电站向土壤排放重金属：以诺沃恰斯克斯克电站为例

《Regional Studies in Marine Science》：Emission of heavy metals from power station to soils: A case study of Novocherkassk Power Station

　　

摘要

燃煤导致的土壤污染已成为全球关键的环境问题，因为燃煤过程中会释放最高浓度的气态、颗粒态和金属污染物。本研究旨在评估燃煤电站周边区域重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、Pb和Cd）的分布情况。采用X射线荧光分析法评估土壤中重金属的浓度。同时，利用富集因子、地球化学积累指数、污染因子和污染负荷指数等指标对土壤污染进行了评估。结果表明，Pb、Ni、Cr、Zn、Cd和Cu的平均浓度均高于区域本底值。Cr、Cu、Zn、Pb和Cd的浓度在距燃煤电站2.1公里处最高，并随距离增加至20公里处逐渐降低，表明存在与排放源相关的明显空间污染梯度。所研究的各元素之间观察到具有统计学显著性的相关性。有毒金属也与细土粒级显著相关。Pb与粉砂、Pb与黏土、Ni与粉砂、Cu与粉砂、Cu与黏土以及Cr与黏土之间均存在强相关性（p < 0.05），相关系数大于0.6。结果还显示，金属的富集因子呈上升顺序为Cd < Cr < Ni < Zn < Pb，而地球化学积累指数表明土壤处于无污染至中度污染状态。然而，Cr和Ni的污染因子显示土壤已受到污染。污染负荷指数（0.91）也表明研究区域土壤存在轻微污染。此外，慢性日摄入量的总体结果均低于USEPA的暴露限值。这些发现强调了立即采取缓解措施以减轻对环境和人类进一步的不利影响的重要性。

引言

燃煤电站是环境污染的主要人为来源之一，不仅造成重金属污染，还向自然生态系统释放颗粒物、气态污染物和有毒有机化合物（Chernikova等，2025；Kravchenko等，2024；Minkina等，2025）。燃煤电站通过将煤炭转化为电能，为城市供暖提供热能（Park等，2023）。煤炭燃烧时，煤中含有的重金属被释放到环境中（Ma等，2025），运营过程中产生的灰渣污染土壤（Park等，2023）。全球每天燃烧大量煤炭，每次运营都会产生大量废弃物（Parlak等，2024）。由于重金属的环境持久性、生物富集特性（Karbowska等，2023）以及毒性（Burachevskaya等，2019；Fu等，2019），对生态系统和人类健康构成了重大风险。燃煤电站周围的土壤受到煤尘和灰烬积累的影响，经历了金属富集过程。这些有毒元素浓度的变化是土壤污染的重要指标（Burachevskaya等，2019）。研究表明，燃煤电站附近的土壤受到重金属的高度污染（Amster和Levy，2019；Han等，2025；Jia等，2023；Lu等，2024；Xiong等，2025）。土壤中这些重金属的浓度分布和积累主要受风向影响。

虽然某些金属元素是人体必需的，但其他一些元素会产生不利影响，甚至在微量情况下即可致命。例如，世界卫生组织将Pb、Hg、Al和As列为有毒元素（WHO，1996）。然而，Zn和Cu等金属元素在适量时对身体健康至关重要。例如，Zn和Cu在许多酶中起着重要作用，有助于解毒和抗氧化（Pulikova等，2025）。然而，过量摄入Cu会导致肝脏和神经系统疾病、铜蓝蛋白升高（Park等，2023）以及胃肠道不适（Loredana Ungureanu & Mustatea，2022）。Zn过量也会引起贫血、胰腺损伤和胆固醇问题（Park等，2023）。Cr会损害肺部和心脏，可能导致恶心、胃肠问题、心脏病发作，影响生殖系统，引起哮喘、刺激、胃溃疡和过敏（Jia等，2023）。高浓度的As也可能引起恶心和肺癌（ATSDR，2008），并对皮肤和心血管系统产生负面影响（Mohammed Abdul等，2015）。重金属持续排放到环境中可能导致长期的重大健康风险，损害肝脏、肺部和神经系统，甚至可能导致死亡（Briffa等，2020；Kravchenko和Minkina，2025）。近期研究还表明，重金属尤其是纳米形态的重金属，在土壤-植物系统中可发生转化，增加其生物可利用性和毒性，导致细胞层面的结构和功能损伤（Shuvaeva等，2026）。因此，调查燃煤电站附近受重金属污染的土壤，对于保护环境和减少进一步的不利影响非常重要。

