基于成分数据分析的巴基斯坦印度河高速公路（N-55）沿线路边尘中若干潜在有毒元素的污染水平、生态健康风险及来源解析

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Contamination levels, eco-health risks, and source identification of some potentially toxic elements in roadside dust along the Indus Highway (N-55), Pakistan using compositional data analysis

　　

• 在印度公路N-55沿线采集了四十个路边尘埃样品用于PTEs评估。 • Pb的污染因子最高；90%的样品污染程度非常高。 • PLI显示总体污染程度较低，但PERI揭示了局部生态风险。 • 蒙特卡洛危害指数对于儿童为1.70，对于成人为0.21。 • PCA-CoDa和HCA揭示了混合的成因来源和交通相关的PTE来源。

引言

潜在有毒元素（PTEs）通常被定义为密度大于5 g cm?3的元素，由于其持久性、毒性和在陆地和水生系统中生物累积的潜在性，是环境科学中重要的微量元素（Arokiasamy等，2023）。Cd、Cu、Pb、Cr、Ni、Zn和Co等元素在路边沉积物中经常被检测到，其来源既包括天然成因源，也包括与运输走廊相关的人类活动（Hayat等，2025）。因此，路边沉积物是反映岩性、风化过程、土地利用和机动车排放之间相互作用的重要环境档案（Amin等，2025；Bashir等，2023）。然而，在陆地生态系统中，运输走廊沿线潜在有毒元素（PTEs）的积累是一个特别的环境问题，因为路边沉积物既可以充当污染物的汇，也可以作为二次污染源。其持续积累、随后的再活化以及向相邻土壤和排水系统的输送会改变陆地环境的自然地球化学平衡，特别是在经历快速城市化和交通压力增加的地区（Hosseini和Sobhanardakani，2024）。

交通网络是城市和近郊环境中潜在有毒元素（PTEs）的主要面源。潜在有毒元素通过刹车片和轮胎磨损、燃料燃烧残留物以及大气沉降积累在路边沉积物中，而当地地质构造和土壤风化进一步增加了其本底浓度（Choudhury等，2025；Nduka等，2023；Zhong等，2026）。在全球范围内，快速发展中地区因交通密度和基础设施扩张的增加，路边沉积物中PTEs及相关污染物浓度升高的报告不断涌现（Choudhury等，2025；Lee等，2025；Nduka等，2025，2023；Zhong等，2026）。由于这些沉积物可被径流和风蚀重新活化，它们在周围环境系统中的污染物再分布中发挥着重要作用（Vlasov等，2022）。来自墨西哥、伊朗、孟加拉国、印度、巴基斯坦和中国等国家的研究表明，路边沉积物污染受到交通强度、土地利用、工业化、大气沉降和区域地质学的复杂相互作用控制（Aguilera等，2026；Amin等，2025；Han等，2025；Hayat等，2025；Hosseini和Sobhanardakani，2024；Joshi等，2026；Kormoker等，2021）。然而，PTE积累的规模和来源特征不能直接推广到不同地区，因为交通走廊在地质环境、气候条件、交通组成、城市开发和周围土地利用模式方面存在很大差异（Hayat等，2025）。

潜在有毒元素被认为是最危险的环境污染物之一，因为它们不可降解，即使在相对较低的浓度下也可能造成生态毒性（Abdelmonem等，2025）。其生物可利用部分可能影响生态系统稳定性，并通过摄食、吸入和皮肤接触途径对健康构成风险（Yuan等，2025）。人类通过受污染的路边尘埃暴露于PTEs可能对身体多个生理系统产生不利影响，具体取决于元素种类、暴露浓度、暴露途径和持续时间（Hosseini和Sobhanardakani，2024；Sobhanardakani等，2018）。Pb和Cd的慢性暴露与神经、肾脏、心血管、发育和骨骼效应有关，而Cr(VI)和某些镍化合物的暴露可能导致呼吸毒性和致癌风险（Howard等，2024）。尽管Cu和Zn是必需元素，但过量暴露也可能在浓度超过生理需求时产生不利影响。在路边尘埃中常见的几种PTE，包括Cd、Cr和Ni，存在致癌风险，而Cu、Zn和Mn的过量暴露可能影响神经和生理功能（Kabir等，2022b；Yuan等，2025）。因此，路边沉积物的地球化学表征为环境质量评估和潜在暴露途径提供了重要见解。除了确定是否存在污染外，区分天然来源的金属浓度和人为富集部分，以及确定观测浓度是否代表生态或健康风险也很重要（Hosseini和Sobhanardakani，2024）。这种综合评估对于毗邻主要公路的陆地生态系统尤为重要，因为受污染的沉积物可能与土壤、植被、地表径流和附近的人类定居点持续相互作用（Aguilera等，2026；Amin等，2025；Chen等，2024）。

