海洋与大陆因素对北极沿海地区（巴伦支海）土壤有机质及抗氧化活性的影响

《CATENA》：Marine-continental influences on soil organic matter and antioxidant activity in an Arctic Coastal Catena (Barents Sea)

　　

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  沿着海洋-大陆梯度的植被分布受水分和盐度的控制。
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  沼泽土壤整合了本地和外来（藻类、鸟粪、沉积物）的有机质来源。
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  最大的有机质（SOC）储存在流域的泥炭地中；寒冷过程形成了碳和氮的库。
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  来自藻类、洪水沉积物、鸟粪和植被的抗氧化剂可以保护沿海地区的有机质。
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  永久冻土中的有机质在潮湿环境中仍保持生物活性，这一点通过抗氧化剂活性（AOA）的异常表现得到证实。

引言

21世纪全球变暖的极地放大效应引发了对碳循环的极大兴趣。受永久冻土影响的土壤含有世界上约30%的土壤有机碳（SOC）（Kuhry et al., 2002; Hugelius et al., 2014; Ping et al., 2015; Strauss et al., 2025; Bartos et al., 2026）。其中大部分（445–496 Gt）储存在土壤表层一米内，这使得SOC特别容易受到环境变化的影响（Tarnocai et al., 2009; Hugelius et al., 2014）。北极沿海生态系统是气候不稳定的重要因素。尽管面积较小（最高达24 Gt），但它们拥有高密度的碳沉积，因此存在大规模排放的风险（Duarte et al., 2013; Lovelock and Reef, 2020）。

尽管人们越来越认识到北极沿海生态系统作为重要的碳库（Duarte et al., 2013; Lovelock and Reef, 2020），但仍有几个关键问题尚未解决：

- 不同外来源（海洋藻类与陆地植物残体及鸟类粪便）对北极沿海土壤有机质库的相对贡献尚未进行定量评估。虽然个别研究考察了藻类沉积物（Polis et al., 1997）或鸟粪的影响（Ivanov and Avessalomova, 2012），但缺乏沿完整的海洋-大陆梯度的综合评估。

- 在这些高度动态的系统中，沉积作用、冻融过程和潮汐冲刷共同作用于有机碳的稳定机制仍然知之甚少。抗氧化剂活性（AOA）是有机碳稳定性的重要因素之一（Rimmer, 2006）。天然物质中的抗氧化剂可以减缓可移动和易分解部分的分解（Rimmer, 2006; Rimmer et al., 2013; K?gel-Knabner et al., 2003; Cardelli et al., 2012, Cardelli et al., 2014; Min et al., 2015）。关于土壤抗氧化剂活性的信息仍然零散（?wiel?g-Piasecka et al., 2024）。具体来说，抗氧化剂活性在保护易分解有机物质方面的作用已在温带和北方森林土壤中得到研究（Rimmer, 2006; Cardelli et al., 2012, Cardelli et al., 2014），但在受永久冻土影响的北极沿海地区则很少研究。土壤中抗氧化剂的主要来源是衰老的叶片、植物残体和其他死亡的植物部分（Flaig, 1971; Rimmer, 2009; Rimmer et al., 2013; Takeda, 2013; Schlichting et al., 2013; ?wiel?g-Piasecka et al., 2024）。普遍认为，土壤中的抗氧化剂主要是由复杂有机分子转化过程中形成的酚类化合物组成的（Flaig, 1971; Cardelli et al., 2012; Takeda, 2013; ?wiel?g-Piasecka et al., 2024）。尽管酚类化合物在提供土壤抗氧化活性方面起主要作用，但其他类型的物质也可能起到一定作用（Schlichting et al., 2013）。

- 抗氧化剂活性沿景观梯度的空间变化——从潮间带沼泽到高地流域——及其与永久冻土动态的关系尚未得到明确。这些信息对于预测气候变化下永久冻土融化和海洋输入变化对碳稳定性的影响至关重要。

本研究的目标 是为了填补这些空白，我们研究了巴伦支海（佩乔拉海地区）的沿海区域——这是一个之前未进行过土壤-植物-抗氧化剂综合评估的地区。具体目标包括：（1）研究从盐沼到贫营养流域泥炭地的植被组成和土壤特性；（2）量化外来物质（藻类、鸟粪、沿海洪水沉积物）对土壤有机碳和氮库的贡献；（3）使用一系列方法评估土壤、泥炭和生物源物质（植被、藻类、鸟粪、冲积沉积物）提取物的抗氧化活性；（4）研究海洋-大陆梯度如何影响不同土壤层（包括受永久冻土影响的层）中的抗氧化活性。

章节摘录

材料

为了系统地评估海洋和大陆因素对土壤有机质及抗氧化剂活性的影响，采用了系列研究方法（Jenny, 1994; Sommer and Schlichting, 1997; Osman, 2013; Dong et al., 2022; Doetterl et al., 2025），这种方法在研究北极沿海环境的地形序列中已被广泛采用（Dittmar and Kattner, 2003; Banerjee et al., 2011; Wietrzyk-Pe?ka et al., 2020; Prater et al., 2021）。

研究区域位于佩乔拉海沿岸

植被（地面覆盖)

在I地点（较低的地形序列，沼泽区），Carex subspathacea占主导地位。盐生植物Arctanthemum hultenii和Plantago schrenkii的数量较少，同时还有草类Poa arctica和Festuca rubra>。

II地点也在沼泽区内，但局限于一条小溪的泛滥平原，其植被组成有所不同。Festuca rubra与Carex subspathacea共同占优势；Poa arctica的数量增加，同时出现了Calamagrostis deschampsioides。

序列模式和碳储量

获得的数据证实了北极海岸的预期序列梯度：电导率从3640降至48 μS cm^?1，pH值从5.75降至2.65，植被从沼泽逐渐演变为矮灌木-地衣苔原（Duarte et al., 2013; Hugelius et al., 2014; Shamrikova et al., 2018）。虽然这些模式在概念上并不新颖，但它们在巴伦支海海岸的量化记录为该地区提供了重要的基准。

高沼泽区的碳储量

结论

• 1.
  沿着海洋-大陆梯度的植被从以盐生植物为主的沼泽（物种丰富度5–6）逐渐过渡到以矮灌木-地衣为主的湿地（物种丰富度12–15），这证实了水分和盐度的主要控制作用。
• 土壤形成整合了本地（盐生植被）和外来（藻类、鸟粪、洪水沉积物）的有机质来源。鸟粪中Mg²⁺相对于Ca²⁺的比例较高（Ca:Mg = 1:5）。

CRediT作者贡献声明

Svetlana V. Deneva：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，验证，项目监督，调查，数据管理，概念构思。Elena V. Shamrikova：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，验证，方法学研究，调查，数据管理，概念构思。Oksana G. Shevchenko：初稿撰写，可视化，方法学研究，正式分析，数据管理。Andrey N. Panyukov：初稿撰写，数据可视化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了项目编号125021902454-1“俄罗斯东北部土壤及其资源在当代气候变化、人为影响和社会经济挑战下的状况”的财政支持。

Svetlana V. Deneva|Elena V. Shamrikova|Oksana G. Shevchenko|Andrey N. Panyukov|Olesya S. Kubik