有色金属冶金遗留驱动城市土壤重金属地球化学转化——以乌斯季卡缅诺戈尔斯克为例

《Frontiers in Soil Science》：Legacy of non-ferrous metallurgy driving heavy metal-induced geochemical transformation of urban soils

　　

长期建立起来的采矿和冶金城市，其土壤是潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTEs）的持久蓄积库，构成长期生态与人体健康风险。乌斯季卡缅诺戈尔斯克（Oskemen）是哈萨克斯坦主要的有色金属冶金中心之一，经历了七十余年的密集矿石加工与冶炼。尽管已有研究报道了Cd、Pb、Zn和Cu的升高浓度，但整合污染状况、生态风险、空间变异性及环境控制因素的综合评估仍然有限。研究人员分析了代表工业区、城区和背景功能区的29个采样点表层土壤中的Zn、Cu、Cd和Pb含量。采用污染因子（Contamination Factor, CF）、地质累积指数（Geoaccumulation Index, I_geo）、污染指数（Pollution Index, PI）、内梅罗污染指数（Nemerow Pollution Index, P_N）、生态风险因子（Ecological Risk Factor, E_r）和潜在生态风险指数（Potential Ecological Risk Index, RI）评价污染程度。使用反距离加权（Inverse Distance Weighting, IDW）法绘制空间格局，并运用Spearman相关分析、主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）和非度量多维尺度分析（Non-metric Multidimensional Scaling, NMDS）评估重金属、土壤性质与污染模式之间的关系。结果表明，重金属浓度范围分别为Zn 5.2–1675.0 mg·kg^-1、Cu 0.3–57.8 mg·kg^-1、Cd 0.8–39.0 mg·kg^-1和Pb 0.7–59.5 mg·kg^-1。工业土壤呈现显著的多金属复合污染，其中Zn主导整体富集，而Cd对生态风险贡献最大。最大RI值达2188.9，平均RI值（674.9）则指示总体上处于很高生态风险水平。空间分析识别出主要冶金设施周围的污染热点。Zn、Cd和Pb之间存在显著相关（ρ=0.68–0.90，p<0.001），结合PCA和NMDS结果，与强烈的人为影响相一致，而pH、有机碳、碳酸盐含量及土壤质地显著影响金属累积。讨论表明，将污染指数、生态风险指标、空间建模与多变量统计相结合，可为识别遗留污染热点和环境驱动因素提供稳健的分析框架。这些发现为长期建立的冶金城市开展环境监测、基于风险的修复和可持续城市土地管理提供了科学依据。

研究背景方面，城市土壤是潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTEs）的重要环境蓄积库，重金属具有不可降解性，长期累积会损害土壤质量、干扰微生物群落和生物地球化学过程，并通过直接接触、粉尘吸入和农产品传递等途径威胁人体健康。有色金属冶金城市往往承受矿石加工、冶炼、工业生产、交通和大气沉降的多重输入，形成复杂且持续存在的污染格局。哈萨克斯坦的乌斯季卡缅诺戈尔斯克（Oskemen）是中部亚地区大型有色金属冶金中心之一，经历七十余年的铅、锌、铜、钛、镁及稀有金属生产活动，已有研究报道了Cd、Pb、Zn和Cu的富集，但针对污染状况、生态风险、空间变异和土壤环境控制因素的综合评估仍较有限。为此，研究人员开展了整合多指标的评价框架研究，以系统阐明该市城市土壤重金属污染特征。

研究人员共采集29个表层土壤样品，涵盖工业区（n=16）、城区（n=12）和本地参考点（n=1），测定Zn、Cu、Cd、Pb含量以及pH、总有机碳、碳酸盐、粒度、养分等理化指标。通过计算污染因子（CF）、地质累积指数（I_geo）、污染指数（PI）、内梅罗污染指数（P_N）、生态风险因子（E_r）和潜在生态风险指数（RI），结合反距离加权（IDW）空间插值、Spearman相关分析、主成分分析（PCA）和非度量多维尺度分析（NMDS），识别污染热点与环境驱动因素。结果表明，工业土壤呈现显著的多金属复合污染，Zn是空间分布最广的污染物，Cd则对生态风险贡献最大；平均RI为674.9，整体处于很高生态风险水平；污染热点集中在主要冶金设施周围。Zn、Cd、Pb之间存在显著强相关，pH、有机碳、碳酸盐含量和土壤质地显著影响金属累积。该研究为长期冶金城市的环境监测、风险管控和可持续土地管理提供了科学依据。

本研究采用的关键技术方法主要包括：以乌斯季卡缅诺戈尔斯克为研究区，设置工业、城市和背景功能区共29个采样点，采集0–30 cm表层土壤；使用火焰原子吸收光谱法（FAAS）测定Zn、Cu、Cd、Pb含量；采用污染因子（CF）、地质累积指数（I_geo）、污染指数（PI）、内梅罗污染指数（P_N）、生态风险因子（E_r）和潜在生态风险指数（RI）进行污染与生态风险评价；利用反距离加权（IDW）进行空间插值并采用留一交叉验证评估精度；通过Spearman相关分析、主成分分析（PCA）和非度量多维尺度分析（NMDS）解析重金属来源与环境驱动因素。