源解析是环境地球化学研究的关键组成部分，因为区分天然（成因）贡献和人为贡献对于确定污染来源和制定有效的管理策略至关重要。然而，传统统计方法可能不太适合地球化学数据集，因为元素浓度是成分性的，受到其相对关系的约束，这可能导致误导性的相关性和虚假关联（Sauro Graziano等，2020）。因此，本研究采用成分数据分析（CoDA）作为处理地球化学数据相对性质的有效方法，以提高元素关联和潜在来源的识别和解释能力（Ali和Muhammad，2023）。通过减少传统统计方法的相关局限性，CoDA为源解析以及区分路边沉积物中成因控制与人为输入提供了更合适的基础。

尽管国际上对路边沉积物污染的研究不断增加，但针对巴基斯坦西北部主要交通走廊的地球化学研究有限，特别是在穿越不同岩性单元和快速城市化区域的印度公路N-55沿线（Amin等，2025；Hayat等，2025；Rehman等，2025）。巴基斯坦现有的研究通常提供单个地点的金属浓度或污染信息，而相对较少关注沿一条长距离且环境异质性高的公路走廊上空间分布、沉积物组成、地球化学来源、污染状态、生态风险和潜在健康影响之间的综合关系。特别是，N-55代表了重要的天然实验室，因为它穿越了对比的地质和土地利用环境，连接了快速发展的定居点，从而提供了研究天然本底条件和交通相关活动如何共同影响PTE积累的机会。

因此，本研究的主要主题是建立印度公路N-55沿线路边沉积物中PTEs的综合地球化学和环境评估。本研究的具体目标是：（1）表征N-55沿线路边沉积物中选择性PTEs的浓度和空间分布；（2）评估沉积物的地球化学特征并确定成因和人为来源的相对影响；（3）使用适当的污染指数评估PTE污染程度；（4）确定与PTE积累相关的潜在生态风险；（5）评估与所研究污染物暴露相关的潜在健康影响。本研究的意义超越研究走廊。研究结果可以为巴基斯坦主要交通路线的环境监测和风险管理提供基线数据。此外，可用于支持识别需要优先管理或进一步调查的地点。更广泛地说，综合评估框架可以适用于国内和国际上经历类似地质异质性、快速城市化和交通压力增加组合的陆地生态系统。因此，研究结果可以为基于证据的公路开发、路边沉积物管理、污染监测以及面临类似环境条件的地区陆地生态系统保护做出贡献。

研究区域

研究区域（图1）位于印度公路N-55沿线，这是一条主要的南北向交通路线，沿巴基斯坦印度河西岸延伸。该公路从白沙瓦延伸至德拉加齐汗，全长约1264公里，是国家道路网络的重要组成部分，支持区域连通性和长途运输。本研究集中在开伯尔-普什图省选定的公路路段，包括达拉亚当海尔的城市和近郊地区。

一般描述

表1总结了在路边尘埃中调查的各项参数的描述性统计。LOI范围为6.93–42.96（平均23.86 ± 9.33%），显示出很大的变异性。钙（Ca）、钠（Na）和钾（K）分别范围为409–2384（1243.15 ± 435.23 mg/kg）、9.50–57.39（20.53 ± 9.92 mg/kg）和2.99–30.92（11.52 ± 7.20 mg/kg），表明研究区域存在相当大的变异性。同样，Co和Pb的范围分别为12.45–53（32.83 ± 10.86 mg/kg）和31.65–1458.5

结论

使用污染因子（CF）、潜在生态风险指数（PERI）、慢性日摄入量（CDI）、危害商数（HQ）、基于成分的PCA（PCA-CoDa）和层次聚类分析（HCA）对路边尘埃污染进行的综合评估表明，Pb是主要污染物，而Cd是分析的PTEs中生态最敏感的元素。尽管大多数样品显示出中等累积生态风险，但只有a

作者贡献声明

Aman Ullah：撰写——原始稿件，调查研究，正式分析，数据整理。Wajid Ali：撰写——原始稿件，可视化，监督，正式分析，概念化。Abdur Raziq：撰写——审阅与编辑，验证。Muhamamd Nafees：撰写——审阅与编辑，验证。Saad Khan：撰写——审阅与编辑，验证，监督，软件。Said Muhammad：撰写——审阅与编辑，验证，方法论，概念化。Imran Ud Din：撰写——审阅与编辑。

未引用参考文献

Bashir等，2023a；Bashir等，2023b；Chen等，2024；Jadoon等，2025b；Kabir等，2021a；Kabir等，2022a。

数据可用性声明

数据可通过向通讯作者提出合理请求获得。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

资金

本研究未接受外部资金资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

作者深切感谢巴基斯坦高等教育委员会在获取相关文献方面提供的支持。感谢白沙瓦大学地质学卓越中心提供的后勤支持。

Amanullah|Wajid Ali|Saad Khan|Said Muhammad|Abdur Raziq|Muhamamd Nafees|Imran Ud Din