Spatial Distribution Patterns of Heavy Metals (Fe, Mn, Ni, Cr, Co, Pb, Zn, Cu and Cd) in the Central Area of Zanjan

Subject Areas : environmental management

Ali Afshari ¹ , Hossein Khademi ²

1 - MSc Student of Soil Science, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran *(Corresponding Author).
2 - - Professor of Soil Science, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.

Received: 2014-05-28 Accepted : 2014-12-20 Published : 2016-12-21

Keywords: Heavy Metals, spatial distribution, Parent material, Ordinary kriging, Zanjan,

Abstract :

Background and Objectives: Heavy metals are the most important environment pollutants, especially in high-density residential areas. The objective of this study was main purpose of this study was the determination of spatial distribution patterns of heavy metals (including Fe, Mn, Ni, Cr, Co, Pb, Zn, Cu and Cd) according to ordinary kriging method for the central parts of Zanjan province, Iran.  Methods: In this study the 241 of mixed samples of soil, picked up from 0 till 10 Cm depth based on Random Networking (Area of case study was around 2000 Km2). Inorder to, for investigating of the impacts of bedrocks on the heavy metals, we sampled of eleven bedrocks. We used of Nitric Acid (5N), Atomic Absorption Spectroscopy and ordinal kriging for extraction, detection and finally, preparation of maps, respectively. Findings:The result showed the best models are Spherical models for the spatial distribution of lead, zinc, nickel, cadmium, copper, cobalt, iron and exponential models for chromium and manganese respectively. The map of the spatial distribution of metals showed that the distribution of iron, manganese, nickel, cobalt and chromium depend on geological formations.While it seems the concentrations of Pb, Zn, Cu and Cd were depended domestic and industry areas. Discussion and Conclusion: The highest concentrations of the metals were naturally detected in basalt and shale context with analyzing of bedrocks.

References:

1. Kabata-Pendias, A., and Mukherjee, A.B. 2007. Trace Elements from Soil to Human. Speringer. 561 Pages.


2. Li, J., He, M., Han, W., and Gu, Y. 2009. Analysis and assessment on heavy metal source in the coastal soils developed from alluvial deposits using multivariate statistical methods. Journal of Hazardous Materials, 164: 976­-981.


3. Doelsch, E., Deroche, B., and Kerchve, V.D.V. 2006. Impact of sewage sludge spreading on heavy metal speciation in tropical soils (Reunion, Indian Ocean). Chemosphere, 65: 286-293.


4. Facchinelli, A., Sacchi, E., and Mallen, L. 2001. Multivariate statistical and GIS based approach to identify heavy metal sources in soils. Environmental Pollution, 114: 313-324.


5. Li, X., and Feng, L. 2012. Multivariate and geostatistical analyzes of metals in urban soil of Weinan industrial areas, Northwest of China. Atmospheric Environment, 47: 58-65.


6. Nicholson, F.A., Smith, S.R., Alloway, B.J., Carlton-Smith, C., and Chambers, B.J. 2003. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales. Science of the Total Environment, 311: 205-219.


7. امینی، م.، افیونی، م.، و خادمی، ح. 1385. مدل­سازی توازن جرمی عناصر کادمیم و سرب در زمین­های زارعی منطقه اصفهان. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، جلد 10، شماره 4، صص 77-90.


8. تقی­پور، م.، ایوبی، ش.، و خادمی، ح. 1389الف. تجزیه و تحلیل تغییرات مکانی غلظت کل نیکل و مس در خاک­های سطحی اطراف همدان به روش زمین­آمار. مجله پژوهش­های حفاظت آب و خاک، جلد 17، شماره 2، صص 69-87.


9. شیرانی، م. 1386. تغییرات مکانی سرب، کادمیم، نیکل و روی در برخی خاک­های کشاورزی، صنعتی و شهری محدوده بزرگراه مشهد - چناران. پایان‌نامه کارشناسی ارشد خاک­شناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد. 92 صفحه.


10. موحدی­راد. ز. 1386. بررسی تغییرات مکانی روی، سرب، کادمیم و نیکل در خاک‌های سطحی بخشی از استان قم. پایان‌نامه کارشناسی ارشد خاک­شناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان. 175 صفحه.


11. Dankoub, Z., Ayoubi, S., Khademi, H., and Sheng-Gao, L.U. 2012. Spatial distribution of magnetic properties and selected heavy metals in calcareous soils as affected by land use in Isfahan region, central Iran. Pedosphere, 22: 33-47.


12. گلچین، ا. 1384. فعالیت­های صنعتی و آلودگی خاک­های کشاورزی به فلزات سنگین. سازمان مدیریت و برنامه­ریزی استان زنجان. 117 صفحه.


13. Stocklin, J., Hirayama, K., Alavi, M., Eftekhar-nezhad, J., Haghipour, A., Hajian, J., and Vale, N. 1969. Explanatory text of the Zanjan quadrangle map, 1:250000. Geological quadrangle No. D4. Geological Survy of Iran.


14. محمدی، ج. 1385. پدومتری (آمار مکانی). جلد دوم، انتشارات پلک. 240 صفحه.


