تهیه نقشه های توزیع مکانی آلاینده‌های فلزات سنگین در خاکهای حوضه سد البرز در استان مازندران
علی چراتی آرایی
1
(استادیار بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی مازندران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، ساری،)
بهنوش جعفری گرزین
2
(رئیس بخش تحقیقات حفاظت خاک و آبخیزداری مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی مازندران
سازمان تحقیقات، اموزش و ترویج وزارت)
محمد اسماعیل کمالی
3
(مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی گلستان)
کلید واژه: درونیابی, آلودگی, کیفیت خاک, کریجینگ,
چکیده مقاله :
Soil pollution and heavy metal accumulation are one of the most important environmental problems to plants, animals and human health. In this research, distribution maps of heavy metals (Cd, Pb, Ni, Zn, Fe, Mn and Cu) were prepared and the pollution status was assessed in the arable land of the Alborz Dam downstream basin.For this purpose, 215 surface composite soil samples were provided in depth of 0-30 cm. Cd, Pb and Ni were extracted by 0.05 M Na2EDTA extractant and the other elements including available Zn, Cu, Fe and Mn extracted by DTPA extractant and measured using AAS. After checking the normality of the data, the best semivariate model was selected based on the lowest fitting error value. Spatial distribution maps were prepared by conventional kriging method in GIS environment. The results showed that the best semi-variable models for the studied data were spherical and exponential models. The average concentration of harmful heavy metals to plants, including Cd, Pb and Ni in the soils of the region is 0.6, 11.5, and 4.9 mg/kg, respectively, which is less than the maximum permissible concentration. The mean concentration of other heavy metals that are required by the plant, including Zn, Cu, Mn and Fe, in the soils of the region is 1.13, 3.9 and 14.8 mg/kg, respectively, which is not only lower than the maximum permissible concentration but in some areas, Zn and Mn deficiency was observed. The correlation between the three elements Cd, Pb and Ni is significant and positive. There is a negative and significant relationship between soil lime and Cd, Pb and Ni. The higher the amount of lime in the soil, the less mobility of these elements which causes the precipitation of heavy metals in the soil.
چکیده انگلیسی :
انباشتگی فلزات سنگین در خاک یکی از چالشهای زیست‌محیطی است که زندگی گیاهان، حیوانات و انسانها را تهدید می‌نماید. در این تحقیق تهیه نقشه‌های پراکنش فلزات سنگین (کادمیم، سرب، نیکل، روی، آهن، منگنز و مس) و ارزیابی وضعیت آلودگی در اراضی زراعی حوضه زیر سد البرز در استان مازندران انجام شد. برای این منظور تعداد 215 نمونه خاک مرکب سطحی از عمق 30-0 سانتیمتری تهیه گردید. مقدار عناصر کادمیم، سرب و نیکل با عصاره‌گیر Na2EDTA 05/0 مولار و مقدار سایر عناصر شامل روی، مس، آهن و منگنز قابل جذب با عصاره‌گیر DTPA عصاره‌گیری و با دستگاه جذب اتمی اندازه‌گیری شد. پس از بررسی نرمال بودن دادهها، بهترین مدل نیمتغییرنما بر اساس کمترین مقدار خطای برازش انتخاب شد. نقشه‌های توزیع مکانی به روش کریجینگ معمولی در محیط GIS تهیه شد. نتایج نشان داد که بهترین مدلهای نیم تغییرنما برای داده‌های مورد بررسی، مدلهای کروی و نمایی بوده است. میانگین غلظت فلزات سنگین مضر گیاه شامل کادمیم، سرب و نیکل در خاکهای منطقه به ترتیب 6/0، 5/11 و 9/4 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌باشد که کمتر از حد اکثر غلظت مجاز است. میانگین غلظت سایر فلزات سنگین مورد نیاز گیاه شامل روی، مس، منگنز و آهن در خاکهای منطقه به ترتیب 13/1، 9/3 و 8/14 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌باشد که نه تنها کمتر از حد اکثر غلظت مجاز است بلکه در برخی مناطق کمبود عنصر روی و منگنز مشاهده شد. همبستگی بین سه عنصر کادمیم، سرب و نیکل معنی‌دار و مثبت بود. بین درصد آهک خاک با کادمیم، سرب، نیکل و روی ارتباط منفی و معنی‌دار وجود دارد. با افزایش آهک خاک، تحرک فلزات سنگین کادمیم، سرب، نیکل و روی به شدت کاهش یافته و موجب رسوب آنها در خاک میشود.
