中国中部一个肝癌高发地区，城市-农业土壤中重金属的来源特异性风险及其对人类健康的影响

肝癌高发区重金属污染综合评估及健康风险研究。运用地统计学与多指数法分析11种重金属的空间分布及生态风险，结合APCS-MLR模型量化污染源贡献，通过蒙特卡洛模拟评估致癌/非致癌健康风险。研究表明汞空间变异显著且生态风险最高，锰对儿童致癌风险贡献突出，揭示工业农业活动主导污染特征，为城乡交错区环境治理提供科学依据。

魏龙|卢莉|刘海家|白玲|张敏|王丽萍|刘家琪

中国郑州大学生态与环境学院

摘要

城市-农业土壤中的重金属污染对生态系统和人类健康构成了重大挑战，尤其是在疾病发病率较高的地区。本研究对位于中国中部的开封市向福区的土壤重金属污染进行了综合评估，以评估污染程度、空间变异性、生态风险以及对人类健康的影响。研究采用了地统计方法和多指标分析法，分析了11种重金属（砷、钡、铬、铜、铁、汞、锰、钼、镍、铅和锌）。通过Nemerow综合污染指数、地质累积指数和潜在生态风险指数来表征污染强度和风险水平。同时运用APCS-MLR（绝对主成分得分与多元线性回归结合）模型识别主要污染源，并通过蒙特卡洛模拟量化概率健康风险评估的不确定性。结果表明，汞的空间变异性和生态风险最高，而锰被认为是导致儿童癌症风险的主要因素。研究强调了工业和农业活动对土壤污染的关键影响，并展示了结合污染源归因和风险建模在管理决策中的价值。本研究为高风险城市-农业环境中的针对性污染控制、生态保护和公共卫生管理提供了科学依据。

引言

城市-农业土壤中的重金属污染对人类健康和生态系统稳定性构成了严重威胁，是全球性的环境和公共卫生问题（Upadhyay等人，2024年；Zhao等人，2012年）。重金属在土壤中的持久存在会导致通过食物链的生物累积，并给人类和生态系统带来长期暴露风险（Zheng等人，2020年；Ye等人，2023年；Lubal，2024年；Zhao等人，2025年）。随着工业化进程的加快、农业集约化和城市扩张，土壤重金属污染已成为可持续土地利用和生态保护的重要管理课题（Motswaiso等人，2022年；Gao等人，2024年）。

从风险评估的角度来看，健康风险分析主要关注不同暴露途径对人类的潜在威胁，而生态风险评估则侧重于污染物对土壤生物、植被和野生动物的影响（Zhao等人，2022年）。尽管这两种方法的重点不同，但它们本质上是相互关联的。生态系统的状况直接影响人类福祉；例如，受重金属污染的土壤会提高作物中的有毒元素浓度，从而威胁食品安全和营养安全（Naorem等人，2022年；Xiang等人，2021年）。因此，整合生态风险和人类健康风险评估对于同时实现环境保护和公共卫生目标至关重要（Nandomah和Tetteh，2024年）。

中国中部的开封市向福区报告了持续较高的肝癌发病率。肝癌是一种多因素疾病，其已知的危险因素包括乙型肝炎病毒（HBV）/丙型肝炎病毒（HCV）感染、过量饮酒、膳食中的黄曲霉素B1暴露以及家族肝癌史（《原发性肝癌诊断与治疗指南》，2024年版）。包括重金属暴露在内的环境污染越来越被视为一个潜在的共暴露因素，而不仅仅是单一的致病因素。向福区观察到的高发病率被用作开展全面环境风险评估的依据，旨在识别可能导致累积健康负担的环境压力源。先前的研究已经记录了土壤中的重金属积累和风险指数（Wang等人，2022年；Jin等人，2022年；Gao等人，2025年），但很少有研究在高发病率地区定量整合污染源归因、生态评估和概率健康风险建模。虽然受体模型技术已应用于其他农业土壤（Li等人，2022年，2024年），但在癌症发病率较高的地区，相关研究仍较为有限。

像绝对主成分得分与多元线性回归（APCS-MLR）这样的污染源归因方法可以定量估计不同来源对土壤重金属负担的贡献（Haji Gholizadeh等人，2016年；Pan等人，2025年）。结合蒙特卡洛模拟，这种方法能够有效量化暴露参数的不确定性和特定来源的健康风险（Liu等人，2023年，2025年；Ye等人，2023年）。然而，这种综合方法在环境污染与流行病学异常现象共存的地区应用较少。

基于此背景，本研究提出了一个用于评估向福区表层土壤重金属污染的综合框架。具体而言，它旨在（1）量化11种重金属（砷、钡、铬、铜、铁、汞、锰、钼、镍、铅和锌）的浓度和空间分布；（2）使用多指标方法评估污染和生态风险；（3）通过APCS-MLR模型识别主要污染源；（4）通过蒙特卡洛模拟评估成人和儿童的致癌和非致癌健康风险。本研究通过整合空间分析、污染源归因（APCS-MLR）和概率健康风险建模，在肝癌高发背景下推进了现有的土壤重金属评估方法。研究不仅关注超标情况，还强调了空间异质性和特定来源的健康风险贡献，为城市-农业过渡区的长期管理提供了环境风险视角。需要指出的是，本研究并未进行土壤污染与肝癌发病率之间的空间相关性、回归或流行病学关联分析。介绍流行病学背景是为了提供环境筛查的公共卫生背景，而非暗示因果关系或统计关联。

研究区域及肝癌发病率

向福区（北纬34°30’ - 34°55′，东经114°08′–114°44′）位于中国中部河南省的开封市北部中心地带（图1），面积约为1302平方公里。该地区具有温暖湿润的季风气候，夏季炎热潮湿，冬季寒冷干燥。年平均降水量约为640毫米，主要集中在6月至9月。向福区的地形较为平坦，分布着众多河流。

方法

本研究采用了一种逐步分析框架，旨在将环境污染、污染源和人类健康风险有机联系起来。首先，利用描述性统计和地统计插值方法描述了表层土壤中重金属的空间分布和污染程度。其次，通过APCS-MLR模型定量识别潜在污染源，从而确定每种来源对各种金属的贡献。

结果与讨论

为确保概念清晰，分析框架依次包括：（i）土壤重金属浓度和空间模式的表征；（ii）主要污染源的识别；（iii）特定来源的概率健康风险的量化。这种结构有助于以连贯且具有政策意义的方式解释污染的环境影响。

结论

研究发现，向福区的土壤中含有11种重金属（砷、钡、铬、铜、铁、汞、锰、钼、镍、铅、锌），平均浓度范围从0.57毫克/千克（汞）到19,474.50毫克/千克（铁）。其中，汞和锌的空间分布波动显著（变异系数Cv > 30%）。对这些金属的空间分布分析表明，砷、钡、铬、铜、铁、锰、镍和锌这八种元素的分布模式相似，浓度较高。

作者贡献声明

魏龙：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，调查，数据管理，概念构思。卢莉：方法学设计，调查，数据分析，数据管理。刘海家：方法学设计，调查，数据分析。白玲：撰写——审稿与编辑，验证，方法学设计，调查。张敏：撰写——审稿与编辑，调查。王丽萍：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，调查，概念构思。刘家琪：监督，资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了郑州大学院士团队研究启动基金（资助编号：13432340370）的支持。特别感谢郑州大学的孙欣、王闯贵、张敏、李贺、郑如丹和王家宝在样本收集和元素分析方面提供的宝贵帮助。同时感谢河南肿瘤医院提供用于本研究的肝癌发病率数据。他们的慷慨支持对完成这项工作起到了重要作用。