《Journal of Environmental Sciences》：Variations in source-originated health risks of soil heavy metals in an open-pit mining area, northern China from 2014 to 2023
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本研究基于2014-2023年内蒙古白云鄂博稀土矿区土壤采样数据，结合正矩阵因子分解（PMF）模型与概率风险评估方法，系统评估了重金属污染水平及来源贡献变化。结果表明：土壤中As、Cr、Pb污染显著加重，交通源（Fac4）贡献比例从2014年的29.6%增至2023年的34.1%，成为主要风险来源；自然源（Fac2）贡献比例由11.3%升至17.1%，表明生态修复措施初见成效。研究为矿区协同治理生态修复与健康管理提供了科学依据。
邵雅梅|马伟波|陈一聪|吕玉娟|王楠|林杰|吕彦莉|李海东
中国南方可持续林业协同创新中心，江苏省水土保持与生态修复重点实验室，南京林业大学，南京210037，中国
摘要
表土中重金属的污染与矿物粉尘密切相关，但由于缺乏长期野外观测，土壤重金属的来源相关健康风险的变化仍不清楚。作为最大的铁矿石和稀土元素储藏地之一，巴彦奥博矿区面临潜在的土壤重金属污染问题，这对人类健康构成了严峻挑战。本研究调查了土壤重金属污染水平及其来源的变化，并通过结合概率人类健康风险评估和正矩阵分解（PMF）模型评估了土壤重金属的健康风险。结果显示，中度或重度污染样本的比例从2014年的62.2%上升至2023年的74.0%，表明污染程度有所增加。主要污染源包括采矿活动（Fac1）、自然来源（Fac2）、大气沉降（Fac3）和交通运输（Fac4），其贡献比例分别为2014年的31.3%、11.3%、27.8%和29.6%，2023年变为25.1%、17.1%、23.7%和34.1%。尽管从2014年到2023年采矿活动（Fac1）一直是健康风险的最大来源，但交通运输（Fac4）的贡献显著增加。迫切需要优化土壤重金属污染治理的生态工程，其中砷（As）、铬（Cr）和铅（Pb）被确定为目标污染物。这些结果可以为矿区生态修复和健康风险管理的协同治理提供科学指导。
引言
矿山的发展，特别是多金属矿，被认为是影响地球表面地形和人类生活环境的重要因素（Long等人，2021；Li等人，2022）。中国约有99,000座废弃矿山，其中约11,700座为金属矿山（Zhang等人，2020）。在采矿过程中，大量污染物可能释放到大气中，随后通过干沉降和湿沉降沉积到表土中（Wang等人，2017）。近年来，重金属污染已成为全球性的环境问题，即使在其低浓度下也会对土壤、生物和作物生产力产生不利影响（Guan等人，2018；Ma等人，2024）。最近对中国土壤污染水平的评估显示，重金属占污染物总量的82.4%，其中16.1%的样本超过了环境质量标准（Shi等人，2023）。因此，持续监测大型露天矿区周围的重金属污染和健康风险尤为重要，尤其是在半干旱地区。
粉尘是重金属在露天矿区扩散的主要载体，而土壤则是主要的汇，两者都是环境质量的可靠指标（Long等人，2021）。土壤中的重金属可能具有高毒性、持久性和不可逆性，并可通过多种途径传播，对公共健康构成严重威胁（Adimalla等人，2019；Cheng等人，2022；Wen等人，2024）。例如，长期暴露于砷可能导致细胞代谢系统受损，引发皮肤问题以及消化系统和心血管疾病（Suhanova等人，2020）。铅通常被认为是一种潜在的致癌物，可能损害肾脏、大脑和胃肠道系统（Meena等人，2020）。适当处理土壤重金属污染对人类健康和区域可持续发展至关重要。
土壤中的重金属来源于自然过程和人为活动，包括矿物粉尘、煤炭燃烧、金属冶炼和车辆排放。采矿活动是重金属污染的主要来源（Long等人，2021）。根据相关技术标准《矿区环境污染与生态损害协同治理效果评估规范》，矿区包括矿山场地、生态损害区域和直接受污染物影响的区域（Li等人，2022，2024）。在污染源相互交织的采矿环境中，土壤重金属的潜在健康风险可能因来源不同而大相径庭。如果不量化污染源的贡献并评估其相关健康风险，治理策略可能效率低下，无法有效控制最危险的污染源。因此，识别主要污染源并评估其健康风险对于制定针对性的风险管理策略至关重要。
