在中国西北部一个未开发的金属矿区，对土壤中潜在有毒元素进行了综合来源分配、风险评估和概率建模

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Integrated source apportionment, risk assessment, and probabilistic modeling of potentially toxic elements in soils from an undeveloped metallogenic region, northwest China

本研究以西北中国未开发金属logenic区域为对象，通过整合地质基准值、正定矩阵因子分解法、多污染指数及蒙特卡洛模拟，揭示土壤潜在有毒元素（PTEs）来源及生态健康风险。结果表明：自然源主导PTEs分布（土 parent material占61.91%，铅富集22.98%）；汞生态风险最高（超标率13.33%）；健康风险中铬和钴对非癌风险影响显著（49.32%样品儿童风险不可接受），铬致癌风险亦不可忽视。研究证实自然金属logenic过程可致生态健康威胁，建议加强Cr、Co、Hg长期监测。

　　

熊汉|文峰王|童扬赵|柳园金|杨双王|世明杨|云辉张

中国矿业大学资源与地球科学学院，徐州221116，中国

摘要

虽然潜在有毒元素（PTE）风险区域通常与强烈的人为干扰有关，但未开发的金属矿化区域（UMR）具有天然较高的PTE浓度，而这些区域却未受到足够的科学关注。为了填补这一空白，本研究调查了中国西北部一个UMR土壤中PTE的来源，并对其贡献进行了量化，同时评估了相关的生态健康风险。共收集了480个土壤样本进行分析。研究建立了一个多方法框架，结合了地球化学基线值（GBVs）、正矩阵分解（PMF）、综合污染指数和概率健康风险建模。结果表明，汞（Hg）的超标率最高（13.33%）。PTE主要来源于自然因素：土壤母质（61.91%）、铅富集（22.98%）、铜矿化（10.50%）和热液过程（4.61%），表明其主要是地质起源的。生态风险评估确定汞是生态风险的主要贡献者。总体而言，研究区域的土壤质量从未受污染到轻微污染不等，局部高风险区域主要分布在东部地区。健康风险评估显示，铬（Cr）和钴（Co）是非致癌风险的主要贡献者，而铬则主导了致癌风险。值得注意的是，49.32%的样本对儿童构成了不可接受的非致癌风险，10.01%的样本对儿童构成了不可接受的致癌风险，0.90%的样本对成人构成了不可接受的致癌风险。这些结果表明，仅自然金属矿化过程就可能对生态系统和脆弱人群产生不可接受的风险。基于这些发现，建议对PTE富集区域附近的土壤中的Cr、Co和Hg进行长期监测，以减轻潜在的生态和健康威胁。研究结果可以为全球高背景金属矿化区域的土壤PTE管理提供科学依据。

引言

土壤在支持全球约95%的粮食生产和确保环境安全方面发挥着不可或缺的作用（Hou等人，2025年；Wang等人，2025a年；Xia等人，2024b年；Yang等人，2024年）。然而，随着农业活动的加剧和工业化的快速发展，土壤受到潜在有毒元素（PTE）污染的威胁日益严重（Li等人，2023a年；Sharafi和Salehi，2025年；Zhu等人，2024年）。相关组织指出，到2050年，这些人类活动将使世界上90%的土壤资源面临风险（FAO，2011年）。与可能随时间降解的有机污染物不同，PTE的特点是不可降解性、持久性和生物累积倾向（Wei等人，2025年；Yao等人，2024年；Zhang等人，2024a年；Zhang等人，2024b年）。它们可以通过渗入地下水和作物吸收进入食物链，导致慢性疾病和生态失衡（Ghayour等人，2025年；Uddin等人，2024年；Zhang等人，2025年）。例如，农业土壤中的镉和铅污染已被广泛报道会导致作物产量下降和暴露人群的健康问题（Chen等人，2020年；Kazapoe等人，2025b年；Miti?等人，2025年）。此外，一些证据表明，城市化导致的温度、降水和氧化还原条件的变化会显著影响土壤中PTE的迁移、生物可利用性和转化（Liang等人，2024年；Peng等人，2025年；Wang等人，2025a年；Wang等人，2025b年；Wang等人，2025c年；Wang等人，2025d年；Wu等人，2025a年；Wu等人，2025b年；Zhang等人，2024a年；Zhang等人，2024b年）。因此，对土壤PTE进行全面的来源分配和风险评估对于促进可持续的环境管理具有重要意义。

