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高原城市重金属污染功能分区与风险溯源研究——以青海西宁为例，整合功能区分析、APCS-MLR模型及生态风险评价，揭示交通区为复合污染热点，居民区与工业区生态风险突出，钢铁冶炼和建筑涂料为主要贡献源，为高原城市生态恢复提供新框架。
黄金璐|戴红苗|李赵西|黄一博|刘志峰|赵一林|田玉强
中国北京师范大学地理科学学院，地球表面过程与灾害风险降低国家重点实验室，北京 100875
摘要
城市灰尘是一种复杂的污染物混合物，对城市生态系统构成威胁。在不同功能区，其重金属污染存在显著的空间异质性。本研究建立了一个综合框架，结合功能区分析、污染评估、源分配（绝对主成分得分-多元线性回归模型）和潜在生态风险评价，系统地识别了中国高原城市西宁的污染热点和特定来源的生态风险。通过对五个功能区（交通区、工业区、商业区、公共区和住宅区）的分析，发现镉（Cd）（0.81 mg kg?1）、锌（Zn）（246.93 mg kg?1）、铜（Cu）（75.41 mg kg?1）、铬（Cr）（244.04 mg kg?1）和铅（Pb）（75.08 mg kg?1）的浓度严重超标，超出了青海省的背景值3.08–5.79倍。APCS-MLR模型确定了三个主要污染源：钢铁冶炼（40.33%）、建筑涂料（30.72%）以及煤炭-交通-自然来源（28.95%）。值得注意的是，锌/铬的污染程度较高，但潜在生态风险较低（毒性较低）；而镉在所有区域的污染程度中等，但潜在生态风险较高，这可能与其急性毒性有关。交通区成为双重污染风险热点，住宅/工业区面临较高潜在风险，商业/公共区也存在较大潜在风险。该框架为高原城市在城市化压力下平衡生态韧性提供了可行的路径。
引言
城市灰尘来源于人为活动和外部来源（Harrison等人，1981年；Tehrani等人，2025年），是城市环境质量的敏感指标（Ma等人，2021年），反映了自然风化和人类活动的影响（Shi等人，2011年）。虽然地质来源主要来自土壤侵蚀（Ali等人，2017年），但人为活动——尤其是交通（Maeaba等人，2021年）和工业排放（Cheng等人，2018年；Zhang等人，2012年）——显著增加了重金属的积累，大气长距离传输促进了跨界污染（Loska等人，2004年）。由于重金属具有高毒性、持久性和不可生物降解性（Ledin，2000年；Naila等人，2019年；Sun等人，2025年），它们难以治理（Naila等人，2019年；Qin等人，2021年），并容易吸附在道路灰尘上（Wang等人，2021年；Zhu等人，2021年），从而重新悬浮并迁移到水生和陆地生态系统中（Fu等人，2025年；Ullah等人，2025年），对环境质量、生态完整性和公共健康构成跨介质威胁（Wei等人，2015a，Wei等人，2015b；Yüksel等人，2025年）。为了评估重金属污染，广泛使用了诸如地质积累指数（Igeo）和Nemerow综合污染指数（NIPI）等指标；然而，这些指标没有考虑金属毒性的差异（Huang等人，2025年；Zhao和Li，2013年）。Hakanson（1980年）的潜在生态风险指数通过引入毒性系数，允许对潜在生态风险进行加权评估。有效的污染控制还需要准确的污染源识别（Facchinelli等人，2001年）。传统的污染源分配方法主要提供定性见解（Lu等人，2010年；Wang和Lu，2011年），但无法量化具体污染源（Lv，2019年），而先进的受体模型——特别是绝对主成分得分-多元线性回归（APCS-MLR）模型——能够定量估计特定来源的金属贡献（Harrison等人，1996年；Jin等人，2019年；Luo等人，2015年），并有助于进行基于污染源的生态风险归因（Ma等人，2021年；Zhang等人，2018年；Zhou等人，2022年）。
