一种用于农业土壤重金属来源识别和环境容量评估的综合性方法：以中国义乌市为例

《Anthropocene》：A comprehensive method for source identification and environmental capacity of agricultural soil heavy metals: A case study in Yiwu City, China

准确识别重金属污染来源对有效治理至关重要，传统方法存在主观性强、忽略空间信息的缺陷。本研究基于受体模型，引入GeoDetector融合自然（坡度、坡向、高程）和人为（土地利用、pH、邻近污染源距离）因子，解析浙江省义乌市农业土壤重金属污染来源。结果表明：施肥（43.38%）、交通及城市居民排放（32.64%）和河道灌溉（23.98%）为三大污染源；健康风险极低，但Cd因施肥贡献导致环境容量风险中等（Pi=0.41）。该研究为同类快速城市化小城市土壤重金属治理提供了优先控制依据。

　　本研究聚焦于中国义乌市农业土壤中的重金属污染源识别问题。义乌市位于中国浙江省中部，地处长江三角洲，总面积达1105.46平方公里，常住人口约188.8万。作为全球最大的小商品集散中心，义乌的经济发展迅速，同时也伴随着环境污染问题的加剧。特别是在工业、农业和城市生活活动频繁的背景下，土壤中的重金属污染已成为影响生态环境和人类健康的重要因素。

研究的背景表明，农业土壤中的重金属污染不仅关系到食品安全，还对人类健康构成潜在威胁。重金属因其高度毒性、难以降解的特性，相较于其他污染物具有更严重的环境影响。这些污染物主要来源于自然和人为两个方面，其中自然来源包括岩石风化，人为来源则涵盖工业活动（如采矿、冶炼、燃煤等）、农业活动（如施肥、农药使用、灌溉等）以及城市生活活动（如生活垃圾、生活污水、交通排放等）。由于人为活动产生的重金属污染物通过大气沉降、灌溉或径流等途径进入土壤，当其在土壤中的累积超过土壤的“自净”能力时，可能导致土壤肥力下降、作物产量减少，进而对生态系统和人类健康造成严重影响。

目前，重金属污染源识别主要依赖于受体模型，如化学质量平衡（CMB）、UNMIX、潜在污染源贡献函数（PSCF）、APCS-MLR 和 PMF 等。其中，APCS-MLR 和 PMF 是最为常用的方法。APCS-MLR 可以在不依赖污染源结构和数量的前提下进行污染源解析，但其分析结果可能包含负值，且难以识别相似的污染源。相比之下，PMF 虽然可以弥补这一缺陷，但其不确定性计算容易受到人为因素的干扰。因此，这两种模型在一定程度上可以相互补充，但在实际应用中，它们的识别结果往往依赖于现有研究和专家经验，忽视了采样点的空间信息，导致污染源识别结果具有较强的主观性，最终只能进行大致的分类。

为了解决这一问题，本研究引入了 GeoDetector 方法，结合受体模型对重金属污染源进行识别。GeoDetector 能够检测变量的空间异质性，并揭示其驱动因素。通过将 GeoDetector 与传统受体模型结合，可以更全面地考虑采样点的空间地理信息，从而减少人为主观判断对污染源识别的影响，提高识别结果的客观性和准确性。研究中，GeoDetector 考虑了自然解释变量（坡度、坡向、海拔）和人为解释变量（土地利用类型、pH 值、采样点与河流、工厂、道路、铁路和住宅区的距离）。

基于上述方法，研究得出义乌市农业土壤中的重金属污染源主要包括施肥（占比43.38%）、交通和城市生活排放（占比32.64%）以及河流灌溉（占比23.98%）。从健康风险的角度来看，无论从浓度导向还是污染源导向进行分析，人口的健康风险概率均较低。然而，土壤中的重金属总体环境承载力（EC）风险（PI = 0.93）属于轻度，而由施肥带来的镉（Cd）污染则达到了中度环境承载力风险（Pi = 0.41）。这表明虽然总体风险不高，但某些重金属，特别是镉，仍需重点关注。

研究的意义在于，通过结合 GeoDetector 和受体模型，可以更准确地识别土壤重金属污染源，为污染控制提供科学依据。同时，该方法还可以用于评估重金属的污染风险和健康风险，从而为环境管理部门制定优先控制措施提供参考。在污染治理成本有限的情况下，准确评估重金属污染风险并确定需要优先管理的污染物和污染源，对于实现农业土壤的可持续发展具有重要意义。

此外，本研究还对重金属浓度、污染源、健康风险和环境承载力风险之间的关系进行了分析，以确定研究区域内土壤重金属污染管理的优先级。通过这一分析，研究不仅揭示了污染源的分布情况，还进一步探讨了不同重金属对环境和人体健康的影响程度，为制定科学合理的污染防控策略提供了依据。研究结果表明，施肥、交通和城市生活排放以及河流灌溉是义乌市农业土壤中重金属污染的主要来源，这些污染源的识别对于精准治理和预防重金属污染具有重要意义。

