地表暴露年龄对大气粉尘高活性铁的控制机制及其对海洋生物地球化学循环的影响

本研究针对大气粉尘中高活性铁(FeHR)含量变异机制这一科学难题，通过系统分析亚洲主要沙漠沉积物的铀粉碎定年数据与铁形态特征，首次揭示地表暴露年龄通过一级动力学反应控制FeHR/FeT比率的规律，证实寒冷快速侵蚀区是海洋生物有效铁的主要来源，为理解冰期-间冰期碳循环反馈机制提供了新视角。

　　

铁元素作为地球生命系统的关键营养素，其生物有效性直接影响海洋初级生产力与全球碳循环。大气粉尘输送的高活性铁(Fe_HR)——主要指非晶态铁氧氢氧化物如水铁矿——因其巨大的比表面积成为海洋浮游植物最易利用的铁形态。然而观测表明，不同区域大气粉尘中Fe_HR含量存在显著差异，这种变异背后的控制机制长期存在争议：是化学风化强度主导？气候条件决定？还是如理论假设所言受控于Fe_HR向晶态氧化物（如针铁矿、赤铁矿）转化的化学动力学过程？

为破解这一谜题，中国研究人员对亚洲主要沙漠及周边山脉的沉积物展开系统研究。通过铀同位素(²³⁴U/²³⁸U)粉碎定年技术测定地表暴露年龄，结合铁形态分级提取法，首次在景观尺度证实Fe_HR/Fe_T比率与暴露年龄呈现显著的一级动力学关系。来自青藏高原边缘快速侵蚀区的河流沉积物展现出最高Fe_HR/Fe_T比值（0.26±0.03），而古老沙漠核心区该比值下降至0.08±0.01。这种空间分异模式无法用气候参数或岩性差异解释，却完美符合化学动力学模型预测——新鲜暴露的矿物表面富含非晶态Fe_HR，随时间推移逐渐转化为低活性晶态氧化物。

关键技术方法包括：1)采集亚洲15个典型地貌单元（涵盖塔克拉玛干沙漠、贡嘎山等）的表层沉积物；2)采用铀粉碎定年法测定颗粒物地表暴露年龄；3)改进的连二亚硫酸盐还原法提取Fe_HR；4)主量元素分析计算化学风化指数；5)多元统计分析解析环境因子贡献率。

Fe_HR/Fe_T比率
数据显示Fe_HR含量呈现四倍变异：快速侵蚀的贡嘎山河流沉积物Fe_HR/Fe_T达0.26，而稳定沙漠区仅0.06-0.16。铀同位素比值(²³⁴U/²³⁸U)与Fe_HR含量显著正相关，暗示年轻物质保留更多活性铁。

控制Fe_HR含量的因素
统计分析揭示：地表暴露年龄可解释76%的Fe_HR变异（p<0.001），化学风化强度仅呈弱负相关（R²=0.15），气候参数与岩性无统计显著性。冰川作用区的高侵蚀速率导致矿物"年轻化"，是维持高Fe_HR含量的关键。

结论与意义
该研究建立地表暴露年龄与铁反应活性的定量关系模型，阐明冰川-侵蚀-铁循环的正反馈机制：冰期增强的物理侵蚀输送新鲜Fe_HR至海洋，促进生物泵固碳；CO₂下降又加剧冰川扩张。这一发现不仅解释大气粉尘铁生物有效性的空间分异规律，更将构造侵蚀过程与全球碳循环耦合，为理解"铁假说"在冰期旋回中的作用提供新证据。论文发表于《Global and Planetary Change》，对预测气候变化下海洋生产力响应具有重要启示。