由于景观结构和社会经济功能的差异，城市环境表现出明显的空间异质性（Feng等人，2019年）。功能分区通常将城市划分为商业区、住宅区、工业区和公共服务区（Tian等人，2010年；Han等人，2018年），为分析重金属污染的空间模式提供了有效框架（Dai等人，2021年；Li等人，2018a，Li等人，2018b）。不同功能区的人为压力和人口密度差异导致了特定的污染模式，工业区和人口密集区通常观察到更高的重金属积累（Grimm等人，2008年；Mitran等人，2024年）。
尽管青藏高原相对原始，但其门户城市西宁由于快速的城乡扩张，污染压力不断增加（Dai等人，2019年；Wang等人，2020年）。西宁位于黄水谷地，风力驱动的灰尘扩散加剧了风成过程与人为颗粒物排放的耦合（Li等人，2018a，Li等人，2018b；Pey等人，2010年），先前的研究也报告了某些重金属的空间富集和较高的生态风险（Li等人，2018a，Li等人，2018b）。然而，对于高原大城市而言，仍缺乏一个综合功能分区分析、定量污染源分配和基于污染源的生态风险评估的框架。解决这一差距对于识别污染热点、明确多源贡献以及评估高原城市环境中的生态风险空间差异至关重要。
本研究开发了一个功能分区框架，用于评估中国最大高原城市西宁的灰尘携带的重金属污染和特定来源的潜在生态风险。通过对154个城市灰尘样本的多方法分析，旨在：1）揭示不同功能区的空间模式和主要污染源；2）量化五个关键城市区域的污染水平和特定来源的潜在生态风险。功能分区方法为生态脆弱的高原城市的污染控制提供了有针对性的解决方案。
研究区域
作为青藏高原最大的城市（东经101°45′，北纬36°43′），西宁的城市扩张至380平方公里，带来了不同的环境压力。半干旱大陆性气候（年平均气温7.6°C，年平均降水量380毫米，蒸发量1360毫米）与盛行?西北-西南风（11月至3月）和春季沙尘暴相互作用，导致空气污染物的自然扩散（Zhao等人，2015年；Han和Li，2020年）。
灰尘携带的重金属的空间分布
在西宁的城市灰尘中，镉（Cd）、锌（Zn）、铜（Cu）和铬（Cr）的浓度较高，而铅（Pb）和镍（Ni）的浓度主要集中在城市中心，砷（As）的浓度在整个区域内相对较低（图2）。城市灰尘中镉、锌、铜、镍、铬、砷和铅的平均浓度分别为0.81、246.93、75.41、29.03、244.04、11.60和75.08 mg kg?1。除镍和砷外，所有金属的浓度均超过了青海省的背景值。灰尘携带的重金属的空间异质性和关键污染源的识别
由于细颗粒性质和高流动性，城市灰尘成为一种持久的跨介质污染物，促进了重金属通过水文和大气传输的迁移（Jordanova等人，2014年）。这一作用在半干旱盆地（如西宁）尤为明显，那里有限的降水量限制了颗粒物的冲刷，同时增强了地表金属的富集（Gunawardana等人，2014年；Liu等人，2016年）。因此，进行空间明确的风险评估至关重要。结论
这项功能分区研究阐明了西宁城市灰尘中重金属的多源贡献和潜在生态风险，揭示了由人为活动驱动的显著空间异质性。交通区成为镉（Cd）、锌（Zn）、铜（Cu）、铬（Cr）和铅（Pb）的关键污染热点，主要来源于三个量化来源：来源1（28.95%）——由煤炭燃烧、交通和自然输入产生的Cd-Zn-Cu-Ni-As混合物；来源2（30.72%）——以铅为主
CRediT作者贡献声明
黄金璐：撰写——初稿，可视化，数据管理。
戴红苗：调查。
李赵西：调查。
黄一博：调查。
刘志峰：撰写——审阅与编辑，调查。
赵一林：调查。
田玉强：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，资金筹集，概念化。
未引用参考文献
Eqani等人，2016年
Fang等人，2019年
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42277319）、京金冀区域综合环境改善-国家科技重大专项（项目编号：2025ZD1205200、2025ZD1205201）以及第二次青藏高原科学考察与研究计划（项目编号：2019QZKK0405）的支持。
