中国东部地区气溶胶颗粒大小对铁溶解度的影响

《Atmospheric Environment》：Dependence of fractional iron solubility on aerosol particle size in Eastern China

铁溶解度与粒子大小的关系研究|中国东部气溶胶|城市与海岸对比|酸化作用|Fe生物有效性

　　

朱艳红|史莉莉|叶先曼|隋启凡|马倩莉|陈佩佩|李伟军

中国浙江省杭州市浙江大学地球科学学院大气科学系，310027

摘要

气溶胶颗粒的大小是影响沉积到海洋表面的铁（Fe）的分数溶解度的关键因素，因为颗粒大小反映了气溶胶的来源和大气中的转化过程。然而，气溶胶颗粒大小与铁的分数溶解度之间的关系仍不明确。本研究在2020年12月至2021年1月期间，从中国东部的三个代表性地点（城市、背景区和沿海区）收集了按大小分类的气溶胶样本，探讨了铁的分数溶解度与颗粒大小的关系，以及来源特性和气溶胶酸化的影响。总悬浮颗粒（TSP）中铁的平均分数溶解度在背景区最高（5.4%），其次是城市区（4.6%）和沿海区（3.4%）。在所有地点，无论是雾霾期还是清洁期，细颗粒模式中的铁分数溶解度都是粗颗粒模式的3倍或更高。铁的分数溶解度的粒度分布通常呈现单峰模式，在城市区和背景区峰值位于0.56–1.0 μm，而在沿海区则主要呈现三峰模式，峰值位于0.56–1.0 μm或更小。车辆排放、生物质燃烧以及与硫酸盐和硝酸盐形成相关的气溶胶酸化在提高细颗粒中铁的分数溶解度方面发挥了重要作用。

引言

铁（Fe）是海洋浮游植物的关键营养物质，因为其生物可利用性对调节海洋初级生产力至关重要。大气气溶胶的沉积是海洋中铁的主要外部来源，提供了可生物利用的铁，从而可能增强海洋初级生产力，进而影响大气中的二氧化碳（CO₂）预算，进而影响全球碳循环和气候（Jickells等人，2005；Moore等人，2013；Tagliabue等人，2017；Mahowald等人，2018；Hamilton等人，2020；Al-Abadleh等人，2023；Liu等人，2024；Dong等人，2024；Sakata等人，2025）。然而，大气气溶胶中的大部分铁可能不具备生物可利用性。只有可溶性铁才被认为是对海洋浮游植物可利用的（Raiswell和Canfield，2012）。大气气溶胶中的可溶性铁还因参与产生活性氧（ROS）的反应而具有不良健康影响（Alpert等人，2021；Wei等人，2019，2022）。有研究表明，可溶性铁与大气气溶胶中不可溶性铁相比，与ROS的形成更为相关（Pattanaik等人，2012；Wang等人，2022）。了解大气气溶胶中可溶性铁的含量及其影响因素对于理解气溶胶对浮游植物生产力和人类健康的影响非常重要。

众所周知，许多因素——如大气气溶胶的颗粒大小、气溶胶酸化以及气溶胶中铁的来源——会影响气溶胶中铁的浓度和分数溶解度（Gao等人，2013；Ito等人，2021；Zhu等人，2022；Zhang等人，2022；Ito和Miyakawa，2023；Li等人，2024；Wei等人，2024；Shuai等人，2025）。这种影响通常通过“分数溶解度”这一术语来评估，表示为可溶性铁占总铁的百分比（Gao等人，2013；Zhu等人，2022）。然而，关于大气气溶胶的颗粒大小作为决定铁分数溶解度因素的观点存在争议。例如，Baker和Jickells（2006）提出矿物颗粒大小是铁分数溶解度的控制因素。基于这一发现，一些研究进一步探讨了颗粒大小与铁分数溶解度之间的关系。Ooki等人（2009）发现，在沙尘事件期间，较小颗粒大小的铁分数溶解度较高。然而，Buck等人（2010）报告称，在北大西洋，铁分数溶解度并未随着颗粒大小的减小而增加。同样，Shi等人（2011）报告称，物理颗粒分选对运输的矿物尘埃的铁分数溶解度影响较小。最近，Gao等人（2013，2020）提出，在南大洋、东南极洲沿海地区、南极半岛和北冰洋，颗粒大小可能并不总是影响铁分数溶解度的主要因素。Hsieh等人（2022）报告称，在东海，铁分数溶解度随气溶胶颗粒大小的增加而呈指数下降。Liu等人（2022）指出，铁分数溶解度的强烈粒度依赖性与城市大气中气溶胶铁的来源及其酸性转化过程有关。因此，关于颗粒大小对铁分数溶解度的影响存在很多争论。此外，这些先前的研究主要集中在矿物尘埃和海洋气溶胶上。

