《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Distribution, Risk Assessment and Transport Mechanisms of Heavy Metals in Typical Regions of the Tibetan Plateau
编辑推荐：
摘要青藏高原拥有极为脆弱的高山生态系统，这类生态系统对重金属污染极为敏感，但目前关于重金属从废弃物中通过多种介质迁移的研究仍较为有限。本研究选取了森林灌木区、草地灌溉区和灌木草甸区这三个典型采样区域，收集了废弃物、土壤、地表水及地下水样本，并通过三步顺序浸出法分析了铬、镉、铅、汞
摘要
青藏高原拥有极为脆弱的高山生态系统，这类生态系统对重金属污染极为敏感，但目前关于重金属从废弃物中通过多种介质迁移的研究仍较为有限。本研究选取了森林灌木区、草地灌溉区和灌木草甸区这三个典型采样区域，收集了废弃物、土壤、地表水及地下水样本，并通过三步顺序浸出法分析了铬、镉、铅、汞和砷的形态特征。研究还运用地球积累指数、生物有效性指数以及潜在生态风险指数来评估重金属污染程度。通过多元统计分析探究了重金属的来源及其在不同介质中的迁移规律，同时利用HYDRUS-1D模型模拟了在不同气候条件下去金属离子的垂直迁移过程。研究结果表明，所有样本中的重金属浓度均高于当地土壤背景值，其中铬、铅、汞和砷主要存在于残留相中，而镉则具有较高的生物有效性。生态风险评估显示，38%的采样点存在严重或更高的生态风险，其中镉和汞是主要的风险来源。模拟结果表明，镉的迁移以及地下水的渗透会受到废弃物堆放高度的影响，而季节性的冻融循环会进一步加速这一过程，从而给高原地下水带来长期的生态风险。本研究明确了重金属潜在风险与多介质迁移之间的关联，同时也解释了在人为干扰下青藏高原上重金属不同的迁移和活化机制。
引言
青藏高原拥有全球最为脆弱的生态系统之一，其独特的地质结构、气候条件及生态特征使其对人类活动引发的环境变化极为敏感[33]、[48]、[51]、[57]、[9]。该地区的地形特征与大气环流相互作用，形成了典型的高原山地气候，且气候垂直差异明显。从温暖潮湿的河谷到被冰雪覆盖的高山地带，这种独特的气候格局造就了永久冻土带和季节性积雪区，进而形成了冰川-草甸-森林的垂直生态梯度。大量的工程活动产生了大量废弃物，这些废弃物已成为青藏高原上重要的人为干扰因素。此外，青藏高原本身的重金属背景值就处于较高水平，而废弃物中的重金属浓度通常又高于当地土壤，这进一步加剧了生态风险。
青藏高原的成土母质以及人类活动使得该地区重金属的含量显著高于全球平均水平以及大陆地壳上层的相关数值，其中包括砷、镉、汞和铬[15]、[18]、[29]、[3]、[47]。这些重金属的影响甚至波及到了冰川以及上下游流域[20]，因此重金属污染问题已成为影响该地区生态安全的重要因素。青藏高原上重金属的空间分布及其潜在来源既受到地质背景、土壤性质和土地利用模式等自然因素的影响，也受到人类活动的干扰[27]、[5]。镉、砷和铜等元素在该地区表现出明显的富集特征[49]。某些元素的富集可归因于地壳演化过程[59]，而高地球化学背景区域表土中重金属的来源则尚未得到充分阐明[6]。因此，深入研究废弃物中重金属的形态、迁移路径及其潜在危害，对于在保障生态保护的同时合理开展人类活动至关重要。
目前，已有多种用于评估土壤中重金属生态风险的方法，比如地球积累指数、污染负荷指数、潜在生态风险指数以及人类健康风险评估等方法，都被广泛用于评价土壤中重金属的生态风险水平[1]、[13]、[17]、[21]、[28]。由于重金属的化学形态直接影响其生物活性，因此顺序提取法被广泛用于分离土壤基质中金属的不同化学形态。此外，BCR顺序提取法以及标准测量测试计划所提出的顺序提取方案也被用来更准确地评估重金属的环境行为。那些与环境介质结合力较弱的重金属往往具有较高的生物有效性，而较高的生物有效性往往会导致较高的环境风险[38]。在健康风险评估中，重金属的生物可利用性分数是一个更为可靠的参数。除了镉之外，大多数重金属主要存在于残留相中，而镉则具有极高的潜在生态风险，且人类活动是沉积物中重金属的主要来源[19]、[53]。目前还有较少研究运用相关性分析、主成分分析和聚类分析等方法来进行重金属来源的判定及多元统计分析，不过这些统计方法能够有效揭示重金属的来源关系及其分布规律，为污染源的追踪和控制提供科学依据。
