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硒是人体和动物必需的微量元素，广泛存在于土壤、岩石、海洋、植物和动物体内。在全球范围内，土壤中硒的分布极不均匀，具有明显的地带性分布特征。硒在全球土壤中的分布、迁移转化已成为研究热点。然而迄今为止，关于硒生物地球化学过程的研究大多集中在温带和热带的缺硒或硒污染地区，以及极少量的亚北极地区，关于南极地区硒的总量和形态分布以及挥发过程的研究尚未见报道，因此，对全球土壤硒的分布及其生物地球化学过程的评估尚有不全面性。气候被认为是影响不同环境中硒的生物地球化学过程的最重要因素之一。研究表明，在气候变暖和永久冻土融化后，大量的硒可以通过土壤解冻和内陆水面向大气排放并输出到下游水域，从而影响北极生物群。鉴于此，在全球气候变化的背景下，开展南极地区硒的分布规律和挥发过程的研究十分必要。本文以采自西南极法尔兹半岛和与之相邻的阿德雷岛的表层环境介质样品，包括苔原土壤、企鹅粪、海豹粪、苔藓植物和湖泥，以及受企鹅、海豹活动影响的粪土剖面和普通苔原土壤剖面为研究对象，基于土壤学、生物地球化学、环境化学、大气化学等的基本原理，采用氢化物发生—原子荧光光谱法(HG-AFS)和高效液相色谱—电感耦合等离子质谱法(HPLC-ICP-MS)等检测技术，系统地研究了南极苔原环境中总硒和硒形态的空间分布特征及其影响因素;分析了典型土壤剖面中总硒和硒形态的垂向分布规律;结合实验室模拟培养实验，首次研究了南极苔原土壤气态硒的挥发特征、主要挥发性有机硒形态及其影响因素;综合探讨了海洋动物活动、硒挥发过程与气候变化对南极无冰区苔原生态系统中硒的生物地球化学循环过程的影响。主要研究内容和结果如下:
(1)南极苔原环境中硒和硒形态的分布特征及其影响因素
采集了西南极法尔兹半岛和阿德雷岛不同生态区土壤样品，包括企鹅聚居区粪土(PCS)及其邻近的高地苔原土壤(APS)、苔原沼泽土壤(TMS)、海豹聚居区粪土(SCS)及其周边苔原土壤(ASS)、人类活动区土壤(HAS)、普通苔原土壤(NTS)和冰盖边缘背景土壤(GS)，采用化学连续提取和热消解技术，使用HG-AFS对土壤总硒和硒形态进行了定量，分析了硒含量的空间分布特征及影响因素。结果表明:研究区域整体属于富硒区（1.75±1.99μg g-1），是全球土壤硒平均含量的4.3倍，但是表层土壤硒在区域分布上极不均匀，分异程度很高。阿德雷岛土壤总硒含量整体高于法尔兹半岛，其中受企鹅和海豹活动影响的土壤硒含量远高于普通苔原土壤。总硒与土壤含水率、TOC、TN、TS、TP呈极显著正相关，与pH呈显著负相关。企鹅粪和海豹粪的输入是造成研究区域硒分布不均匀的主要影响因素。有机结合态硒是法尔兹半岛和阿德雷岛苔原土壤硒的主要赋存形态（1.41mg kg-1），占土壤总硒的58.8％，其次为残渣态硒(25.5％)。土壤有机碳含量对硒形态分布的影响较大。企鹅和海豹粪中含有大量有机硒，为土壤有机结合态硒提供了物源。
法尔兹半岛和阿德雷岛湖泊表层沉积物中硒含量分布存在明显差异。阿德雷岛湖泊沉积物中硒含量(2.15±0.87μg g-1)高于法尔兹半岛湖泊沉积物(0.49±0.37μg g-1)。土壤硒含量是控制沉积物中硒含量的重要因素之一;企鹅粪沉积和TOC是造成不同地区湖泊硒含量差异的决定性因素。
(2)典型苔原土壤剖面中硒含量和形态的分布特征及其影响因素
