西藏东部溪流沉积物中的微量元素污染：偏远高海拔环境中污染与生态风险的地质成因及大气控制

《Process Safety and Environmental Protection》：Trace element contamination in stream sediments of eastern Tibet: Geogenic and atmospheric controls on pollution and ecological risk in a remote high-altitude environment

　　

摘要

东西藏孕育了湄公河、怒江和长江的发源地，保障下游近 20 亿人口的用水安全，但其河流沉积物的地球化学本底状况仍完全未被表征。本研究基于 114 个表层沉积物样品，对西藏东部昌都主要河流系统的微量元素污染提出了系统的流域尺度表征。通过 ICP-MS 测定了 13 种微量元素（As、Cd、Co、Cr、Cu、Ge、Hg、Mo、Ni、Pb、Se、Sb 和 Zn）的浓度。采用地球化学累积指数（Igeo）、富集因子（EF）、沉积物质量准则（SQGs）和潜在生态风险指数（RI）评估了污染和生态风险。相对于西藏土壤本底，Hg、Cr、Ni 和 Cd 显示出最显著的富集（分别为 3.86 倍、3.51 倍、2.58 倍和 2.34 倍）。丁青子区域极端的 Cr 和 Ni 异常值（高达 6,816 和 2,107 mg/kg）与已知的铬镍矿床位置密切相关。镉在最大比例的样品中超过本底（91.2%），而汞显示出最高的富集倍数（本底的 3.86 倍），且由于其高毒性响应系数，主导了生态风险指数；其空间模式与班公错 - 怒江缝合带沿线热液矿化一致，并可能受到远距离大气沉降的贡献，尽管大气途径是根据空间模式推断而非直接证明的。总体而言，东西藏河流沉积物保持了比大多数中国河流系统更清洁的本底，平均 RI 为 279.9（中等风险）。这些发现建立了东西藏河流沉积物重要的地球化学本底，并强调了在矿化地形中解释污染时地质背景的关键重要性。

引言

河流沉积物中的微量元素污染已成为全球关键的环境问题，因为这些污染物在水生生态系统中具有持久性、生物累积潜力和生态毒理学意义 (Liang et al., 2023, Magesh, 2026, Kim et al., 2021, Zeb et al., 2024)。河流沉积物同时充当微量元素的汇和次级源，整合了跨时间和空间多样化的自然和人为过程输入。其地球化学组成提供了流域尺度污染的整合记录，这是仅靠瞬时水质测量无法捕捉的 (Copaja et al., 2026, Gao et al., 2025, Kumar et al., 2021, Wu et al., 2024)。一旦进入沉积物，微量元素可能在变化的物理化学条件下再动员，重新进入水柱和食物网，在那里对底栖生物、水生生物以及最终通过饮食暴露和生物放大对人类健康构成慢性风险 (Gao et al., 2023, Liu et al., 2021, Ye et al., 2024, Zheng et al., 2023)。其中，Pb、Hg 和 As 由于众所周知的神经毒性和致癌效应，尤为令人担忧人类健康，儿童和孕妇代表特别敏感的亚群。产前 Pb 和 Hg 暴露与胎儿生长受损和不良神经发育结果相关 (Yüksel et al., 2022)，这与人体组织中 Pb 累积的生物监测证据 (Arica et al., 2018) 以及可测量的 Hg 跨母体 - 胎盘 - 胎儿轴转移 (Yüksel et al., 2017) 一致。慢性 As 暴露携带致癌和其他毒理学风险，生物监测研究表明头发中 As 的累积随着暴露持续时间和吸烟习惯的增加而增加 (Yüksel et al., 2010; Yüksel et al., 2018)。这些健康风险强调了表征可能作为下游社区长期储库和次级暴露途径的沉积物中微量元素污染的重要性。因此，河流沉积物中微量元素污染的定量评估，包括浓度表征、污染指数、生态风险评估和来源识别，构成了基于证据的环境管理和保护水生生态系统完整性的基础 (Cao et al., 2025, Sojka and Jaskula, 2022)。

在全球范围内，河流沉积物是重金属的主要汇，污染模式由不同自然地质背景本底和人为输入之间的相互作用塑造。在工业化的欧洲和热带/亚热带河口系统，点源和面源人为来源——采矿、城市径流、疏浚、工业废水——往往占主导地位，Cd 通常被确定为关键的生态风险驱动因素 (Ashayeri et al., 2023, Dan et al., 2022, Jaskula and Sojka, 2022, Jeong and Ra, 2023, Jolaosho et al., 2023, Marziali et al., 2021, Mitrovi? et al., 2026, Sharifullin et al., 2026)。在东南亚和高海拔喜马拉雅河流系统，富含金属岩性的地质成因风化与日益加剧的农业、采矿和城市压力相结合，产生了复杂的多元素富集，特别是对于 Cr、Cu 和 As (Acharjee et al., 2022, Ali and Muhammad, 2023; Ali et al., 2022; Botle et al., 2024; Gopal et al., 2025; Gupta and Gupta, 2023; Islam et al., 2026; Jahan et al., 2024; Pandit et al., 2024; Pant et al., 2025; Siddique et al., 2021)。中国河流系统是全球研究最密集的，同样反映了自然和人为输入之间的相互作用，Cd 和 Hg 始终被确定为主要的生态风险贡献者 (Cai et al., 2024b, Chi et al., 2025, Fang et al., 2022, Kang et al., 2023, Li et al., 2022, Li et al., 2023, Li et al., 2025, Liang et al., 2025, Liu et al., 2024, Si et al., 2024, Wu et al., 2025, Zhao et al., 2025)。纵观这些文献，结合的 I_geo-EF-RI-SQG 框架已成为河流沉积物多指标污染和生态风险评估的首选方法 (Cai et al., 2023; Jeong et al., 2025; Li et al., 2022; ?ncü et al., 2025; Tokatl? et al., 2026; Ustao?lu et al., 2026; Yüksel and Ustao?lu, 2025)。

