乔治王岛南极土壤 - 植被系统中的 137Cs 与天然放射性核素：企鹅影响生境与参考生境中的差异格局

《Journal of Hazardous Materials》：137Cs and natural radionuclides in Antarctic soil-vegetation systems on King George Island: contrasting patterns in penguin-influenced and reference habitats

　　

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  D. antarctica在四次采样活动中显示出反复出现的特定地点¹³⁷Cs对比差异。
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  U.antarctica在各植被组中总²¹⁰Pb活度最高。
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  D. antarctica在企鹅影响区的¹³⁷Cs传递系数较高。

引言

人工放射性核素¹³⁷Cs的半衰期约为30年，主要是由于20世纪50年代和60年代的大气核武器试验而进入环境的。全球沉降量在北半球于1963年达到最大值，紧随1961-1962年的密集试验系列之后。在南极洲，沉降信号较低且有所延迟，主要沉积期以1965年为中心，这是因为放射性核素主要通过半球间交换和平流层环流输送至南半球高纬度地区[1], [2]。尽管¹³⁷Cs进入南极洲的总量远低于北半球，但其在南极土壤、沉积物、地衣、苔藓、维管植物、藻类和海洋生物中的存在已被反复报告([3], [4], [5], [6], 2003b)。由于该放射性核素在生物上并非必需，但可能因其相对较长的半衰期、环境迁移性和与钾的化学相似性而进入生物途径，¹³⁷Cs在南极生态系统中的持续存在仍然具有环境相关性。尽管目前南极洲的¹³⁷Cs活度较低，但在主要沉降期数十年后仍能持续检测到¹³⁷Cs，这表明历史污染可能在陆地和沿海生态系统中持续存在。南极土壤和陆地生物群中也曾报告有天然放射性核素。Godoy等人[7]在乔治王岛及南设得兰群岛其他地点的土壤、沉积物、苔藓和地衣中测量了⁴⁰K、²¹⁰Pb、²²⁶Ra和²²⁸Ra，并报告了不同基质和地点之间存在显著差异。Mietelski等人[3]报告南极苔藓和地衣中²¹⁰Pb及其他天然放射性核素存在较大差异。Szufa等人[8]发现⁴⁰K是南极生物群中所分析的天然放射性核素中占主导地位的，并报告了苔藓与地衣之间的差异。

隐花植物（Cryptogams）是空气放射性核素的特别有用的生物监测器，因为它们缺乏发达的根系，主要通过与大气接触的体壁或枝体表面获取水分、溶解物质和颗粒物。其变水生理特征、较高的表面积与生物量比、缓慢的生长速度和组织的持久性有利于对湿沉降和干沉降的时间整合。然而，由于形态、生长形态、与基质的接触情况、局部水分条件和区域沉降历史等方面的差异，放射性核素活度在苔藓和地衣之间以及物种之间可能存在显著差异[9], [10], [11], [12], [13], [14]。位于南设得兰群岛的乔治王岛以海洋性气候、高降水量、广泛的冰川覆盖以及南半球夏季强烈的季节性融雪和融水径流为特征。这些条件有利于沉降放射性核素的沉积、滞留和次级再分配。冰川、积雪场和新近暴露的冰缘区域可能作为大气¹³⁷Cs的临时储库，而融水和地表径流可以重新激活过去沉积的放射性核素并将其在陆地与沿海区之间转移[15], [16]。除冰川和水文过程外，企鹅群是乔治王岛上重要的本地生物因子。鸟粪沉积为陆地生境提供了养分和有机质，并有助于土壤发育[17], [18]。乔治王岛上的植被稀疏，以隐花植物为主，特别是地衣和苔藓，维管植物仅局部分布于无冰沿海生境。这些植被组在接触大气和基质方面有所不同，因此对陆地生态系统内元素的滞留和再分配贡献不同[19]。来自乔治王岛的既往研究报告了受企鹅鸟粪和冰川融水影响的区域中植物内¹³⁷Cs和⁹⁰Sr活度较高[20]。这些观察结果表明，遗留放射性核素的现有分布可能既反映了历史沉降，也反映了随后在陆地环境中的再分配。然而，单次采样期间土壤和植物样品中测量的放射性核素活度可能受融雪、土壤水分、大气沉积和企鹅活动短期变化的影响。在两个南半球春夏季节的初末期进行采样，提供了在同一地点的重复观测，使得不同采样活动中主要地点相关和植被相关对比的方向得以比较。因此，重复采样降低了所观察到的模式仅反映某一次采样活动特定条件的可能性。