对采自阿德雷岛企鹅粪土沉积剖面(T1、Q3)和法尔兹半岛海豹粪土沉积剖面(SWZ、HF1、HF4)、普通苔原土壤沉积剖面(GWP)进行了总硒和硒形态定量分析。结果显示:企鹅和海豹粪土沉积剖面硒垂向分布均表现为“表聚型”，即表层硒富集程度高于底层，普通苔原土壤剖面硒分布属于均匀分布型。企鹅粪土沉积剖面总硒含量(1.37±0.43mg kg-1)高于其它类型沉积剖面(0.42±0.34mg kg-1)。粪土沉积剖面总硒的分布与TOC、P、N、C含量的分布呈良好的一致性。TP和TOC含量与粪土沉积剖面硒含量呈显著正相关，表明沉积剖面硒含量分布主要受控于企鹅粪、海豹粪的输入以及有机质（包括动物活动带来的有机质和沉积在土壤中的植物残体）的吸附作用。有机结合态硒和残渣态硒是企鹅和海豹粪土沉积剖面的主要硒形态，且随剖面深度增加，有机结合态硒逐渐被其它硒形态替代，其分布模式主要受到动物排泄物带来的有机硒输入和沉积物成岩作用的影响。生物有效硒占比最低，表明粪土沉积剖面中硒的迁移性较弱。
(3)典型苔原生态区土壤硒挥发速率的实验室模拟研究
本研究选取了阿德雷岛采集的企鹅聚居区粪土(PCS)及其邻近的苔原沼泽土壤(TMS)、法尔兹半岛海豹聚居区粪土(SCS)、海豹聚居区边缘苔原土壤(STS)和普通苔原土壤(NTS)，采用动态箱式法和化学捕获法对土壤中气态硒的挥发速率和挥发性有机硒的形态，开展实验室培养实验研究。与NTS相比，PCS、SCS、STS、TMS中总硒含量较高，且有机结合态硒含量也较高，占总硒的55％～83％。培养实验结果表明在研究区域夏季平均气温下，企鹅聚居区粪土气态硒挥发速率最大（0.20±0.01μg kg-1d-1），其次为海豹聚居区粪土(0.14±0.01μgkg-1d-1)。硒挥发速率随着土壤的解冻迅速增加，完全融化的土壤硒挥发速率是未完全融化的土壤挥发速率的1.5～5.4倍。硒挥发速率与土壤温度呈线性正相关(R2=0.90，p=0.006)。温度从4℃升高到12℃和20℃时，Se的挥发速率分别增加了0.6倍和1.7倍。企鹅聚居区粪土挥发性硒形态主要是二甲基硒(DMSe)，海豹粪土主要挥发性硒是二甲基二硒(DMDSe)。
(4)评估海洋动物活动和气候变化对南极苔原硒循环的影响
基于以上不同生态区苔原土壤中硒和硒形态的对比分析，以及硒挥发速率的分析，对海洋动物活动对南极苔原硒的贡献量进行了评估。受企鹅、海豹活动的影响，表层土壤中硒含量在区域分布上极不均匀，分异程度很高，高硒土壤主要集中在企鹅和海豹聚居区。企鹅粪沉积对南极土壤硒的贡献率为91.8％，高于海豹粪沉积的贡献率(78.0％)。温度升高、冻土融化和海洋动物高硒输入的共同作用将显著增加南极沿海苔原土壤硒的挥发。企鹅聚居区土壤较高的硒挥发速率和离企鹅聚居区较近的苔原苔藓硒含量的显著升高，表明企鹅聚居区的硒挥发和沉降在区域硒的动员和生物地球化学循环中扮演重要角色。气候变化可通过影响海洋动物数量和聚居地的变迁、土壤有机质含量、硒的挥发量等途径来影响南极苔原硒的生物地球化学循环。
(1)南极苔原环境中硒和硒形态的分布特征及其影响因素
采集了西南极法尔兹半岛和阿德雷岛不同生态区土壤样品，包括企鹅聚居区粪土(PCS)及其邻近的高地苔原土壤(APS)、苔原沼泽土壤(TMS)、海豹聚居区粪土(SCS)及其周边苔原土壤(ASS)、人类活动区土壤(HAS)、普通苔原土壤(NTS)和冰盖边缘背景土壤(GS)，采用化学连续提取和热消解技术，使用HG-AFS对土壤总硒和硒形态进行了定量，分析了硒含量的空间分布特征及影响因素。结果表明:研究区域整体属于富硒区（1.75±1.99μg g-1），是全球土壤硒平均含量的4.3倍，但是表层土壤硒在区域分布上极不均匀，分异程度很高。阿德雷岛土壤总硒含量整体高于法尔兹半岛，其中受企鹅和海豹活动影响的土壤硒含量远高于普通苔原土壤。总硒与土壤含水率、TOC、TN、TS、TP呈极显著正相关，与pH呈显著负相关。企鹅粪和海豹粪的输入是造成研究区域硒分布不均匀的主要影响因素。有机结合态硒是法尔兹半岛和阿德雷岛苔原土壤硒的主要赋存形态（1.41mg kg-1），占土壤总硒的58.8％，其次为残渣态硒(25.5％)。土壤有机碳含量对硒形态分布的影响较大。企鹅和海豹粪中含有大量有机硒，为土壤有机结合态硒提供了物源。
