《Environmental Challenges》：Pollution Indices and Ecological Risk Assessment Associated with Potentially Toxic Elements in Irrigation Sediments of Usangu Agro-Ecosystem
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灌溉农业景观越来越多地被认为是营养物质富集和微量金属或潜在有毒元素（PTEs）积累可能威胁土壤健康、食品安全和下游生态系统的关键界面。然而，对撒哈拉以南非洲不断集约化的灌溉系统中的沉积物地球化学的定量评估仍然稀缺。在此，研究人员调查了坦桑尼亚南部最重要的水稻产
灌溉农业景观越来越多地被认为是营养物质富集和微量金属或潜在有毒元素（PTEs）积累可能威胁土壤健康、食品安全和下游生态系统的关键界面。然而，对撒哈拉以南非洲不断集约化的灌溉系统中的沉积物地球化学的定量评估仍然稀缺。在此，研究人员调查了坦桑尼亚南部最重要的水稻产区之一的乌桑古盆地灌溉沉积物中PTEs的空间分布和环境风险。从姆巴利区的7个灌溉方案中总共收集了48个复合沉积物样本，即Mubuyuni、Igalako、Chang'ombe、Uturo、Kapunga、Mahongole和Ukwavile。这些方案被分为两组（以农业区为主的第一组和以居住和农业区为主的第二组），并通过王水消解后进行电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析来测定理化性质和PTEs（Cr, Pb, Cd和Co）。基于正态性检验，方案组之间的统计比较采用参数（独立样本t检验）和非参数方法，并辅以效应量计算来评估观察到的差异的实际程度。沉积物pH值范围从4.94到6.96（平均5.66 ± 0.57），反映了热带水稻土典型的中等酸性条件。Cr、Pb、Cd和Co的平均浓度分别为0.006、0.756、0.101和1.224 mg/kg。Cd表现出最显著的空间变异性，受居住和农业混合土地利用影响的灌溉方案（0.132 mg/kg）中的浓度比以农业为主的方案（0.091 mg/kg）高45%。尽管存在这些差异，测得的浓度仍远低于国际沉积物质量指南限值，表明当前的污染有限。污染指数进一步证实了较低的环境风险，污染因子（CF < 1）、地质累积指数表明沉积物未受污染（Igeo < 0），总体污染负荷指数为0.0028。相关性分析表明，营养物质富集和PTEs的出现可能部分反映了肥料输入、灌溉沉积物运输和当地土地利用相互作用的综合影响。虽然当前的污染水平仍然较低，但观察到的Cd富集突出了在集约化灌溉水稻系统中PTEs逐渐积累的潜力。这些结果提供了乌桑古盆地灌溉沉积物地球化学的首次盆地尺度基线评估，为坦桑尼亚灌溉景观的环境监测、可持续肥料管理以及水土资源的长期保护提供了关键证据。
潜在有毒元素（PTEs，指对生物体具有潜在毒性的化学元素）在农业生态系统中因其持久性、不可生物降解性和毒性而成为主要环境问题。农业集约化、城市扩张等活动加速了PTEs向环境中释放。在灌溉农业生态系统中，沉积物既作为污染物的汇，也是次级污染源。坦桑尼亚等发展中国家近年来为满足粮食需求，农业集约化加剧，肥料和农药使用量增加。乌桑古农业生态系统是该国最重要的灌溉农业景观之一，过去三十年经历了显著的农业集约化和交通发展，可能增加有毒元素向灌溉网络的输入。然而，当前对该盆地灌溉沉积物中PTEs污染和生态风险的信息匮乏，已有评估多集中于水和土壤，未能全面反映沉积物的积累与释放动态。针对这一知识空白，研究人员开展了相关评估，论文发表在《Environmental Challenges》上。研究得出结论，沉积物中PTEs浓度普遍较低，目前处于未受污染和低生态风险状态，但观察到镉在居住与农业混合利用区存在富集现象。这项研究的意义在于提供了乌桑古盆地灌溉沉积物地球化学的首次盆地尺度基线评估，为环境监测、可持续肥料管理和水土资源长期保护提供了重要科学证据。
