刘牧等：远古植物聚落演化改变了陆地汞同位素分馏机制

论文信息： Mu Liu, Wei Yuan, Jun Li, Yan Xia, Jiaqi Guo, Chaogang Fang, Yongyun Hu, Xinbin Feng, Daizhao Chen. Deep-Time Paleosols Record a Vegetation-Driven Transition in Terrestrial Mercury Cycling[J]. Earth and Planetary Science Letters696 (2026): 120386. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120386.

陆地植物的演化改变了表生地球环境，也深刻影响了大气与陆地之间的物质交换。从低矮的早期植被到结构复杂的森林，植被的演变是否在古老陆地沉积物中中留下了可以辨识的地球化学记录，这些变化又如何影响地球化学指标及其古环境解释。为了回答这些问题，中国科学院地质与地球物理研究所刘牧副研究员联合中国科学院地球化学研究所、兰州城市学院、北京师范大学、北京大学、中国地质调查局等单位，通过研究我国西南地区古生代至中生代古土壤记录，发现不同时期的汞同位素特征存在显著差异，揭示了植被变化可能通过改变汞的输入和转化过程，影响陆地沉积物中汞同位素分馏。研究为理解深时植被演变背景下的海陆汞循环，以及准确解释地质记录中的汞同位素信号提供了新认识，相关成果发表在国际期刊 Earth and Planetary Science Letters 。

作为常温常压下相态不稳定的汞元素，研究其来源及其迁移转化过程是追踪大气圈-岩石圈-水圈-生物圈之间相互作用重要工具，而植物是全球汞循环中至关重要的一环。在现代陆地生态系统中，植物可以通过叶片吸收大气中的汞，并经凋落物将其输送至土壤；植被还会通过树冠大小改变土壤表面的光照和降雨输入，影响汞的化学反应。因此，土壤中的汞同位素不仅记录物质来源，也可能保存生态环境反馈汞循环的线索。

现代植物和土壤通常具有负的汞奇数非质量分馏信号（Δ199Hg），这一特征常被用于识别古代海洋沉积物中的陆源输入。然而，早期陆地植物与现代森林在形态、覆盖程度及生态功能上存在明显差异。现代陆源汞同位素“指纹”能否直接用于解释遥远地质时期的沉积记录，需要来自古代土壤的直接检验。

研究团队选取了四川盆地及周缘下泥盆统及侏罗系—白垩系的古土壤样品，综合开展汞含量和同位素分析。这些样品涵盖早期维管植物生境和中生代不同气候、植被背景下的成土环境。其中，下泥盆统徐家冲组古土壤保存了石松类植物 Drepanophycus 丰富的原始地下根茎痕迹，是最早期的成熟植物根系证据之一，这为认识早期植物与土壤的相互作用提供了重要实物记录。

分析结果显示，早泥盆世古土壤的 Δ199Hg–Δ201Hg 回归斜率接近1，与较强的光化学汞还原作用相符；其Δ199Hg–Δ200Hg之间的正相关关系，还提示降水可能是当时土壤汞的重要来源。侏罗纪古土壤则表现出较弱的 Δ199Hg–Δ201Hg 协变关系和较大的质量分馏（δ202Hg）变化范围，提示暗化学转化过程参与了土壤汞循环，白垩纪样品则显示光化学与暗化学过程可能共同作用（图1和图2）。

那么这些差异如何与植被联系起来？研究结合古植物、古土壤和古气候证据，提出了一个可进一步检验的解释框架：早期低矮、缺乏树冠的植被对地表遮阴有限，降水输入的汞更容易在土壤表面经历光化学反应；较密集的植被则可能通过冠层遮阴、吸收大气汞及增加凋落物输入，改变土壤汞的来源，并提高有机质参与的非光化学反应的相对贡献（图3）。因而，植被结构的变化可能同时影响汞“如何进入土壤”和“进入土壤后如何转化”。

图1　古土壤样品的 Δ201Hg–Δ199Hg关系，采用 Williamson–York 法回归

图2　古土壤汞同位素关系及其环境意义。（A）早泥盆世样品的 Δ200Hg–Δ199Hg 正相关关系，提示降水来源汞的重要贡献。（B）Δ199Hg–δ202Hg 关系显示，早泥盆世和晚白垩世样品更符合光化学转化特征，侏罗纪至早白垩世样品则更符合暗反应特征。图中展示降水、大气汞及现代土壤和植物的参考范围

图3　植被结构影响土壤汞循环的可能机制。早期原始低矮植被生境开放体系下，地表光照可能促进光化学反应；中生代高大密集植被则可能通过树冠遮阴和凋落物增强输入，影响汞的来源过程及转化途径

研究还利用已发表的 CESM 古气候模拟结果，开展了 BIOME4 植被重建。模拟与区域古土壤、孢粉及沉积记录共同表明，四川盆地侏罗纪—白垩纪经历了气候波动和植被格局变化，晚白垩世呈现更为干旱、开放的生态背景。这些结果为解释汞同位素变化提供了环境依据。

研究提出，古代陆地汞同位素非质量分馏信号并非始终为负，也不能被视为贯穿地质历史的固定端元。因此，利用海洋沉积物中的汞同位素判断陆源输入时，需要考虑当时区域内陆地植被和成壤环境的差异。研究为认识深时大气—陆地汞交换提供了新的陆地库单元参考，也拓展了汞同位素在探索植物演化与地球表层物质循环联系中的应用。