具有铅锌冶炼活动的典型高地质背景区域中土壤砷污染的评估及污染来源

《Science of The Total Environment》：Assessment and sources of soil arsenic contamination in typical high geological background zones with lead-zinc smelting activities

本研究以云南会泽、宣威铅锌冶炼场周边土壤为对象，结合延迟地球化学危害模型与概率健康风险评估，揭示冶炼活动叠加高地质背景条件下砷污染特征。结果表明，会泽土壤砷含量（176.10±349.19 mg/kg）显著高于宣威（10.28±4.55 mg/kg），且冶炼设施周边砷浓度最高。风险评估显示整体处于无或低风险，但儿童暴露风险高于成人。源解析表明，焚烧及燃煤贡献总风险的59.67%，冶炼活动占16.26%，建议优先控制此类污染源。

　　这项研究聚焦于中国云南省内两个典型高地质背景区域——华泽和宣威的土壤砷污染问题，旨在深入分析污染特征、生态与健康风险，以及污染源的具体贡献。通过整合多种分析方法，包括延迟地球化学危害（DGH）模型、概率健康风险评估，以及正矩阵因子分解（PMF）源解析技术，研究团队全面揭示了砷污染的来源及其对环境和人体健康的影响。研究结果表明，华泽地区的土壤总砷含量显著高于宣威地区，且在铅锌冶炼厂周边区域检测到最高的砷浓度，凸显了工业活动对砷污染的显著影响。

砷作为一种广泛存在于自然环境中的金属元素，被世界卫生组织下属的国际癌症研究机构（IARC）归类为一类致癌物。其高度的毒性以及在生物体内的富集特性，使其成为对人类健康和生态系统构成重大威胁的污染物。研究表明，砷污染不仅源于自然地质过程，也与人类活动密切相关，特别是在矿产开采和冶炼过程中，大量砷被释放到土壤中，导致严重的污染问题。在云南省，铅锌矿资源丰富，该地区被称作“有色金属王国”，其土壤中的砷含量远高于全国平均水平，部分区域甚至超过了中国土壤环境标准（GB 15618-2018）规定的风险干预值，这表明工业活动与自然地质背景的叠加效应在加剧砷污染问题。

在自然地质背景中，砷的富集往往与特定的岩石类型和地质构造有关。例如，云南省的土壤中广泛分布碳酸盐岩和玄武岩，这些地质特征导致了土壤中重金属的天然富集。在这些地区，砷、镉和铬等元素的含量通常较高，且超过农业用地风险干预值。这表明，自然地质背景在一定程度上决定了土壤中砷的基线水平，而人类活动则进一步推动了砷的积累，形成了更为复杂的污染格局。

随着中国快速的经济发展，矿产开采和冶炼活动日益频繁，尽管这些活动带来了巨大的经济效益，但也导致了矿产区域土壤的严重污染。在这些区域，长期的工业加工过程使得冶炼渣和废水等污染物在生产现场积累，成为持续的砷污染源，对生态环境和公众健康构成严重威胁。因此，云南省的土壤污染情况具有特殊性，即天然高地质背景与集中工业污染的叠加，使得该地区土壤中的重金属超标率显著高于仅由自然地质过程导致的地区。这种双重污染源的叠加效应，增加了砷污染的复杂性和治理难度。

传统的重金属污染评估方法主要依赖静态指标，如总砷含量和活性组分的比例，但这些方法往往忽略了环境条件变化可能引发的砷迁移和转化过程。而砷的迁移和转化可能导致延迟地球化学危害（DGH），即在特定条件下，原本稳定存在的砷可能被释放，进而对生态系统和人体健康造成新的威胁。通过应用DGH模型，研究团队能够揭示不同地球化学组分之间砷的迁移和转化路径，从而对砷的生态风险进行动态评估。这一方法的引入，为更全面地理解砷污染的演变过程提供了科学依据。

