基于铜同位素示踪的尾矿周边土壤重金属污染源解析与风险评价

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Source apportionment and risk assessment of heavy metal contamination in soils surrounding the tailings based on copper isotopes

　　本研究针对长期采矿活动导致的土壤重金属污染问题，通过铜同位素（δ65Cu）示踪技术结合混合端元模型，定量解析了铜陵水木冲尾矿库周边土壤中铜的污染来源。研究发现该区域土壤铜平均含量达1226.1 mg/kg，尾矿贡献率达70%，生态风险评价显示Cu、Cd、Zn为主要污染元素，健康风险评价表明As、Cr是主要健康风险因子。该研究为矿区土壤污染精准治理提供了科学依据。

　　

在矿产资源开发带来经济效益的同时，长期采矿活动对周边环境造成的重金属污染问题日益凸显。铜陵作为长江中下游重要的有色金属生产基地，自1942年重建以来持续开采，遗留的尾矿库在长期风化、淋滤作用下，重金属向周边土壤迁移，对生态系统和人体健康构成潜在威胁。传统污染源解析方法如主成分分析（PCA）和正矩阵分解（PMF）等受体模型，虽能实现污染源的定量解析，但存在对大数据集的依赖性强、难以识别特定污染源、结果主观性强等局限。随着质谱技术的发展，非传统稳定金属同位素技术为追溯金属来源和环境过程提供了新工具。

为精准识别尾矿周边土壤重金属污染来源，研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表论文，以铜陵水木冲尾矿库周边土壤为研究对象，通过系统采样分析，结合铜同位素示踪技术与混合端元模型，定量解析了土壤中铜的污染来源，并评估了其生态与健康风险。

研究团队主要采用了现场采样与实验室分析相结合的技术路线。在尾矿库周边布设30个表层土壤采样点，同步采集尾矿、未污染土壤及当地常用肥料作为对比样本。通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定重金属含量，利用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）分析铜同位素组成（δ⁶⁵Cu），并应用地质累积指数（I_geo）、美国环境保护署（USEPA）健康风险评价模型等进行风险评价。

3.1. 土壤理化性质与重金属污染特征

研究区土壤呈酸性（pH均值6.06），有机质含量较低。重金属分析显示，土壤中铜平均含量高达1226.1 mg/kg，超出当地背景值38倍，达到严重污染水平；Zn、As、Cd、Pb、Hg含量也不同程度超标，呈现中度污染。地质累积指数评价表明，Cu为极重度污染，Cd和Zn为中度至重度污染，污染程度依次为Cu > Cd > Zn > As > Hg > Pb > Cr。相关性分析发现Cu、Zn、As、Cd之间显著相关，提示其可能源于同一污染源。

3.2. δ??Cu组成与来源分析

污染土壤δ⁶⁵Cu值范围为0.60‰–0.78‰（均值0.68‰），与尾矿δ⁶⁵Cu值（均值0.85‰）接近，而未污染土壤δ⁶⁵Cu值（均值0.33‰）与当地基岩特征一致。δ⁶⁵Cu与1/Cu的线性关系进一步证实尾矿为土壤铜污染的主要来源。

3.3. 污染源贡献率计算

通过混合端元模型计算，尾矿对土壤铜的贡献率为55%–88%（均值70%），自然来源（基岩）贡献率为12%–45%（均值30%）。结果表明，历史采矿活动是导致区域土壤铜污染的主导因素。

3.4. 生态与健康风险评价

生态风险评价显示，研究区土壤整体处于重度污染水平，污染主要集中在Cu、Cd、Zn。健康风险评价表明，成人和儿童的非致癌危害指数（HI）分别为0.82和0.86，处于可接受水平；致癌风险（CR）分别为1.02E-5和9.77E-6，也低于风险阈值。As和Cr是主要的健康风险因子，其风险值显著高于其他元素。

研究通过铜同位素示踪技术精准识别了尾矿库对周边土壤重金属污染的贡献，揭示了采矿活动对区域环境的显著影响。生态风险与健康风险评价结果的差异提示，污染治理需兼顾高污染元素（Cu、Cd、Zn）的控制与高风险元素（As、Cr）的长期监控。研究成果为矿区土壤污染精准溯源和风险管控提供了新方法，对推动矿区环境治理与生态修复具有重要实践意义。未来研究可进一步探讨重金属在土壤-地下水界面的迁移转化机制及其与土壤理化性质的动态交互作用，为污染防控提供更全面的理论支撑。