《Frontiers in Environmental Science》：Source apportionment and risk assessment of potentially toxic elements in soils in industrial cities – a cross-regional study
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工业城市土壤中的潜在有毒元素（PTEs）由岩石成因和人为来源混合累积；然而，跨区域比较仍较罕见。该研究对四座工业城市：Ust-Kamenogorsk和Pavlodar（哈萨克斯坦）、Toruń（波兰）和Aarhus（丹麦）表层、中层和深层土壤中的14种PTEs
工业城市土壤中的潜在有毒元素（PTEs）由岩石成因和人为来源混合累积；然而，跨区域比较仍较罕见。该研究对四座工业城市：Ust-Kamenogorsk和Pavlodar（哈萨克斯坦）、Toruń（波兰）和Aarhus（丹麦）表层、中层和深层土壤中的14种PTEs进行了表征。正定矩阵因子分解（PMF）解析了哈萨克斯坦两座城市的源贡献，并辅以所有四座城市的富集因子（EF）、地累积指数（Igeo）、危害指数（HI）、总致癌风险（TCR）和潜在生态风险指数（PERI）评估。沿环境风险评估，污染梯度为Ust-Kamenogorsk > Toruń > Pavlodar > Aarhus；沿人体健康风险评估，污染梯度为Ust-Kamenogorsk > Pavlodar > Toruń > Aarhus。Ust-Kamenogorsk总体危害水平最高，表层镉（Cd）（均值3.35 mg kg-1；最大值19.80 mg kg-1）和铅（Pb）随深度持续存在，并在尾矿储存设施附近出现此前未记录的铍（Be）热点。PMF在Ust-Kamenogorsk解析出六个来源，在Pavlodar解析出四个来源；人为输入分别主导约84%和68%的PTEs负荷，Ust-Kamenogorsk主要来自有色金属冶金排放、燃煤和铅锌冶炼，Pavlodar主要来自燃烧和交通。两座欧洲城市以岩石成因和扩散城市输入为主；Toruń的风险集中于少数富含Cd和Pb的历史工业热点，而Aarhus作为污染最轻城市表明，即使单一元素未单独接近危害阈值，多元素加和暴露也可接近阈值。砷（As）是所有城市HI的主要贡献元素（哈萨克斯坦元素排序为As > Cr > Cd > Pb，欧洲为As > Cd > Cr > Pb），而Cd是出现生态风险升高地区的主要生态风险驱动元素。这些发现确定铬（Cr）和Cd为优先元素，并表明源解析、深度明确评估方案可实现城市土壤污染的跨区域有意义比较。
城市土壤中的潜在有毒元素（PTEs）来源于岩石成因输入和人为输入，工业城市尤为明显，冶金、采矿、矿石加工、燃煤电厂、化工、废物处置和交通廊道构成点源与扩散源。既往研究已用正定矩阵因子分解（PMF）识别工业城市土壤PTEs来源，但在哈萨克斯坦工业城市尚未系统应用，且可靠背景值不足、总浓度研究多而生物可利用浓度研究少、垂直剖面少、跨区域比较罕见。因此，研究人员在Ust-Kamenogorsk、Pavlodar（哈萨克斯坦）、Toruń（波兰）和Aarhus（丹麦）开展跨区域研究，测定14种PTEs在三个土壤深度的浓度，评估污染与生态风险，对哈萨克斯坦两座城市进行PMF源解析，并量化致癌与非致癌健康风险。该研究首次将深度分辨PMF源解析与面向源的跨区域城市土壤污染比较相结合，对识别优先元素和污染治理具有重要意义。
关键技术方法不超过250字：采样在夏季稳定干燥气象条件下进行；Ust-Kamenogorsk和Pavlodar各35个点位，Toruń和Aarhus各10个点位。Ust-Kamenogorsk和Pavlodar深度为0–5、20–25、40–45 cm，Toruń和Aarhus深度为0–15、15–30、30–40 cm。所有城市测定12种元素，Ust-Kamenogorsk和Pavlodar额外测定Be和V。样品经酸消解后用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定；有证标准物质（CRM）比较参考独立数据。PMF用于哈萨克斯坦两座城市0–5和20–25 cm的140个样品，欧洲城市因样本量有限采用主成分分析（PCA）。环境风险采用EF、I