研究人员在乌桑古盆地采用分层随机采样方法，从姆巴利区的7个灌溉方案（包括Mubuyuni、Igalako、Chang'ombe、Uturo、Kapunga、Mahongole和Ukwavile）采集了48个复合沉积物样本，并根据土地利用特征将方案分为以农业为主的第一组和以居住与农业混合的第二组。在样本处理中，采用王水消解法提取元素，随后利用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES，一种用于测量溶液中金属元素浓度的光学发射光谱技术）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS，一种高灵敏度的元素分析技术）分析PTEs的浓度。统计分析采用独立样本t检验和Mann-Whitney U检验比较组间差异，并辅以效应量计算。
Physicochemical properties of irrigation sediments
通过测定酸碱度和营养元素浓度发现，沉积物pH值介于4.94至6.96之间，呈现热带水稻土典型的中等酸性条件；第二组pH略高，可能受居住区石灰质建筑材料径流等缓冲影响。总氮和磷的浓度反映了与长期水稻种植施肥相关的营养物富集。
Distribution of PTEs in irrigation sediments
通过测定元素浓度得出，钴的平均浓度最高，铬的浓度极低。值得注意的是，第二组灌溉方案中的镉浓度比第一组高出约45%，表现出与居住区土地利用相关的富集趋势。
Spatial variation of PTEs across irrigation schemes
通过对比各方案的元素浓度，发现土地利用类型、农业实践和灌溉水源差异导致了PTEs的空间变异性。例如，Ukwavile和Igalako方案的镉浓度最高，表明混合用地带来了额外的镉输入，如生活废水或肥料残留。
Pollution indices and environmental risk assessment
通过计算污染因子（CF，反映重金属富集程度）、地质累积指数（Igeo，评估金属积累程度）、污染负荷指数（PLI，综合评估总体污染状况）和生态风险指数（ER，评估潜在生态威胁），得出所有PTEs的CF均小于1，Igeo均为负值，PLI远低于阈值1，ER处于低风险范围。这证实了研究区域目前未受显著污染，但镉对生态风险的贡献相对最大。
在讨论部分，研究人员指出沉积物的中等酸性反映了热带水稻土在淹水条件下的特征，而居住区的缓冲作用提高了混合用地区域的pH值。在混合居住与农业区观察到的显著较高的镉浓度表明了人为来源的可能影响，尤其是可能含有杂质镉的磷酸盐肥料的使用。尽管镉浓度仍低于国际限值，但其在水稻土干湿交替条件下的高迁移率和生物有效性，引起了对食品安全和长期积累的担忧。多变量分析也表明，虽然整体污染水平低，但特定居住关联参数具有显著的环境和公共健康权重。这提示在未来的环境管理中，需针对镉实施定向监测。
在结论部分，研究人员总结道：本研究评估了乌桑古农业生态系统灌溉方案沉积物中PTEs的水平。结果表明，铬、铅、镉和钴的浓度在各个方案中有所变化但总体偏低。所有PTEs的污染因子值均低于1，表明整个研究区域处于低污染水平；然而，相较于其他元素，镉显示出相对较高的污染因子值，表明在沉积物中存在更大程度的富集。污染负荷指数值大约在0.001到0.032之间，总体平均值约为0.013，证实所有灌溉方案的沉积物目前均处于无污染状态。同样，使用Hakanson指数进行的生态风险评估范围为5.0至18.5，属于低生态风险类别。各灌溉方案的污染指数存在显著的时空变异，表明PTEs输入存在局部差异，这可能与农业活动、灌溉水源和沉积物运输动态有关。因此，研究结果表明，乌桑古农业生态系统的灌溉沉积物目前未经历显著的PTEs污染，生态风险极小。尽管当前PTEs污染水平较低，但仍建议采取措施以确保灌溉系统和周围农业环境的长期可持续性。应定期监测沉积物、灌溉水和农业土壤中的PTEs，以发现污染水平的潜在变化。由于镉表现出相对较高的富集，应努力促进农用化学品和肥料的负责任使用，特别是可能含有PTEs杂质的磷酸盐肥料。此外，需改善灌溉水源管理和沉积物控制，以减少灌溉渠道中潜在污染物的积累和运输。将环境监测与可持续农业实践及政策支持相结合，将有助于在不断加剧的农业集约化下，保护乌桑古农业生态系统的生态完整性和生产力。
