废弃铅锌尾矿库周边基于土地利用的来源解析：PMF、铅同位素与MixSIAR模型的集成应用

《Journal of Environmental Management》：Land-use-dependent source apportionment around a closed Pb–Zn tailings pond: Integrating PMF, Pb isotopes and MixSIAR model

　　

## 摘要

遗留的铅锌尾矿库即使在矿山关闭后，仍可长期作为重金属(类金属)污染的来源，但在小型、异质的农村景观中，区分直接源输入与次级再分配途径仍然具有挑战性。本研究调查了中国湖南省湘潭县一处已关闭铅锌尾矿库周边表土的污染状况，该区域农田、林地、灌溉渠道、村庄道路及残留尾矿相关材料分布密集。本研究综合运用了元素浓度分析、空间插值、正矩阵因子分解（PMF）、铅同位素指纹技术和MixSIAR贝叶斯混合模型，以识别表土中的源因子并量化农田和林地中铅的源贡献。Cd和Pb的平均浓度分别为0.43和56.04 mg kg?1，相对于当地背景值分别富集了8.6倍和5.7倍。PMF解析出四个因子，包括以背景岩源为主并叠加弥散采矿/工业印记的因子（14.73%）、次级水文/沉积再分配因子（27.49%）、局部工业或燃烧相关的颗粒物因子（10.77%）以及混合采矿-冶金源因子（47.01%）。铅同位素图解显示端元之间存在显著重叠，但表明存在混合的天然本底和人为铅输入。MixSIAR进一步表明，大气沉降（23.20%）是农田土壤中铅的最大贡献源，其次是道路扬尘和灌溉水（18.2%），而林地土壤中各潜在源的贡献大致相当（13.6%–15.1%）。这些结果表明，铅的积累受多种源输入的联合控制，随后通过扬尘沉降、道路再悬浮、灌溉相关传输以及用地类型相关的再分配过程进行再分配。该综合框架为遗留尾矿影响区域的源导向管理和靶向修复提供了实际基础。

## 引言

有色金属采矿造成的遗留污染仍然是世界上许多地区面临的主要环境管理挑战。即使采矿和冶炼活动已经停止，已关闭或废弃的尾矿库仍可能通过风化、风蚀扩散、地表径流和水文传输等途径持续释放潜在有毒元素，从而对周边土壤、水体、农田和陆地生态系统产生长期影响（Chen等，2022；Hu等，2018；Huang等，2020；Liu等，2022；Wu等，2020b）。这一问题在农田、林地、灌溉系统和居住区共存于历史采矿设施周边的农村景观中尤为突出。在此条件下，表土污染不仅源于过去的工业排放，还受到大气沉降、道路扬尘再悬浮、沉积物迁移和灌溉相关传输等持续次级再分配过程的影响（Abbaszade等，2022；Liu等，2019；Wang等，2021；Wu等，2020a；Xia等，2024）。因此，Pb、Cd、Zn、As和Sb等元素在采矿影响区土壤中频繁累积，对生态、农业和人体健康构成长期威胁（Cloquet等，2006；Hou等，2014；Huang等，2015；Imseng等，2018；Kaste等，2003；Liu等，2022）。

对于环境管理而言，识别主要污染源和传输途径是优先确定管控措施、设计修复策略和改善土地利用管理的前提条件。然而，在采矿影响区土壤中进行源解析往往非常困难，因为所测得的金属(类金属)浓度反映了母质、含矿地质背景、尾矿衍生颗粒物、农业投入品、大气沉降和交通相关扬尘的综合作用（Cai等，2019；Huang等，2018；Jia等，2020；Li等，2022；Liu等，2019；Wang等，2021；Wiederhold，2015；Xia等，2024）。在小型但异质性的区域中，这种复杂性还会因局部地形、排水条件、道路布局和土地利用格局等因素而进一步加剧，导致污染物质累积在短距离范围内出现强烈变化（Abbaszade等，2022；Li等，2022；Shao等，2024；Wen等，2015）。因此，浓度水平相似的区域可能受不同源组合的控制，而受同一源影响的土壤可能因土地利用和环境再分配过程的差异而表现出截然不同的污染特征。从管理角度来看，这种不确定性可能阻碍对优先污染源的准确识别，并削弱靶向干预的效率。

正矩阵因子分解（PMF）已被广泛用于重金属(类金属)源解析，因为它能够将多元素浓度数据集解析为具有统计可解释性的源相关因子，并估算其相对贡献（Chen等，2022；Wang等，2021）。在农业和近城市土壤中，PMF已被证明能有效区分岩源输入与人为源，如大气沉降、工业排放、灌溉相关传输、肥料以及采矿或冶炼活动（Chen等，2022；Wu等，2020a）。然而，PMF结果是基于元素间的协方差结构推断的，并不总能对应于明确定义的单一物理源，特别是在遗留采矿区中，多种传输途径可能源自同一尾矿系统（Chen等，2022；Liu等，2022；Wu等，2020a）。在这种情况下，PMF因子可能代表混合的环境过程而非独立的端元。这一局限性对环境管理具有重要意义，因为修复措施通常需要针对特定的源途径或环境介质，而非仅仅针对宽泛的统计分组。