_||_
تهیه نقشه های توزیع مکانی آلاینده‌های فلزات سنگین در خاکهای حوضه سد البرز در استان مازندران
چکیده
انباشتگی فلزات سنگین در خاک یکی از چالشهای زیست محیطی است که زندگی گیاهان، حیوانات و انسانها را تهدید می‌نماید. لذا در این تحقیق تهیه نقشه های پراکنش غلظت فلزات سنگین و ارزیابی وضعیت آلودگی در اراضی زراعی حوزه زیر سد البرز در استان مازندران انجام شد. برای این منظور تعداد 215 نمونه خاک مرکب سطحی از عمق 30-0 سانتیمتری تهیه گردید. مقدار عناصر کادمیم، سرب و نیکل کربناتی با عصاره‌گیر Na2EDTA 05/0 مولار و غلظت مقدار قابل جذب عناصر روی، مس، آهن و منگنز با عصاره‌گیر DTPA عصاره‌گیری و با دستگاه جذب اتمی اندازه‌گیری شد. پس از بررسی نرمال بودن داده ها، نیم تغییرنمای تجربی داده ها محاسبه شد. سپس مدلهای مختلف نیم تغییرنما شامل مدلهای کروی، گوسی، خطی و نمایی بر آنها برازش شد. بهترین مدل نیم تغییرنما بر اساس کمترین مقدار خطای برازش انتخاب شد. سپس پس از روندزدایی، نقشه های توزیع مکانی به روش کریجینگ معمولی در محیط GIS تهیه شد. بر اساس نتایج به‌دست آمده غلظت عناصر کادمیم، سرب و نیکل در خاک های منطقه بیشتر از حد بحرانی نبود و بیشترین غلظت فلزات سنگین کادمیم، سرب و نیکل در اراضی زراعی و باغی حاشیه رودخانه سیاهرود خصوصا بین شهرستان‌های جویبار و کیاکلا و همچنین قسمت‌های شمالی قائمشهر بود. اما غلظت مس، آهن و منگنز در منطقه بیش از حد بحرانی مورد نیاز گیاه بوده و بیشترین مقدار مس و آهن در خاکهای مناطق اطراف شهر بابل، کیاکلا و بابلسر و منگنز در اراضی زراعی و باغی حاشیه رودخانه سیاهرود خصوصا بین شهرستان‌های جویبار و کیاکلا و همچنین قسمت‌های شمالی قائمشهر دیده شده است. همچنین همبستگی بین سه عنصر کادمیم، سرب و نیکل معنی‌دار و مثبت بوده که این امر بیانگر تاثیر عوامل انسانی از جمله مصارف کودها و سموم کشاورزی و استفاده از آّب آلوده برای آبیاری اراضی می‌باشد.
واژه‌های کلیدی: آلودگی، کیفیت خاک، درونیابی، کریجینگ.
مقدمه
کاربرد نادرست برخي از نهاده‌های مهم كشاورزي (آب، كود و سم) ممكن است مشكلات زیست‌محیطی زیادی به دنبال داشته باشد. با ورود برخی فلزات سنگین به زنجیره غذایی و آب‌های زیرزمینی، سلامت انسان و دیگر موجودات زنده به خطر می‌افتد (9). گیاهان علاوه بر عناصر ضروری، عناصری چون سرب و کادمیم را هم جذب نموده و آنها را در درون بافت‌های خود جمع می‌کنند. این عناصر می‌توانند بدون اینکه دارای پیامدهای سمّی برای گیاه باشند، در اندام‌های آن تجمع یافته و به زنجیره‌های غذایی انسان و حیوان منتقل شوند (2). بنابراين براي جلوگيري از ورود این فلزات به زنجیره غذایی و گسترش آلودگي، شناسايي مکان‌های آلوده به این عناصر امری ضروری است. يكي از مشكلات اصلي در ارزيابي وضعيت آلودگي، عدم امكان نمونه‌برداري از تمامي نقاط است. بدين منظور باید از راهكار مناسبی جهت تعميم نتايج حاصل از نقاط اندازهگيري شده به کل سطح نمونه‌برداری استفاده کرد. يكي از راهكارها، استفاده از فن‌های نوين، نظير زمین‌آمار براي مطالعه الگوي توزيع مكاني دادهها و تهيه نقشههاي موردنظر است (21). در اين روش، غلظت عنصر موردنظر در مکان‌های نمونه‌برداری نشده به صورت نااريب برآورد مي‌شود (1). ژئواستاتیستیک (زمین‌آمار)، شاخه ای از علم آمار کاربردی است که با استفاده از اطلاعات حاصله از نقاط نمونه‌برداری، قادر به ارائه مجموعه وسیعی از تخمین‌گرهای آماری برای برآورد خصوصیات مورد نظر در نقاطی که نمونه‌برداری نشده‌اند، می‌باشد. روشهای کریجینگ که یکی از روشهای زمین‌آماری می‌باشد برای تعیین توزیع مکانی فلزات سنگین خاک، پتانسیل بالایی دارند و همچنین به عنوان روش مناسبی برای درونیابی و تهیه نقشه‌های آلایندهها پیشنهاد شدهاند (27)
