《Environmental Research》：Analysis of metal ion content and sources in water bodies of a typical mining area in China
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摘要在全球能源需求不断上升以及跨界环境污染日益严重的背景下，煤炭开采带来的重金属污染构成了重大的环境风险，因此需要加强治理，以确保水资源安全与生态可持续性。本文对中国典型的能源基地——陕西省神木市的水体中锂、铁、锰、铅、铬、镉、铜和砷的浓度、空间分布及污染源进行了系统分析。通过高
摘要
在全球能源需求不断上升以及跨界环境污染日益严重的背景下，煤炭开采带来的重金属污染构成了重大的环境风险，因此需要加强治理，以确保水资源安全与生态可持续性。本文对中国典型的能源基地——陕西省神木市的水体中锂、铁、锰、铅、铬、镉、铜和砷的浓度、空间分布及污染源进行了系统分析。通过高密度采样（299个水样），结合GIS空间插值、相关性分析以及主成分分析，确定了这些重金属的来源及其生态风险。研究结果显示，部分样本中铁、锰、铬和砷的最大浓度分别超过了《地表水环境质量标准》规定限值的5.5倍、9.3倍、10.3倍和10.3倍。平均潜在生态风险指数为44.54，表明整体生态危害程度较轻，但铬、镉和砷在某些区域的生态风险系数已达到较高危害水平。相关性分析和源头分析表明，铁、锰和铅主要来源于煤炭开采和工业活动，而锂和砷的异常富集则与人类高强度活动有关。研究建议在污染严重的地区建立动态监测网络，并制定差异化的防控策略，以在能源发展与生态保护之间实现平衡。
引言
由于资源过度开采，尤其是煤炭开采以及由此产生的重金属排放，水污染已成为全球性且长期存在的环境问题（Githaiga等人，2021）。煤炭开采、洗选和燃烧等活动会释放出铬、砷、镉等重金属，这些污染物通过大气粉尘和废水进入土壤和河流沉积物中，破坏水生生态系统，并通过食物链的生物积累威胁人类健康（Kim等人，2006；Tutic等人，2015；Zhang等人，2021）。Nie等人（2025）在中国西南部一个典型的黄铁矿矿区也发现了类似情况，酸性矿井排水导致铁、锰、镉等重金属大量排放到地表水和沉积物中，带来了严重的生态风险。
近年来，非化石能源的比例虽有所上升，但由于技术和自然条件的限制，在未来20年内化石能源仍将是保障能源安全的核心力量（Qi等人，2020）。中国的能源结构以煤炭为主，石油和天然气储量相对不足，这使得中国累计煤炭产量已超过1000亿吨。这一情况支撑了中国年均9%以上的经济增长速度，同时也使得煤炭产业深度融入了各个经济领域（Fang等人，2025；Yang，2024）。因此，过度采矿所带来的生态和环境问题愈发突出，其中水中的重金属污染已成为制约矿业地区可持续发展的关键因素（Wang等人，2018）。全面了解这些污染物的空间分布、来源及生态风险，对于全球资源依赖型地区的有效环境管理至关重要。
对世界各地主要煤炭产区的研究表明，煤炭开采区的水体中往往存在重金属元素的高浓度现象。例如，印度贾里亚煤田的达莫达尔河中，沉积物中的铬浓度高达124.2微克/升，空间变异系数为68.3%（Tiwary，2001）。韩国汉江流域的锰污染中，有42.4%源自工业活动（Im等人，2022）。在中国陕西北部的库峪河流域，镉的潜在生态风险指数高达320.6，远超过安全阈值，且与煤炭开采强度呈显著正相关（Chen，2016）。由于重金属具有持久性、生物累积性和毒性，因此会带来长期威胁（Tutic等人，2015）。然而，目前的科学研究大多集中在土壤或流域尺度上，对于县级能源基地内多个水体的系统研究还存在不足。
