综述：机器学习揭示亚洲最大铅锌冶炼区重金属迁移路径：济源土壤污染模拟

本研究创新性地结合空间自相关分析与机器学习算法，系统揭示了典型工业区土壤重金属（HM）污染的空间分布特征、源解析（贡献率高达89.23%~98.94%）及季节性迁移规律（受风向与交通活动影响），为土壤修复提供了关键科学依据。

　　

引言

随着城市化与工业活动加剧，土壤污染已成为人类面临的最重要环境威胁之一。根据2014年《全国土壤污染状况调查公报》，中国土壤总超标率达16.1%，其中重金属（HM）污染占比最高。重金属作为土壤环境污染的主要指标，具有低剂量、高毒性、难降解的特性，可通过食物链进入生物体，增加致癌与致畸风险。因此，全面表征重金属污染并进行深入源解析，对维护生态完整性与公共健康至关重要。

工业活动，包括固体废物产生、废水排放和废气排放，被确定为周边土壤中重金属污染的主要来源，其超标率高达34.3%。作为亚洲最大的铅锌冶炼基地，济源的铅冶炼及相关工业活动已对环境产生了超过70年的影响。2022年其轻重工业比为6.3:93.7，表明重工业已成为当地经济发展的重要支柱。值得注意的是，在类似铅冶炼地区及济源本地研究中，均报告当地人群（尤其是儿童）的血铅水平（BLL）超出国家健康标准。这些升高的血铅水平与直接源于冶炼活动的暴露途径有关：吸入含金属粉尘和摄入污染土壤。据统计，2023年上半年该市降尘量范围在2.4至18.7 t/km²·30d之间，平均值为8.0 t/km²·30d，全市平均降尘达标率仅为27.3%。这些企业的烟尘和废气中的颗粒物通常吸附大量重金属，如Pb、Cu、Zn等。这些颗粒物通过大气扩散传输，最终沉降到表层土壤中，成为土壤污染的主要来源。此外，污染土壤中的重金属会通过地表径流和雨水入渗等自然过程持续向周边甚至更深土层迁移扩散。尽管此现象备受关注，但关于土壤中重金属迁移路径的深入研究仍相对缺乏。因此，识别工业区土壤中重金属的来源和传输行为已成为关注焦点，这对土壤控制和修复具有重要价值。

研究区域

本研究土壤样品采集自亚洲最大的铅锌冶炼基地——济源。它位于太行山南麓，海拔约140-150米，属暖温带季风气候，年平均气温约14.6°C，平均降雨量达567.9毫米，相对湿度68%。风向通常春夏季以东南和西南风为主，秋冬季则以北风和西北风为主。

土壤重金属描述性分析

本研究调查了济源五家高产值企业周边土壤环境中的重金属污染。As、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni的平均浓度分别为45.21 ± 33.06、70.69 ± 14.85、33.44 ± 39.46、333.95 ± 353.32、234.26 ± 242.53和45.99 ± 5.27 mg/kg。其中，Pb的平均浓度最高，而As最低。除Ni外，As、Cr、Cu、Pb和Zn的平均浓度分别是河南省背景值的4.48、1.13、1.74、17.48和4.01倍。Pb的富集程度最高（17.48倍背景值），且空间异质性最强（变异系数CV = 106%）；其浓度与Zn和Cu一样，随着距冶炼厂距离的增加而显著降低。

源解析与迁移途径

源解析结果表明，人为源对Pb、Cu和Cr的贡献率高达89.23%至98.94%。进一步使用新构建的空间相关模型显示，Pb和Zn的空间分布表现出显著的异质性，这主要受工业企业空间分布不均的影响。Pb的迁移路径呈现明显的季节性特征：在靠近工厂的区域，迁移主要受春夏风向的影响；而在离工厂较远的区域，迁移路径则与秋冬风向相关。此外，交通活动也被证实是影响Pb迁移和分布的重要因素。

结论

本研究采用定量分析、空间自相关分析和机器学习算法，研究了中国最大铅锌冶炼基地济源五处高产值金属矿场周边表土中As、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni的分布、来源及迁移路径。主要结论如下：济源典型工业区周边土壤已受到重金属显著污染，其中Pb污染尤为严重。人为源是主要贡献者。Pb的迁移具有季节性风向特征，并且交通活动是其空间分布的重要影响因素。该研究通过揭示最大铅锌冶炼区土壤中重金属的分布特征和迁移规律，为后续土壤修复工作提供了宝贵的科学见解。