尽管全球关注度日益增加，但偏远地区高海拔、构造活动活跃的河流系统研究仍相对不足。青藏高原，被称为“地球第三极”，是世界上生态最敏感和地球化学最复杂的地区之一，孕育了包括长江、湄公河、怒江和雅鲁藏布江在内的主要亚洲河流系统的发源地，这些河流共同保障下游近 20 亿人口的用水安全 (Cai et al., 2023a)。高原独特的地质遗产，包括蛇绿岩超镁铁质杂岩体、多金属硫化物矿系统和沿活动缝合边界的热液矿化区，产生了大量的地质成因微量元素输入河流系统，同时其高海拔位置使其成为来自南亚和东亚人为来源的汞和其他污染物远距离大气沉降的关键汇 (Su et al., 2023, Yin et al., 2016, Kang et al., 2016)。采矿、基础设施发展和城市化加速的人类压力进一步复杂化了这一局面 (Cai et al., 2024a)。然而，现有研究在地理上仍是碎片化的，通常局限于单一河流系统或小流域，很少系统性地解决西藏东部昌都市地区，那里班公错 - 怒江缝合带、三江成矿带和三江并流系统汇聚，形成了中国最复杂的多金属地质地形之一。因此，地质成因矿化、蛇绿岩风化、大气 Hg 沉降和新兴人为干扰对西藏东部河流沉积物微量元素富集的相对贡献仍未量化，考虑到该环境的生态敏感性及其与下游国家的水文连通性，这是一个重要的知识空白。

本研究通过对从西藏东部昌都市主要河流系统收集的 114 个河流沉积物样品进行全面的多元素地球化学调查来解决这一知识空白。具体目标是：(1) 绘制该地区主要排水系统中 13 种微量元素（As、Cd、Co、Cr、Cu、Ge、Hg、Mo、Ni、Pb、Se、Sb 和 Zn）的空间分布并量化浓度特征；(2) 使用地球化学累积指数（Igeo）和富集因子（EF）定量评估污染水平，以锗作为地球化学上合理的标准化元素；(3) 根据国际建立的沉积物质量准则（SQGs）评估微量元素浓度的生物意义，并使用潜在生态风险指数（RI）量化生态风险；(4) 通过整合空间分布模式、地球化学关联和地质背景，评估地质成因和大气贡献对微量元素富集的相对可能性。结果提供了西藏东部河流沉积物的流域尺度、系统采样的地球化学本底，并为控制受复杂多金属地质背景和远距离大气沉降影响的原生高海拔河流系统中微量元素循环的机制提供了新的见解。

章节片段

研究区

研究区位于中国西藏自治区东部昌都市（图 1）。昌都覆盖约 110000 km2，位于青藏高原东南部，是青藏高原和横断山脉之间的关键过渡区。该区域以崎岖地形、深切峡谷和显著的地形起伏为特征，海拔从约 2,100 m 到超过 6,400 m 不等。

昌都在水文上

整体浓度特征与本底对比

在分析的 13 种元素中，Mo、Ge、Se、Pb 和 Zn 的平均浓度处于或低于各自的西藏本底值，平均/BV 比分别为 0.55、0.77、0.88、0.90 和 0.96（表 1）。这表明这些元素在整个研究区域广泛存在自然水平。相比之下，其余八种元素显示出平均浓度在不同程度上超过其本底值。相对于...最显著的富集

结论

本研究基于 114 个表层沉积物样品，对西藏东部昌都市河流沉积物中 13 种微量元素污染提出了系统的流域尺度地球化学表征。得出以下结论：

• (1)
  相对于西藏土壤本底，记录到 Hg（3.86 倍）、Cr（3.51 倍）、Ni（2.58 倍）和 Cd（2.34 倍）的富集最为显著，而 Mo、Ge、Se、Pb 和 Zn 显示出平均浓度处于或低于本底，

未引用参考文献

(Ali et al., 2022, Cai et al., 2023b, Cao et al., 2025, Islam et al., 2023, Li et al., 2023, Li et al., 2022, Yüksel et al., 2026, Zhang et al., 2023, Hao et al., 2022)

CRediT 作者贡献声明

Shihui Zhou: 可视化、方法论。 Shehong Li: 监督、资金获取。 Zhenjie Zhao: 写作 - 初稿、资金获取、概念化。 Mingguo Wang: 调查、资金获取、正式分析、数据管理。 Nana Wang: 写作 - 审查 & 编辑。 Qiao Han: 方法论、正式分析。 Wentao Yang: 写作 - 审查 & 编辑。 Qingqing Sun: 写作 - 审查 & 编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由中国国家自然科学基金（42277252）、中国地质调查局项目（DD20190534）和贵州省基础研究计划（自然科学）（MS[2025]537）资助。

Zhenjie Zhao|Mingguo Wang|Nana Wang|Qiao Han|Wentao Yang|Qingqing Sun|Shihui Zhou|Shehong Li