自人类世以来，高强度的人类活动造成土壤重金属污染日益加剧。铅和镉是土壤中需要重点控制的重金属元素，为解决土壤铅和镉污染，各级政府实施了多种环境管控措施。然而，这些措施在多大程度上限制了工矿城市土壤中人类活动排放主导的的铅和镉的积累仍不清楚。针对这一关键科学问题，四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室青年教师龙治杰与中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所吴艳宏研究员合作，以中国攀枝花市马家田钒钛磁铁矿尾矿库近50年的植被恢复土壤序列为研究对象，通过分析不同年代覆土中铅和镉的浓度及其同位素比值，揭示了1971-2020年攀枝花市土壤中铅和镉污染的历史累积模式，量化了重金属潜在来源和环境管理措施的相对影响，明确了铅和镉累积模式的驱动因素。具体结果如下：

图1 研究区域及采样点信息

研究结果

（1）土壤铅和镉污染的历史记录

土壤中铅和镉含量随覆土年限的增加而线性增加（p < 0.001；图2a、3a）。其中，铅含量在2008-2015年随覆土年限增加而增加（p < 0.05；图2b），1985-2008年保持相对稳定（图2c），1971-1985年呈现较高水平，但波动较大（图2d）。镉含量在2010-2015年随覆土年限增加而增加（p < 0.05；图3b），1985-2010年同样出现显著积累（p < 0.01，图3c），但积累速率（斜率）低于前一时期。随后，镉的含量在1971-1985年间在一高平均水平附近显著波动（图 3d）。

图2 1971-2015年(a)、2008-2015年(b)、1985-2008年(c)和1971-1985年(d)覆土中铅浓度变化

图3 1971-2015年(a)、2010-2015年(b)、1985-2010年(c)和1971-1985年(d)覆土中镉浓度变化

（2）土壤铅和镉的主要来源及其贡献特征

基于历史研究、铅和镉的主要迁移路径及其浓度和同位素组成特征（图4），交通尾气和粉尘(交通运输)、冶炼粉尘和炉渣(冶炼)、粉煤灰(燃煤发电)和土壤母质(自然源)是土壤铅和镉的主要来源。其中，交通运输是土壤铅积累的主要来源（平均贡献：41.1%）。随着时间的推进，交通运输对铅的贡献率从覆土年限40年和47年的40.0-51.1%下降到21年和31年的36.2-37.0%（图5a），而粉煤灰对铅的贡献率则从8.8-13.5%上升至14.9-15.0%。粉煤灰是土壤中镉的主要人为来源（平均贡献：9.8%）。覆盖年限47年土壤中，冶炼和粉煤灰对镉的贡献要低于覆土40年的水平，而交通排放对镉的贡献更高（图5b）。在覆土年限21、31和40年的土壤中，随着时间的下降，冶炼粉尘和粉煤灰对镉的贡献率分别从8.0%降低至0.5%和从19.4%降低到1.7%，而汽车交通的贡献则轻微波动。与覆土21年相比，覆土9年冶炼和粉煤灰对镉的贡献显著增加，而交通对镉的贡献降低。

图4 (a)土壤和不同来源中铅( ²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb和²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb)(平均值±标准差)(a)和镉( ¹¹⁴Cd/¹¹⁰Cd) (b)的同位素比值特征

图5 铅和镉同位素示踪手段揭示不同来源对土壤铅(a)和镉(b)的贡献

（3）近50年来土壤铅积累模式对人类活动和环境管理措施的响应

交通排放是历史时期土壤中铅累积的主要原因，但是1990-2010年间，环境管理措施，尤其是含铅汽油禁令，通过减少交通铅排放对土壤铅的贡献，显著缓解了铅的积累。然而，自2010年以来，由于发电强度的提高，其对铅积累的抑制作用被削弱。具体而言，1971-1985年土壤铅浓度相对较高主要因为城市建立和发展期间人类活动强度的迅速增加（图6）。其强烈的波动反映了城市建设初期凌乱的工业结构和粗糙的工业技术导致的不稳定的重金属排放。1985-2008年间土壤铅的稳定状态是环境保护措施(特别是禁止含铅汽油)的约束效应和工业活动强度增加引发的增加的城市铅排放之间平衡的结果。2010年后，土壤铅的显著积累很可能与工业活动（燃煤发电和冶炼活动）强度的急剧增加有关（图6）。

图6 攀枝花市1970-2020年尾矿产量、GDP、汽车保有量(1998-2020年)、常住人口和发电量的变化；各项指标单位如下:尾矿产量(10⁷吨)、GDP(亿)、汽车保有量(千辆)、常住人口(万)、发电量(亿千瓦/小时)

（4）近50年来土壤镉积累模式对人类活动和环境管理措施的响应

燃煤发电是过去50年土壤中镉持续加速积累的关键驱动力，这主要源自于燃煤中较高的镉含量，较低的空气污染物控制效率以及燃煤发电量的持续增加。具体而言，1971-1985年期间土壤中镉含量高且波动显著的原因是工业活动强度高但不稳定的重金属排放量。而1985-2010年间土壤中镉的显著积累可以被归因于持续增加的粉煤灰和冶炼粉尘对土壤镉的输入和贡献。同时，镉在土壤中的持续积累意味着环境保护措施对土壤镉积累的约束作用较弱。2010-2015年镉进一步加速的累积是由工业强度(尤其是发电)加剧导致镉排放增加所致（图6）。

研究意义

本研究揭示了环境管理措施通过限制交通运输铅排放来减轻土壤铅的积累。然而，由于燃煤中镉含量高和发电强度增加，环境管理措施不能减轻土壤中镉的积累。研究指出了发展更有针对性的镉污染环境控制策略的紧迫性。同时，研究结果也强调了一些小而典型的工矿城市在经济和产业结构转型以及环境管理政策实施过程中所面临的困境（图7）。

图7 近50年来攀枝花地区人为活动引起土壤中铅和镉的累积历史及其对环境管理措施的响应

该研究得到四川省重点科技计划项目（2018SZDZX0022）、中国科学院“西部青年学者”A类计划、中国科学院“青年创新促进会”人才计划（2023391）和地质灾害防治与地质环境保护工程国家重点实验室（SKLGP2021Z002）的支持，攀枝花钢铁集团矿业有限公司提供了尾矿量的数据。相关成果以标题为“Environmental protection measures mitigate Pb but not Cd accumulation in soils: Evidence from a 49-year soil chronosequence in an industrial and mining city in Southwest China”发表在环境科学SCI一区TOP期刊Journal of Hazardous Materials上。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S030438942402020X?via%3Dihub

 撰稿：龙治杰 

审核：杨存建

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