《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》：Stabilization of organic matter in topsoils under different tundra vegetation in Central Spitsbergen (high Arctic)
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北极冻土表层土壤有机质（SOM）的分布与化学特性受植被类型显著影响，通过物理分馏发现先锋冻土以矿物结合有机质（MAOM）为主，而苔藓地以颗粒有机质（POM）为主，且有机质与矿物结合及团聚体形成增强了稳定性。
安娜·巴托斯（Anna Bartos）|卢卡什·穆谢洛克（?ukasz Musielok）|沃伊切赫·希曼斯基（Wojciech Szymański）
雅盖隆大学（Jagiellonian University），地理与地质学院（Faculty of Geography and Geology），地理与空间管理研究所（Institute of Geography and Spatial Management），土壤学与土壤地理学系（Department of Pedology and Soil Geography），格罗诺斯塔约瓦街7号（Gronostajowa St 7），克拉科夫（Kraków），波兰（30-387）
摘要
北极土壤中有机质（SOM）的稳定性是影响碳封存和温室气体排放的关键因素，尤其是在气候变化的背景下。尽管关于北极碳储量的研究众多，但在有机质稳定机制及其对不同苔原植被类型中有机质数量和质量的影响方面仍存在显著的知识空白。本研究的主要目的是确定斯匹次卑尔根（Svalbard）中部受永久冻土影响、覆盖不同苔原植被类型（先锋苔原、北极草地、苔藓苔原和石南苔原）的表层土壤中有机质的特征。通过物理分级方法将有机质分为颗粒有机质（POM）和矿物相关有机质（MAOM）两部分，同时利用粒径分级方法评估有机质在沙粒、粉砂和粘土颗粒中的分布和组成。研究结果表明，在石南苔原覆盖的表土中，颗粒有机质部分占碳和氮的主要储库；而在先锋苔原覆盖的表土中，大部分碳和氮储存在矿物相关有机质部分。此外，相当一部分有机质被包裹在宏观和微观团聚体中。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析的结果显示，不同土壤颗粒部分的化学性质存在显著差异，这既体现在团聚体中的包裹程度上，也体现在不同粒径颗粒部分之间。本研究提供了明确的证据，表明苔原植被类型显著影响了斯匹次卑尔根中部表土中有机质的空间分布和化学组成。
引言
据估计，受永久冻土影响的土壤含有约1307 Gt的土壤有机碳（SOC），占全球SOC储量的约30%（Hugelius等人，2014；K?chy等人，2015）。其中，最容易受到环境变化影响的表层土壤（深度约1米）中的SOC含量估计在445至496 Gt之间（Tarnocai等人，2009；Hugelius等人，2014）。目前，这些碳大部分冻结并储存在永久冻土中，但随着未来几十年气候变化导致的永久冻土融化，大量有机质可能会暴露于微生物分解过程中（Oechel等人，1993；Dutta等人，2006；Schuur等人，2009；Sch?del等人，2016）。值得注意的是，近几十年来北极地区的空气温度上升速度大约是全球平均水平的两倍（Post等人，2009；Schuur等人，2015；Myers-Smith等人，2020），这使得北极成为气候变化研究中的关键区域。此外，有机质的微生物分解会向大气中释放大量温室气体，如二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4），从而加剧气候变暖现象，这一现象被称为“永久冻土碳反馈”（Dai等人，2002；Andersen和White，2006；Koven等人，2013；Koven等人，2015；Schuur等人，2015；Schuur等人，2022）。鉴于这些事实，了解受永久冻土影响土壤中有机质的命运对于评估全球土壤碳循环至关重要。
