蒂蒂卡卡湖水系科阿塔河下游流域地下水质量研究：潜在毒性元素对生态系统和人类健康的潜在风险

《Groundwater for Sustainable Development》：Groundwater Quality in the Lower Coata River Basin, Lake Titicaca Watershed: Potential Ecological and Human Health Risks of Potentially Toxic Elements

　　

**• 随机森林映射的的喀喀河流域地下水水化学** **• 土壤与水文气候梯度塑造潜在毒性元素（PTEs）的空间分布** **• 砷（As）和锰（Mn）驱动地下水质量及潜在健康风险热点** **• 综合筛查优先排序高安第斯含水层的管理**

**引言**

全球范围内，水资源正面临日益增加的压力，原因包括气候变化、人口增长、城市扩张和人类活动（Monta?a等人，2016；Zubieta等人，2021）。地下水是最大的淡水储备，对许多地区的家庭和农业使用至关重要（Islam，2023；Swarnim等人，2026）。由于许多人口依赖地下水维持生计（Jhariya等人，2021），化学问题导致其不适合饮用、农业和工业使用，从而引发了水质方面的担忧（Ke等人，2026；Pronti等人，2024）。近几十年来，由于不可持续的开采、农用化学品、城市和工业增长以及自然退化，地下水的可用性和质量有所下降（Islam，2023）。在社区依赖脆弱水源的地区，这一问题尤为关键（Pronti等人，2024）。

铝（Al）、砷（As）、镉（Cd）、铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）等潜在毒性元素（PTEs）导致地下水质量不佳，是一个日益增长的环境和健康问题，因为高浓度可能危害人类和生态系统（Ambrosino等人，2023）。这些元素在地下水中的存在可能源于天然水地球化学过程（如矿物风化和水-岩相互作用），也可能来自人为来源（如集约化农业、城市扩张、生产活动以及与季节性地表利用相关的压力）（Briffa等人，2020；Custodio等人，2025；Fuentes-Rivas等人，2026；Varol & Tokatl?，2022）。这一现象已在各种国际环境中得到报道，地下水化学通常反映了水文地质条件、水-岩相互作用和土地利用方式的综合影响（Tokatli等人，2013；Tokatli，2014）。长期暴露可能降低水对家庭和生产用途的适用性，影响环境质量，并通过各种暴露途径增加非致癌性和致癌性风险（Auritro等人，2026；Gao等人，2021；Ghasera等人，2021）。在这些元素中，砷和镍尤其值得关注，因为它们具有毒理学相关性、出现在生物暴露研究中，并且可能对长期健康风险有潜在贡献（Yüksel等人，2021）。然而，PTEs在含水层中的高空间变异性给环境评估带来了挑战。各种空间建模技术，如克里金插值、反距离加权法以及机器学习方法如随机森林（RF）和支持向量机，被用于分析污染物分布并生成预测地图以进行风险评估（Ijumulana等人，2024；Xia等人，2024）。污染特征分析通常辅以背景水平估算和综合指数，如污染负荷指数（PLI）、改良污染度（mCd）和潜在生态风险指数（RI），以量化环境退化程度（Alengebawy等人，2021；Edmunds & Shand，2008；Q. Sun等人，2021）。此外，致癌风险评估提供了一种有用的框架，用于评估与长期毒性暴露相关的潜在健康影响（Bibak & Forouhar Vajargah，2025）。

在秘鲁阿尔蒂普拉诺高原（海拔约3800米），地下水对人类使用至关重要（Tapia等人，2022）。位于地球上最高居住高原之一的的的喀喀河流域，支撑着以雨水灌溉的土豆和藜麦种植以及牛和羊驼放牧为主的农村经济（Alonso等人，2022）。在这些条件下，非承压和承压含水层中的地下水已成为普诺农村地区家庭用水和灌溉的重要来源（Alonso等人，2022；ANA，2023a）。火山沉积、沉积物和第四纪沉积物的存在可能影响PTEs，导致天然水地球化学变异性增加，包括砷、铁、锰和铝（Fuentes-Rivas等人，2026；Tapia等人，2022）。此外，农用化学品径流、动物废弃物渗漏和灌溉回灌等人为压力可能向浅层含水层系统添加PTEs，使天然来源和人为来源的区分变得复杂（Fuentes-Rivas等人，2026）。这些条件可能降低地下水对生产用途的适用性，并增加对健康的潜在风险（Auritro等人，2026；Briffa等人，2020；Custodio等人，2025；Gao等人，2021；Ghasera等人，2021）。

尽管该地区PTEs富集最终与当地地质条件有关，但科阿塔河下游盆地私有水井获取的地下水主要与第四纪冲积、河流和沼泽沉积物有关，其成分来源于多个上游岩性单元的混合和搬运，而非单一的原地沉积层（INGEMMET，2024；GORE，2015）。在这种情况下，PTEs的空间分布可能受到地形控制的运输、土壤-水相互作用和水文连通性的影响，同时也受到含水层厚度、井深和地下水文地质条件的局部变异性的影响（Aswal等人，2023；Ijumulana等人，2024）。因此，地形、土壤性质、水文气候梯度和基于距离的预测因子等表层环境替代变量，为表示地下水组成的空间变异性提供了有用的空间框架，而区域地质则作为水地球化学背景保留，而非作为直接预测因子（Xia等人，2024）。这种方法将PTEs的区域地球成因背景与可用于空间建模的环境变量联系起来，同时承认本研究未解决深层水文地层控制因素。