因此，本研究旨在比较乔治王岛上企鹅影响区和参考区土壤及植物中的放射性核素活度和稳定同位素模式，并评估主要的地点相关对比是否在四次采样活动中反复出现。多示踪剂方法将¹³⁷Cs与⁴⁰K结合以表征与钾相关的活度，以总²¹⁰Pb作为具有岩源和大气来源的颗粒反应性放射性核素，以⁷Be作为近期大气沉积的补充证据，以²²⁶Ra和²²⁸Ac作为矿物相关放射性核素。Cs⁺与K⁺之间的化学相似性为¹³⁷Cs与⁴⁰K的比较提供了生态背景[21], [22]。δ¹⁵N用于评估鸟源性氮的影响，而δ¹³C则与分类群特定的碳获取和水分利用相关进行了解释。

章节摘要

研究区域与采样

样品在2022/2023和2023/2024两个南半球春夏季节的初末期四次实地采样活动中采集于乔治王岛。采样设计包括一个企鹅影响区（Site 1），设有三个子采样点（1a-1c），位于同一阿德利企鹅繁殖区的下坡处，以及一个参考区，Site 2。企鹅影响区各子采样点之间相距约60-110 米，而Site 2距

放射性核素和稳定同位素在土壤-植物系统中的分布

土壤LOI范围为4.9至60.0%。企鹅影响区的土壤LOI中位数为19.6%（IQR 13.5-41.0%；范围4.9-60.0%；n = 12），Site 2为9.6%（IQR 8.8-15.2%；范围6.0-26.0%；n = 9）。最高值范围为41.0至60.0%，记录于1b子采样点，特别是在B. austrosalebrosum下方的土壤中（补充表S1）。

放射性核素活度在不同样品类型和采样区域之间有所差异（图2）。对于¹³⁷Cs，企鹅影响区的中位活度为

生物组分间放射性核素特征的对比

在所有采样地点和活动期间，三个植被组——地衣U. antarctica、苔藓B. austrosalebrosum和维管植物D. antarctica——显示出不同的放射性核素特征（图2）。D.antarctica具有最高的中位¹³⁷Cs活度和相对较高的⁴⁰K活度，而B. austrosalebrosum的¹³⁷Cs较低但⁴⁰K活度同样较高。U. antarctica的¹³⁷Cs和⁴⁰K中位活度最低，但总²¹⁰Pb中位活度最高

结论

乔治王岛上的¹³⁷Cs反映了大气沉降的遗留影响，而其当代分布在不同采样地点、基质和植被组之间存在差异。地衣U. antarctica显示出较低的¹³⁷Cs和相对较高的总²¹⁰Pb活度，而在三个U. antarctica样品中检测到了⁷Be，这种放射性核素特征与大气颗粒物截获相符。植被中最高¹³⁷Cs活度在企鹅影响区的D. antarctica中发现，

CRediT作者贡献声明

Dominika Saniewska: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，方法论，调查研究，概念化。Robert Bialik: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，资源获取，方法论，调查研究，形式分析，概念化。Piotr Paneth: 写作 – 初稿撰写，形式分析。Micha? Saniewski: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，调查研究，形式分析，概念化。Katarzyna

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢亨里克·阿克托夫斯基波兰南极站提供的后勤支持。特别感谢第47和48次波兰南极考察队人员在野外工作期间提供的宝贵协助。

在本文准备过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）辅助语言编辑和图形美化。作者对输出内容进行了审阅和编辑，并承担全部

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