中国河南省小流域土壤重金属源导向生态与健康风险评价：耦合PMF-RI/PMF-HRA方法

《Land》：A Source-Oriented Ecological and Health Risk Assessment of Soil Heavy Metals in a Small Watershed of Henan Province, China: A Coupled PMF-RI/PMF-HRA Approach

　　

研究人员对河南省济源市蟒河流域121个表层土壤样品进行分析，整合正定矩阵因子分解（PMF）模型、生态风险指数（RI）和健康风险评价（HRA），构建耦合PMF-RI/PMF-HRA框架，以量化源特定风险贡献并提出针对性缓解策略。主要发现包括：(1) Cr和Ni呈自然背景水平，Cd、Pb、Hg、Zn、As和Cu超过区域背景值1.63–33.65倍，具有人为驱动的空间异质性。(2) PMF识别出四个源：自然–农业混合源（42.65%），主要贡献Cr、Ni、As和Cu；工业活动源（24.99%），主要贡献Cd和Zn；交通–农业混合源（20.99%），主要排放Pb和As；燃煤源（11.36%），主导Hg排放。(3) 生态和健康风险由重金属毒性和暴露途径决定，而非仅浓度水平。工业源（Cd, Zn）应优先控制生态风险，自然–农业混合源（As, Pb, Cr）应优先控制健康风险。口腔摄入是儿童非致癌风险和致癌风险的主要暴露途径，自然–农业混合源对该途径贡献最大。(4) 儿童总致癌风险（TCR）为1.17 × 10^?4，超过通常不可接受阈值1 × 10^?4，表明潜在致癌风险。(5) PMF-RI和PMF-HRA框架定量证明生态风险和健康风险的主要来源可能完全不同，这种现象由毒性响应系数和暴露途径共同调控。实现了“源–风险–途径”定量归因，为针对性干预提供明确支持，强调对工业排放（Cd-Zn）、交通–农业输入（Pb-As）和燃煤汞（Hg）的源头控制，以及优化农业实践。

**论文解读：中国河南省小流域土壤重金属源导向生态与健康风险评价——耦合PMF-RI/PMF-HRA方法**

**研究背景与问题**
随着工业化和城市化进程加速，土壤重金属污染已成为威胁生态环境和公众健康的多方面安全问题。重金属通过工业废水排放、地表径流和大气干湿沉降等途径进入土壤，由于其界面性、异质性和动态性，污染表现出隐蔽、滞后、累积和不可逆等特征。土壤中重金属持续积累会导致土壤结构退化、养分流失和生态功能恶化，同时可通过食物链生物富集、呼吸吸入和皮肤接触进入人体，损害神经系统、消化系统、造血系统和免疫系统，长期暴露甚至可能增加癌症风险。因此，精准评估重金属空间分布、识别潜在污染源、量化生态与人体健康风险是土壤污染防治的关键环节。然而，现有风险评估模型多聚焦于污染水平量化，未能区分应优先控制的具体污染物及其来源，尤其是生态和健康风险的关键驱动因素。由于污染源多样性和土地利用差异，不同来源的重金属组成和风险水平可能显著不同，因此需开展源导向风险评估，以厘清源与风险之间的关系。

**研究内容与结论**
本研究以河南省济源市蟒河流域为研究区，系统调查了8种土壤重金属（Pb、Cd、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni）的污染特征、来源及风险。研究人员采集了121个表层土壤样品（0–20 cm），采用微波消解与多种光谱技术（ICP-OES、石墨炉原子吸收、汞蒸气原子吸收、氢化物发生原子荧光等）进行元素定量，并利用Grubbs检验剔除异常数据。通过地统计学分析、相关性分析、正定矩阵因子分解（PMF）模型进行源解析，随后构建耦合PMF-生态风险指数（RI）和PMF-健康风险评价（HRA）框架，量化不同污染源对生态风险和健康风险的贡献。该研究揭示了“源–风险–途径”的定量归因关系，提出了针对性干预策略，为类似采矿影响区域的重金属管理提供了科学依据。论文发表在《Land》期刊。

**主要关键技术方法**
研究采用正定矩阵因子分解（PMF）模型进行定量源解析，该模型无需预设源谱，通过不确定性加权和非负约束自动识别并分配源贡献。生态风险评价采用Hakanson潜在生态风险指数（RI），健康风险评价基于美国环保署（USEPA）模型，包括非致癌风险（危害商HQ、危害指数HI）和致癌风险（CR、TCR）。PMF-RI和PMF-HRA耦合模型通过将PMF所得源贡献比例与实测浓度结合，再代入风险公式计算源特异性风险指数。空间插值采用反距离权重法（IDW）。样本来源为河南省济源市蟒河流域，共121个表层土壤样品。