مطالعات زیادی در کشورهای مختلف برای درونیابی و پهنه‌بندی غلظت فلزات سنگین در خاک انجام‌شده است. لادو و همکاران (16) مدل‌سازی توزیع هشت فلز سنگین (کادمیم، کروم، مس، نیکل، سرب، آرسنیک، جیوه و روی) را در خاکهای سطحی اروپا با استفاده از 1588 نمونه و روش کریجینگ-رگرسیون، انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که کریجینگ رگرسیون، صحت بالاتری نسبت به کریجینگ معمولی ندارد. شهبازی و همکاران (28) با تجزيه و تحليل نقشه پهنه بندي فلزات عناصر سنگین نشان داند که عناصر کادميم، مس و سرب منشا زمين شناسي و کشاورزي دارند. در حقيقت اين فلزات به طور طبيعي در خاک وجود دارند اما فعاليت هاي انسان سبب تجمع بيشتر اين فلزات در خاک شده است .دادگر و همکاران (5) با بررسی روشهای مختلف میان‌یابی، روش کوکریجینگ را برای بررسی تغییرات مکانی کادمیم مناسب تشخیص داده و طبق نتایج آنها، آلودگی کادمیم در اراضی زراعی نسبت به اراضی غیرزراعی بیشتر بوده است. خداکرمی و همکاران (14) با تهیه نقشه پهنه‌بندی فلزات سنگین با استفاده از روش کریجینگ معمولی نشان دادند که مصرف بیش از حد کودهای شیمیائی باعث افزایش هرچه بیشتر روی و مس در خاک میشود. آتیا و دوبوئیس (1) جهت تعیین پراکنش مکانی عناصر سنگین در سوئیس از تکنیک زمین‌آمار استفاده کرده و نتیجه گرفتند که منشأ اصلی کبالت و نیکل خاک از مواد مادری، سرب از کودهای شیمیایی و کادمیم از فعالیت واحد‌های صنعتی است. جیاچون و همکاران (8) با استفاده از کریجینگ لوگ نرمال و معمولی برای پهنه بندی به این نتیجه دست یافتند که کادمیم با مدل خطی منطبق بوده و دخالت‌های انسان در طبیعت در قالب کاربرد پساب‌های صنعتی، کودهای شیمیایی و دیگر اعمال مدیریتی، موجب افزایش کادمیم در خاک میشود. در مطالعه دیگری، کیشنه و همکاران (15) در خاکهای جنگلی سوئد برای تهیه نقشه پراکندگی، در مناطقی که غلظت کل کادمیم در آنها بالا است، روش کریجینگ معمولی را پیشنهاد دادند. متکان (20) از روش کریجینگ معمولی برای برآورد مقدار عنصر کادمیم موجود در خاکهای منطقه مرکزی ایران واقع در استان اصفهان استفاده نمود. نتایج وی نشان داد که کاربری تأثیر مهمی بر روی کادمیم کل موجود در خاک دارد، به‌طوری‌که در کاربری شهری و صنعتی، میانگین این فلز سنگین به‌طور معنی‌داری بیشتر از میانگین آن در سایر کاربری‌ها بود. در تحقیقی، نوروزی (24) نقشه‌های توزیع مکانی کادمیم را در دو کاربری کشاورزی و جنگل در حوضه آبریز سیاه رود تهیه نمود. میانگین غلظت کادمیم قابل‌دسترس در کاربری جنگل از کاربری کشاورزی کمتر بوده و مقایسه میانگین‌ها بین کاربری کشاورزی و جنگل نشان داد که غلظت کادمیم به‌طور معنی‌داری در کاربری کشاورزی افزایش نشان داده است. نیکلسون و همکاران (23) در این خصوص، نظر مشابهی دارند و گزارش نموده‌اند که غلظت بالای عناصر سنگین به ویژه مس، روی و کادمیم در خاکهای کشاورزی درنتیجه استفاده از کودهای مایع، کودهای دامی، انواع فاضلاب‌ها و ترکیبات اضافی و یا حتی کودهای غیر آلی است که به خاک اضافه میشود. در مطالعه دیگری، وو و زهانگ (31) از زمین‌آمار برای تخمین فلزات سنگین (سرب، کادمیم، نیکل و روی) در نواحی آلوده منطقه هاینینگ چین استفاده نمود و نقشه توزیع آلودگی با استفاده از روش کریجینگ را تهیه نمود. نتایج بیانگر افزایش کادمیم نسبت به گذشته در سطح زمین بود و منشأ این آلودگی تأثیرات آنتروپوژنیک بوده است.
در حال حاضر اکثر رودخانه‌های شمال کشور تحت تأثیر فعالیت‌های انسانی هستند، که باعث بروز آلودگی‌ها و تغییر و تخریب اکوسیستم رودخانه‌ها شده است. رودخانه سیاه رود نیز به‌عنوان یکی از مهم‌ترین رودخانه‌های شمال کشور از این قاعده مستثنا نیست. همچنین استفاده از رودخانه‌ها در زمین‌های کشاورزی اطراف یکی از دلایل تجمع فلزات در خاکهای مذکور است (12). وقتی رودخانه سیاه رود وارد شهرستان قائمشهر میشود فاضلاب‌های خانگی و صنعتی ساکنین حاشیه رودخانه و فاضلاب‌ها صنعتی کارخانه نساجی و گونی‌بافی و بیمارستان ولی‌عصر قائم شهر وارد این رودخانه میشود. از منظری دیگر، بابل رود نيز همچون ديگر رودخانه‌ها وقتي از مسير شهرها عبور مي‌كنند مورد هجوم انواع آلودگي‌ها قرار مي‌گيرد و با آبیاری اراضی، موجب آلودگی خاک‌ها میشود. بنابراين براي جلوگيري از ورود این فلزات به زنجیره غذایی و گسترش آلودگي، شناسايي مکان‌های آلوده (پهنه‌بندي اين عناصر در خاك) ضروری است. با توجه به برنامه‌ریزی‌های فراوان در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی و بهره‌برداری بهينه از منابع آب‌وخاک در اراضی کشاورزی حوزه زير سد البرز (محدوده بين دو رودخانه بابلرود و سیاهرود)، اين تحقیق به‌منظور پايش کيفيت خاک ازنقطه‌نظر آلودگی و پهنه‌بندی غلظت کادمیم، سرب، نیکل، روی، مس، منگنز و آهن با استفاده از مناسبترين مدل و روش تخمينگر کریجینگ و تعیین عوامل مؤثر در پراکنش این عنصر انجام گرفت.