geo和PERI，健康风险采用美国环境保护署（USEPA）框架。
3.1 四研究点PTEs空间与垂直分布：Ust-Kamenogorsk表层Cd均值3.35 ± 4.12 mg kg
-1，35个点位中24个超过1 mg kg
-1，最大值19.80 mg kg
-1，且随深度下降；Pb表层均值130.82 ± 159.66 mg kg
-1，57%点位超过50 mg kg
-1，最大值604.66 mg kg
-1；Zn表层均值374.49 ± 399.79 mg kg
-1，54%点位超过200 mg kg
-1，最大值1589.63 mg kg
-1。Zn、Pb、Cd最大值共位于北部工业区和Kazzinc LLP渣场，并在三个深度持续，指示铅锌冶炼和历史排放导致剖面污染。As在三个深度均值均超过20 mg kg
-1，超限率分别为23%、9%和21%；Ni和Cr均值低于最大允许浓度（MPC）；Be均值低于2 mg kg
-1，但在尾矿储存设施附近出现3.16–3.61 mg kg
-1峰值。Pavlodar以扩散Mn负荷为主，表层均值519.85 ± 139.54 mg kg
-1；Cr空间异质性最高，8%表层点位超过100 mg kg
-1；As、Pb和Zn总体低于或等于MPC。Toruń出现最高表层Zn 478.2 mg kg
-1，化学储存与加工区、化学生产区、关闭尼龙厂和火车站分别达2379.7、1465.7、360.4和208.6 mg kg
-1；Pb和Cd热点相同，Cd最高12.56 mg kg
-1。垂直剖面显示化学生产区Zn快速衰减而Pb近表层富集，Polchem储存与加工区深层Zn和Cd最高，指示地下污染储库。Aarhus Mn浓度极高但受岩性控制；大学公园为多元素热点，公路路边Pb表层最高243 mg kg
-1并随深度下降，Cu在交通和废物管理相关点位升高。
3.2 来源解析：3.2.1 Ust-Kamenogorsk：PMF解析六个因子，人为来源主导超过80%，岩石成因仅16.4%。因子1为燃煤，占18.2%，以Al、Fe、Mn、Sr、V和Ni为主；因子2为有色金属冶金排放，占13.9%，以Cd、Zn和Pb为主；因子3为矿物母岩来源，占16.4%；因子4为岩石成因—人为混合源，占18.3%，富集Be、Cd和V；因子5为铅冶炼和金属加工，占16.8%，以Pb、Cu、As和Zn为主；因子6为混合工业活动，占16.4%，以Cu、Co、Sr、Ni和Cr为主。Cd、Pb、Zn和Cu被确定为优先监测和修复元素。3.2.2 Pavlodar：PMF解析四个因子。因子1为混合燃煤和工业活动，占20.0%，以Cd、Co、V、As、Ni、Cr、Be和Sr为主；因子2为自然岩石成因源，占31.8%，以Al、Be、Sr、V、As、Ni、Co和Mn为主；因子3为城市道路尘再悬浮，占20.9%，以Fe、Pb、Zn、Al和Mn为主；因子4为尾气和非尾气交通排放，占26.3%，以Pb、Zn、Cd和Cu为主，并叠加历史工业沉降。人为来源合计约68%，岩石成因占31.8%。3.2.3 Toruń和Aarhus：Toruń的PCA三因子解释86.3%总方差，分别为Co-Cu-Ni交通与城市工业排放、Pb-Zn-Sr城市尘与大气沉降、Al-Fe-Mn岩石成因，三者贡献较均衡。Aarhus两因子解释84.0%总方差，因子1解释70.5%，将Al、Fe、Mn与Cu、Zn、Pb、Ni、Cr混合，表明自然吸附相与扩散城市输入共同控制；因子2为Sr，反映地质或农业来源。四城市形成从Ust-Kamenogorsk有色金属冶金主导，到Pavlodar燃烧与交通主导，再到Toruń自然与扩散城市源平衡，最后到Aarhus岩石成因基质占优的人为压力梯度。
3.3 环境风险评估：EF和I
geo一致显示污染梯度为Ust-Kamenogorsk > Toruń > Pavlodar > Aarhus。Ust-Kamenogorsk以Cd为主，Cd均值EF为9.7，表层12.7、20–25 cm为12.2，均值I
geo(Cd)为1.824，表层2.205、20–25 cm为2.645、40–45 cm降至0.623，指示强烈人为Cd沉降。Pb均值EF为3.7，Zn均值EF为3.1，呈表层富集。Toruń以Pb为主，均值EF为9.4，并随深度下降；Zn均值EF为6.23，Cd均值EF为4.04，Cd均值I