中国西部的“能源金三角”地区包括山西、陕西、内蒙古、宁夏、甘肃和新疆，拥有全国76%的煤炭产能（Zou等人，2016）。Yin等人（2024）进行的全国性研究表明，中国各地普遍存在矿业造成的水污染问题，虽然南方地区更为严重，但北方的一些重要能源基地，如陕西，也存在污染隐患。要全面了解这一问题，就需要从不同的暴露途径来分析风险。在工农业混合区开展的研究表明，考虑多种污染源的健康风险评估具有重要意义。陕西省榆林市的神木市是中国最大的煤炭生产县，过去十年间为全国提供了7.2%的原煤产量，每年的矿井排水量高达3.8×10^8立方米（Sun等人，2021）。尽管污染控制措施有所改善，但对于这类人口密集的县级能源基地的水体中金属来源及风险的系统研究仍然有限（Zhang等人，2023）。此外，关于煤炭开采产生的传统污染物，如铁、锰、铬和砷，与新能源产业产生的新污染物，如锂，之间的相互作用机制也了解不多。锂在全球水体中的检出率日益升高，美国的一项全国性研究发现，许多地下水和地表水样本中的锂含量已超过安全标准，这使其成为一种日益受关注的污染物。鉴于传统饮用水处理工艺对锂的去除效率较低，因此控制其源头显得尤为重要（Sharma等人，2022）。
综上所述，虽然煤炭开采区重金属污染的空间异质性和来源复杂性已有较多研究，但仍有诸多关键问题有待解决。大多数研究仅聚焦于土壤或流域尺度，缺乏对县级能源基地内各类水体——如矿井排水、饮用水、地表水——的全面分析，尤其是在新兴污染物如锂的纳入方面。此外，传统煤炭开采与新兴新能源产业之间的协同环境效应，在精细空间尺度上的研究也十分有限。
因此，本研究选择神木市作为典型的县级能源基地进行研究。首先分析了锂、铁、锰、铜、砷、铬、镉和铅的浓度及空间分布特征；其次，通过多种指标评估了这些污染物的污染程度及潜在生态风险；第三，运用高级统计方法和受体模型，量化了自然风化、煤炭开采、工业排放、农业径流以及新能源开发等多种来源对污染的贡献程度；最后，提出了制定针对性污染控制策略的科学建议。本研究旨在阐明传统能源产业与新兴能源产业共同对水环境造成的影响，同时为全球其他类似的高能耗地区提供可借鉴的框架。
章节节选
研究区域
陕西省榆林市的神木市位于陕西省北部，黄河中游地区（见图1）。该地处于黄土高原的黄土丘陵沟壑区向毛乌素沙地过渡地带，草原与森林过渡区向典型干旱草原过渡，以及黄土丘陵的水蚀区在河流作用下向鄂尔多斯高原的风蚀区过渡的区域。
重金属含量及空间分布特征的统计分析
表4展示了研究区域内近300个样本的金属含量情况。总体来看，研究区域水体中重金属超标的情况并不多见。镉和铜的含量处于可接受范围内，而其他重金属的超标率依次为：铁（5%）=锰（5%）>铬（2%）>铅（1%）=砷（1%）。这说明研究区域水体中铁和锰的超标率相对较高，而砷、铅、镉等有害重金属则几乎没有超标情况。
重金属含量及空间分布特征的统计分析
研究区域水体中铁和锰的超标率为5.4%。高浓度区域多集中在工业园区，这与煤炭洗选厂和煤化工企业的分布高度重合。这一结果与华东地区湖泊的研究结果一致，那里的工业活动被认为是导致水体中铁和锰浓度升高的主要原因（Tian等人，2024）。这也进一步证实，与煤炭开采相关的活动是造成这些重金属污染的关键因素。
结论
该能源基地水体中的重金属污染存在明显的空间异质性。铁、锰等元素浓度较高的区域，与煤炭洗选和化工产业活动较为集中的区域有着很强的空间对应关系。而铬和砷的富集则与煤炭开采产生的废水排放有关，同时还可能受到当地地质条件的影响。锂和砷的异常富集现象则
CRediT作者贡献说明
Boya Tong：数据收集、方法设计、软件应用、初稿撰写。Jun Fan：指导监督、文章修改与润色。Yuan Sun：数据收集、结果可视化。
利益冲突声明
作者声明可能存在以下财务利益或个人关系，这些可能被视为利益冲突：Boya Tong表示得到了中国科学院提供的资金支持、文章发表费用、实验设备、药品或试剂，以及写作方面的帮助。Boya Tong还提到得到了神木市水利局提供的资金支持、设备、药品或试剂以及差旅费用。Jun Fan则表示与中国科学院存在某种合作关系。
致谢
本研究得到了中国科学院的战略重点研究计划（编号：XDA23070202）以及中国神木市水利局的相关项目（编号：SMSL2023QQZX2301）的支持。
Boya Tong|Jun Fan|Yuan Sun
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，邮编712100
