南极研究站中的土壤污染作为当地人类活动影响的证据

《Polar Science》：Soil contamination as evidence of local human impact in an Antarctic research module

　　

摘要：

作为地球上最后几个相对原始的区域之一，南极洲是了解人类对偏远生态系统影响的重要参考。本研究评估了位于南极洲乔治王岛凯勒半岛上的伊帕内玛（Ipanema）模块周围土壤中潜在有毒元素和有机化合物的存在情况。在第42次南极科考（2023年）期间收集了11个表层土壤样本，并对这些样本进行了物理和化学特性分析。使用USEPA 3050B方法测定了潜在有毒元素（PTEs）的浓度，而有机分子则通过USEPA 8270D和3550C方法进行分析。污染水平通过富集因子（Enrichment Factor, EF）和潜在生态风险（Potential Ecological Risk, PER）指数进行评估。这些土壤显示出低有机质含量和沙质壤土质地，这有助于污染物的移动。在所有采样点，所检测到的有机分子均低于定量限。对于PTEs，在靠近该设施的地点以及人类活动频繁的区域观察到了中等到严重的富集现象，表明了人为影响的存在。潜在生态风险（PER）指数在两个点（P4和P6）显示出中等风险，主要受铅（Pb）的影响。这些发现强调了根据《马德里议定书》持续监测和采取预防措施的必要性，以尽量减少人类对南极生态系统的影响。

引言

尽管南极洲地理位置偏远且与其他大陆物理隔离，但它在全球气候系统中发挥着重要作用（Amaro等人，2015年）。然而，随着18世纪首次探险队到达南极地区（最初是为了捕猎海豹和鲸鱼），人类活动也开始影响南极生态系统（Guerra等人，2012年）。20世纪初，探测活动扩大，建立了第一个研究站，标志着人类持续存在的时代的开始（Blanchette等人，2004年）。在联合国推动的1957/58年国际地球物理年之后，人类活动加剧，研究人员、探险家、捕鲸者以及近年来游客的频繁参与进一步增加了南极的人类活动（Lu等人，2012年）。从20世纪60年代中期开始，旅游业成为常态，主要以船只形式进行（Chwedorzewska和Korczak，2010年）。根据国际南极旅游运营商协会（IAATO）的报告，在2024/2025年夏季季节，共有113,518名游客乘船抵达南极洲。虽然旅游活动会产生区域性影响，但设立在大陆上的研究站造成的直接影响更为显著（IAATO，2026年）。无论出于科学或公众的兴趣，无论活动性质如何，人类在南极的存在不可避免地需要使用化石燃料等材料和结构来维持长期停留（Tin等人，2009年）。这种需求导致与景观、动植物的互动，以及可能改变这个原始且孤立的自然环境中的各种参数。

许多研究关注了南极洲研究设施周围的环境监测（Luz等人，2006年；Guerra等人，2011年；Celis等人，2015年；de Lima Neto等人，2017年；Wang等人，2022年；Kakareka等人，2025年）。其中许多研究集中在土壤研究上（Santos等人，2005年；Guerra等人，2013年；Amaro等人，2015年；Xu等人，2020年），因为土壤是人为活动引入大陆生态系统中的污染物的主要储存库（de Lima Neto等人，2017年）。由于南极等极端环境中的后勤限制，大多数研究集中在科学站附近的区域。影响南极生态系统的最常见污染物是与潜在有毒元素（PTEs）富集相关的物质，尤其是金属（Shi等人，2018年；Bhakta等人，2022年），燃料泄漏，以及一系列持久性有机污染物（POPs），包括多环芳烃（PAHs）（尽管PAHs也以气态和颗粒态存在于大气中（Tin等人，2009年；de Lima Neto等人，2017年；Kawakami等人，2024年；Tala等人，2025年））。这些围绕研究设施的污染物对南极生态系统构成环境威胁，因为它们具有高度的环境持久性、低生物降解性和高毒性（Islam等人，2018年；Zhang等人，2018年）。

为支持人类在南极洲的存在而建立的设施包括季节性或永久性的研究站、应急避难所以及供水、能源和污水处理的专业设施（Tin等人，2009年）。夏季还有科学营地，使用临时结构或帐篷来支持短期活动。目前，南极洲共有114个研究设施，分为研究站、营地、仓库、实验室、机场营地和避难所。其中44个站点全年运营，可容纳约4,116人，70个为季节性设施，可容纳约1,139人（– COMNAP 2025/2026年年度报告）。在南极洲较大的区域内，南设得兰群岛的研究者密度相对较高。在未来几年和几十年里，南极洲肯定会继续建立新的研究站和后勤设施，从而增加人类活动带来的风险（Shi等人，2018年）。每个站点都可能成为环境污染的潜在来源，包括石化产品、废弃材料的渗滤液、各种燃烧过程产生的持久性污染物，以及大陆上建筑基础设施的自然降解（Tin等人，2009年；Palmer等人，2022年）。因此，可以推测，旅游业和研究站的建立对南极洲构成了显著的环境风险。

