【学术分享】春季北方沿海城市沙尘与非沙尘期含铁颗粒物的形态与化学特征
1. 研究背景
大气中的含铁（Fe）颗粒物在生物地球化学循环和人类健康中扮演着至关重要的角色。在大尺度范围内，含铁颗粒物的海洋沉降能够促进铁受限海区浮游植物的生长，进而影响全球碳循环；在微观毒理层面，其表面释放的铁离子能催化生成活性氧（ROS），对人体呼吸系统造成氧化应激损伤。
本研究以北方沿海受沙尘与海洋气团共同影响的城市（秦皇岛）为受体点位，利用能量色散 X 射线荧光光谱（ED-XRF）与扫描电镜能谱仪（SEM-EDX），系统对比了2023年春季沙尘与非沙尘期间 $PM_{2.5}$ 中含铁颗粒物的宏观质量浓度与微观单颗粒理化特征。
2. 宏观元素浓度特征
大流量采样与 XRF 批量分析结果表明，沙尘事件主导了铁元素向下游区域的输送过程：
- 质量浓度差异：非沙尘期 $PM_{2.5}$ 中 Fe 的质量浓度均值为 0.74 µg m⁻³。而在沙尘期间，该数值显著上升至 8.17 µg m⁻³。
- 元素相关性：在沙尘期间，Fe 与地壳元素（如 Ti, Al, Ca）呈现极强的正相关性，证实了其主要来源于矿物粉尘；而在非沙尘期，Fe 与地壳元素的相关性明显减弱，表明存在更为复杂的人为污染源输入。
3. 单颗粒微观形态与分类
通过 SEM-EDX 对单颗粒进行高分辨形貌观察与元素面扫分析，我们将非碳质颗粒进一步细分为富铁（Fe-rich）、含铁（Fe-containing）以及无铁（Fe-free）颗粒。
单颗粒统计结果揭示了显著的来源差异：
- 总体占比：含铁颗粒（Fe-bearing）在沙尘期占所有分析的非碳质颗粒的 91.1%，而在非沙尘期仅为 65.6%。
- 富铁颗粒的反转：值得注意的是，主要由铁氧化物组成的“富铁颗粒”，在非沙尘期的占比（8.6%）远高于沙尘期（1.4%）。沙尘期的含铁颗粒主要为铝硅酸盐的伴生物；而非沙尘期富铁颗粒占比的升高，主要归因于工业排放和车辆刹车磨损等人为源的贡献。
4. 含铁颗粒物的硫化老化过程
矿物颗粒的铁溶解度受其老化程度（如硫化、酸化过程）的显著影响。本研究通过追踪含铁颗粒中的硫（S）元素，观察到了明显的大气老化演变：
- 非沙尘期老化更深：非沙尘期间含铁颗粒具有更高的 S 含量。这主要由于非沙尘期较高的相对湿度与人为气态污染物，促进了颗粒物表面的非均相反应。
- 沙尘期演变特征：在单一沙尘事件中，沙尘后期的含硫含铁颗粒比例高于沙尘爆发初期。这表明随着沙尘气团的传输与相对湿度的增加，矿物颗粒的非均相反应逐渐增强。
5. 研究结论与环境启示
本研究证实了不同气象条件下（沙尘 vs 非沙尘）含铁颗粒物在矿物学组成与老化路径上的显著差异。这种由于硫化过程导致的颗粒物表面物理化学性质的改变，将直接影响铁的溶解度。未来需结合实验室模拟验证，进一步量化这种微观老化过程对海洋生态系统反馈及人体健康的实质性影响。
Reference: Wang, W., Wang, Y., Shao, J., et al. (2025). Morphological and chemical characteristics of Fe-bearing particles during dust and non-dust periods in spring (2023) in a northern coastal city. Atmospheric Environment, 362, 121573.
DOI: 10.1016/j.atmosenv.2025.121573