法尔兹半岛和阿德雷岛湖泊表层沉积物中硒含量分布存在明显差异。阿德雷岛湖泊沉积物中硒含量(2.15±0.87μg g-1)高于法尔兹半岛湖泊沉积物(0.49±0.37μg g-1)。土壤硒含量是控制沉积物中硒含量的重要因素之一;企鹅粪沉积和TOC是造成不同地区湖泊硒含量差异的决定性因素。
(2)典型苔原土壤剖面中硒含量和形态的分布特征及其影响因素
对采自阿德雷岛企鹅粪土沉积剖面(T1、Q3)和法尔兹半岛海豹粪土沉积剖面(SWZ、HF1、HF4)、普通苔原土壤沉积剖面(GWP)进行了总硒和硒形态定量分析。结果显示:企鹅和海豹粪土沉积剖面硒垂向分布均表现为“表聚型”，即表层硒富集程度高于底层，普通苔原土壤剖面硒分布属于均匀分布型。企鹅粪土沉积剖面总硒含量(1.37±0.43mg kg-1)高于其它类型沉积剖面(0.42±0.34mg kg-1)。粪土沉积剖面总硒的分布与TOC、P、N、C含量的分布呈良好的一致性。TP和TOC含量与粪土沉积剖面硒含量呈显著正相关，表明沉积剖面硒含量分布主要受控于企鹅粪、海豹粪的输入以及有机质（包括动物活动带来的有机质和沉积在土壤中的植物残体）的吸附作用。有机结合态硒和残渣态硒是企鹅和海豹粪土沉积剖面的主要硒形态，且随剖面深度增加，有机结合态硒逐渐被其它硒形态替代，其分布模式主要受到动物排泄物带来的有机硒输入和沉积物成岩作用的影响。生物有效硒占比最低，表明粪土沉积剖面中硒的迁移性较弱。
(3)典型苔原生态区土壤硒挥发速率的实验室模拟研究
本研究选取了阿德雷岛采集的企鹅聚居区粪土(PCS)及其邻近的苔原沼泽土壤(TMS)、法尔兹半岛海豹聚居区粪土(SCS)、海豹聚居区边缘苔原土壤(STS)和普通苔原土壤(NTS)，采用动态箱式法和化学捕获法对土壤中气态硒的挥发速率和挥发性有机硒的形态，开展实验室培养实验研究。与NTS相比，PCS、SCS、STS、TMS中总硒含量较高，且有机结合态硒含量也较高，占总硒的55％～83％。培养实验结果表明在研究区域夏季平均气温下，企鹅聚居区粪土气态硒挥发速率最大（0.20±0.01μg kg-1d-1），其次为海豹聚居区粪土(0.14±0.01μgkg-1d-1)。硒挥发速率随着土壤的解冻迅速增加，完全融化的土壤硒挥发速率是未完全融化的土壤挥发速率的1.5～5.4倍。硒挥发速率与土壤温度呈线性正相关(R2=0.90，p=0.006)。温度从4℃升高到12℃和20℃时，Se的挥发速率分别增加了0.6倍和1.7倍。企鹅聚居区粪土挥发性硒形态主要是二甲基硒(DMSe)，海豹粪土主要挥发性硒是二甲基二硒(DMDSe)。
(4)评估海洋动物活动和气候变化对南极苔原硒循环的影响
基于以上不同生态区苔原土壤中硒和硒形态的对比分析，以及硒挥发速率的分析，对海洋动物活动对南极苔原硒的贡献量进行了评估。受企鹅、海豹活动的影响，表层土壤中硒含量在区域分布上极不均匀，分异程度很高，高硒土壤主要集中在企鹅和海豹聚居区。企鹅粪沉积对南极土壤硒的贡献率为91.8％，高于海豹粪沉积的贡献率(78.0％)。温度升高、冻土融化和海洋动物高硒输入的共同作用将显著增加南极沿海苔原土壤硒的挥发。企鹅聚居区土壤较高的硒挥发速率和离企鹅聚居区较近的苔原苔藓硒含量的显著升高，表明企鹅聚居区的硒挥发和沉降在区域硒的动员和生物地球化学循环中扮演重要角色。气候变化可通过影响海洋动物数量和聚居地的变迁、土壤有机质含量、硒的挥发量等途径来影响南极苔原硒的生物地球化学循环。