《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Geochemical Dynamics and Risk Assessment of Multi-Metal Contamination in Alluvial Soil–Rice Ecosystems of Pakistan
编辑推荐：
该研究系统评估了巴基斯坦旁遮普和信德地区水稻种植区土壤-水稻系统中锂、锰、钴、镍、铜、锌、铷、锶、钼、锑、铅等12种痕量金属的污染水平、空间分布及迁移规律，发现土壤中锰、锂、钼、铜、铷、锶均超允许限值99.4%-99.9%，水稻籽粒中锰、镍、铜、锌、铅等超标率分别为85.6%、90.2%、96.4%、31.8%、9.2%。通过地理加权回归（GWR）和金属负载容量（MLC）模型揭示显著空间污染特征，建立临界金属阈值（CMT）体系，证实水稻籽粒对锰（r=0.85）、锌（r=0.75）的生物富集效应显著，pH和电导率对金属生物有效性具有显著调控作用，高转运因子钴、锑、铅、钼通过土壤-水稻-人体暴露途径构成健康风险，特别是儿童通过土壤摄入和水稻摄食面临显著风险。
瓦卡尔·阿里（Waqar Ali）|穆罕默德·沙菲克（Muhammad Shafeeque）|穆罕默德·萨拉姆（Muhammad Salam）|康茂（Kang Mao）|穆罕默德·瓦贾哈特·阿斯拉姆（Muhammad Wajahat Aslam）|张华（Hua Zhang）|李伟（Wei Li）
中国重庆大学环境与生态学院生态科学与工程系，重庆，400045
摘要
本研究调查了巴基斯坦冲积土壤-水稻系统中多种金属（包括锂（Li）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、铷（Rb）、锶（Sr）、钼（Mo）、锑（Sb）和铅（Pb）的污染情况、相互作用及其对人类健康的潜在风险。研究结果显示，这些金属在土壤中普遍存在超标污染现象，其中锂、锰、钼、铜、铷和锶的浓度超过了允许限值。99.4%的土壤样本中锂含量超标，锰为91.4%，铜为96.4%，铷和锶均为99.9%。在稻谷中，锰超标率为85.6%，镍为90.2%，铜为38.4%，锌为31.8%，铅为9.2%，钴为6%。通过地理加权回归（GWR）模型分析，发现这些金属浓度存在显著的空间分布风险，尤其是在稻谷中。关键金属阈值（CMT）如下：锰100%，钴90.4%，镍92.6%，铜96.4%，铅和锌100%。这一结果证实了现场采样数据中金属污染严重且含量不安全的情况。金属负荷能力（MLC）分析进一步揭示了不同区域金属积累的空间风险，对人类健康构成威胁。土壤的pH值和电导率（EC）与金属生物可利用性之间存在显著相关性（r = 0.85和r = 0.75），表明这些金属容易转移到可食用稻谷中。高迁移因子（TFs）如钴、锑、铅和钼的存在增加了污染风险，因为它们能高效地从土壤转移到稻谷各部分。人类健康风险评估显示，通过土壤摄入和皮肤接触这些金属存在显著风险，尤其是对儿童而言。此外，研究还发现有害金属（包括锂、锰、钼、钴、镍、铜、锌、锑和铅）的含量超过了安全限值，并给出了相应的危害指数（HI）。本研究强调了持续监测、监管和公共卫生措施在减轻金属毒素风险方面的必要性，尤其是对高风险人群而言。
引言
农业土壤-水稻系统中的金属污染对全球水稻生产安全构成严重威胁[1]。环境研究表明，来自陆地资源的金属废水因其高毒性、持久性和在生态系统中的生物累积及迁移潜力而成为主要污染物[2],[3]。人类活动（如化学肥料的使用、工业废物的排放、采矿活动、生活污水和未经处理的废水的排放以及工厂烟雾的排放）是金属的主要来源[4],[5]。这些无机有害金属主要存在于受污染地区的土壤系统中，包括铅（Pb）、铀（U）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、铍（Be）、钴（Co）、锶（Sr）、锑（Sb）、镓（Ga）、钡（Ba）、镍（Ni）、铷（Rb）等[6],[7]。这些金属在土壤系统中大量积累，成为释放到生态系统中的主要储存库[8]。进入生态系统后，它们会在土壤中累积，成为环境中微量元素的主要储存源[9]。与有机污染物不同，金属不易生物降解或生化分解，可在土壤系统中长期存在[10]。它们在农业系统中的存在可能抑制某些有机污染物的生物降解[11]。土壤中这些金属的浓度会增加小麦、水稻、蔬菜和玉米等作物的吸收[12],[13]。水稻和土壤中金属的污染对食用水稻的人群和生态系统构成严重威胁[14]。金属主要通过直接摄入、与土壤的皮肤接触、吸入颗粒物和/或饮用受污染的水进入食物链[15],[16]。有毒污染物可通过土壤-水稻-人类和土壤-水稻-植物-动物-人类的途径传播[17]。世界人口的增长加剧了食品质量和安全问题，而当前农业用地的减少进一步加剧了这一问题，导致食品安全性和土地利用挑战[18]。多项研究发现，由于灌溉水污染、城市活动和农业化学品的持续使用，农业土壤受到严重金属污染[17],[19],[20]。水稻生产尤为值得关注，因为从种子发芽到稻谷成熟整个生长周期都需要大量水分[21]。全球约有1.6亿公顷的土地用于水稻种植，它为全球超过一半的人口提供主要食物来源[22]。1960年，平均每公顷水稻产量为1.8公吨，而如今已增加到4.3公吨以上[1],[23]。水稻消费量显著增加，表明其作为主要农产品的地位[23]。亚洲国家（包括印度、中国、巴基斯坦、孟加拉国、泰国等）贡献了全球近92%的水稻产量[24],[25]。水稻是世界大部分人口的主食[24],[25]。已有研究反复证明土壤中金属的污染以及污染物向水稻根系、茎叶和籽粒等组织的迁移[17],[26]。人们还担心金属污染水平的升高及其对公共健康的持续威胁，尤其是在土壤-水稻系统中的迁移[27]。