15. Sposito, G., Lund, L.J., and Chang, A.C. 1982. Trace metal chemistry in arid zone field soils amended with sewage sludge: I. Fractionation of Ni, Cu, Zn, Cd and Pb in solid phases. Soil Science Society of American journal, 46: 260-264.


16. Pannatier, Y. 1996. VARIOWIN: Software for spatial data analysis in 2D. Statistics and computing series, Springer – Verlag, Berlin.


17. Krasilnikov, P., Carre, F., and Montanarella, L. (eds.). 2008. Soil Geography and Geostatistics. Concepts and application. Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities. Scientific and Technical Research. 212 Pages.


18. Ormsby, T. 2008. Getting to Know ArcGIS Desktop. 2^nd Edition 9.3, ESRI Press. 592 Pages.


19. Sevigny, J.H. 1990. Geochemistry of the Jurassic Nelson plutonic suite Southeastern British Columbia.  Litho. Probe. Report. 11:41-52.


20. He, Z.L., Yang, X.E., and Stoffella, P.J. 2005. Trace elements in agro-ecosystems and impacts on the environment. A review. Journal of Trace Elements in Medicine Biology, 19: 125-140.


21. Fergusson, J.E. 1990.  Heavy Elements: Chemistry Environmental Impact and Health Effects. Pergamon Press, Oxford. 614 Pages.


22. شامحمدی، ا.، خامه­چیان، م.، نیکودل، م.، و برومندی، م. 1388. پهنه­بندی آلودگی طبیعی خاک در استان زنجان. ششمین کنفرانس زمین­شناسی مهندسی و محیط زیست ایران، دانشگاه تربیت مدرس.


23. تقی­پور، م.، خادمی، ح.، و ایوبی، ش. 1389ب. تغییرات مکانی غلظت سرب و روی در خاک­های سطحی و ارتباط آن با مواد مادری و نوع کاربری در بخشی از استان همدان. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، جلد 24، شماره 1، صص 144-132.


24. Bi, X., Feng, X., Yang, Y., Qiu, G., Li, G., Li, F., Liu, T., Fu, Z., and Jin, Z. 2006. Environmental contamination of heavy metals from zinc smelting areas in Hezhang County, western Guizhou, China. Environment International, 32: 883-890.


25. Elik, A. 2003. Heavy metal accumulation in street dust samples in Sivas. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 34: 145-156.


26. Figueiredo, A.M.G., Camargo, S.P., Pavese, A.C., Gumiero, F.C., Enzweiler, J., and Sigolo, J.B. 2007. Metal assessment in urban park soils in Sao Paulo. 1. Ibirapuera park. International Nuclear Atlantic Conference - INAC.


27. افشاری، ع.، خادمی، ح.، و حجتی، س. 1393. ارزیابی پتانسیل خطرپذیری آلودگی فلزات سنگین در خاک­های مرکزی استان زنجان بر اساس شاخص­های آلودگی. مجله حفاظت و پژوهش­های آب و خاک، در دست داوری.


28. Ghrefat, H.A., Abu-Rukah, Y., and Rosen, M.A. 2011. Application of geoaccumulation index and enrichment factor for assessing metal contamination in the sediments of Kafrain Dam, Jordan. Environmental Monitoring Assessment, 178: 95-109.


29. Xie, Z.M., and Lu, S.M. 2000. Trace elements and environmental quality. In:Wn Q. L., (Ed). Micronutrients and biohealth. Guiyan, China: Guizhou. Sci. Technal. Press, pp. 208-216.


30. Shi, G., Chen, Z., Bi, C., Li, Y., Teng, J., Wang, L., and Xu, S. 2010. Comprehensive assessment of toxic metals in urban and suburban street deposited sediments (SDSs) in the bioggestmetrolitan area of China. Environmental Pollution, 158: 694-703.


31. Hooker, P.J., and Nathanail, C.P. 2006. Risk-based characterisation of lead in urban soils. Chemical Geology. 226: 340-351.


32. براتی، س.، میرغفاری، ن.، سفیانیان، ع.، و خداکرمی، ل. 1391. توزیع مکانی کروم، کبالت و نیکل در خاک­های سطحی استان همدان. نشریه محیط زیست طبیعی، مجله منابع طبیعی ایران، دوره 65، شماره 3، صص 283-295.


33. عبداللهی، س.، دلاور، م.ا.، و شکاری، پ. 1391. پهنه­بندی توزیع مکانی سرب، روی و کادمیم و ارزیابی آلودگی خاک­های منطقه انگوران، استان زنجان. نشریه آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، جلد 26، شماره 6، صص 1420-1410.


34. Tiller, K.G., and Merry, R.H. 1976. Heavy metal contamination of soils around a lead smelter. Australian. Journal Soil Research. 15: 69-81.


35. Qishlaqi, A., Moore, F., and Forghani, G. 2009. Characterization of metal pollution in soils under two landuse patterns in the Angouran region, NW Iran; a study based on multivariate data analysis. Journal of Hazardous Materials, 172: 374-384.