**研究结果**

**3.1 重金属污染分析**
- **3.1.1 描述性统计**：Cr平均浓度（55.35 mg/kg）未超过河南省背景值，Ni（27.66 mg/kg）接近背景值；Cd、Pb、Hg、Zn、As、Cu分别超过背景值33.65、5.12、3.53、2.14、1.69、1.63倍。Cr和Ni变异系数（CV）较低（0.165和0.187），呈中等变异，表明主要受自然成土过程控制；其余6种重金属CV较高（0.564–2.341），显示强烈空间异质性和人为输入。
- **3.1.2 重金属空间分布**：IDW插值显示Cr和Ni呈连续块状分布，梯度平缓；Hg、Cu、Cd呈现孤立点源扩散特征，高值区与工业区（冶炼厂、燃煤设施）空间吻合；As、Pb、Zn形成复合污染簇，沿主要道路和农业区呈链状分布。
- **3.1.3 污染评价**：地累积指数（I_geo）均值排序为Cd（4.16，强污染）> Pb（0.69，轻度）> Zn（0.36）> Cu（?0.03）> As（?0.08）> Hg（?0.32）> Ni（?0.56）> Cr（?0.81）。Cd严重污染，14.1%样品达极强污染。改进内梅罗指数（INI）均值为2.98（中度污染），44.6%样品达重度污染。

**3.2 源识别方法**
- **3.2.1 Pearson相关分析**：Cr-Ni强相关（r>0.8），指示岩源成因；As-Cu-Zn-Cd-Pb中等相关（r>0.4），显示工农业复合源；Hg弱相关（r<0.3），暗示独特排放途径。
- **3.2.2 PMF定量源解析**：因子1（24.99%）对Cd和Zn贡献分别为56.39%和55.55%，识别为工业活动源（铅锌冶炼）。因子2（11.36%）对Hg贡献达84.85%，归为燃煤源（大气沉降）。因子3（20.99%）对Pb和As贡献分别为77.76%和37.32%，识别为交通–农业混合源（车辆排放和农药化肥）。因子4（42.65%）对Ni、Cr、As、Cu贡献分别为81.13%、80.87%、61.15%、56.91%，识别为自然–农业混合源（地质风化和农业投入）。

**3.3 重金属污染风险评估**
- **3.3.1 生态风险及其来源**：综合生态风险指数（RI）均值1213.5（极强风险）。单元素风险指数（E_i）排序：Cd > Hg > Pb > As > Cu > Ni > Zn > Cr，其中E_Cd均值>320（极强风险），E_Hg均值145.06（强风险）。PMF-RI耦合显示工业活动源贡献最高（48.4%），其次为交通–农业混合源（26.7%）、自然–农业混合源（13.3%）、燃煤源（11.6%）。Cd贡献了总RI的83.13%，Hg贡献9.8%，表明工业活动应优先控制。
- **3.3.2 健康风险评价结果**：儿童非致癌总风险（THI=1.59）超过阈值1，主要暴露途径为口腔摄入（HQ_ing > HQ_der > HQ_inh）；成人无显著风险（THI=0.234）。致癌风险中，Cr、As、Ni风险在1×10^?6~1×10^?4之间（可接受），但儿童总致癌风险（TCR=1.17×10^?4）超过不可接受阈值1×10^?4。PMF-HRA耦合显示自然–农业混合源对THI和TCR贡献最大（主要因As、Cr、Ni），而工业源（Cd）和燃煤源（Hg）健康影响有限，表明健康风险主要取决于金属毒性而非浓度。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究的PMF-RI/PMF-HRA框架实现了源导向风险定量归因，但存在局限性：线性加和假设未考虑多金属协同/拮抗作用；仅分析8种重金属，未纳入Mn、Co、Sb、Tl等潜在有害元素，可能低估总风险；未测定pH、有机质、阳离子交换容量（CEC）等关键土壤性质，限制了对金属形态和生物有效性的机制理解；反距离权重（IDW）插值精度有限，未来可引入机器学习方法；传统加和风险模型无法反映复合暴露的交互效应。

**研究结论**
本研究系统调查了蟒河小流域8种重金属（Pb、Cd、Hg、Cr、As、Cu、Zn、Ni）的污染特征、来源及生态健康风险，构建了PMF-RI/PMF-HRA耦合框架以量化源导向风险贡献。主要结论：（1）Cr和Ni接近背景值，Cd、Pb、Hg、Zn、As、Cu超过背景值1.63–33.65倍，呈强烈人为影响；Hg、Cu、Cd呈孤立点源，As、Pb、Zn形成复合污染簇。（2）PMF识别四个源：工业活动（Cd, Zn）、燃煤（Hg）、交通–农业混合（Pb, As）、自然–农业混合（Cr, Ni, As, Cu）。（3）地累积指数显示Cd强污染，Pb中度–高度，Hg全谱分布；改进内梅罗指数均值2.98（中度污染），44.6%样品重度；生态风险极强（RI=1213.5），由Cd和Hg驱动，工业活动贡献最大。（4）儿童非致癌风险超阈值（THI=1.59），口腔摄入As（57.39%）、Pb（22.14%）、Cr（15.78%）为主；成人可接受；As、Cr、Ni致癌风险可接受，但儿童TCR（1.17×10^?4）超过阈值，需控制；自然–农业混合源对健康风险贡献最大（As, Cr, Ni），工业Cd毒性影响可忽略。（5）“源–风险–途径”策略提出：控制工业Cd-Zn排放、交通–农业Pb-As输入和燃煤Hg；优化农业实践，减少儿童口腔暴露于As-Cr。