尽管以往或最近的研究多次研究了砷（As）、汞（Hg）、铬（Cr）、铊（Tl）、硒（Se）、镉（Cd）、镍（Ni）、铅（Pb）、锑（Sb）、铀（U）等微量元素及其对人体健康的潜在风险[12],[17],[27]，但针对巴基斯坦土壤-水稻系统中铷（Rb）、锂（Li）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、钴（Co）、锶（Sr）和钼（Mo）等元素的研究相对较少，尤其是对其污染和潜在健康风险的研究缺乏关注。实际上，在关于有毒微量元素及其健康风险的研究中，这些元素往往被忽视。因此，最近的研究越来越多地呼吁通过接触受金属污染的土壤、水和空气来评估健康风险[28]。用于评估这些风险的方法包括污染指数、元素在土壤到植物间的转移和积累因素，以及水稻系统中的微量元素浓度[28],[29]。农业土壤中金属浓度的增加降低了土壤肥力和微生物活性，影响了整体土壤健康[30]。公众越来越意识到微量元素污染对人类健康的危害，同时也有技术发展用于减轻污染[31]。
因此，评估土壤-水稻系统中研究较少的微量元素对于合理监测和管理这些系统至关重要。本研究将采用污染视角，通过不同指数评估巴基斯坦水稻种植区的污染状况和健康影响，重点关注土壤-植物系统。从pH值、电导率（EC）、土壤有机质和金属含量等基本参数的角度来看，对稻田土壤的污染物监测至关重要。基于污染指标量化人类健康风险，以更有效地评估暴露风险。目前，巴基斯坦旁遮普省和信德省等冲积水稻种植区的土壤-水稻系统中金属的地球化学循环、迁移过程、相互作用及对土壤性质（如pH值、电导率（EC）和土壤有机质（SOM）的影响尚不明确。本研究旨在利用地理加权回归（GWR）和金属负荷能力（MLC）模型确定稻田土壤中微量元素的污染水平，包括锂（Li）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、铷（Rb）、锶（Sr）、钼（Mo）、锑（Sb）、铅（Pb）和铀（U）。研究还将确定这些元素的关键金属阈值（CMT），并根据其在土壤中的浓度评估其污染风险。此外，还将研究金属在水稻植物中的转移和吸收途径，重点关注通过土壤摄入、皮肤接触和食用水稻带来的潜在健康风险。这些目标将深入揭示土壤-水稻系统中微量元素污染的动态及其对人类健康的潜在影响。本研究的新颖之处在于将农业动态与人类健康风险结合起来，特别关注常被忽视的微量元素。由于水稻是全球普遍的食物来源，了解农业污染对人类健康的影响尤为重要，尤其是在发展中国家。该研究将填补有关农业污染对健康影响的研究空白，特别是在巴基斯坦等水稻生产区。研究结果将为未来政策制定提供依据，以减轻这一问题，其见解可应用于全球范围。
研究区域、样本采集与制备
本研究选取了巴基斯坦旁遮普省和信德省的水稻种植区，这些地区占巴基斯坦年水稻产量的约90%[32]。研究覆盖了印度河流域约60万公顷的水稻田。所有采样点分布在信德省和旁遮普省，具体采样区域如图S1所示：信德省包括海得拉巴（Hyderabad）、塔塔（Thatta）、达杜（Dadu）、詹肖罗（Jamshoro）、坦多·穆罕默德·汗（Tando Mohammad Khan）、巴丁（Badin）、坦多·阿拉亚尔（Tando Allahyar）和希卡普尔（Shikarpur）等地区
冲积土壤-水稻系统的物理化学性质和金属污染
巴基斯坦中部水稻生产区的金属污染严重且农业土壤质量较差，对农业系统和人类健康构成重大威胁。图1a-1o展示了土壤中的金属浓度及其物理化学性质。图2a-2k显示了稻谷中的金属浓度。土壤、根系、茎叶和籽粒的测量数据见表1。研究区域的土壤pH值范围为7.8至8.0
结论与展望
本研究发现巴基斯坦信德省和旁遮普省的水稻种植区存在多金属污染，土壤和稻谷中锂（Li）、锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、铷（Rb）、锶（Sr）、钼（Mo）、锑（Sb）和铅（Pb）的浓度较高。主要结果表明，土壤中尤其是锂（Li）、锰（Mn）、钼（Mo）、铜（Cu）和锶（Sr）的浓度超过了允许限值，而稻谷中的锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）和钴（Co）也超过了安全阈值。土壤pH值、电导率（EC）与金属含量之间存在显著相关性
作者贡献声明
李伟（Wei Li）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、资金获取、概念构建。穆罕默德·萨拉姆（Muhammad Salam）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构建。康茂（Kang Mao）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构建。穆罕默德·瓦贾哈特·阿斯拉姆（Muhammad Wajahat Aslam）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、概念构建。张华（Hua Zhang）：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计、资金获取、概念构建。瓦卡尔·阿里（Waqar Ali）：撰写初稿、软件开发、方法论设计
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢中国国家自然科学基金（项目编号U24A20620和31700401）、重庆技术创新中心（CQHKYCZCX2023）、中国博士后奖学金（2023H0367）、贵州省科技项目（黔科合平台人才项目[2023] 013和046）、云南省土壤碳封存与污染控制重点实验室开放项目（SCSPC2025001）以及中国科学院青年创新促进协会的支持