روش تحقیق
این تحقیق در حوزه سد البرز و در اراضي زراعي محدوده رودخانه سياه‌رود و بابلرود شامل شهرستان‌هاي بابل، قائمشهر، كياكلا، بهنمير و جويبار صورت گرفت. از لحاظ موقعیت جغرافیایی در حدفاصل طول‌های جغرافیاییˮ11ˊ36°52 و ˮ20ˊ58°52 شرقی و عرض‌های جغرافیاییˮ37ˊ15°36 و ˮ39ˊ46°36 شمالی قرار دارد و مساحت منطقه 95056 هکتار می‌باشد (شکل 1). جهت تهیه نمونه ها، مکان‌هاي نمونه‌برداري بر پايه نقشههاي خاكشناسي، نقشه‌های کاربری، پوشش اراضی و نقشه‌های توپوگرافی در مقیاس 1:250000 و همچنين اطلاعات كشت محصولات زراعي تعیین شد. در مجموع 215 نمونه خاك مركب به صورت شبكه‌اي و با فواصل دو كيلومتر (2کیلومتر×2کیلومتر) تهيه شد. در هر يك از مكان‌هاي نمونه برداری در سطح حدود 50 متر مربع يك نمونه خاك مركب سطحي از عمق 30-0 سانتيمتري تهيه گرديده و مشخصات جغرافيائي محل نمونه‌برداري با دستگاه GPS ثبت شد. انتخاب مكان‌هاي مطالعاتي و تعداد نمونه به نحوي بوده است كه سطح وسيعي از مناطق مورد مطالعه را در بر گرفته و از نظر خصوصيات فيزيكی و شيميايي خاك متفاوت بوده است. عمده فعالیت کشاورزی مناطق نمونه‌برداری شده کاشت برنج می‌باشد و در برخی مناطق سویا و گندم نیز کشت شده است.
Fig 1. The study area
برای اندازه‌گیری مقدار بالقوه قابل‌جذب کادمیم، سرب و نیکل از عصاره‌گیر Na2EDTA 05/0 مولار (کادمیم، سرب و نیکل) استفاده شد. توانائی عصاره گیر Na2EDTA برای استخراج فرم بالقوه قابل‌جذب روی در بخش کربناتی توسط چراتی و ملکوتی (4) گزارش‌شده است. برای اندازه‌گیری غلظت عناصر سنگين روي، آهن، مس و منگنز در خاك، از عصاره گیر DTPA استفاده شد كه یك ماده كمپلكس كننده است و عناصر را كمپلكس می‌كند و از خاك استخراج می‌نماید.
پس از انجام پیش پردازش ها، لایه های اطلاعاتی مورد نیاز شامل لایه های خاک و محدوده مطالعاتی بصورت داده های مکانی و داده های توصیفی در محیط GIS تهیه شد. جهت انجام تجزیه و تحلیل های زمین آماری، ابتدا داده ها با استفاده از افزونهGeospatial Analysis در محیط GIS روندیابی شدند. روندیابی در دو جهت شمالی-جنوبی و شرقی-غربی انجام شد. در صورت مشاهده روند در داده ها، درونیابی پس از حذف روند انجام شد. جهت انجام آنالیزهای مکانی، مقدار نیمتغییرنمای دادهها محاسبه شد. نیمتغییرنما همبستگی مکانی دادهها را به‌صورت زیر بررسی می‌کند.
(1) 
که در آن Z(xi) مقدار متغیر مکانی در نقطه xi، Z(xi+h) مقدار متغیر مکانی در نقطه xi+h، N(h) تعداد زوج نقاط به فاصله h و γ مقدار نیمتغییرنما می‌باشد. پس از محاسبه مقادیر نیمتغییرنمای دادهها، مدلهای مختلف نیم تغییرنما همچون مدل گوسی، نمایی، کروی و خطی بر آنها برازش شد. باید توجه داشت که یکی از عوامل موثر در انجام تخمینهای زمین‌آماری، نوع مدل نیم تغییرنما است و درونیابی بر اساس تابع رفتاری مدلهای نیمتغییرنما انجام میشود. پس از انتخاب بهترین مدل نیم تغییرنما، جهت انجام آنالیزهای زمین‌آماری ابتدا وجود روند در دادهها بررسی شد. اگر روند در دادهها وجود داشته باشد، باید ابتدا دادهها را روند زدایی1 کرد و سپس از روش کریجینگ معمولی استفاده کرد. برای این منظور از آنالیز روندیابی نرم‌افزار ArcGIS استفاده شد. روندها در دو جهت شمالی-جنوبی و شرقی-غربی مورد بررسی قرار گرفت. سپس ناهمسانگردی2 دادهها بررسی شد. ناهمسانگردی به تغییرات دامنه تاثیر و سقف نیم تغییرنما در جهات مختلف گویند. چنانچه نیم تغییرنما در جهات مختلف دارای سقف یکسان ولی دامنه تاثیر متفاوتی باشد، ناهمسانگردی از نوع هندسی است و چنانچه نیم تغییرنما در جهات مختلف دارای آستانه یکسان اما دامنه تاثیر متفاوتی باشد، ناهمسانگردی از نوع منطقهای است. برای بررسی وجود ناهمسانگردی در دادهها نیز نمودار نیم تغییرنما در جهت‌های 0، 45، 90 و 135 درجه مورد بررسی قرار گرفت. لازم به ذکر است که برای استفاده از روشهای زمین‌آماری دادهها باید دارای توزیع نرمال بوده و فرض ایستایی (Stationary) که یعنی میانگین و واریانس در مکان تغییر معنی‌داری نداشته باشند، را دارا باشند. دادهها در زمین‌آمار به شکل رابطه 2 در نظر گرفته می‌شوند.
(2) Z(s) = µ + ξ(s)
که در آن Z(s) مقدار متغیر در نقطه (s)، µ میانگین متغیر که میتواند ثابت یا یک تابع چندجمله‌ای باشد که همان روند قطعی و مولفه ساختاری داده است و ξ(s) خطای تصادفی یا مولفه تصادفی است که تابعی از فاصله و مستقل از مختصات است (26). تابع توزیع دادهها نیز با استفاده از نرم‌افزار SPSS و به روش کولموگروف-اسمیرنوف مورد بررسی قرار گرفت. همچنین برای بررسی همبستگی بین عناصر و بین عناصر با ویژگی‌های خاک، از ضریب همبستگی پیرسون (دارای توزیع نرمال) استفاده شد. برای انجام تجزیه و تحلیل خوشه‌ای، دندروگرام آن ترسیم شد. برای رسم آن، از روش وارد (Ward) به عنوان یک انتخاب مناسب استفاده شد. درونیابی دادهها در این تحقیق با استفاده از روش کریجینگ معمولی (معادله زیر) انجام شد.