铅同位素为提高源识别特异性提供了有效的补充工具。由于不同含铅材料具有独特的同位素特征，且在大多数低温环境过程中铅的同位素分馏通常较为有限，铅同位素组成已被广泛应用于追踪受污染土壤、沉积物、大气颗粒物和农业系统中的铅源（Brewer等，2016；Cai等，2019；Chen等，2022；Huang等，2020；Komarek等，2008；Kumar等，2013；Sun等，2018；Wu等，2020a）。先前的研究表明，铅同位素有助于区分天然本底、冶炼厂或尾矿输入、煤燃烧、道路扬尘、肥料、灌溉水及其他人为贡献（Cai等，2019；Chen等，2022；Huang等，2020；Komarek等，2008；Kumar等，2013；Liao等，2022；Zuluaga等，2017）。然而，仅依靠同位素证据通常不足以进行定量源解析，特别是在多个源在同位素空间重叠或土壤经历显著沉积后混合的情况下（Brewer等，2016；Cai等，2019；Jia等，2020）。因此，最稳健的策略往往是结合同位素示踪与基于浓度的受体模型，以便同时评估地球化学关联和源特异性同位素指纹。

近期研究日益支持使用综合框架，将受体模型、同位素示踪剂和贝叶斯混合方法相结合，以解析农业和采矿影响区土壤中复杂的污染来源（Kong等，2018；Salmanzadeh等，2017；Shao等，2024；Uchimiya等，2020；Wang等，2019；Xia等，2024）。这些框架的优势在于，它们将源识别从定性模式识别推进到半定量或定量的源贡献估算，同时明确考虑不确定性（Chen等，2022；Kong等，2018；Shao等，2024；Uchimiya等，2020；Wang等，2019）。从管理角度来看，这具有重要意义，因为它使污染物控制能够针对最具影响力的源途径，如大气沉降、灌溉网络、道路扬尘或残留尾矿衍生材料，而非仅依赖关于采矿邻近性的笼统假设。尽管取得了这些进展，但大多数先前的研究仍聚焦于区域或区县级评估。尽管这些研究对于描述大范围污染格局具有重要价值，但它们可能无法充分反映控制特定尾矿库周边局部暴露和管理优先级的短距离异质性（Abbaszade等，2022；Civitillo等，2016；Wen等，2015）。

这一研究空白在小型污染核心区尤为重要，因为不同的土地利用类型在此紧密分布。农田和林地可能接受来自同一历史采矿源的污染物，但由于耕作扰动、植被覆盖、水文连通性和地表混合过程的差异，它们的累积模式可能截然不同（Abbaszade等，2022；Huang等，2020；Kaste等，2003；Mukai等，2001；Vilomet等，2003；Wen等，2015）。因此，高密度的小规模调查可能比低密度的区域调查提供更多对决策更有价值的信息，特别是当研究目标是区分局部污染途径并支持精准的源导向管理时。在此类环境中，理解污染是由直接尾矿衍生颗粒物、大气沉降、灌溉相关传输、道路扬尘还是自然本底主导，对于选择现实的缓解和修复优先级至关重要。

基于上述背景，本研究聚焦于中国南方湖南省湘潭县的一处已关闭铅锌尾矿库区域。该区域是典型的小型但环境异质性强的采矿影响景观，其中农田、林地、灌溉系统、村庄道路和残留尾矿相关特征紧密分布。本研究的目标为：(1) 表征表土中重金属(类金属)的浓度水平、变异性和空间分布；(2) 利用PMF识别主要的多元素源因子；(3) 评估土壤和潜在源材料的铅同位素特征；(4) 使用MixSIAR量化主要铅源对农田和林地土壤的相对贡献。通过整合描述性统计、地统计学、受体建模、铅同位素示踪和贝叶斯源解析，本研究旨在不仅阐明小型采矿影响景观中重金属(类金属)的来源和再分配过程，还为遗留尾矿环境中的源导向风险控制、土地利用管理和靶向修复提供实际基础。

## 研究区

研究区位于中国南方湖南省湘潭县（图1），历史上的铅锌采矿和冶炼活动已造成周边环境的持久性重金属污染。所调查的尾矿库与琵琶山新隆铅锌矿有关，该矿始建于20世纪60年代，于2014年正式关闭。尽管尾矿坝在关闭后进行了修复，但遗留污染仍在多个区域表现明显。

## 表土中重金属(类金属)浓度的描述性统计

表土和环境污染源材料中重金属(类金属)浓度的描述性统计结果汇总于表1。总体而言，大多数元素在研究区内表现出明显的空间变异性。Fe（4756.17 mg kg?1）、Ti（615.95 mg kg?1）、Mn（58.10 mg kg?1）和Pb（56.04 mg kg?1）的平均浓度最高，而Cd、Mo和Se的浓度相对较低。与当地背景值相比，Cd、Cu、Zn、Sn、Sb和Pb以不同程度的富集。

## 结论

本研究综合运用了地统计分析、PMF、铅同位素指纹技术和MixSIAR建模，识别了已关闭铅锌尾矿库周边农田和林地表土中重金属(类金属)的来源和铅传输途径。Cd和Pb是主要的关注污染物，PMF结果表明表土污染受地质本底、次级水文/沉积再分配、局部工业或燃烧相关颗粒物的综合控制。

## CRediT作者贡献声明

余晨：论文撰写——初稿撰写，方法论，调查。曹俊浩：论文撰写——初稿撰写，调查。史华鼎：论文撰写——审稿与编辑。练英：论文撰写——初稿撰写，调查。郭晶：论文撰写——初稿撰写，调查。沈志成：论文撰写——审稿与编辑。冯瑶：论文撰写——审稿与编辑。杨晓东：论文撰写——初稿撰写，调查。侯德义：论文撰写——审稿与编辑，监督，资助获取。

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的情况。

## 致谢

本研究得到国家重点研发计划（2022YFC3704800）和中国国家自然科学基金（42225703，42507015）的支持。感谢匿名审稿人的宝贵意见改进了本手稿的质量。

余晨 | 曹俊浩 | 史华鼎 | 练英 | 郭晶 | 沈志成 | 冯瑶 | 杨晓东 | 侯德义

清华大学环境学院，北京，100084，中国