气候变化对北极峡湾汞与有毒金属分布的影响及生态风险评估

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Influence of Climate Change on the Distribution of Mercury and Selected Toxic Metals in an Arctic Fjord

　　本研究针对北极Kongsfjorden峡湾生态系统中As、Cd、Cr、Hg、Pb等有毒金属（TM）的污染问题，通过2017–2019年表层沉积物采样分析，结合多元统计与正矩阵因子分解（PMF）模型，揭示了其空间分布特征、来源及生态风险。研究发现外峡湾TM浓度普遍高于内峡湾，As和Cd呈现中度生态风险，污染主要源于自然风化、远距离传输与气候驱动过程。该研究为北极脆弱生态系统重金属管控提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变暖的背景下，北极正成为环境变化的敏感指示器。冰川加速消融、永久冻土退化以及海洋环流变化，正在深刻改变污染物的迁移路径和归趋行为。有毒金属（Toxic Metals, TM）如汞（Hg）、砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）和铅（Pb）等，可通过大气远程传输和洋流输送进入北极环境，并在沉积物和生物体中累积，威胁极地生态安全和土著居民健康。位于斯瓦尔巴群岛的Kongsfjorden峡湾，作为连接大西洋与北极水域的关键界面，其沉积物成为研究TM迁移与累积的理想载体。然而，目前针对该区域TM污染的系统研究仍较为缺乏，其来源贡献、空间分布及生态风险尚未得到全面评估。

在此背景下，研究人员于2017至2019年夏季在Kongsfjorden峡湾采集了13个站位的表层沉积物样品，综合运用沉积学分析、地球化学测量以及多元统计方法，旨在揭示TM的分布规律、解析其来源，并评估其潜在生态风险。该研究最终以“Influence of Climate Change on the Distribution of Mercury and Selected Toxic Metals in an Arctic Fjord”为题，发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。

为开展本项研究，作者团队采用Van Veen抓斗式采样器收集沉积物样品，经冷冻干燥和筛分处理后，利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和直接测汞仪（DMA-80）分析五种TM含量。沉积物粒度组成通过国际移液管法测定，总有机碳（OC）采用Walkley-Black法，无机碳（IC）采用酸量滴定法，总氮（TN）和总磷（TP）则分别借助凯氏定氮法和消解光度法完成。借助层次聚类分析（HCA）、Pearson相关矩阵（PCM）、主成分分析（PCA）和正矩阵因子分解（PMF）模型进行来源解析，并采用富集因子（EF）、地累积指数（I_geo）、潜在生态风险指数（PERI）等多种指标评估生态风险。

3.1. 评估Kongsfjorden的地形差异

通过层次聚类分析（HCA）结合沉积物粒度特征，研究将峡湾分为外部和内部两个区域。外峡湾（站点K1–K7）水深约260米，以沙质黏土为主；内峡湾（K8–K13）平均水深93米，沉积物以沙质泥为主。内峡湾水动力较强，沉积物更粗，反映冰川前沿较高的能量环境；而外峡湾黏土含量较高，更利于细颗粒物和 associated TM的累积。

3.2. 表层沉积物地球化学成分的空间变异

无机碳（IC）在外峡湾平均为7.64%，内峡湾为14.25%，表明内峡湾受冰川输入影响更显著。有机碳（OC）和营养盐（TN、TP）在外峡湾略高，与海洋初级生产和外源输入有关。这些地球化学参数直接影响TM的吸附、迁移和生物有效性。

3.3. 有毒金属的空间分布特征

五种TM浓度从高到低依次为：Pb > Cr > As > Cd > Hg。外峡湾TM浓度普遍高于内峡湾，其中As、Cd、Pb超过上陆壳背景值，显示明显富集。历史煤矿活动、远洋传输及当地地质源共同构成了TM的主要来源。

3.4. 有毒金属的来源解析

相关性和PCA分析显示，As与Cd显著相关（r=0.89），可能来自共同的自然或人为源。PMF模型进一步解析出三类主要来源：自然源（占36.9–45.3%）、远程传输（大气与海洋途径，占42.4–45.8%）和气候驱动过程（如冰川融化、冻土 thawing等，占12.36–17.3%）。HYSPLIT后向轨迹模型证实，气团可源自欧洲工业区，经大气传输进入北极。

3.5. 生态与生物风险评估

EF和I_geo显示As和Cd呈中度至强污染水平，Pb为轻度污染。潜在生态风险指数（PERI）显示外峡湾为中等风险（426），内峡湾为低风险（328）。协同风险指数（mERMq和mPELq）表明，外峡湾沉积物对水生生物产生毒性的概率为49%，而内峡湾仅21%，进一步印证了空间差异。

3.6. 研究意义与政策建议

该研究强调，Kongsfjorden已受到多种TM的复合污染，其中As和Cd的生态风险尤为值得关注。气候变暖加剧了冰川退缩和冻土融化，可能进一步释放储存于冰尘和沉积物中的历史污染物。作者呼吁建立长期监测体系，结合热力学与水文数据，预测未来TM通量变化，并制定针对性的极地环境保护策略。

综上所述，这项研究系统揭示了气候变化背景下北极峡湾有毒金属的分布规律、来源结构与生态风险，为北极污染治理、生态保护与跨国环境合作提供了关键的科学依据。