(3) 
که در این معادله Z(x)* مقدار پیش‌بینی‌شده در نقطه x با استفاده از داده‌های واقعی Z(xi) در نقطهایی با مختصات xi است و λi نیز وزن نسبت داده‌شده به متغیر Z(xi) است. شایان ذکر است λi به‌گونه‌ای تعيين مي‌شوند كه ميانگين توان دوم خطاي پيشگويي حداقل شود. میزان خطای درونیابی نیز به روش جک نایف و نمودار ارزيابي متقابل و با استفاده از شاخصهای RMSE و RMSSE بدست آمد.
(4) 
(5) 
در اين معادلات Z*(xj) مقدار پيشگويي براي داده Z(xj) با انحراف معيار б(xj) ميباشد. مقدار RMSE بیان می‌دارد که چقدر مقادیر پیش‌بینی‌شده به مقادیر واقعی نزدیک میباشند. هر چقدر مقدار این شاخص به صفر نزدیکتر باشد، مناسب‌تر است. مقدار شاخص RMSSE نیز هرچه به یک نزدیکتر باشد، مناسب‌تر است. اگر مقدار آن بیشتر از یک باشد، پیشبینیها کم برآورد است و اگر کمتر از یک باشد، پیشبینیها بیش برآورد می‌باشد.
نتایج
توصیف متغیرها
تعیین توزیع دادهها، اولین گام در مطالعات آماری است. برای توصیف مشاهدات و نتایج آزمایش‌های انجام شده از آمار کلاسیک استفاده شد. با توجه به این نکته که اکثر روشهای آماری مستلزم داشتن جامعه‌ای با توزیع نرمال میباشند، در این تحقیق برای بررسی تست نرمال بودن دادهها در سطح اطمینان 95% از آماره کلموگروف-اسمیرنف استفاده شد (جدول 1 و شکل2). بر طبق این آزمون، عناصر نیکل، منگنز، روی و فسفر از توزیع نرمال پیروی نمی‌کنند و بقیه عناصر نرمال هستند.
جدول 1. توصیف آماری آزمون نرمالیتی برای متغیرها
Table 1. Statistical description of the normality test for the variables
فسفر | کربن آلی | کربنات کلسیم | رس | آهن | منگنز | مس | روی | سرب | نیکل | کادمیم | متغیر |
002/0 | 14/0 | 06/0 | 45/0 | 2/0 | 00/0 | 42/0 | 00/0 | 37/0 | 01/0 | 15/0 | Sig. |
بررسی داده های کادمیم کربناتی
اطلاعات آماری داده‌های مربوط به کادمیم (Na2EDTA-Cd) در جدول 2 آورده شده است. میانگین کادمیم 60/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم به دست آمد. چولگی و کشیدگی برای کادمیم کربناتی 473/0- و 752/0 است که نرمال بودن دادهها را تایید می‌کند. حداقل و حداکثر کادمیم کربناتی به ترتیب 30/0 و 84/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم به دست آمد.
جدول 2. توصیف آماری داده‌های مربوط به غلظت عناصر فلزات سنگین و فسفر در محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود)
Table 2. Statistical description of the data related to the concentration of elements of heavy metals and phosphorus in the lands below the Alborz dam basin (Siyahrud-Babolrud)
کشیدگی | چولگی | انحراف معیار | واریانس | حداکثر | حداقل | میانگین | عنصر |
|
|
|
| میلی گرم در کیلوگرم |
| ||
752/0 | 473/0- | 09289/0 | 009/0 | 84/0 | 30/0 | 6053/0 | کادمیم کربناتی |
150/0- | 533/0 | 19690/3 | 220/10 | 10/21 | 78/4 | 5336/11 | سرب کربناتی |
233/0 | 945/0 | 78376/1 | 182/3 | 03/10 | 57/1 | 91/4 | نیکل کربناتی |
670/1 | 501/1 | 73241/0 | 536/0 | 20/3 | 14/0 | 13/1 | روی |
337/0- | 487/0 | 84812/1 | 416/3 | 02/9 | 70/0 | 89/3 | مس |
015/1 | 231/1 | 43392/8 | 131/71 | 50/39 | 10/1 | 79/13 | منگنز |
134/0- | 587/0 | 48175/34 | 308/1188 | 40/158 | 92/4 | 57/54 | آهن |
37/1 | 70/1 | 45/17 | 8/304 | 7/80 | 14/2 | 22/25 | فسفر |
|
|
|
|
روی | نیکل کربناتی | سرب کربناتی | کادمیم کربناتی |
|
|
|
|
فسفر | منگنز | آهن | مس |
شکل 2. نمودار جعبه‌ای غلظت فلزات سنگین در محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود)
Figure 2. Box diagram of heavy metal concentration in the lands under the Alborz Dam basin (Siyahrud-Babolrod)
