基于污染指数评估路边农业土壤中潜在毒性元素及粪肥与凹凸棒石在小麦栽培中的修复潜力

《Toxics》：Evaluation of Potentially Toxic Elements in Roadside Agricultural Soils Using Pollution Indices and Remediation Potential of Manure and Attapulgite in Wheat Cultivation

　　

城市周边土壤常承受包括潜在毒性元素（Potential Toxic Elements, PTEs）在内的多种环境污染物。研究人员针对希腊中部拉里萨（Larissa）市附近高速公路沿线的土壤样品，测定了铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）和镍（Ni）的伪全量浓度，并计算了富集指数、生态风险指数和人体健康风险指数。通过主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）评估了PTEs与关键土壤性质之间的协变结构。对该区域污染状况的筛查可量化潜在风险，从而判断后续修复试验是否具有应用价值。基于此，研究人员选取污染最严重的样品开展盆栽试验，设置多种修复方案，种植小麦并添加粪肥–凹凸棒石混合物。结果表明，土壤主要受到Ni富集，儿童非致癌健康效应的风险超标概率较低（9%），且PTEs之间存在强关联性，表明存在共同来源。温室试验显示，粪肥–凹凸棒石处理降低了土壤和小麦植株中的PTE浓度，其中Pb、Cr和Ni的降幅最为显著。生物富集系数（Biological Concentration Factor, BCF）表明Ni具有强累积效应（BCF > 1），而Cr和Cu的 uptake 有限。污染水平系数（Coefficient of Contamination Level, CCL）值（<1）证实Cr和Cu的植物 uptake 降低，而Ni、Pb和Zn的CCL值仍高于1。综上所述，该研究表明所选农田受到成岩作用和人源输入（lithogenic and anthropogenic sources）的显著PTE输入，甚至可能对敏感亚人群构成危险。小麦栽培试验表明，联合改良剂有效降低了金属生物有效性和土壤–植物转移。

该研究聚焦于城市化进程中农业土壤面临的潜在毒性元素（PTEs）污染问题。随着道路交通和工业活动的持续扩张，路边农业土壤已成为PTEs的重要汇，其中铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn）等元素通过大气沉降、地表径流等途径进入土壤环境，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。希腊中部拉里萨地区作为连接雅典与沃洛斯的重要交通枢纽，其周边农田既承受高密度交通带来的污染压力，又邻近铝加工等工业企业，且区域内广泛分布的超基性岩（ultrabasic rocks）可能带来天然的Cr和Ni背景富集，这使得该区域的土壤污染来源识别和风险评估具有特殊复杂性。当前，如何将污染筛查与修复实践有效衔接，以及开发经济可行的土壤修复技术，仍是环境土壤科学领域的重要课题。

研究人员以希腊中部拉里萨高速公路沿线13个农田土壤样品为对象，系统评估了PTEs污染状况及其生态和人体健康风险，并针对污染最严重的土壤开展温室盆栽试验，探究粪肥与凹凸棒石（attapulgite）单独及联合施用对小麦产量及PTE积累的影响。研究得出以下主要结论：Ni和Cr是研究区的主导污染元素，均超过国际土壤质量指南限值；污染指数一致指向Ni为主要贡献者，整体污染水平属中等；生态风险评估显示所有元素均为低风险，但儿童非致癌风险存在9%的概率超标；粪肥–凹凸棒石联合改良可有效降低土壤中PTE含量及其向小麦植株的转移。该研究论文发表于《Toxics》期刊，其意义在于将路边农田的污染筛查与修复试验无缝衔接，验证了低成本、可持续改良剂在实际农业生产中的应用潜力，为类似区域的土壤风险管理和安全农产品生产提供了可推广的解决方案。

研究涉及的技术方法主要包括：土壤样品采集与伪全量PTEs测定（火焰原子吸收光谱法，Flame Atomic Absorption Spectroscopy, FAAS）、基于多种指数（CF、PLI、I_geo、NI、INI、E_r、PERI）的污染与风险定量评价、蒙特卡洛模拟结合概率风险评估（Crystal Ball软件）、主成分分析（PCA）解析PTEs来源，以及温室盆栽试验测定土壤和植株PTE含量并计算BCF和CCL。

研究结果部分按照原文结构展开如下：

**3.1 土壤样品理化性质** 13个土壤样品的pH范围为7.1–8.1，电导率（EC）277–662 μS·cm^-1，碳酸钙（CaCO₃）含量1.0%–5.5%，有机质（OM）1.2%–2.6%。质地以黏土和壤土为主。

**3.2 温室试验土壤与粪肥的理化性质及PTEs含量** 供试土壤为壤土，pH 8.21，Cr和Ni含量分别高达180.4 mg·kg^-1和159.1 mg·kg^-1。所用粪肥有机质含量35%–45%，含Cu 50 mg·kg^-1、Zn 210 mg·kg^-1等。

**3.3 土壤样品PTEs含量统计结果** Cr平均126.1 mg·kg^-1、Ni平均156.6 mg·kg^-1，均超出加拿大、荷兰及希腊等多项国际土壤质量标准；Cu、Pb和Zn则在多数标准限值内。与Skordas和Kelepertsis报道的色萨利平原农业土壤相比，本研究区各元素含量更低。

**3.4 路边土壤样品因子分析** PCA分析（KMO=0.765，Bartlett球形检验p<0.001）提取的两个主成分解释了78.93%的方差。成分1与Zn（0.981）、Cu（0.974）、Ni（0.942）、Pb（0.886）、EC（0.765）和Cr（0.739）高度正相关，反映混合的成岩–人源输入特征；成分2与pH和CaCO₃正相关、与有机碳负相关，代表土壤理化性质梯度。

