PMF模型联合稳定同位素技术解析长三角平原河网区农田土壤重金属污染源贡献

针对农田土壤重金属污染源解析方法有效性不足的问题，研究人员以长三角典型平原河网区嘉兴市为研究对象，创新性结合正矩阵因子分解模型（PMF）和汞稳定同位素技术（SIT），揭示了工业源（32.0%）、自然源（28.2%）、农业活动（25.8%）和交通排放（14.0%）的贡献规律，发现SIT可弥补PMF对特定重金属（如Hg）源解析的局限性，为精准防控农田重金属污染提供了方法学突破。

　　

论文解读

在长江三角洲密集的河网地带，农田土壤正面临着一场看不见的危机——重金属污染。统计显示，中国约19.4%的耕地土壤存在重金属超标问题，每年因此损失的粮食产量高达1200万吨。更令人担忧的是，传统污染源解析方法如正矩阵因子分解模型（PMF）在应对复杂污染场景时，常因重金属迁移转化过程的干扰而出现误判。特别是在河网密布的长三角地区，工业排放、农业灌溉和交通污染相互交织，使得像汞（Hg）这类具有生物累积毒性的重金属，其真实来源变得扑朔迷离。

针对这一难题，来自中国科学院城市环境研究所等机构的研究团队选择嘉兴市典型河网区农田作为研究对象，创新性地将PMF模型与汞稳定同位素指纹技术（SIT）联用，相关成果发表在《Environmental Technology》上。研究团队采集了40个耕作层土壤剖面样本，结合河流沉积物、大气干湿沉降等潜在污染源样品，采用ICP-MS和原子荧光光谱法测定8种重金属含量，并利用MC-ICP-MS高精度检测汞同位素比值（δ²⁰²Hg和Δ¹⁹⁹Hg）。通过US EPA PMF5.0模型和IsoSource混合模型，首次实现了对河网区农田重金属污染的多维度溯源。

3.1 重金属积累特征
耕作层土壤中汞含量（0.31±0.15 mg/kg）超出风险筛选值12.5%，其生态风险贡献率达64.4%。空间分布显示污染呈周边高、中部低的格局，与邻近化工企业和交通干线的分布高度吻合。垂直剖面中耕作层汞含量较底土层高出176%，证实存在显著外源输入。

3.2 污染源输入通量
通过量化灌溉、大气沉降和施肥三大输入途径，发现河流灌溉贡献了58.4%的汞输入，而锌（Zn）和镉（Cd）则主要来自大气沉降（分别占85.4%和96.9%）。这种输入模式的差异凸显了河网区污染途径的特殊性。

3.3 PMF源解析结果
四类污染源被成功识别：工业生产（32.0%贡献率，以Cd、Zn为特征）、自然源（28.2%，富集Ni、As）、农业活动（25.8%，Hg贡献率62.9%）和交通排放（14.0%，以Zn为标志）。但PMF对汞的溯源存在明显缺陷，未能识别自然源和交通排放的贡献。

3.4 同位素指纹溯源突破
汞同位素二维模型（δ²⁰²Hg-Δ¹⁹⁹Hg）显示，耕作层同位素特征介于河流沉积物（农业活动标志）与底土（自然源）之间。定量计算揭示农业活动贡献51.6%（其中灌溉占65.2%），自然源20.9%，工业生产15.4%，交通排放12.1%。这一结果与潜在源输入通量分析（农业源贡献65.0%）相互验证。

这项研究的创新性在于揭示了PMF模型在特定重金属溯源中的局限性：对于汞这类迁移转化复杂的元素，单纯依赖元素谱特征可能导致源贡献误判。而稳定同位素技术通过"元素指纹"的物理化学稳定性，成功还原了被PMF遗漏的自然源和交通源贡献。方法论上，研究团队建立的PMF-SIT联用框架，为河网区等复杂环境下的精准溯源提供了范式。实践层面，明确农业灌溉（尤其是受污染河流沉积物输入）作为主要汞源，将推动长三角地区制定针对性的灌溉水质标准。未来，该方法可扩展至铅（Pb）、镉（Cd）等重金属的溯源研究，为土壤污染防治提供更科学的决策依据。