شکل 3 پراکنش کادمیم را در اراضی زراعی حوزه زیر سد البرز را نشان می‌دهد. بیشترین غلظت کادمیم در خاک 8/0 میلی‌گرم در کیلوگرم بوده است که بیشترین پراکنش آن از مرکز تا شمال منطقه و در محدوده کیاکلا، بهنمیر و نزدیکی جویبار می‌باشد. همانطور که ملاحظه میشود در حاشیه رودخانه بابلرود آلودگی کمتری دیده میشود درحالی که در حاشیه سیاهرود و مناطق مرکزی بیشترین غلظت دیده میشود. با توجه به این نکته که حد بحرانی سمیت کادمیم در خاک 5/1 تا 5/2 میلی‌گرم در کیلوگرم و حد مجاز آن حداکثر 1 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌باشد (26)، لذا غلظت کادمیم در منطقه به حد بحرانی سمیت نرسیده است. با این حال پراکنش غظت کادمیم در منطقه، متفاوت بوده و در برخی مناطق غلظت آن تا حد بحرانی نیز رسیده است. لذا در صورت استمرار آلودگی از منابع مختلف ممکن است در آینده مشکلاتی را به دنبال داشته باشد. از طرفی دیگر با توجه به نقشه پراکندگی فسفر (شکل 4 )، احتمال می‌رود به علت مصرف نادرست کودهای شیمیایی، به خصوص کودهای فسفردار که معمولا حاوی فلزات عناصر سنگین از جمله کادمیم میباشند، لذا افزایش کادمیم در قسمت‌هایی از منطقه را شاید بتوان تا حدودی به بالا بودن فسفر خاک مرتبط دانست. جیاکن و همکاران (8)، طی تحقیق بر روی توزیع مکانی فلزات سنگین به این نتیجه رسیدند که غلظت عنصر کادمیم تحت تاثیر عوامل انسانی و طبیعی می‌باشد. در تحقیقی، نوروزی (24)، نقشه‌های توزیع مکانی کادمیم را در دو کاربری کشاورزی و جنگل در حوضه آبریز سیاهرود استان گیلان، تهیه نمود. مقایسه میانگین‌ها بین کاربری کشاورزی و جنگل نشان داد که غلظت کادمیم به طور معنی‌داری در کشاورزی افزایش نشان داد. زارعی و همکاران (32) با بررسی توزیع مکانی برخی فلزات سنگین در خاکهای سطحی بخشی از شهرستان شازند نشان دادند که سرب و کادمیم بیشترین آلودگی را به ترتیب در کاربری مرتع و کشاورزی داشتند.
|
|
|
|
شکل 3. پراکنش غلظت فلزات عناصر سنگین (کادمیم، سرب، نیکل و روی) در محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود)
Figure 3. Distribution of heavy elements (cadmium, lead, nickel and zinc) in the lands below the Alborz dam basin (Siyahrud-Babolrud))
|
|
|
|
Figure 4. Distribution of phosphorus and heavy metal elements (copper, manganese and iron) in the lands below the Alborz dam basin (Siyaroud-Babolroud)
بررسی داده‌های سرب
میانگین غلظت سرب (Na2EDTA-Pb) 4/11 میلی‌گرم بر کیلوگرم به دست آمد (جدول 2). چولگی و کشیدگی برای سرب 533/0 و 150/0- می‌باشد که نرمال بودن دادهها را تایید می‌کند. شکل 3 نقشه پراکنش سرب را در منطقه نشان می‌دهد. بیشترین غلظت سرب 10/21 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌باشد. بیشترین غلظت در منطقه، نزدیک کیاکلا و جویبار و در حاشیه رودخانه سیاهرود و مناطقی از جنوب دیده میشود. با توجه به اینکه حد بحرانی سمیت سرب در خاک 50 میلی‌گرم بر کیلوگرم است (26)، میانگن سرب در منطقه کمتر از حد بحرانی سمیت (حد اکثر غلظت مجاز) است و آلودگی به دنبال ندارد، اما در برخی مناطق (نزدیک کیاکلا و جویبار و در حاشیه رودخانه سیاهرود) تا حدودی به حد بحرانی آلودگی رسیده است. تغییرات سرب در منطقه در دامنه طبیعی قرار دارد که احتمال می‌رود میزان سرب در منطقه منشا طبیعی داشته باشد. البته نباید تاثیر آلایندگی سوخت بنزین در مسیر جاده‌ها را نیز نادیده گرفت. چنانکه در مسیر جاده ها میزان سرب بیشتری قابل ملاحظه است. هانی (7)، منبع ورودی عناصر را در شهرک صنعتی کاوه مورد بررسی قرار داد و به این نتیجه رسید که کادمیم، روی و سرب از یک منشا بوده و از مواد مادری منشاء می گیرند. در واقع این فلزات به طور طبیعی در خاک وجود دارد اما فعالیت انسانی موجب افزایش بیشتر آنها می‌شوند.
توصیف آماری مربوط به عنصر نیکل (Na2EDTA-Ni) در جدول 2 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود میانگین نیکل در منطقه 91/4 میلی‌گرم در کیلوگرم است که بین 57/1 و 03/10 میلی‌گرم در کیلوگرم تغییر می‌کند. چولگی آن 945/0 و کشیدگی آن 233/0 است که نشان دهنده غیر نرمال بودن توزیع آن است. نقشه پراکنش نیکل در شکل 3 نشان داده شده است. در تهیه نقشه نیکل کل در منطقه از روش لاگ کریجینگ استفاده شد. همانطور که مشاهده میشود در مناطق مرکزی و در حاشیه رودخانه سیاهرود در منطقه نزدیک کیاکلا، جویبار و نزدیک قائمشهر حاوی بیشترین غلظت نیکل می باشد. با توجه به اینکه حد بحرانی سمیت غلظت نیکل 50 میلی‌گرم بر کیلوگرم است (26)، غلظت نیکل در مناطق ذکر شده به بالاتر از این حد نرسیده است. چن و همکاران (3)، در خاکهای سطحی در چین نشان دادند که کروم، نیکل و کبالت توسط مواد مادری کنترل می‌شوند. تقی‌پور و همکاران (30)، در بررسی تغییرات مکانی غلظت کل نیکل و مس در خاکهای سطحی همدان به این نتیجه رسیدند که مواد مادری از عوامل اصلی افزایش نیکل در منطقه به شمار می‌رود.