与此同时，健康风险评估也是土壤砷污染研究的重要组成部分。传统的确定性健康风险评估方法通常基于固定的污染物浓度和参数，因此难以准确反映实际风险。通过引入蒙特卡洛模拟（MCS）技术，研究团队能够考虑砷浓度和暴露参数的不确定性，从而预测概率性的风险分布，显著降低健康风险评估的误差，优化最终的风险评估结果。这种方法的应用，使健康风险评估更加科学和合理，为制定有效的防控措施提供了重要支持。

在污染源解析方面，研究团队通过相关分析和PMF源解析技术，识别了土壤砷污染的主要来源。结果表明，超过60%的总风险来自焚烧和燃煤活动，以及冶炼过程。这表明，控制这些主要污染源对于有效降低砷污染风险至关重要。焚烧和燃煤活动释放的砷往往具有较高的生物可利用性，容易通过食物链进入人体，对健康造成直接影响。而冶炼活动则通过排放的废水和固体废弃物，将砷带入土壤，形成持久的污染源。因此，针对这些主要污染源的治理措施，应优先考虑，以实现风险的有效控制。

在健康风险评估中，研究团队还分析了不同人群群体对砷污染的暴露途径和风险程度。结果显示，口腔摄入是砷污染对健康风险的主要传播方式，且儿童对砷污染的敏感性高于成年人。这可能与儿童的生理特征和行为习惯有关，例如儿童更频繁地接触土壤，以及其代谢系统对砷的处理能力较弱。因此，在制定健康风险防控措施时，应特别关注儿童群体的健康状况，采取针对性的保护措施。

在生态风险评估中，DGH模拟能够揭示砷在不同地球化学组分之间的迁移和变化，从而预测其潜在的生态风险。研究发现，华泽地区的土壤砷生态风险显著高于宣威地区，这可能与该地区的地质背景、工业活动强度以及土壤类型等因素有关。例如，华泽地区的土壤中碳酸盐岩和玄武岩的含量较高，这些岩石可能释放更多的砷，而冶炼活动的集中也进一步加剧了土壤中的砷污染。因此，华泽地区的生态风险较高，需要采取更加严格的防控措施。

此外，研究团队还通过综合分析，提出了针对土壤砷污染的治理建议。这些建议包括对污染源的控制、对生态和健康风险的评估、以及对污染区域的管理。例如，通过减少焚烧和燃煤活动，以及优化冶炼工艺，可以有效降低砷的污染源。同时，通过加强土壤监测和管理，可以及时发现和应对砷污染问题，保障土壤的环境质量和生态安全。

在实际应用中，土壤砷污染的治理需要多方面的努力。首先，应加强污染源的管理，减少工业活动对土壤的污染。其次，应提高土壤监测的频率和精度，以便及时掌握砷污染的变化趋势。此外，还应加强公众健康教育，提高居民对砷污染的认识，从而减少暴露风险。最后，应结合科学研究和实际治理经验，制定更加科学和有效的土壤砷污染防控策略。

通过这项研究，不仅揭示了云南省典型高地质背景区域土壤砷污染的特征和来源，还为制定科学的治理措施提供了重要依据。研究结果表明，工业活动与自然地质背景的叠加效应是导致砷污染的主要因素，因此，在治理土壤砷污染时，应综合考虑这些因素，采取多管齐下的措施。此外，研究还强调了动态评估和概率性风险分析的重要性，这为未来的土壤污染研究提供了新的思路和方法。

总之，这项研究通过整合多种分析方法，全面揭示了土壤砷污染的特征和来源，为制定科学的治理措施提供了重要支持。研究结果不仅有助于改善云南省的土壤环境质量，也为全球类似地理条件下土壤砷污染的防控提供了借鉴。未来，随着研究的深入和技术的进步，土壤砷污染的治理将更加科学和有效，为实现可持续发展和环境保护目标奠定坚实基础。