尽管上述有所进展，但的的喀喀河地下水PTEs空间分布数据仍然有限。虽然秘鲁国家水务局（ANA）和普诺地区卫生管理局（DIRESA-Puno）报告了湖岸附近砷、锌、铁和锰的情况，但内陆地区仍存在数据空白。本研究还关注了镉、铅、镍、铜和铝，因为它们在环境和毒理学方面的重要性，以及它们在污染和健康风险评估中的频繁纳入。对这些元素进行详细的空间评估对于依赖地下水的社区实现可持续水资源管理和公共卫生至关重要。因此，需要建立科阿塔河下游盆地的基于现场的多元素基线和一个空间优先排序框架，以支持该监测不足的高安第斯地区的地下水监测。本研究通过结合93个保留浅井的地下水数据（从98个采样井中筛选用于核心预测分析）、随机森林建模、多元素污染指数、生态风险评估和潜在人类健康风险评估，在综合地理空间框架内弥补了这一空白。需要注意的是，此处使用"污染"一词仅是为了与所使用的指数术语保持一致。但本研究并未研究地下水中元素的来源，因此地图显示的是超过世卫组织参考值区域的空间分布。这种分布可能源于人为活动（污染）或天然过程（非污染）。因此，本研究旨在：（i）评估科的的喀喀河流域科阿塔河下游盆地地下水中砷、镉、铅、镍、铜、锌、铁、锰和铝的空间分布；（ii）使用随机森林对其空间变异性进行建模；（iii）通过综合污染指数和基于暴露的风险指标，评估相对于参考值的地下水质量状况、生态风险和潜在人类健康风险。

**研究区域描述**

研究在科的的喀喀河支流——秘鲁阿尔蒂普拉诺高原普诺地区的科阿塔河下游盆地进行（图1）。核心区域包括圣罗曼省和普诺省的卡拉科托、瓦塔和科阿塔区，主要从事农业和畜牧业。这些地区的总人口为23,223人。盆地内的七个区总人口约为49,027人（INEI，2025），但有四个区（阿通科亚、卡帕奇卡、保卡尔科亚和普西）延伸到盆地之外。

**浅层第四纪系统的水化学**

在所研究的第四纪含水层区域，地下水主要从西部和东北部的高海拔边界流向中央低梯度平原以及的的喀喀湖。在该区域，科阿塔河主要是排泄性的（图S1.A）。电导率值的空间分布显示出向靠近的的喀喀湖的东部下游区域广泛渐进增加的趋势，整个数据集的平均值为2,322 μS/cm（图S1.B）。这种模式表明存在一

**讨论**

科的的喀喀河流域所研究扇区的地下水质量受水地球化学和环境因素相互作用的影响，导致PTEs浓度、PTEs富集水平和相关风险表现出显著的空间变异性。空间建模、水质指数和风险评估的结合提供了一个结构化的框架来解释这些模式，因为累积水质指数捕捉了生态相关性，而健康风险评估

**结论**

科阿塔河下游盆地的地下水质量表现出显著的空间异质性，与水化学、土壤、水文气候、地形相关和基于距离的环境替代梯度相关。在评估的PTEs中，锰、铁和砷最为相关，其平均浓度超过了世卫组织参考值，而其余元素则主要低于各自的限值。随机森林模型实现了稳健的内部交叉验证性能（所有元素R2 > 0.86）。

**CRediT作者贡献声明**

Rodrigo J. Puga-Calderón：写作——审阅与编辑。Edgar Carrasco-Ordo?ez：写作——初稿撰写、调查、数据管理。Samuel Pizarro：写作——审阅与编辑、软件、方法论、形式分析、数据管理、概念化。Dennis Ccopi：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、形式分析。Ricardo Flores-Marquez：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、项目管理、方法论。

**未引用参考文献**

Ahmad等人，2021；Ammar等人，2025；Dixon等人，2022；Gnann等人，2025；González-Moradas和Viveen，2020；Ibrahim等人，2024；Lê等人，2008；Ormachea Mu?oz等人，2016；Poggio等人，2021；Sun等人，2021；U.S. EPA，1994；USEPA U.S.E.P.A.，1998；Wickham等人，2019。

**伦理声明**

不适用：本文手稿不包含人类或动物研究。

**数据可用性**

完整的分析数据集在补充材料中提供。精确的井坐标受到限制以保护所有者隐私，如有合理请求，可由通讯作者在遵守机构隐私要求的前提下提供。

**生成式AI声明**

在准备本工作的过程中，作者使用了Grammarly来改善手稿的语言、语法和整体可读性。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对出版物内容承担全部责任。

**资金**

本研究由秘鲁政府农业发展与灌溉部（MIDAGRI）的INIA项目"利马、安卡什、圣马丁、卡哈马卡、兰巴耶克、胡宁、阿亚库乔、阿雷基帕、普诺和乌卡亚利省中小型农业中退化农业土壤管理和灌溉用水恢复的研究与技术转让服务改善"资助，CUI 2487112。

**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报告的工作。

Ricardo Flores-Marquez | Dennis Ccopi | Marisol Manzano | Edgar Carrasco-Ordo?ez | Rodrigo J. Puga-Calderón | Samuel Pizarro