بررسی داده‌های روی
طبق آزمون کلموگروف اسمیرنف، روی قابل جذب (DTPA-Zn) از توزیع نرمال پیروی نمی‌کند. نتایج آماری روی در جدول 2 نمایش داده شده است. میانگین روی قابل جذب 13/1 میلی‌گرم بر کیلوگرم و حداقل 14/0 و حداکثر 20/3 میلی‌گرم بر کیلوگرم بدست آمده است. نقشه پراکنش غلظت روی در شکل 3 نشان داده شده است. از آنجایی که عنصر روی جزو عناصر کم مصرف ضروری مورد نیاز گیاه محسوب می شود، لذا بررسی غلظت آن در خاک از لحاظ تغذیه ای از اهمیت بسزایی برخوردار است. لیندسی و نورول (17) حد بحرانی کمبود روی قابل جذب را در خاک 8/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم تعیین کرده اند. با توجه به حد بحرانی سمیت روی، میانگین غلظت این عنصر در منطقه بالا نیست و آلودگی به دنبال ندارد و در مناطق کمی به صورت پراکنده در نزدیکی حد بحرانی کمبود است. در برخی مناطق به خصوص مناطق مرکزی و همچنین در اراضی زراعی بین شهرستان های جویبار و کیاکلا کمبود این عنصر نیز مشاهده میشود. تقی‌پور و همکاران (30)، با بررسی تغییرات مکانی غلظت سرب و روی در خاکهای بخشی از همدان، میانگین غلظت روی را 5/2 میلی‌گرم بر کیلوگرم گزارش نموده و pH بالا و آهکی بودن خاک را از دلایل عمده تثبیت روی در خاک دانستند. سرمدیان و تقی‌زاده (27)، میانگین روی را در منطقه 67/0 میلی‌گرم بر کیلوگرم به دست آوردند و گزارش آنها مبنی بر عدم وجود آلودگی در منطقه بوده است.
توصیف آماری مربوط به عنصر مس قابل جذب (DTPA-Cu) در جدول 2 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود میانگین غلظت مس در منطقه 89/3 میلی‌گرم در کیلوگرم است که بین 70/0 و 02/9 میلی‌گرم در کیلوگرم تغییر می‌کند. چولگی برای مس 487/0 و کشیدگی آن 337/0- است که نشان دهنده نرمال بودن توزیع آن است. نقشه پراکنش مس خاک منطقه مطالعاتی در شکل4 نشان داده شده است. بیشترین غلظت مس در سه نقطه از منطقه به طور مشخص، در اراضی کشاورزی محدوده شهرهای بابلسر، بابل و همچنین در اراضی بین شهرهای قائمشهر و کیاکلا مشاهده شده است. ملکوتی و همکاران (19) حد بحرانی کمبود مس قابل جذب را در خاک 1 میلی‌گرم بر کیلوگرم تعیین کرده‌اند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که غلظت مس در منطقه به حد آستانه سمیت برای گیاه نرسیده ولیکن در مناطقی از نقشه غلظت بالایی از مس نمایان است که میتواند ناشی از کشاورزی فشرده در منطقه و استفاده نادرست از کودها و سموم و فاضلاب‌ها باشد و در صورت توجه نکردن به این مسئله ممکن است در آینده مشکلاتی را به دنبال داشته باشد. رودریگوئز-مارتین و همکاران (25) در بررسی فاکتورهای کنترل کننده غلظت مس در خاکهای کشاورزی شمال اسپانیا نشان دادند که هر دو منبع مواد مادری و انسانی در کنترل غلظت مس در خاکهای مورد مطالعه موثر است. ملکوتی و همکاران (18)، میانگین غلظت مس را 91/0 به دست آوردند و بیان نمودند غلظت مس که بیشتر از سموم دفع آفات و نیز علف‌کش‌ها به خاک وارد میشود، در حد ایجاد آلودگی برای محیط زیست و مسمومیت برای گیاه نمی‌باشد.
طبق آزمون کلموگروف اسمیرنف، منگنز قابل جذب (DTPA-Mn) از توزیع نرمال پیروی نمی‌کند. اطلاعات آماری منگنز قابل جذب در جدول 2 نشان داده شده است. میانگین غلظت منگنز قابل جذب در منطقه 79/13 میلی‌گرم در کیلوگرم است که بین 10/1 و 50/39 میلی‌گرم در کیلوگرم تغییر می‌کند. چولگی برای منگنز 231/1 و کشیدگی آن 015/1 است. در شکل4 نقشه پراکنش منگنز نمایش داده شده است. همانند عناصر دیگر در قسمت شرقی منطقه و حاشیه سیاهرود، بین کیاکلا و جویبار بیشترین غلظت منگنز مشاهده میشود. ملکوتی و همکاران (19) حد بحرانی کمبود منگنز قابل جذب را در خاک 8 میلی‌گرم بر کیلوگرم تعیین کرده اند. با توجه به حد بحرانی سمیت منگنز، نتایج این تحقیق نشان می دهد که با وجود اینکه میانگین غلظت این عنصر در منطقه نسبتا بالا است ولی آلودگی به دنبال نداشته و در برخی مناطق به صورت پراکنده، غظت منگنز در حد بحرانی کمبود است. کرباسی و همکاران (11)، در بررسی فلزات رسوبات رودخانه سیاهرود استان مازندران، فعالیت‌های انسانی را به طور زیادی در انتشار عناصر منگنز موثر دانسته‌اند.