geo为2.254。Pavlodar总体富集低，仅Co达中等富集；Aarhus的Sr和Cu富集最高，其余元素多显示未污染至中等污染。
3.4 人体健康风险评估：Ust-Kamenogorsk风险最严重，成人总危害指数（THI）均值3.64，儿童7.91；Cr是主要非致癌驱动元素，成人HI均值2.110，Cd均值0.51但空间异质性大。致癌风险以As为主，成人As的CR为5.91 × 10
?4，Cr为1.44 × 10
?4，Cd为1.2 × 10
?5，成人TCR为7.53 × 10
?4，儿童TCR为1.41 × 10
?4。Pavlodar成人Cr的HI从2.179降至1.328，均值1.803；儿童As的HI均值2.076，Cr为1.447；成人THI均值2.43，儿童4.92。PAV №5成人THI表层达14.54，PAV №27在20–25 cm成人THI为10.44、儿童达28.88。Pavlodar成人TCR为4.92 × 10
?4，儿童TCR为9.16 × 10
?5。Toruń成人HI为1.48、儿童2.72，成人由Cr、Pb、Cd驱动，儿童由Pb、Fe、Cd、Cr、Co驱动；TN №2儿童HI为8.86–10.14，成人TCR为1.62 × 10
?4，该点15–30 cm成人CR为4.03 × 10
?4。Aarhus风险最低，但成人平均THI为0.95，儿童平均THI为1.81，累积多元素暴露在部分点位超过1；致癌风险最低。总体元素排序在哈萨克斯坦城市为As > Cr > Cd > Pb，在欧洲城市为As > Cd > Cr > Pb。
3.5 潜在生态风险指数（PERI）：Ust-Kamenogorsk多个点位和深度出现PERI ≥600，峰值1080–1790，Cd为主要驱动元素，Pb和Zn复合贡献。Pavlodar多数点位PERI为35–150，仅北部工业区邻近住宅点位达244。Toruń平均PERI为411.9，属相当高风险，但主要由化学储存与加工区附近单点№2驱动，该点RI为2400–3200，Cd的E
r均值282.1，贡献约三分之二城市生态风险。Aarhus PERI为19–297，均值94.4，属低风险，无点位达到PERI ≥300。
讨论部分总结：Ust-Kamenogorsk作为有色金属冶金中心污染负担最高；既往工业区受限采样可测得更高极端值，而全市广域采样更能代表居民暴露。Cd随深度下降指示近期人为累积，Be在Ulba Metallurgical Plant尾矿设施附近富集值得关注，因铍及其化合物被国际癌症研究机构（IARC）列为人类致癌物。Toruń风险由少数历史化学热点和Cd生态风险主导；Pavlodar污染受居民燃煤和冶金集群沉降影响。全球冶炼影响案例表明历史污染可长期持续，儿童对Pb和Cd更敏感。管理上应针对热点修复，控制粉尘、尾矿和渣场，交通源Pb和Zn可通过植物修复等措施降低，敏感设施应避开高污染区。局限包括城市间采样密度不平衡和单季节采样。
研究结论翻译：该跨区域研究首次基于受体模型比较了四座工业城市在 contrasting geological、监管和工业历史背景下的PTEs污染。结果确立污染梯度为Ust-Kamenogorsk > Toruń > Pavlodar > Aarhus，人体健康风险模式为Ust-Kamenogorsk > Pavlodar > Toruń > Aarhus。Ust-Kamenogorsk受污染最严重且呈系统性，PMF解析出六个可解释来源，包括有色金属冶金排放、燃煤、铅冶炼和岩石成因背景；Cd和Pb驱动风险并随深度持续，指示深层污染遗产而非近期表层负荷。Pavlodar呈更扩散的Cr和As驱动特征，居住区邻近热点指向受城市开发扰动的历史污染。欧洲城市中，Toruń风险集中于少数富含Cd和Pb的历史工业极端热点；Aarhus总体污染最轻，但显示多元素加和暴露可在单一元素未超标时接近或超过危害阈值。四座城市中As是致癌和非致癌风险最一致的驱动元素，Cd是生态风险主要贡献者，确定未来监测和监管优先方向。Cr作为健康风险驱动因素突出，尽管其来源多为岩石成因，说明风险指数权重取决于浓度和毒性而非来源，岩石成因Cr亦需健康关注。这些发现支持将住宅区、学校和公共绿地优先修复，并排除未来敏感土地利用；源解析可指导粉尘减排、历史尾矿和渣场封闭以及交通源Pb和Zn的植物修复。局限包括采样密度不平衡、单季节采样，未来应扩展Aarhus和Toruń采样网络并进行季节性重复采样，以区分短期沉降与持久深度稳定污染。
