近日，杭州高等研究院环境与气候变化研究中心王郭臣联合浙江大学李卫军教授课题组和日本横滨地球科学研究所Ito Akinori教授等国内外团队在《科学进展》（Science Advances）发表题为”Emerging nitrogen-driven urban atmosphere control on aerosol iron dissolution for biogeochemical cycles”的研究论文。王郭臣为为论文唯一第一作者。
铁（Fe）是一种微量营养元素，在生物地球化学循环中扮演着重要角色。其大气沉降，尤其是在铁限制的海洋区域，能够刺激浮游植物生长，提高海洋初级生产力，进而影响全球碳循环和地球气候反馈效应。而铁的生物可利用性，根本上取决于其溶解度。长期以来，学术界公认的机制是“铁−硫耦合”——硫酸通过酸化作用溶解矿物粉尘中的铁，被认为是大气铁活化的主要路径。然而，全球范围内的SO2与NOx不成比例的减排，意外地重塑了大气酸性气体的分布格局，东亚地区形成了“低硫酸、高硝酸”的“新铁生物地球化学环境”，硝酸的大气浓度已频繁超过硫酸。这一变化引发了关键科学问题：传统“铁−硫耦合”框架是否仍适用于当前的大气环境？硝酸是否已取代硫酸，成为驱动铁溶解的主导酸性物质？
图1.大气化学传输模式模拟的硫酸和硝酸对气溶胶铁溶解的相对贡献
为回答上述问题，研究团队基于多个外场观测、机器学习与全球大气化学传输模式，构建了硝酸酸化驱动的铁溶解研究框架。结果发现在当前“低硫酸、高硝酸”的“新铁生物地球化学环境”下，硝酸对气溶胶铁溶解的贡献已经达到硫酸的1.5倍。全球模拟进一步显示，与工业革命前相比，硝酸驱动的酸化使PM2.5粉尘中的铁溶解度增强了约68%（图1）。这意味着，过去被广泛采用的“铁−硫耦合”认识框架，需要进一步扩展。
这一机制转变对海洋生态系统具有深远影响。硝酸驱动的可溶铁沉降增强，通过陆地输送至海洋，从而缓解全球高营养盐、低叶绿素海域的铁限制，促进浮游植物生长，增强海洋固碳能力。然而，硝酸盐伴随铁的共同输入，也可能改变海洋中氮铁比的平衡，在部分区域反而加剧铁限制，形成复杂的生物地球化学反馈。此外，硫酸的作用并不能完全忽视——煤炭在中国能源消费中仍占较大比重（2023年占一次能源消费的55.3%），北方冬季供暖区硫酸驱动的铁溶解仍不可忽视。展望未来，随着陆地人为污染物的持续减排，传输至海洋上空的酸性物质减少，海洋生源硫排放（如二甲基硫）对气溶胶酸度和铁溶解的相对重要性将逐步上升，可能进一步重塑全球海洋生物可利用铁的供给格局（图2）。
图2. “低硫酸、高硝酸”大气环境下硝酸和硫酸在气溶胶铁溶解过程中的作用及其环境影响
本研究强调，当前地球系统模式如果忽视硝酸驱动的铁溶解过程，将会对海洋上空可溶铁的沉降通量模拟出现系统性偏差，进而可能低估高营养盐、低叶绿素海域的初级生产力和海洋碳汇潜力。将大气酸性物种的演变纳入大气化学与地球系统模型，是提升未来铁的生物地球化学循环与海洋碳吸收预测的关键，也为下一代地球气候模型中铁溶解过程的模拟提供机制化的参数方案。
论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec0108
王郭臣，浙江师范大学“双龙学者”特聘教授，长期专注于大气气溶胶铁溶解及其对海洋生态环境影响研究，主要以外场观测为基础，结合大气化学传输模式和机器学习算法，系统探究气溶胶铁溶解机制，并综合利用卫星遥感与GIS等手段揭示东亚大气沉降和海洋生态环境的响应关系。目前研究方向已扩展至全球碳循环监测与评估领域。在Science、Science Advances、National Science Review、Environmental Science & Technology (Letters)、Journal of Geophysical Research: Atmosphere和Journal of Environmental Sciences等期刊发表论文20余篇。担任Scientific Reports、Atmospheric Environment、Atmosphere、Journal of Environmental Sciences等期刊审稿人。