中国北部的大部分矿产资源分布在半干旱或干旱地区，这些地区的生态系统脆弱，对人为干扰的抵抗力较低。采矿作业可能轻易对生态系统稳定性构成意外威胁，并导致土地退化（Yang等人，2022）。位于内蒙古的巴彦奥博露天矿是最大的铁矿石和稀土元素矿区之一，对国家资源安全和高科技产业具有无可比拟的战略意义。然而，长期采矿活动对当地生态保护带来了重大挑战。尽管实施了各种生态恢复措施，采矿活动造成的表土重金属污染仍对公共健康构成风险（Zhao等人，2023；Han等人，2025）。现有研究主要集中在稀土元素（REE）的来源（Tian等人，2018）及其对环境和人类健康的风险（Wang等人，2020；Dai等人，2024；Zhao等人，2023）上，很少有研究分析特定来源随时间变化的健康风险。概率风险评估模型与正矩阵分解（PMF）模型的结合有助于定量识别多种重金属来源的健康风险。本研究利用该方法比较了2014年和2023年收集的土壤重金属数据，以评估近十年来土壤重金属健康风险是否增加。提出了以下假设：首先，采矿活动对土壤重金属来源的识别有显著贡献；其次，采矿活动增加了露天矿区周围的健康风险概率；最后，风在定义矿区环境边界和增加下风区污染物浓度方面起着重要作用。基于2014年和2023年的土壤样本数据，我们建立了一个综合框架（附录A 图S1），并研究了2014年至2023年间露天矿区周围土壤重金属来源相关健康风险的变化，以验证这些假设。本研究旨在为矿区环境问题和健康风险的协同治理提供科学依据，对全球类似受影响的地区也有参考意义。
研究区域
巴彦奥博矿区（北纬41°39′-41°53′，东经109°47′-110°04′）位于中国内蒙古自治区包头市。这是一个大型露天矿区，延伸超过18公里，包含三个主要矿体（即主矿体、东矿体和西矿体）（图1a）。除了稀土元素外，该矿区还含有铁、铌、钍、氟和其他49种元素（Tian等人，2018）。这些元素主要存在于主矿体和东矿体中。自1957年成立以来，该矿区
土壤重金属污染水平
2014年至2023年间，表土中重金属浓度出现了显著变化（图2a，附录A 表S5）。2014年，所有样本中的砷（As）和镉（Cd）浓度均超过了区域背景值（BVa）；铅（Pb）的超标比例为97.1%，锌（Zn）为94.3%，汞（Hg）为91.4%。镍（Ni）的污染比例最低，超标比例为42.9%。约74.3%的铜（Cu）样本和69.7%的铬（Cr）样本超过了BVa。2023年，所有样本均超过了背景值
土壤重金属的潜在来源
识别土壤重金属的来源是评估矿区周围健康风险的基础。2014年和2023年，铅（Pb）、锌（Zn）和镉（Cd）之间存在强烈的正相关性，表明它们具有共同的人为来源（附录A 图S3）。镉（Cd）和铅（Pb）是主要的人为来源，主要来自车辆排放（Liao等人，2021；Dai等人，2022；Guo等人，2023）。矿区内的主要交通工具是卡车和火车，它们容易造成
结论
本研究量化了2014年至2023年中国北方巴彦奥博露天矿区周围土壤重金属的来源相关健康风险，综合使用了PMF模型和概率人类健康风险评估模型。结果显示，污染严重，主要由铅（Pb）、镉（Cd）和锌（Zn）引起。确定了四个主要污染源，包括采矿活动（Fac1）、自然来源（Fac2）、大气沉降（Fac3）和交通运输（Fac4）。
作者贡献声明
邵雅梅：撰写初稿、数据可视化、方法论设计、数据整理。马伟波：方法论设计、调查、资金筹集。陈一聪：数据验证、方法论设计、调查。吕玉娟：撰写、审稿与编辑、调查。王楠：撰写、审稿与编辑、概念构思。林杰：撰写、审稿与编辑。吕彦莉：撰写、审稿与编辑。李海东：监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号72174127和42307604）和科技部基础科技专项（项目编号2014FY110800）的支持。
