《Journal of Environmental Sciences》：Antarctic Peninsula soil carbon stock and efflux: A complex interplay of soil properties and heavy metals
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南极菲尔德半岛与阿德利岛土壤碳动态及重金属驱动机制研究。通过定量分析发现土壤有机碳（SOC）平均储量为1.10±1.93 kg C/m2，Fildes半岛特有储量为0.45±0.45 kg C/m2，年碳损失15 g/(m2·yr)占现有碳的3.3%。敏感性分析证实生态系统仍为碳汇，周转率3.3%-4.7%/年。主成分分析揭示鸟类活动主导养分输入，Zn、Cu、Cd与海洋补给相关，Pb受颗粒物控制。研究建立南极碳循环评估框架，揭示海洋-陆地物质交换对碳动态的影响。
帕西查·查伊卡欧（Pasicha Chaikaew）、康克基夫·平皮迈（Komkiew Pinpimai）、戴宇飞（Yufei Dai）、高志伟（Zhiwei Gao）、杜伟萌（Weimeng Du）、王正（Zheng Wang）、魏振华（Zhenhua Wei）、苏查娜·查瓦尼奇（Suchana Chavanich）、沃拉诺普·维雅卡恩（Voranop Viyakarn）、阿努萨拉·约蒂亚姆（Anutsara Yottiam）
泰国曼谷朱拉隆功大学理学院环境科学系，邮编10330
摘要
本研究建立了定量框架，用于理解南极半岛南设得兰群岛金乔治岛（King George Island）菲尔德斯半岛（Fildes Peninsula）和阿德利岛（Ardley Island）的地表土壤碳动态和生态系统连通性。所有研究地点的平均土壤有机碳（SOC）储量为1.10 ± 1.93千克碳/平方米。将净碳平衡分析限制在菲尔德斯半岛，该地区有土壤呼吸作用（R_s）数据，得出的特定地点SOC储量为0.45 ± 0.45千克碳/平方米。将R_s换算为实际的120天活跃季节，并假设SOC储量稳定，估计年碳损失为15克碳/平方米，相当于现有SOC的3.3%。全面的敏感性分析表明，冬季呼吸作用在夏季速率的0%至20%范围内变化，以及SOC储量的年变化在-1%至2%范围内变化时，均支持净碳汇的存在，且周转率被限制在每年3.3%至4.7%之间。主成分分析显示，鸟类活动是影响SOC、总氮（TN）、锌（Zn）、铜（Cu）和镉（Cd）的主要因素，这些因素体现了海洋来源营养物质的特征；而铅（Pb）则与这些因素无关，而是与细颗粒大小的控制因素相关。这些结果揭示了该地区土壤金属富集的双重但独立的驱动因素。尽管这些区域的空间范围有限，但鸟类活动的土壤仍储存了大量的碳。总体而言，这项综合分析揭示了海洋-陆地相互作用如何调节南极碳循环，并为评估气候变化下的碳动态提供了定量和可重复的框架。
引言
土壤碳通量的异质性在纬度梯度上非常明显。许多研究详细描述了不同气候区、植被类型和土壤性质下的土壤有机碳（SOC）分布（Georgiou等人，2022年；Jobbágy和Jackson，2000年）。最近一项在西藏的研究结合表层土壤采样和高分辨率环境数据，预测了不同气候-土地利用变化情景下的SOC和土壤总氮动态，结果显示到2050年代这些指标将显著下降，其中草地和森林共同维持了大约80%的区域储量（Wang等人，2025b年）。关于土壤呼吸作用（R_s）的最新综合研究（He等人，2024年；Jian等人，2018年）进一步揭示了这种变异性。他们的结果表明，寒冷气候下的土壤通常含有最高的总SOC储量，但表现出最低的土壤碳排放率。因此，温带、北方和热带土壤生态系统受到了大量研究关注，形成了SOC与相关环境因素之间的明确关系。即使是北极和亚北极地区，尤其是受永久冻土影响的土壤，也已成为当代研究的关键焦点。例如，最近的一项模型估计北半球永久冻土层3米深度内储存了约10^14拍克碳（Mishra等人，2021年）。其他研究强调了气候变化对微生物分解的加速影响，导致二氧化碳（CO2）和甲烷的快速释放，可能使该地区从碳汇转变为碳源（Natali等人，2024年；Schuur等人，2015年；Treat等人，2024年）。
相比之下，南极陆地生态系统仍然是全球碳循环中研究最少的组成部分之一。研究受到极端环境条件的限制，包括极寒、干燥、养分供应不足以及太阳辐射的显著季节性变化。虽然恶劣的南极环境严重限制了初级生产力，导致无机碳输入量较低，但南极土壤仍然是气候变化对极地陆地碳循环影响的关键指标（Bockheim，2015年）。关于南极土壤是碳汇还是碳源的问题仍然是科学研究的活跃领域。尽管许多研究表明碳释放的可能性增加（Natali等人，2024年；Schuur等人，2015年；Treat等人，2024年），但由于初级生产力的增加和分解速率的减缓，南极半岛无冰区域预计将作为净碳汇（de Mello等人，2025年）。
