大气中铁的重要来源及其在海洋生产力中的限制

美国海洋科学家J.H.Martin［8］1988年根据对东北太平洋中Fe元素的分布以及Fe和其他营养元素（如N、P）在海水中的含量与海洋中浮游生物生产力的关系，提出了“铁限制假说”，即Fe是该海区海洋生产力的限制因素。Duce［9］根据Fe在某些海区上空海洋气溶胶中的含量，以及对于海水中可溶解气溶胶含量的计算指出，海洋大气中的Fe，可能是某些地区海洋表层水中Fe的主要来源。海洋表层水中的Fe，是海洋浮游生物的主要营养元素之一，但是何种形态的Fe可被海洋生物所利用，至今尚无定论［10，11］。一般认为，只有可溶于水的Fe，才能为浮游生物所吸收。庄国顺等［12］直接测定了北太平洋气溶胶样品中的Fe在该地区海水中的可溶性（指实验上可通过0.4μm Nuclepore滤膜^[1]的部分），发现大气中的Fe在海水中的溶解亦有“饱和度”（10～17 nmol·kg-1）的限制。不过，当海水中的总Fe浓度很低时（＜2 nmol·kg-1），尽管Fe（Ⅲ）在海水中的溶解度极低，仍有大约50%的气溶胶Fe可溶于海水，而且此溶解过程可在投入海水的几分钟内完成。不过，此处的“可溶性”，并非分子水平的“溶解度”。这一结果表明，气溶胶中的Fe在进入海水后沉降于深海之前，便能为表层浮游生物所利用。庄国顺等据此推断，在某些海区，其海水中Fe的99%以上来自大气气溶胶在海洋中的沉降。P.Behra和L.Sigg［13］报道，在瑞士苏黎世收集的p H为3～7的雾样中，Fe（Ⅱ）占总Fe的20%～90%。庄国顺等［14］首次检测到，在北太平洋地区的远洋气溶胶中，Fe（Ⅱ）占总Fe的56%±32%；在大西洋巴巴多斯岛的样品中，这占49%±15%。而在中国西部的黄土中，Fe（Ⅱ）占总铁量0.4%，在西安的气溶胶中占5%。当气溶胶传送到北太平洋上空，Fe（Ⅱ）占总铁量约55%。这一组数据表明，气溶胶从中国西北经由华北传输到北太平洋以及美洲大陆，气溶胶中的Fe（Ⅱ）在不断增加。而且气溶胶Fe的存在形式从Fe（Ⅲ）到Fe（Ⅱ）的转化过程，很可能是在气溶胶的长距离传输过程中发生。由于Fe（Ⅱ）在海水中的溶解度大大高于Fe（Ⅲ），因此气溶胶的长距离传输过程，大大增加了海洋气溶胶的Fe在海水中的溶解度，从而为大洋表层海水中的浮游生物提供了其所需要的营养物［14-16］。Martin［17］进一步研究了南大洋、赤道太平洋和近北极的北太平洋地区，发现铁限制假说也适用于上述重要地区。他进而提出，如果增加南大洋等地区Fe的供应，这些地区的初级生产力会大大提高。基于光合作用，海洋表层生产力的增加，会大大增加海洋对大气中CO 2的吸收［18-23］，从而为解决全球温室效应提供可供人们参考的思路。在某些大洋海区进行的人工加铁实验［24，25］，进一步证实了大气中的Fe对海洋初级生产力的限制和决定性作用。比如，1996年美国科学家在赤道太平洋地区［26］，1999年欧美及澳大利亚、新西兰等国科学家［27］一起在南大洋地区，进行了中尺度的人为加铁实验，在一星期内便引起了表层生产力的数倍增长，并由人造卫星的遥感摄影，直接拍摄到该地区海洋表层水硅藻大量增长的彩色照片，从而证实了铁限制假说。最近的研究表明，海水中的可溶性Fe与海洋的固氮能力亦密切相关［28 33］。铁限制假说已成为全球同行普遍注意的理论，并成为海洋大气科学家研究的热点。(www.xing528.com)