论文摘要
浮游生物吸收的可溶性Fe被认为是限制海洋浮游植物生产力最为重要的微量元素之一,全球30%-50%“高叶绿素低营养盐”（HNLC）海域因为“缺Fe”而导致初级生产力较低。而大气气溶胶中铁的输入是远洋海域中铁的重要来源。气溶胶中铁由于成结构比较稳定,所以在海水中不易析出。然而在大气传输老化过程中,经过复杂的物理化学反应,可以提高矿尘中铁的可溶性。大气颗粒物中铁的溶解机制主要包括酸促进的、有机键控制的和光还原溶解。研究大气传输过程中气溶胶中铁的溶解机制及可溶性,是全球气候变化中重要一环,对研究海洋初级生产力及全球气候变化具有重要意义。由于沙尘气溶胶铁含量占全球大气铁循环的95%,而人为源气溶胶（主要为化石燃料及生物质燃烧排放）铁含量仅占全球大气铁循环的5%,所以在研究气溶胶中铁的溶解时对人为源气溶胶中铁的溶解研究比较少,但最近外场观测表明铁的溶出率与黑炭浓度呈正相关,推测人为源气溶胶是某些区域可溶性铁的重要来源。有机酸促进得铁的溶解是大气铁溶解的重要过程之一,所以选用针铁矿作为模型来研究大气中富含的小分子有机酸对铁的可溶性的影响机制。并以上海地区一次沙尘暴为例,研究沙尘暴前后一个月内铁的溶解规律,全面分析影响大气中铁溶解的关键因素及溶解规律。本论文主要成果如下：1.人为燃烧源气溶胶铁形态、铁溶解及关系研究。人为源铁的溶出率与颗粒物中铁的形态密切相关,即使同为人为源,由于颗粒物本身铁形态不同,铁的溶出率有很大的差异。不论在光照条件还是黑暗条件下,人为源气溶胶中的铁的溶出量大于中国黄土中铁的溶出量。其中油飞灰颗粒物中铁的溶出量最高,其次是生物质燃烧颗粒物,煤飞灰中铁的溶出量最低。电镜和穆斯堡尔谱技术分析得出油飞灰中含有大量的纳米级的Fe304和铁的硫酸盐,而水稻秆燃烧颗粒物中主要是钾富含的无定型铁,颗粒物中的铁较易溶解；煤飞灰中铁的形态和中国黄土类似,主要是铝硅相铁和晶型完好的氧化铁,因而较难溶解。2.小分子有机酸对铁氧化物溶解的促进作用。有机键对针铁矿的溶解有明显的促进的作用。其中促进效果：草酸>丙二酸>丁二酸>甲磺酸。有机酸对铁氧化物溶解的促进作用与有机酸对铁的络合常数正相关。有机酸-COOH首先与颗粒物表面Fe（Ⅲ）络合,在有机键作用下,Fe（Ⅲ）-O键变弱,最后以Fe（Ⅲ）溶出。光照条件下铁的溶出量提高且溶出的铁中90%以上以Fe（Ⅱ）形态存在。进行有氧／无氧对比实验,在无氧条件下更有利于铁的溶出,主要是由于溶液中02的存在,加速了颗粒物表面Fe（Ⅱ）的氧化,从而抑制了溶解；分析单一因素的促进效果时,对铁的溶出的促进作用：草酸>光照>无氧条件。3.沙尘暴期间,大气中颗粒物中总铁含量增加,但在沙尘暴期间铁的溶出量少于正常天气；铁的溶出量与酸性气体SO2和NOx浓度成正相关,相关系数分别为0.60、055;沙尘暴期间,受高浓度矿物、强劲风速影响,SO2、NOx、CO等污染物被稀释,浓度降低。由于酸性气体／总铁浓度比降低,可以推测颗粒物表面pH提高,所以抑制了沙尘暴期间铁的溶出率。此外,矿尘中铁的形态主要是难溶解的硅铝形式化,而非沙尘天气铁主要来源与人为源,颗粒物中铁的形式较易溶解。结构及表面的化学成分相关。