塞尔维亚东北部燃煤热电厂周边土壤重金属(类金属)的综合环境与人体健康风险评估

《Soil Systems》：Integrated Environmental and Human Health Risk Assessment of Heavy Metal(loid)s in Soils near Coal-Fired Thermal Power Plants in Northeastern Serbia

　　

摘要：由人为活动引起的土壤重金属(类金属)污染对土壤质量和农业生产力产生了不利影响。本研究旨在评估塞尔维亚东北部Kostolac热电厂不同距离的23个点位土壤中砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)浓度的变化，并评价其相关的生态风险和人体健康风险。各元素的平均浓度均低于大陆地壳平均值，但As和Hg除外，分别高出8.44倍和1.75倍。在同一采样点，Cu和Hg超过了最大允许浓度(MAC)，而Hg在另一个点位也超出了限值。生态风险评估显示As呈高度富集，Hg和Pb呈较高富集。单个点位获得了最高的污染负荷指数(PLI)和潜在生态风险指数(PERI)值。三个点位的儿童总危害指数(THI)值超过了推荐阈值，表明儿童因累积暴露可能存在健康隐患。所有点位的总致癌风险(TCR)值均在可接受风险范围内，儿童的数值略高于成人。

研究背景与目的

燃煤热电厂（TPP）在发电过程中产生大量燃烧副产物，包括含碳、硫、氮氧化物的气体以及飞灰和底灰颗粒。这些污染物通过烟气排放和废渣处置进入环境，经干湿沉降、淋溶等途径扩散至周围土壤。土壤作为重金属的主要汇，因其不可降解性，可长期积累并对生态系统和人体健康构成威胁。尽管已有针对Kostolac地区不同环境介质（如地下水、道路粉尘）的重金属污染研究，但仍缺乏一套整合空间分布、潜在源识别以及生态与人体健康风险的综合评估。因此，本研究旨在系统测定Kostolac A和B两个热电厂周边不同距离土壤中八种潜在有毒元素（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn）的浓度与空间分布，利用多种污染指数评估污染程度与生态风险，并量化非致癌与致癌人体健康风险，为区域监测与管理提供科学依据。

主要技术方法

研究人员于2023年秋季在塞尔维亚东北部Kostolac热电厂周边23个采样点采集了表层土壤样品（0–30 cm深度），涵盖农田、林地、草地、城市绿地及天然气开采区等多种土地利用类型。采用微波消解结合电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）定量分析八种重金属(类金属)的总含量，同时测定土壤pH值和有机质含量（通过烧失量法）。生态风险评估使用了单元素指数（富集因子EF、污染因子CF）和多元素指数（污染负荷指数PLI、潜在生态风险指数PERI）。人体健康风险评估则基于美国环保署（USEPA）模型，计算了经口摄入、皮肤接触和呼吸吸入三种暴露途径的平均日剂量（ADD）、危害商数（HQ）、危害指数（HI）和总危害指数（THI）以及致癌风险（CR）和总致癌风险（TCR）。数据分析采用了皮尔逊相关性分析、主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）以及非线性降维方法（UMAP结合HDBSCAN）。

研究结果

3.1 土壤重金属浓度水平与变异性

土壤中重金属平均浓度排序为：Mn (205 mg/kg) > Ni (31.3 mg/kg) > Zn (25.7 mg/kg) > Cr (22.9 mg/kg) > Cu (15.8 mg/kg) > As (15.2 mg/kg) > Pb (13.8 mg/kg) > Hg (0.14 mg/kg) > Cd (0.11 mg/kg)。与大陆地壳平均值相比，As和Hg的平均浓度分别高出8.44倍和1.75倍。与国家监管标准相比，Cu和Hg分别在个别点位超出最大允许浓度（MAC）。变异系数（CV）显示As和Mn为低变异性（<20%），表明分布相对均匀；Cd和Cu为中等偏高变异性（52.1%和63.4%），而Hg和Pb的CV超过100%，指示强烈的空间异质性和可能的点源污染输入。

3.2 重金属累积、污染水平与生态风险评估

富集因子（EF）结果表明，As、Cd、Hg和Pb的平均EF值超过2，呈现中度至显著富集。其中，As在56.52%的点位表现为极高富集（EF>20），尤其在靠近TPP B单元和露天煤矿的S6点位（EF_As=53.2）以及S18点位（EF_Hg=74.7）。污染因子（CF）显示As的平均CF值为8.42，属于极高污染水平；Hg和Pb为中等污染。污染负荷指数（PLI）平均值为0.65，仅S18点位（农田，距TPP B单元0.7 km）PLI>1，表明该点整体污染严重。潜在生态风险指数（PERI）平均值为183.32，大部分点位处于低到中度生态风险，但S18点位的PERI高达754.6，属极高生态风险。As、Hg和Cd是PERI的主要贡献者，分别占54.7%、29.0%和10.9%。

3.3 人体健康风险评估

非致癌风险评估显示，所有元素的HQ和HI值均低于1，但儿童的风险高于成人。三个点位（S11、S20、S18）的儿童总危害指数（THI）超过1，提示存在潜在非致癌健康风险，主要贡献元素为As、Cr和Pb。致癌风险评估中，所有点位的总致癌风险（TCR）均在可耐受范围（10^-6–10^-4）内，儿童TCR值（2.68×10^-5–5.13×10^-5）略高于成人。As和Cr是致癌风险的主要贡献者，尤其通过经口摄入途径。

3.4 多元统计分析

皮尔逊相关性分析揭示了Cu–Hg–Pb之间的强正相关（r=0.71–0.90），以及Cr–Ni–Mn之间的强正相关（r=0.61–0.77），暗示前者可能受人为源（如燃煤排放）共同影响，后者则反映岩性成因。主成分分析（PCA）提取了两个主成分，PC1（30.5%方差）区分了人为影响组（Pb、Hg、Cu）与岩性组（Cr、Ni、Mn）；PC2（25.1%方差）关联了As、Cu、Zn和Mn，指示混合源（农业、大气沉降与自然过程）。层次聚类分析（HCA）将变量分为三簇：簇1（Hg、Cu、Pb、pH）指向人为源；簇2（Zn、Cd、有机质）关联农业与有机质吸附；簇3（Cr、Ni、Mn、As）反映岩性背景。非线性UMAP–HDBSCAN分析进一步证实了样品的两种主要化学组成模式，并指出As的分布不完全受控于单一岩性或人为源，而是表现出混合来源特征。

讨论与结论

综合来看，Kostolac热电厂周边土壤中As、Hg和Pb的富集与污染最为突出，局部点位（尤其是S18）呈现出极高的生态风险，这与该点位紧邻TPP B单元和露天煤矿的地理位置密切相关。虽然总体致癌风险在可接受范围内，但儿童在多个点位的非致癌总危害指数超标，提示需关注其对儿童的潜在健康影响。多元统计分析一致表明，Cr、Ni、Mn主要受自然地质背景控制，而Cu、Hg、Pb则显著受到燃煤排放和采矿活动的叠加影响；As则表现为混合来源，既有岩性基础又有广泛的人为输入。本研究强调了使用区域性地球化学基线的重要性，并指出单一指标可能掩盖局部污染热点，应采用多指标综合评估体系。研究结果为该区域未来的土壤污染监测、风险管理以及农业生产安全提供了重要的基础数据和科学参考。