企鹅粪便对东南极湖泊沉积物中溶解有机物的影响

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Impact of Penguin Guano on Dissolved Organic Matter in East Antarctic Lake Sediments

南极湖泊中企鹅粪便加速有机碳溶解并改变DOM特性，通过光谱分析揭示其与企鹅活动和生产力正相关，为极地碳循环模型提供新证据。

　　

摘要

随着气候变暖，南极洲无冰陆地的面积不断扩大，湖泊成为有机碳（OC）的关键储存库。企鹅将营养物质从海洋输送到陆地环境，从而提高企鹅栖息地附近湖泊的生产力。然而，企鹅粪便对沉积物中溶解有机质（DOM）的影响机制尚不明确。本研究分析了来自东南极罗斯海无冰区域的三种类型的沉积物岩芯（微生物垫、鸟类来源的沉积物和混合沉积物）。通过结合紫外-可见光谱、激发-发射矩阵光谱以及热解气相色谱-质谱技术，我们表征了可水提取的DOM组成，并评估了其释放有机碳的潜力。结果显示，南极沉积物中溶解有机碳与总有机碳（DOC:TOC）的比例高于全球大多数寒冷地区。鸟类来源的沉积物具有最高的DOC:TOC比例（12%），显著高于微生物垫沉积物（7%），这表明企鹅粪便为沉积物提供了高溶解性的有机物质——这一过程是由固相与DOM之间的碳氮组成差异驱动的。水生微生物垫中的DOM主要包含低分子量的化合物（尤其是色氨酸类物质，占54%），而固相成分则以脂类为主。企鹅粪便还含有大量的含氮化合物，形成了具有腐殖质特性和高芳香性的相对高分子量DOM。此外，紫外参数和荧光指数可作为重建企鹅活动及初级生产力的新指标。本研究证明企鹅粪便能迅速从沉积物中溶解到水中，为评估全球变化下的有机物质-生物活动-气候反馈机制提供了关键的科学证据。

通俗语言总结

随着气候变暖导致无冰区域扩大，南极湖泊逐渐成为有机碳（OC）的储存库。企鹅将营养物质从海洋输送到陆地环境，影响湖泊中碳库的稳定性。为了了解粪便对沉积物中有机碳的影响，我们利用光学技术分析了三种沉积物类型（微生物垫、鸟类来源的沉积物和混合沉积物）中的可水提取溶解有机质（DOM）。研究发现，鸟类来源的沉积物中溶解有机碳与总有机碳的比例更高，这归因于粪便中的氮元素富集。与其它沉积物类型相比，粪便来源的DOM具有更高的芳香性和腐殖质特征。DOM参数与企鹅活动之间存在显著相关性。研究表明，企鹅粪便在沉积物中的成分容易溶解并移动，因此在气候变暖背景下应将其纳入极地碳循环模型中。

关键点

• 企鹅粪便加速了湖泊沉积物中有机物质的溶解

• 企鹅粪便产生的溶解有机质比微生物垫产生的更具芳香性和腐殖质特性

• 光谱指数是企鹅活动和初级生产力的有效指标

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

数据集可访问于 https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29254514（J. Zhao等人，2025）。

支持信息中的参考文献

• Nelson, D. W., & Sommers, L. E. (1996). 总碳、有机碳和有机质. 收录于 D. L. Sparks, A. L. Page, P. A. Helmke, R. H. Loeppert, P. N. Soltanpour, M. A. Tabatabai 等人（编），土壤分析方法：第三部分，化学方法（SSSA系列书籍5.3）（第961–1010页）。美国土壤科学学会，美国农学会。 https://doi.org/10.2136/sssabookser5.3.c34
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