青藏高原的独特性在于高空大气沉降作用与人类活动共同造成的影响[56]、[22]。然而，现有研究并未系统分析废弃物-土壤-水体污染链中的风险传递路径。人类活动，尤其是基础设施建设如地基挖掘和废弃物堆放，会暴露岩石，加剧风化作用，进而促进重金属的释放和迁移[10]。废弃物带来的不良环境影响还包括土地利用类型的变化[11]、土地资源遭到破坏[41]（尤其是耕地和林地），以及有害物质通过渗滤导致土壤污染[40]。目前大多数研究都集中在废弃物堆放场的设计、水土保持以及废弃物的资源化利用方面，而很少有研究关注工程建设过程中渗出的废弃物对青藏高原水体和土壤的影响。HYDRUS系列模型因其能够有效描述非饱和带中水流与溶质之间的耦合过程，而被广泛用于模拟重金属的垂直迁移现象[23]、[25]、[26]。此外，高山雪区的冻融循环还会增加土壤的渗透性，进而加速重金属的向下迁移[52]。
先前的研究表明，青藏高原土壤中的重金属污染处于中等风险水平，部分区域的污染情况较为严重[37]、[50]、[55]，但废弃物中所含重金属的生态风险及其在多介质中的迁移规律仍不十分清楚。因此，本研究旨在探讨青藏高原上天然存在的重金属的来源-迁移-聚集机制，以补充现有的相关研究。
本研究的主要目标如下：1）对废弃物、土壤、地表水及地下水进行同步且同位点的采样，再利用一系列生态风险评估指标来分析研究区域内重金属的分布状况、生物有效性以及潜在风险；2）通过多元相关性分析和聚类分析，确定重金属在多种环境介质中的来源-汇关系及其共性特征；3）运用HYDRUS-1D模型模拟镉在非饱和带中的垂直迁移过程及其长期渗滤风险，进而量化镉从废弃物向地下水的迁移通量及其聚集过程。
内容节选
样本采集
根据青藏高原的生态系统类型及人类活动特征，本研究选择了森林灌木区、草地灌溉区和灌木草甸区作为采样地点（见图1）。其中，森林灌木区平均海拔低于3000米，该区域以亚高山寒湿森林和灌木丛为主，因其优美的风景而成为著名的旅游区[7]。草地灌溉区位于水资源匮乏的干旱河谷地带，这里以灌木-草原植被为主，拥有独特的耐旱生态系统，但其环境条件较为有限
废弃物与土壤中的重金属分布
在森林灌木区采集的废弃物中，铬和砷的平均总浓度均低于背景值，而铅的平均总浓度略高。镉和汞的平均总浓度则比背景值高出一个数量级，分别为0.213毫克/千克和0.447毫克/千克。在草地灌溉区采集的废弃物中，没有检测到汞的存在，铬的总浓度低于背景值，而铅的浓度则
聚类分析
本研究采用以欧几里得距离作为相似性度量的沃德聚类法，构建了欧几里得-沃德联结树状图，从而系统分析了地表水、地下水、土壤以及废弃物中重金属的来源相关性及其迁移特征，揭示了它们在岩石-土壤-地下水-地表水系统中的迁移规律以及人类活动对其产生的影响。
土壤和废弃物中重金属的F2相和F3相在聚类结果上存在高度重叠（
废弃物中重金属的迁移路径
为减少区域地质背景和水分补给对聚类分析结果的干扰，本研究采用了HYDRUS-1D数值模拟方法，定量分析了在不同废弃物堆放高度以及季节性冻融条件下，来自废弃物的镉的独立迁移风险。考虑到废弃物堆放场的阶梯状特征，本研究模拟了重金属镉在土壤非饱和带中的向下渗透和迁移过程
结论
本研究调查了青藏高原上同步采集的废弃物及其相关土壤中铬、镉、铅、汞和砷的分布情况、化学形态以及生态风险，重点研究了在常规气候条件以及季节性冻融条件下，镉离子从废弃物中通过非饱和带迁移的路径。研究结果表明， Among the studied metals,镉的迁移能力及生物有效性最高，有38%的采样点存在严重或更高的生态风险，其风险形成主要受
作者贡献说明
韩景瑞：负责原文撰写——初稿撰写、方法研究、数据收集、正式分析以及数据整理工作。王进：负责监督工作以及资源协调。丁国宇：负责监督工作以及项目管理工作。姚冠哲：负责数据整理工作。郭志森：负责数据整理工作。周艳梅：负责原文撰写——审稿与编辑、监督工作、资源协调以及研究构思工作。聂梦凡：负责数据整理工作。
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中央高校基本科研业务费（2026JBZD021）、中国山东省科技股权投资计划（2026TSGCXBHG012）以及中国国家铁路集团公司的科技研发计划（K2025Z001、2025F006、J2025Z407）的支持。
Jingrui Han|Yanmei Zhou|Mengfan Nie|Guanzhe Yao|Zhisen Guo|Jin Wang|Guoyu Ding
北京交通大学碳中和与环境学院，中国北京市海淀区100044