从更广泛的视角来看，义乌市的案例具有代表性，可以为类似快速发展的中国小商品城市提供参考。随着这些城市的经济快速发展，环境污染问题日益突出，尤其是重金属污染。通过本研究的方法，可以为这些城市在污染源识别和管理方面提供科学支持，从而推动区域环境治理的进程。同时，研究也强调了环境承载力在重金属污染评估中的重要性，指出土壤的环境承载力是衡量其可持续性的重要指标。

研究的实施过程表明，GeoDetector 的引入显著提高了污染源识别的准确性和效率。通过结合 GeoDetector 和传统受体模型，可以更全面地考虑空间信息，从而减少人为主观因素对识别结果的影响。这种综合方法不仅弥补了传统模型在空间地理信息方面的不足，还能够获得更可靠的污染源信息。研究结果表明，化肥、交通和城市生活排放以及河流灌溉是义乌市农业土壤中重金属污染的主要来源，这些污染源的识别对于精准治理和预防重金属污染具有重要意义。

在污染源识别的基础上，研究进一步对重金属污染的健康风险和环境承载力风险进行了量化分析。通过这一分析，可以更准确地评估不同重金属对环境和人体健康的影响，从而为环境管理部门制定优先控制措施提供科学依据。研究结果表明，虽然总体健康风险较低，但某些重金属，特别是镉，仍需重点关注。此外，环境承载力风险的分析为土壤重金属污染的可持续治理提供了理论支持。

本研究的成果不仅适用于义乌市，也为其他类似地区提供了借鉴。随着全球城市化进程的加快，越来越多的城市面临环境污染问题，尤其是重金属污染。通过引入 GeoDetector 方法，可以更准确地识别污染源，提高污染治理的效率。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的健康风险和环境承载力风险，从而为环境管理部门制定科学合理的治理策略提供支持。此外，研究还强调了在污染治理过程中，需要综合考虑自然和人为因素，以实现对重金属污染的全面控制。

从实践角度来看，本研究为环境管理部门提供了一种新的污染源识别方法，使得他们能够更准确地把握污染源的分布情况，从而制定更有效的污染控制措施。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的风险，为污染治理提供科学依据。在污染治理成本有限的情况下，精准识别污染源和评估污染风险对于实现可持续发展具有重要意义。

此外，研究还强调了在污染源识别和风险评估过程中，需要综合考虑多种因素，包括自然地理条件、土地利用类型、pH 值以及距离污染源的地理信息等。通过这一综合分析，可以更全面地了解重金属污染的来源及其对环境和人体健康的影响，从而为污染治理提供更科学的决策支持。研究结果表明，化肥、交通和城市生活排放以及河流灌溉是义乌市农业土壤中重金属污染的主要来源，这些污染源的识别对于精准治理和预防重金属污染具有重要意义。

在方法论上，本研究通过引入 GeoDetector 方法，弥补了传统受体模型在空间信息方面的不足，使得污染源识别更加客观和准确。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的风险，从而为环境管理部门提供科学依据。研究还指出，环境承载力风险的分析对于实现土壤重金属污染的可持续治理具有重要意义，可以作为污染治理的重要参考指标。

从长远来看，本研究为农业土壤重金属污染的治理提供了新的思路和方法。通过结合 GeoDetector 和受体模型，可以更准确地识别污染源，提高污染治理的效率。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的风险，为环境管理部门制定科学合理的治理策略提供支持。此外，研究还强调了在污染治理过程中，需要综合考虑多种因素，包括自然地理条件、土地利用类型、pH 值以及距离污染源的地理信息等，以实现对重金属污染的全面控制。

本研究的实施不仅有助于解决义乌市的重金属污染问题，也为其他类似地区提供了可借鉴的经验。随着全球城市化进程的加快，越来越多的城市面临环境污染问题，尤其是重金属污染。通过引入 GeoDetector 方法，可以更准确地识别污染源，提高污染治理的效率。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的风险，为环境管理部门制定科学合理的治理策略提供支持。此外，研究还强调了在污染治理过程中，需要综合考虑多种因素，包括自然地理条件、土地利用类型、pH 值以及距离污染源的地理信息等，以实现对重金属污染的全面控制。

在实际应用中，本研究为环境管理部门提供了一种新的污染源识别方法，使得他们能够更准确地把握污染源的分布情况，从而制定更有效的污染控制措施。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的风险，为污染治理提供科学依据。研究还指出，环境承载力风险的分析对于实现土壤重金属污染的可持续治理具有重要意义，可以作为污染治理的重要参考指标。

综上所述，本研究通过引入 GeoDetector 方法，结合传统受体模型，提高了土壤重金属污染源识别的准确性和效率。研究结果表明，化肥、交通和城市生活排放以及河流灌溉是义乌市农业土壤中重金属污染的主要来源，这些污染源的识别对于精准治理和预防重金属污染具有重要意义。同时，该方法还可以用于评估重金属污染的风险，为环境管理部门制定科学合理的治理策略提供支持。研究还强调了在污染治理过程中，需要综合考虑多种因素，包括自然地理条件、土地利用类型、pH 值以及距离污染源的地理信息等，以实现对重金属污染的全面控制。