半干旱地区大规模灌区地下水中砷和氟的综合来源解析、共富集机制分析与风险评估

为何这则地下水问题重要

在世界许多干旱地区，人们几乎完全依赖地下水来饮用和生产粮食。在中国交口灌区，这一生命线正受到两种看不见的污染物——砷和氟——的威胁。长期暴露可损害牙齿和骨骼、损伤内脏，甚至引发癌症。本研究深入探讨这些物质的来源、它们如何在这一主要农业区下的地下水中累积，以及每天饮用该水的成人和儿童的健康意义。

依赖井水的农业区

交口灌区位于中国关中盆地的半干旱地带，已有60多年灌溉历史。该区以耕地为主，既由渭河抽水灌溉，也由数百口浅井供给当地居民饮水。由于降水少、蒸发强，农户高度依赖灌溉、化肥和农药以维持作物产量。作者在该区域采集了51个地下水和排水渠道样品，测定砷和氟含量，并分析水从降水到土壤再到含水层的运移过程。

咸化地下水中的隐形化学物质

研究团队发现，当地地下水呈弱碱性且常偏咸，超过98%的样品被归类为微咸或咸水。近12%的样品中砷含量超出世界卫生组织饮用水指南，而氟的情况更令人担忧：约44%的样品高于推荐限值。在该区域超过一半的区域，地下水中的氟高到即使用于灌溉也不适宜，这对食品安全和长期健康均构成隐忧。研究者利用模式识别计算方法将水样按溶解盐类分为三类，揭示出矿化较重区与受影响较轻区的明显差异。

岩石、气候与农业如何共同作用

为弄清砷和氟为何同时富集，作者结合了化学测定、天然水同位素和矿物建模。降水与灌溉水沿土壤和富含含氟矿物的沉积物下渗。在这里的微碱性条件下，原先吸附在富铁颗粒表面的砷被释放回水中，氟则从氟石和云母等矿物中释放出来。长石和其他硅酸盐的持续风化提升了水的碱度并减缓地下径流，延长了这些反应发生的时间。与此同时，该干旱气候下的强蒸发浓缩了溶解盐和污染物。大量使用化肥和农药在地表额外输入砷与氟，随后向下淋洗，因此自然地质过程与人类活动相互强化。

对成人与儿童的风险

研究使用健康风险模型并结合蒙特卡洛模拟——一种考虑不确定性的方法——估算这些污染物带来的危险。分析同时考虑了饮用和皮肤接触，但发现吞服受污染的水是远为主要的暴露途径。氟是非致癌健康风险的主要驱动因素，儿童因单位体重饮水量更大而风险尤其突出。在考虑砷和氟共同作用时，超过60%的地下水样品对成人构成潜在关注，对儿童则超过95%。砷则是主要的致癌风险来源，特别是对成人，近五分之一的采样点超出常用的终生癌症概率安全阈值。

更安全的用水意味着什么

作者得出结论：该半干旱灌区的砷与氟来自双重来源：碱性、咸化条件下的岩水反应以及长期农业活动对这些污染物的循环和添加。儿童对氟的影响尤其敏感，而成人则面临更高的砷致癌风险。研究建议在高风险区优先为儿童提供更安全的饮用水，并管控用于农业的地下水中的氟含量。研究还强调了一些低成本的处理选项，例如凝聚–过滤和由果皮等生物材料制成的过滤器，作为在实施长期土地和水管理措施期间实用的减暴露手段。

引用: Zhang, Q., Wei, A., Xu, P. et al. Integrated source apportionment, co-enrichment mechanisms analysis, and risk assessment of arsenic and fluoride in groundwater of large-scale irrigation districts in semi-arid regions. Sci Rep 16, 11007 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42293-6

关键词: 地下水污染, 砷, 氟, 灌区, 健康风险