气候模型预测，南极半岛的温度将高于全球平均水平（Siegert等人，2019年）。当全球变暖达到1.5°C时，半岛的温度预计将上升超过1.5°C，持续变暖达到2-3°C可能导致西南极冰盖几乎完全且不可逆地消失（IPCC，2023年）。Bozkurt等人（2021年）预测，到2044年南极半岛的平均年表面温度将上升0.5-1.5°C。如果温度继续以每十年1.0°C的速度上升，目前面积为49,500平方公里的无冰区域将扩大1,200平方公里（Bockheim，2015年）。根据1961-2014年的历史温度数据，使用两种不同的代表性浓度路径（RCPs）预测了2015年至2100年的全球CO2通量。结果显示，在RCP2.6路径下，CO2通量每年增加0.05拍克碳；在RCP8.5路径下，每年增加0.12拍克碳（Jian等人，2018年）。无冰区域的增加使得永久冻土土壤中储存的碳储量极易受到温度变化的影响。
除了基本描述碳储量和排放量外，理解SOC与土壤物理化学性质之间的相互作用对于了解碳稳定性和周转率机制至关重要。南极土壤具有粗糙的质地、极端的pH值范围和严重的养分限制，为研究这些土壤性质-碳关系提供了独特的背景（Bockheim，2015年；Simas等人，2015年）。重金属在土壤碳动态中的作用是一个日益被认识但研究不足的方面。重金属富集通过多种途径发生，包括自然和人为输入。自然来源包括母岩的风化、海洋气溶胶沉积、冻融过程和动物群落（Tatur和Myrcha，1984年）。虽然人为金属输入主要发生在研究站和历史勘探点附近，但在人类活动区域附近报告了铜、铅、锌等重金属以及碳氢化合物的高浓度（Choi等人，2012年；Stark等人，2016年；Vodopivez等人，2015年）。因此，南极陆地环境为金属-碳相互作用提供了独特的场景，并可以通过多种途径影响SOC储量和分解过程。
菲尔德斯半岛和阿德利岛位于南极半岛南设得兰群岛的金乔治岛上，是研究这些复杂的土壤-碳-金属相互作用的理想自然实验室。这些地区支持多样的陆地环境，包括受鸟类活动影响的环境、多样的土壤类型、人为金属输入以及典型的荒原环境。对这两个地理位置相近但环境不同的地点进行联合研究，加强了关于南极陆地生态系统中金属-碳关系的推断，提高了研究结果在更广泛南极半岛上的普遍性。
本研究通过调查菲尔德斯半岛和阿德利岛代表性土壤采样点的SOC储量、R_s速率及其与土壤物理化学性质和重金属分布的机制联系，满足了区域南极数据的需求。具体目标包括：（1）量化菲尔德斯半岛和阿德利岛代表性土壤采样点的土壤有机碳储量（千克碳/平方米）和CO2排放率（微摩尔二氧化碳/平方米·秒）；（2）通过比较输入和输出来确定菲尔德斯半岛土壤的净碳平衡和碳汇/碳源状态；（3）分析土壤有机碳含量、土壤物理化学性质和重金属之间的多变量关系。最终，通过阐明这些碳通量动态及其与土壤变量的关系，本研究为改进预测性生态系统模型和在快速极地变化背景下完善全球碳预算提供了必要的区域数据。
研究地点描述
菲尔德斯半岛和阿德利岛位于南极金乔治岛的极端西南部。菲尔德斯半岛（29平方公里）是岛上最大的无冰区域，它通过麦克斯韦尔湾（Maxwell Bay）与阿德利岛（1.2平方公里）相连（Michel等人，2014年）。阿德利岛具有不同的特征，因其生态价值被指定为南极特别保护区（ASPA编号150）。
土壤的物理和化学特性
研究区域的土壤pH值范围为4到8，其中阿德利岛的变异性最大。菲尔德斯半岛的大多数地点表现出微酸性到微碱性的条件，pH值在6.0至7.5之间。由粘土岩、粉砂岩和砾岩形成的土壤通常呈深色（2.5Y 2.5/1至5Y 2.5/1），而由火山凝灰岩和玄武岩熔岩形成的土壤则呈黄色调（10YR）。这些变量及其来源的详细信息可供参考。
SOC分布的控制因素
由于报告单位和方法不一致，比较不同研究中的SOC储量往往具有挑战性。土壤碳浓度可能以相对含量（克/千克或百分比）报告，必须通过结合土壤容重将其转换为单位面积的质量（千克碳/平方米或吨碳/公顷）（Tadiello等人，2022年）。虽然基于面积的单位允许跨研究进行比较，但只有在采样深度标准化时，这种比较才有效。
结论
本研究通过综合敏感性分析建立了评估南极陆地生态系统碳汇/碳源动态的定量和可重复框架。研究区域的平均SOC储量为1.10 ± 1.93千克碳/平方米。对于净碳平衡计算，我们将分析限制在菲尔德斯半岛，该地区有R_s数据，得出的特定地点SOC储量为0.45 ± 0.45千克碳/平方米。假设年度SOC储量稳定，并将R_s速率换算为实际值
未引用的参考文献
Dorschel等人，2022年；Abakumov和Mukhametova，2014年；Gerrish等人，2024年
CRediT作者贡献声明
帕西查·查伊卡欧（Pasicha Chaikaew）：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论、概念化。
康克基夫·平皮迈（Komkiew Pinpimai）：撰写——审阅与编辑、验证、数据管理。
戴宇飞（Yufei Dai）：撰写——审阅与编辑、资源获取、调查。
高志伟（Zhiwei Gao）：资源获取、调查。
杜伟萌（Weimeng Du）：资源获取、调查。
王正（Zheng Wang）：资源获取、调查。
魏振华（Zhenhua Wei）：资源获取、调查。
苏查娜·查瓦尼奇（Suchana Chavanich）：监督、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了玛哈·查克里·西琳德霍恩公主（Princess Maha Chakri Sirindhorn）倡议下的信息技术基金会和中国极地研究所的支持。作者衷心感谢中国第40次南极探险队在长城站提供的后勤支持，以及探险队队员在野外工作方面的宝贵帮助。特别感谢瑞典大学森林生态与管理系的Nils Henriksson