过去几十年来，已开展了多项关于电站导致有毒金属元素污染土壤的研究。例如，Smolka-Danielowska和Fiedor（2018）报道，当波兰南部Rybnik电站进行燃煤燃烧时，Cr、Cu、Pb和Cd的平均富集量分别为38、44、64和3 mg/kg。Dalton等（2018）的另一项研究也报道，南非一座燃煤电站附近的土壤中Cu、Ni、Mn和Pb浓度较高，超过了当地筛选限值。类似地，Kravchenko等（2025）报道，俄罗斯南部Mn、Ni、Cr、Pb、Cu、Cd和Zn的浓度超过了区域本底值所设定的阈值。Minkina等（2021）和Minkina等（2018）指出，俄罗斯Cr、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb等元素浓度最高，超过了区域本底标准，反映了土壤污染情况。

新切尔卡斯克燃煤电站是俄罗斯南部第二大电站。尽管已有几项研究调查了新切尔卡斯克燃煤电站的环境影响，包括重金属污染、多环芳烃、放射性核素积累和土壤生物反应，但仍存在显著的知识空白。以往研究主要关注特定污染物在附近土壤中的分布及其生态或健康风险，而对煤炭和/或燃烧相关材料的元素组成进行全面表征以及潜在有毒元素相关空间分布的研究仍然相对有限。特别是，需要进一步研究来确定燃煤燃烧对附近土壤中潜在有毒元素的富集和积累有何贡献，并评估任何可能的环境后果。因此，考察该电站造成的环境和健康影响对于了解问题和提出克服风险的建议方案至关重要。本研究旨在：(1) 评估土壤中重金属浓度水平；(2) 调查土壤理化性质与有毒元素之间的关系；(3) 考察土壤中金属的来源。本研究结果可为研究人员和政策制定者提供基准，以调查燃煤电站如何通过重金属污染土壤并造成不利影响。

章节摘要

新切尔卡斯克电站描述

新切尔卡斯克电站是俄罗斯第二大发电站。该电站位于俄罗斯南部罗佐夫-on-东河以西37公里处的新切尔卡斯克市。该电站潜在输出约19吉瓦，几乎产生了俄罗斯总发电量的7%（Kravchenko等，2025）。

该电站在过去50年内，直到1994年每年排放的飞灰污染物排放量为24万至26万吨，但在1995年之后，污染物

土壤理化特征

结果表明，多种土壤性质表现出显著的空间异质性。土壤呈弱至中等碱性反应，pH平均值为7.60，变异性较低（CV = 5.29%）（表4）。pH范围从6.32到8.16，指示从弱酸性到弱碱性。这表明研究区域土壤反应较为均匀。然而，CaCO₃表现出较高的空间变异性（CV = 36.89%），平均含量较低（0.65%），提示异质性

讨论

本研究调查了俄罗斯南部一座大型燃煤电站20公里范围内潜在有毒重金属的浓度和空间分布。本研究分析了检测到的六种主要重金属：Cr、Ni、Zn、Cu、Pb和Cd。尽管Cr、Ni、Zn、Cu、Pb和Cd的浓度超过了区域地球化学本底值，但用于量化污染程度的污染指数仅指示轻微污染程度。研究结果

结论

本研究分析了不同距离处新切尔卡斯克燃煤电站周围土壤中的重金属浓度。土壤中金属的平均浓度排序为Zn > Cr > Ni > Cu > Pb > Cd。空间分布分析表明，Cr、Ni、Zn、Cu、Pb和Cd在整个研究区域的金属浓度表现出显著异质性。大多数元素的浓度在燃煤电站以西方向最高，而相对较低的浓度则出现在

资助

本研究由俄罗斯科学基金会（项目编号：22-77-10097-P）在南联邦大学资助。

CRediT作者贡献声明

Vishnu Rajput：写作—审阅与编辑。Victor Chaplygin：写作—审阅与编辑，方法论。Tatiana Minkina：监督，资源，项目管理，调查研究，资金获取，概念化。Inna Zamulina：写作—审阅与编辑，方法论。Tamara Dudnikova：写作—审阅与编辑，可视化，软件，方法论。Yuri Litvinov：写作—审阅与编辑，方法论。Marina Burachevskaya：写作—审阅与编辑，形式化分析。Mohammed

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢俄罗斯科学基金会（项目编号：22-77-10097-P）在南联邦大学资助了本研究工作。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

Saglara Mandzhieva|Mohammed Gedefaw|Tamara Dudnikova|Inna Zamulina|Marina Burachevskaya|Yuri Litvinov|Victor Chaplygin|Vishnu Rajput|Tatiana Minkina