**3.5 CF、PLI和I_geo结果** Ni的CF均值达5.40（相当污染水平），Cr均值2.12（中等到相当污染），Cu、Pb、Zn均值均低于1（低污染）。PLI均值1.237，12/13个样品属中度污染。I_geo显示100%样品因Ni属中度污染（Class 2），其余元素多为未污染状态。

**3.6 NI和INI结果** NI和INI均指示多数样点为中度污染。Ni的NI值（5.69）属严重污染，Cr（2.61）为中度污染；INI排序为Ni>Pb>Zn>Cr>Cu。

**3.7 人体健康风险指数结果** 蒙特卡洛模拟显示，男性和女性非致癌风险（HI）均远低于1；儿童HI均值0.398，但8.91%的案例存在超过1的风险，主要驱动元素为Cr和Ni。致癌风险（TCR）对所有亚人群均低于10^-4阈值。

**3.8 潜在生态风险指数评价** E_ri和PERI均显示低风险。Ni的E_ri均值最高（27.00），但仍在低风险范围；PERI均值37.91，整体生态风险可控。

**3.9 试验结果**

*3.9.1 不同处理下土壤PTEs含量* 与对照（PTD）相比，所有处理均降低了土壤PTE浓度。Cr在TD6降幅最大（约16%）；Ni在TD2（50%粪肥–50%凹凸棒石，3%添加量）降低15.3%；Pb在TD3降幅达42.9%为最高。

*3.9.2 不同处理下植物组织PTEs含量* Cr和Cu在TD3降幅最大（分别为20.9%和21.1%）；Ni在TD6降低9.1%；Pb在TD4降低0.51%；Zn在TD1降低9.4%。

*3.9.3 BCF和CCL* Ni的BCF值持续大于1（8.22–10.52），表明强累积特性；Cr和Cu的BCF远低于1。CCL显示Cr（TD1–TD3）和Cu（多数处理）值小于1，确认修复剂降低其uptake；而Ni、Pb和Zn的CCL值多大于1。

讨论部分的核心内容可概括如下：研究人员在讨论中首先确认了Ni和Cr的高含量源于超基性岩的风化成岩作用，同时邻近铝加工厂和交通排放的人源输入亦不可忽略。PCA的强共变特征支持了这一混合来源判断。多种污染指数的一致性结果突出了Ni的主导污染地位，与国际研究既有相似性（如中度污染普遍存在），也因区域地质背景差异而表现出不同主导元素特征。概率风险评估揭示的9%儿童风险超标概率，尽管数值不高，但在敏感亚人群保护层面具有警示意义；特别值得注意的是，研究人员采用了Cr(VI)这一最保守形态假设进行计算，实际风险可能更低，但工业区的Cr(VI)直接排放可能性使得这种保守估计具有合理性。土壤质量指南与生态/健康风险结果之间的"矛盾"，被解释为前者是基于总浓度的保守筛选阈值，而后者融入了暴露途径、毒性参数等实际条件，两者面向不同管理目标，不可直接比较。温室试验部分，研究人员深入分析了粪肥–凹凸棒石联合改良的协同机制：凹凸棒石的高比表面积和离子交换能力通过吸附、表面络合固定金属；粪肥有机质则通过络合和沉淀降低金属溶解度。两者联合产生了优于单一改良的效果，但对不同元素效率差异显著——Ni因高移动性而难以有效控制，Pb则因强吸附特性而被大幅固定。BCF与CCL的分析进一步揭示了"高土壤浓度不等于高植物uptake"的规律，强调了元素地球化学行为特异性在修复策略制定中的关键作用。最后，研究人员指出有机改良剂可能通过形成可溶性有机–金属络合物而短暂增加某些金属的生物有效性，这为优化改良剂配比和施用时机提供了研究方向。

研究结论部分翻译如下："本研究提供了受人为和成岩富集影响的农业土壤中PTEs污染的一线评估，并评价了联合有机–矿物改良剂修复此类污染的有效性。结果表明，研究区Cr和Ni为主导元素，超出国际土壤质量指南，而Cu、Pb和Zn在可接受限值内。污染指数（CF、PLI、I_geo、NI和INI）一致识别Ni为主要污染元素，整体污染水平属中度。生态风险评估表明所有元素均为低风险，PERI值低于临界阈值。这一差异反映了基于污染的生态指数与基于预防性指南的限值之间的方法论不同。这些PTEs的来源对Ni和Cr主要为成岩作用，人源组分可能来自高速交通和/或邻近的铝基工业。统计分析显示13个样品中PTEs的协同波动指向共同来源。粪肥和凹凸棒石的施用有效降低了土壤PTE含量并限制了小麦对其的uptake。处理显著降低了金属有效性，尤其对Pb等较低移动性元素降幅明显，而对Ni等较高移动性元素降低效率较低。植物uptake结果和BCF分析进一步证实金属积累具有元素特异性，Ni表现出从土壤到植物的强转移，提示潜在的食品安全关切。总体而言，研究结果强调农业田地可能承受显著的PTE负荷。粪肥与凹凸棒石的联合使用代表了降低有毒金属移动性和减少农业系统及人体健康风险的有前景的可持续策略。未来研究应聚焦于长期田间应用和改良剂配比的优化以进一步提升修复效率。"