研究结果部分，3.1 土壤理化性质与质地特征：通过描述性统计和Mann-Whitney U检验（FDR校正）发现，土壤pH平均6.81，呈中性至微碱性；总有机碳变异系数为66.2%，速效磷变异最大（82.7%）。工业区土壤中值砂粒含量为65.6%，城区土壤粉粒中值比例为48.3%，黏粒含量普遍低于2.5%。除交换性Na⁺外，多数理化指标在功能区间无显著差异。

3.2 城市土壤重金属空间变异性与富集：通过29个采样点的浓度统计和功能区对比，Zn是主导污染物，平均浓度419.6 mg·kg^-1，约为参考点S29的23倍；Cd平均浓度为参考点的13倍。工业区中值Zn、Cu、Cd、Pb浓度分别约为城区的29、10、10、13倍。最高Zn和Pb出现在S19，最高Cd和Cu分别出现在S20和S25。与最大允许浓度（MPC）相比，Zn最高超标约73倍，Cd约20倍。

3.3 土壤污染与生态风险综合评估：通过计算污染指数和生态风险指数，PI范围为0.26–25.08，P_N范围为0.37–54.27，多个工业站点P_N>3，属于重污染。最大CF值Zn为93.06、Cd为48.75、Cu为192.67、Pb为74.38。I_geo显示Cu在S25达到最高值7.01，Zn和Cd也达到重至极重污染级别。RI范围为41.0–2188.9，约三分之一站点超过很高生态风险阈值（RI>600），最高值出现在S25、S20、S19和S17。Cd的E_r值（30–1462.5）远超其他金属，成为生态风险的主要贡献者。

3.4 重金属累积的环境驱动因素与多元模式：通过Spearman相关分析，Zn、Cu、Cd、Pb之间显著正相关（ρ=0.51–0.90），其中Zn-Cd相关性最强（ρ=0.90）。重金属与砂粒含量呈负相关，与粉粒含量呈正相关，表明细粒土壤是大气工业颗粒物的有效汇。pH与Zn、Cd、Pb呈负相关。PCA显示PC1（33.4%方差）代表人为污染梯度，将工业高生态风险站点与低风险城区站点区分开；PC2（25.5%方差）反映土壤养分和交换性阳离子梯度。NMDS（stress=0.028）和PERMANOVA（R2=0.841，p=0.001）证实不同生态风险组之间的地球化学特征显著分离。

3.5 空间分布格局与污染热点识别：通过IDW插值发现，Zn和Cd污染范围最广，在中心工业区形成大面积热点，Zn局部超过60倍MPC，Cd超过15倍MPC；Cu污染范围较局限，主要围绕S20、S24和S25，最高超过15倍MPC；Pb分布最局限，仅出现在工业源附近。东北城区浓度较低，工业-城市污染梯度明显。留一交叉验证的R2为0.187–0.467，表明插值结果可反映宏观空间格局，但精度有限。

讨论部分指出，Oskemen土壤污染格局与全球历史冶金城市相似，主要归因于长期有色金属冶金活动而非当代单一排放。Zn和Cd的强相关及近乎一致的空间分布表明二者可能源于硫化物矿石冶炼的同一来源。Cu和Pb分布较局限，可能与其颗粒物粒径较大、大气迁移距离短有关。土壤理化性质虽能调节金属保留，但无法抵消数十年的持续输入。Cd对生态风险的贡献远高于Zn，因此风险管理应基于毒性风险而非仅依据浓度水平。研究局限性包括单一参考点无法完全代表区域自然背景、基于总量而非形态分析、以及空间插值预测精度有限。未来需增加参考点数量、提高采样密度、开展金属形态分析和源解析，并纳入人体健康风险评估。

研究结论可翻译为：长期有色金属冶金活动造成了Oskemen城市土壤中明显的污染梯度、局部地球化学异常和高生态风险区域。综合评估提供了人为影响的强有力证据，其中Zn是空间分布最广的污染物，而Cd因其高毒性和毒性响应系数成为生态风险的主要贡献者。空间和多元分析一致显示了明显的工业-城市污染梯度，而土壤理化性质和质地可能影响沉积金属的保留和再分布。这些发现对环境管理具有直接意义。监测和修复应优先考虑高污染工业区，而非在整个城市地区采用统一管理策略。特别是，生态风险评估不仅要考虑总金属浓度，还应考虑金属毒性的差异，因为尽管锌的丰度更高，镉是生态风险的主要贡献者。本研究的主要局限性包括使用单一本地参考点、评估总浓度而非形态或生物可利用浓度，以及未采样位置的空间预测不确定性。未来结合多个参考点、更高空间采样密度、金属形态分级、源解析和人体健康风险评估的研究，将提供更全面的污染认识，并加强以风险为导向的环境管理的科学基础。