多项观测和实验室研究表明，来自人为来源（如生物燃料或化石燃料燃烧和工业排放）的气溶胶中的铁分数溶解度相对较高（Schroth等人，2009；Oakes等人，2012；Fu等人，2014）。除了直接排放外，人为来源还在另一个影响铁分数溶解度的关键因素中起着重要作用。气溶胶酸化可以促进铁从不可溶形式转化为可溶形式，这被认为是提高气溶胶中铁分数溶解度的关键因素（Li等人，2017；Shi等人，2020；Ueda等人，2023）。气溶胶颗粒在吸收酸性气体时可能会酸化，其中人为产生的气态污染物（包括二氧化硫（SO_x）和氮氧化物（NO_x）最为重要（Dall’Osto等人，2016；Gen等人，2021；Wang等人，2022）。此外，与矿物尘埃相比，人为气溶胶颗粒通常具有更小的尺寸和更大的表面积与体积比，这有利于气溶胶酸化（Baker和Jickells，2006；Liu等人，2022）。总体而言，人为来源在铁分数溶解度中起着重要作用，需要进一步研究。

在这项研究中，我们在中国东部的三个不同采样地点（城市、背景区和沿海区）收集了按大小分类的气溶胶样本，这些地点反映了不同的人为污染条件。本研究的目标是：（1）探讨颗粒大小对总铁和可溶性铁浓度以及铁分数溶解度的影响；（2）评估与颗粒大小相关的来源和气溶胶酸化对铁分数溶解度的影响。

样本采集

在中国东部的三个地点收集了按大小分类的气溶胶样本，包括杭州市的一个城市地点、杭州市临安区的一个区域大气背景地点和舟山市的一个沿海地点。临安区区域大气背景地点是中国气象局运营的区域大气背景站之一，也是世界气象组织全球大气监测网络的成员站

铁含量和铁的分数溶解度

• (a)
  总铁

每个尺寸范围内的总铁浓度以总悬浮颗粒（TSP）当量浓度表示，并在表1中显示。在每个采样点收集所有MOUDI样本期间，TSP中总铁的平均浓度在城市地点最高（2783.1 ng m^-3），其次是背景区（1699.3 ng m^-3）和沿海区（1026.9 ng m^-3）。此外，根据采样期间的PM_2.5浓度（图S1），我们对每个

结论

本研究探讨了2020年12月至2021年1月期间，中国东部浙江省城市、背景区和沿海地区气溶胶颗粒大小对总铁和可溶性铁浓度以及铁分数溶解度的影响，以及影响铁分数溶解度粒度分布的因素。结果表明，在采样期间，TSP中总铁和可溶性铁的平均浓度在

作者贡献声明

马倩莉：资源、方法论。隋启凡：方法论、调查。叶先曼：方法论、调查。史莉莉：方法论、调查。李伟军：写作——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念化。陈佩佩：资源、方法论。朱艳红：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、数据分析、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41907186和42075096）和中国博士后科学基金（项目编号：2019M652059）的资助。