因此，近年来在北极地区进行的许多研究都聚焦于受永久冻土影响土壤中有机质的数量和质量（例如，Uhlí?ová等人，2007；Xu等人，2009；Szymański，2017a；Szymański，2017b；Wietrzyk等人，2018；Schiedung等人，2022；Bartos等人，2023；Bartos等人，2024）。然而，这些研究大多仅关注有机质的总量和组成，这不足以全面了解其分解的敏感性（Prater等人，2020）。研究表明，物理稳定作用，特别是有机质在土壤团聚体中的包裹作用，在碳封存中起着关键作用（Marschner等人，2008；H?fle等人，2013；Prater等人，2020；Martens等人，2023）。这种机制对于碳的分解抗性通常比有机化合物本身的化学抗性更为重要（Von Lützow等人，2006；Marschner等人，2008；H?fle等人，2013；Kleber等人，2015）。此外，有机质与铁氧化物和铝氧化物的相互作用以及其融入膨胀粘土矿物的层间结构，进一步增强了其抗分解能力（Von Lützow等人，2006；Kleber等人，2015；Wang等人，2020）。对有机质的分级及其稳定机制的详细研究为了解其在受永久冻土影响土壤系统中的长期命运和作用提供了重要见解（Christensen，2001；Leifeld和K?gel-Knabner，2005）。这些方面对于准确预测有机质的稳定性和周转率非常重要，尤其是在气候变化驱动的环境条件下。尽管有机质稳定作用至关重要，但我们对这一过程在受永久冻土影响土壤中的理解仍然非常有限。只有少数研究采用了物理分级方法来研究受永久冻土影响土壤中的有机质（例如，Xu等人，2009；H?fle等人，2013；Prater等人，2020；Martens等人，2023）。需要强调的是，上述研究均未明确探讨不同植被类型之间有机质部分的差异。
本研究的主要目的是利用物理分级方法，确定斯匹次卑尔根（Svalbard）中部受永久冻土影响、覆盖不同苔原植被类型（先锋苔原、北极草地、苔藓苔原和石南苔原）的表层土壤中有机质的特征。为了全面了解有机质稳定机制，采用了两种分级方法，并量化了各分级样本中的总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量。此外，本研究深入探讨了不同苔原植被覆盖的永久冻土表层土壤中有机质各部分的化学组成。本研究验证了三个假设：1）随着植物覆盖度的降低，矿物相关有机质的比例增加；2）颗粒有机质部分中的碳储量大于矿物相关有机质部分；3）不同苔原植被类型覆盖的表层土壤中有机质的化学组成存在显著差异。
研究区域
研究区域位于斯匹次卑尔根（Svalbard）中部，靠近朗伊尔贝恩（Longyearbyen）镇（图1）。该地区的地质基底主要由碎屑沉积岩（黑色页岩、泥岩、砂岩和粉砂岩）构成，年龄范围从二叠纪到始新世（Dallmann等人，2001）。研究区域内的河谷（如Adventdalen和Longyeardalen河谷）充满了厚厚的冰川河流沉积物（Bryant，1982；Christiansen，2005）。
土壤性质
根据世界土壤资源参考基础（World Reference Base for Soil Resources）的标准，所有研究地块的土壤都被归类为冻土（Cryosols），因为这些土壤具有冻土扰动特征且永久冻土分布较浅（表1）。所有地点的表土主要以颗粒结构为主，但在先锋苔原下还出现了片状结构，在湿润的苔藓苔原下出现亚角状块状结构，在石南苔原下出现纤维状结构（表2）。北极草地覆盖的表土记录到了最低的平均pH值。
讨论
研究结果揭示了不同苔原类型中有机质含量和性质的变化，突显了苔原类型对高北极地区表土中有机质数量和质量的显著影响。这与先前研究结果一致，这些研究探讨了植被覆盖与高北极地区总有机碳（TOC）含量之间的关系（Miga?a等人，2014；Szymański，2017a；Szymański，2017b；Bartos等人，2024）。
有机质的空间分布似乎非常
结论
研究表明，植被类型显著影响了斯匹次卑尔根中部表土中有机质的空间分布以及碳和氮的储存位置。在发育较好的苔原生态系统（如石南苔原和北极草地）中，颗粒有机质部分是主要的碳储库；而在先锋苔原覆盖的表土中，大部分碳储存在矿物相关有机质部分。值得注意的是，氮的储存情况呈现出相反的趋势。
作者贡献声明
安娜·巴托斯（Anna Bartos）：撰写初稿、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念框架构建。
卢卡什·穆谢洛克（?ukasz Musielok）：审稿与编辑、概念框架构建。
沃伊切赫·希曼斯基（Wojciech Szymański）：审稿与编辑、监督工作、概念框架构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了雅盖隆大学地理与地质学院的战略计划“卓越计划”（Strategic Programme Excellence Initiative）的资助。此外，该研究还得到了POB Anthropocene [ATP.2.12.2020]项目的支持。我们还要感谢Pawe? Bartos、Marek Drewnik、Magdalena Gus-Stolarczyk和Mateusz Stolarczyk在野外研究中的帮助。