目前，已有大量研究致力于探索土壤中PTE的影响（Faraji等人，2023年；Qi等人，2025年；Siddig等人，2025年），主要集中在以密集工业和采矿活动为特征的经济发达地区（Boumaza等人，2024年；Jiang等人，2023年；Xu等人，2025a年）。研究结果一致表明，PTE的积累和迁移受到人为和自然因素的强烈影响，如工业排放（Cai等人，2024年）、农业过程（Fei等人，2024年）和交通相关来源（Yang等人，2025年），以及母质风化（Kong等人，2024年；Sagoe等人，2025年；Xia等人，2024a年）。自然和人为来源之间的相互作用使得来源分配变得复杂（Gong等人，2024b年；Li等人，2023b年）。为了解决这一挑战，已经广泛采用了多种研究方法来表征和归因分析土壤污染（De Souza等人，2024年；Zeng等人，2022年）。然而，对于具有高金属矿化潜力但开发程度有限的地区，关注较少（Kazapoe等人，2025a年；Kumar Chakraborty等人，2023年；Zheng等人，2023年）。这些地区由于人为干扰较少，但具有天然升高的地球化学背景，成为区分地质富集和人为污染的自然实验室（Alassane-Boukari等人，2025年；Forghani Tehrani等人，2025年；Ribeiro等人，2025年；Wei等人，2024年）。因此，需要综合运用地球化学、统计和建模方法来明确来源贡献并评估这些地区的环境风险。

许多先前的研究往往依赖于单一污染指数或有限的健康风险框架，这可能会简化污染来源及其生态和健康影响的复杂性（Liu等人，2021年；Zhu等人，2025年）。为了解决这些局限性，采用了多种互补的方法。具体来说，使用PMF来识别PTE的潜在来源，与传统定性技术相比，提供了更可靠和定量的来源分配方法（Jiang等人，2020年；Kazapoe等人，2025b年）。此外，还应用了几种广泛采用的污染指数，包括地球累积指数（Igeo）、综合污染指数（SPI）和潜在生态风险指数（PERI），以实现土壤污染的多维评估（Konstantinova等人，2024年；Liu等人，2023年）。通过蒙特卡洛模拟进行概率健康风险评估，不仅考虑了参数的不确定性，还提高了风险估计的可靠性（Moriarity等人，2025年；Wang等人，2024年）。这些方法的结合有助于准确识别复杂来源并量化生态健康风险水平。

研究区域位于中国西北边境，是丝绸之路经济带北走廊和中国-蒙古-俄罗斯经济走廊的战略枢纽。该地区富含多种矿产资源，包括有色金属和黄金。然而，勘探强度仍然较低，只有少数已发现的矿床得到了利用（Li等人，2024年）。这些未开发的UMR在其原始状态下，是区分地质富集和人为污染的理想自然参考。重要的是，即使在未开发的状态下，这些地区也保留了地质上较高的PTE背景。一旦通过土壤过程转化为生物可利用的形式，这些元素可以通过多种途径进入人体，最终对居民构成严重的健康风险。为了填补这一空白，本研究建立了一个针对高背景金属矿化区域的综合评估框架，结合PMF进行定量来源分配，使用地球化学基线和多指标评估（Igeo、SPI、PERI）进行生态风险评估，以及蒙特卡洛模拟进行概率健康风险分析。具体而言，本研究旨在：（1）识别和量化土壤PTE的潜在来源；（2）从多个角度评估污染状况和生态风险；（3）在不确定性下评估儿童和成人的健康风险。研究结果不仅为了解中国西北部UMR的生态健康影响提供了新的见解，还为全球类似地区的政策支持提供了一个可复制的模型。

研究区域

研究区域

研究区域位于中国西北部的边境地区（图1a），地形以山脉为主，海拔范围从1,469米到2,483米不等。年平均气温约为-4°C，极端温度变化范围从-40°C到29°C，属于温带大陆性寒冷气候。年平均降水量约为131至223毫米，年蒸发量在1,367至2,066毫米之间。暴露的地层包括

土壤PTE浓度的统计特征

本研究在表1中展示了480个土壤样本中PTE浓度的统计描述。不同PTE的浓度存在显著差异。这些PTE的平均浓度分别为：Cr 116.47毫克/千克，Hg 7.70毫克/千克，Ni 59.16毫克/千克，Pb 16.65毫克/千克，As 2.88毫克/千克，Cu 23.44毫克/千克，Zn 66.27毫克/千克，Co 18.52毫克/千克。Cr的浓度最高（683.00毫克/千克），且范围最广，而As的平均浓度最低

主因子提取

为了进一步验证和量化从空间分布模式中推断出的潜在来源特征，结合了相关分析和主成分分析（PCA）。这种综合方法能够更稳健地识别PTE之间的统计关联，并提供关于它们可能的共同来源的见解（Yan等人，2025年）。

在使用Kolmogorov–Smirnov（K–S）测试对数据集进行标准化后，应用了Spearman等级相关系数

结论

本研究使用地球化学基线值（GBVs）、正矩阵分解（PMF）、多种污染指数和概率健康风险建模的综合框架，调查了中国西北部一个UMR土壤中PTE的来源、生态影响和健康风险。结果证实，PTE浓度主要受自然地质过程控制。土壤母质是主要贡献者，其次是铅富集、铜矿化和热液活动。尽管总体而言，土壤

声明

作者声明没有竞争利益。

CRediT作者贡献声明

世明杨：正式分析。柳园金：调查、数据管理。杨双王：方法论。文峰王：监督、项目管理。童扬赵：软件。熊汉：撰写——初稿、资源收集、调查。云辉张：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化

未引用参考文献

Kazapoe等人，2025c。

数据可用性

数据将按请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。