基于贝叶斯分层推断揭示受采矿影响土壤中深度相关污染与金属(类)元素的垂直分布

《Environmental Pollution》：Depth-dependent contamination and vertical distribution of metal(loid)s in mining-affected soils: Insights from Bayesian hierarchical inference

　　

摘要

采矿尾矿周边的金属（类）污染可能延伸至更深的土壤层。然而，常规的分层比较往往无法区分依赖于深度的分布模式与站点层面的空间异质性，从而限制了地下环境风险的可靠评估。本研究结合地球化学富集指数与贝叶斯分层建模，对华中地区童旅山铜铁尾矿区域39个站点、3个深度层的114个土壤样本进行了分析，在考虑站点层面变异性的同时，表征了金属（类）（As、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb、Sb和Zn）的深度依赖性分布特征。结果表明，各元素存在显著的富集与垂直分异差异。铜（Cu）表现出最严重的污染，平均地球化学富集指数（I_geo）值为3.62，且在所有采样区间内均持续富集。锑（Sb）在各深度层均有富集，但经过站点层面校正后分异特征较弱。砷（As）和锌（Zn）表现出最清晰的后续深度对比特征，表现为表层富集、中层亏损及深层部分恢复。铅（Pb）呈现表层富集趋势，但该模式在考虑站点效应后有所减弱。钴（Co）和铬（Cr）表现出较弱的剖面尺度分异特征。铁（Fe）、锰（Mn）和镍（Ni）的垂直分异特征较为有限。在站点层面校正后，大多数金属（类）被归类为过渡性污染，表明代表性剖面特征有限。这些发现支持在该区域实施适应性的分层深度监测，并展示了概率推断方法如何为其他尾矿影响区域的评估提供参考，但需结合具体站点进行验证。

引言

采矿尾矿周边的金属（类）污染是全球持续存在的环境问题（Chon等，2011；Thomas等，2022）。采矿与冶炼活动通过淋滤、径流、大气沉降和毛细迁移等途径将金属（类）输入邻近土壤（Giljum等，2025；Liu等，2026b）。这些输入可能导致金属（类）在整个土壤剖面中累积。其深度分布特征反映了元素特异性行为、土壤性质及污染历史。解析这些分布特征及其在不同站点间的一致性，对于地下环境评估与监测具有重要意义（Avila等，2017；Liu等，2026a）。童旅山铜铁矿是中国中部重要的铜铁生产基地（Li等，2026）。既往研究显示，童旅山尾矿区域周边土壤中As、Cd、Cu、Pb、Sb和Zn含量偏高，并存在相应的生态与健康风险（Cai等，2015；Li等，2024）。因此，该区域为研究采矿影响下土壤剖面中金属（类）的垂直分布特征提供了适宜的研究场所。

多金属矿区附近的研究已广泛记录了水平分布特征与表层富集现象（Sodango等，2018；Vasic等，2024）。金属（类）的垂直迁移行为具有显著的元素特异性。铜（Cu）在长期淋滤作用下可能向深层迁移，而砷（As）常因铁铝氧化物的吸附作用而滞留于表层。锑（Sb）则可能因与富含氧化物相的亲和性而在各土壤层中持续存在（Betusová等，2026；Scherger等，2024）。然而，目前对垂直污染特征的描述仍主要依赖描述性统计、污染指数或独立分层比较。这些方法虽有助于污染筛查，但无法明确区分深度相关模式与站点间变异，可能导致对区域平均剖面特征的过度概括（Scherger等，2024）。

贝叶斯分层模型在环境研究中已得到广泛应用（Qian等，2010；Wright等，2022）。与传统混合效应模型类似，贝叶斯分层模型在估计共同深度效应的同时考虑站点层面偏差，从而分离平均垂直对比特征与站点间异质性（Gelman和Hill，2006）。然而，传统频率学分析所得的点估计、置信区间和p值无法直接表达某一采样深度区间浓度高于另一区间的概率。贝叶斯估计可提供深度效应与方差分量的后验分布，从而在统一框架下量化其不确定性（Brooks和Gelman，1998；Flegal等，2008）。这些分布支持对深度对比特征进行直接的概率陈述，例如深层采样区间浓度高于表层的概率。由此得到的方向性概率也为分类代表性深度模式提供了基础。利用相同的后验样本推导浓度比及组内相关系数，可将不确定性一致地传递至深度比较及站点间异质性贡献的估算中。尽管贝叶斯分层推断在环境研究中已得到广泛应用（Qian等，2010；Wright等，2022），但采矿土壤研究仍普遍采用描述性统计、污染指数或独立分层比较来描述垂直分布特征。

为弥补上述不足，本研究将地球化学富集指数（I_geo）与贝叶斯分层推断相结合，旨在区分童旅山尾矿区域周边土壤中依赖于深度的金属（类）分布特征与站点层面异质性。具体研究目标包括：（1）表征金属（类）富集特征及垂直变异；（2）推断元素特异性的深度对比特征及垂直分异强度；（3）量化站点层面异质性并分类代表性深度模式；（4）推导分层监测与站点管理方面的启示。本研究的创新之处在于，在考虑站点层面异质性的前提下，评估研究区域层面深度相关污染模式的支持强度。这为解读地下污染及指导分层监测提供了谨慎的科学依据。

章节片段

研究区域与样品采集

本研究在中国中部湖北省黄石市东南部的童旅山尾矿区域开展（图S1）。该区域位于长期受扰动的采矿景观中，包含尾矿储存设施、废弃及在役采矿相关土地、冶金工业区以及邻近农村地区。区域气候、土壤类型、采矿历史及主要污染源的详细信息已在既往研究中报道（Li等，2024；Liu

金属（类）富集与垂直分布

在所有样本中，各元素间及同一元素内的浓度均存在较大差异（表S2）。平均浓度范围为16.2毫克每千克（Ni）至37,578毫克每千克（Fe）。经区域背景值标准化后，铜（Cu）的整体富集程度最高（平均I_geo=3.62），其次为锑（Sb）（表S3）。As、Co、Cr、Pb和Zn的平均I_geo值也为正值，而Mn、Fe和Ni的平均I_geo值为负值。较高的变异系数及I_geo最大值

结论

本研究通过结合I_geo评估与贝叶斯分层推断，考察了童旅山尾矿区域周边土壤中金属（类）的深度相关富集特征及垂直分布。结果表明，金属（类）累积具有高度异质性，在富集强度及垂直剖面上均存在显著差异。砷（As）和锌（Zn）表现出最明显的平均深度对比特征，且总体浓度水平在站点间存在显著变异。钴（Co）和铬（Cr）

作者贡献声明

詹常林：数据整理。刘虹霞：数据整理。郑涵：调查。王震：调查。刘衫：论文初稿撰写、概念构思。李娅妮：论文审阅与编辑、形式化分析。陶敏：资源支持。康伟：资源支持

未引用参考文献

Post，1999。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢湖北省自然科学基金黄石创新与联合发展基金（2026AFC0019）、湖北省科学技术厅科技创新基地建设项目（2025CSA114）以及湖北省自然科学基金与黄石市联合支持项目（2023AFD030和2024AFD015）提供的资金资助。

此外，我们感谢

刘衫｜李娅妮｜陶敏｜詹常林｜刘虹霞｜郑涵｜王震｜康伟

湖北理工学院环境与工程学院，中国黄石 435003