在这些设施中，有一个名为伊帕内玛（Ipanema）的模块，它是作为巴西南极计划（PROANTAR）的一部分于1994年建立的。该设施旨在通过监测网络支持科学知识的产生，以了解南极大陆和海洋地区的气候变化。除了作为应急避难所外，伊帕内玛模块还作为先进的实验室使用，配备用于监测温室气体、空气温度、湿度和其他大气参数的设备和传感器（de Jesus和Souza，2007年）。与需要高水平后勤支持和持续发电机运行的永久性研究站不同，像伊帕内玛这样的模块运营强度较低，研究人员仅定期前往进行设备维护、数据采集和传感器更换。因此，虽然这类季节性设施的整体土壤污染风险远低于主要永久性站点（de Lima Neto等人，2017年），但由于数十年的局部人类活动和设施的风化，仍可能将微量污染物引入周围原始环境中（de Lima Neto等人，2017年；Padeiro等人，2016年；Vl?ek等人，2017年）。

《南极条约》允许人类仅出于和平目的在南极洲活动，其中包括进行科学研究。然而，人类活动却产生了影响南极原始和孤立生态系统的环境影响（Alekseev和Abakumov，2021年）。因此，研究这些环境中的PTEs污染情况至关重要，因为这类研究为监测和评估人类活动（包括科学研究本身）带来的不利影响提供了科学依据（Lu等人，2012年）。因此，南极的环境影响评估和土壤监测不仅对于保护这些生态系统至关重要，也是遵守《南极条约》基本原则的必要条件。因此，本研究的目标是：（i）描述土壤的主要物理和化学特性；（ii）确定痕量金属和有机化合物等PTEs的存在；（iii）使用地球化学质量指数和潜在生态风险（PER）指数评估伊帕内玛模块周围的土壤污染程度。

部分摘录

研究区域和土壤采样

采样工作是在2023年12月第42次南极科考（OPERANTAR XLII）期间进行的，作为南极洲的一项机会性研究项目。研究区域位于南设得兰群岛（图1a），其中乔治王岛（图1b）的凯勒半岛上设有费拉兹指挥官南极站（EACF）。该站由巴西海军运营，距离伊帕内玛模块1,800米。该模块位于……

土壤特性

伊帕内玛模块周围的土壤具有极地环境的典型物理和化学特征（表1），但在某些地点显示出人为影响的迹象。所有土壤被归类为沙质壤土。这种质地在发育不良的南极土壤中很常见（Simas等人，2008年；Meier等人，2023年），并与大量粗粒物质（如碎石）的存在有关，这是由于该地区寒冷潮湿的气候所致；因此，土壤受到强烈影响

结论

本研究评估了伊帕内玛模块周围土壤中PTEs和有机分子的浓度，旨在评估研究基础设施可能对南极环境产生的影响。为此，还考虑了其他具有相同目标的研究设施的数据。所有检测到的有机分子浓度均低于定量限（LOQ），所有采样点的数值相似，包括参考站点。

PTEs

作者贡献声明

Alexandre ten Caten: 起草初稿、监督、资源协调、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。Júlia Carina Niemeyer: 起草初稿、监督、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。Márcio Rocha Francelino: 文稿审阅与编辑、资金获取。Katerin Encina Oliva: 起草初稿、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建

未引用的参考文献

Braun和Hock，2004年；国家南极计划管理者委员会，2025年；de Jesús和Souza，2007年；Gheller和Corbisier，2022年；IAATO - 国际南极旅游运营商协会；j.marpolbul；Patire，2010年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

资助

本研究得到了CNPQ（巴西国家科学技术发展委员会）的财务支持（资助编号408901/2022-5）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢巴西科学技术创新部的科学技术发展基金（FNCT）通过国家科学技术发展委员会（CNPq）为SensNexus项目提供的财务支持（资助编号408901/2022-5）。我们还要感谢CNPq提供的研究生产力奖学金（资助编号304642/2022-3，资助编号312352/2023-9）。

Katerin Manuelita Encina Oliva|Júlia Carina Niemeyer|Márcio Rocha Francelino|Alexandre ten Caten