏感系数（Q₁₀）平均值略高于全球其它区域，表明南极苔原土壤VR_Se具有极高的温度敏感性（图2）。

         图2. 南极苔原不同生态区土壤硒挥发速率与温度的关系及其相对挥发效率

苔藓是广泛用于大气污染物的生物指示计之一，苔藓体内元素水平与当地大气硒沉降量紧密相关。该研究发现邻近企鹅活动区生长的苔藓体内硒水平显著高于背景区苔藓，暗示了苔藓体内增高的硒水平来源于企鹅粪（土）挥发性硒的大气沉降。南极和亚南极岛屿有69×10⁶对企鹅，占南极海鸟数量的90%，全球变暖、高频的冻融循环以及企鹅粪有机硒的输入，将进一步促进南极苔原土壤硒的挥发，对硒生物地球化学循环过程产生显著影响。另外，企鹅粪（土）气态硒挥发、传输与沉降，对缺硒土壤增施了硒肥，对苔原植被发育将产生积极的影响。该研究成果对于解析全球变暖下南极苔原硒生物地球化学过程具有重要性，对于阐明硒挥发对维持苔原生态系统的稳定性与植被抗逆性具有潜在的重要的生态学意义。

 审稿人认为“作者很好地描述了实验设计和化学分析过程，结果提供了极好的洞察力进入了陆地/海洋硒的界面（The authors describe very well the experimental design and chemicalanalysis performed. …the results provide fascinating insights into theterrestrial-aquatic selenium interface）”；“在富有挑战性的环境中对硒的产生与转化开展了详细的研究，对陆地生态系统硒循环过程做出了重要贡献（The work is an exhaustive study about Se occurrenceand transformations in a very challenging environment. This study provides animportant contribution of the selenium cycling in terrestrial ecosystems.）”。

 该论文第一作者是地球和空间科学学院毕业博士生叶文娟；朱仁斌教授为论文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金(41776190；41976220)和中国科学院战略性先导科技专项(XDB40010200)的资助。

 论文来源：Wenjuan Ye,Linxi Yuan, Renbin Zhu*, Xuebin Yin, Gary Banuelos. Selenium volatilizationfrom tundra soils in maritime Antarctica. EnvironmentInternational，2021，146，106189.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106189.