همانطور که در جدول 2 مشاهده میشود، میانگین غلظت آهن قابل جذب (DTPA-Fe) در منطقه 57/54 میلی‌گرم بر کیلوگرم است. حداقل و حداکثر آهن قابل جذب به ترتیب 92/4 و 40/158 میلی‌گرم بر کیلوگرم است. چولگی و کشیدگی آهن 587/0 و 134/0- بدست آمد که نشانه نرمال بودن دادهها می‌باشد. نقشه پراکنش آهن در شکل4 نشان داده شده است. بیشترین غلظت آهن در منطقه در مناطق مرکزی، اطراف شهرستان های کیاکلا، بابلسر و بهنمیر دیده میشود. ملکوتی و همکاران (19) حد بحرانی کمبود آهن قابل جذب را در خاک 10 میلی‌گرم بر کیلوگرم تعیین کرده اند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که میانگین و حداکثر غلظت این عنصر بسیار بالاتر از حد بحرانی کمبود آهن در خاک بوده لذا ظاهرا نبایستی با مشکل تغذیه‌ای آهن برای محصولات مختلف زراعی و باغی مواجه باشیم ولی ممکن است از لحاظ فیزیولوژیکی، جذب این عنصر توسط گیاه با مشکلاتی همراه باشد.
اطلاعات آماری مربوط به فسفر قابل جذب (NaHCO3-P) در جدول 2 آورده شده است. میانگین فسفردر محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود) 2/25 میلی گرم در کیلوگرم و بین 1/2 تا 7/80 میلی گرم در کیلوگرم است. چولگی آن 7/1 و کشیدگی 37/1 برآورد شده است. بررسی آزمون کلموگروف اسمیرنف نشان داد فسفر از توزیع نرمال پیروی نمی‌کند. با توجه به نقش کودهای فسفردار بر افزایش غلظت فلزات عناصر سنگین خاک و همچنین تداخل آن بر جذب عناصر ریزمغذی، نقشه پراکنش فسفر در منطقه در شکل4 نمایش داده شده است. توجه به این نکته ضروری است که غلظت فسفر در بسیاری مناطق بالاست و با توجه به اینکه بالا بودن فسفر در این خاک ها به دلیل مصرف کودهای شیمیایی فسفاته می‌باشد، و از طرفی دیگر به دلیل وجود عناصر فلزات سنگین در کودهای شیمیایی فسفاته وارداتی، می‌توان تا حدود زیادی عامل افزایش فلزات عناصر سنگین از جمله کادمیم در خاک های منطقه را به مصرف کودهای شیمیایی فسفاته ارتباط داد
بررسی داده‌های درصد كربن آلی خاك (O.C)
اطلاعات آماری مربوط به کربن آلی در جدول 4‑12 آورده شده است. میانگین کربن آلی در محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود) 83/1 درصد و بین 02/0 تا 55/3 است. چولگی آن 385/0 و کشیدگی 059/0 برآورد شده است. استفاده از کودهای حیوانی، لجن فاضلاب از مهم‌ترین عوامل افزایش ماده آلی در زمین‌های کشاورزی می‌باشد.
خلاصه‌ای از اطلاعات آماری مربوط به آهک در منطقه در جدول 4‑13 آمده است. میزان آهک در منطقه دارای میانگین 74/10، حداقل 50/0 و حداکثر 76/34 درصد می‌باشد. چولگی و کشیدگی آن نشان از نرمال بودن آهک است.
.
جدول 3. توصیف آماری داده های مربوط به میزان کربن آلی، آهک، رس، سیلت و شن در محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود)
Table 3. Statistical description of the data related to the amount of organic carbon, lime, clay, silt and sand in the lands under the Alborz dam basin (Siyahroud-Babolroud)
کشیدگی | چولگی | انحراف معیار | واریانس | حداکثر | حداقل | میانگین | پارامتر خاک |
|
|
|
| درصد |
| ||
059/0 | 385/0 | 6321/0 | 400/0 | 55/3 | 2/0 | 83/1 | کربن آلی |
141/0 | 715/0 | 73314/7 | 801/59 | 76/34 | 50/0 | 74/10 | آهک |
065/0 | 015/0- | 892/11 | 4/141 | 00/65 | 00/4 | 49/35 | رس |
9/4 | 01/2 | 93/15 | 1/253 | 00/88 | 00/6 | 23/23 | شن |
98/1 | 22/1- | 3/11 | 2/111 | 00/69 | 00/6 | 28/41 | سیلت |
بررسی داده‌های مربوط به میزان رس، سیلت و شن
اطلاعات آماری مربوط به میزان رس، سیلت و شن در خاک منطقه در جدول 3 ارائه شده است. میانگین رس، سیلت و شن به ترتیب برابر با 49/35، 28/41 و23/23 درصد می‌باشد. بر طبق این دادهها بافت خاک در منطقه مطالعاتی نیز تعیین شد. اغلب خاک منطقه دارای بافت رسی- لومی و رسی می‌باشد.
همبستگی بین عناصر فلزات سنگین و فسفر مورد مطالعه و برخی خصوصیات خاک در جدول 4 نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد که بین اکثر عناصر مورد مطالعه همبستگی معنی‌دار وجود دارد. نیکل با کادمیم و سرب و همچنین فسفر با کادمیم همبستگی بالاتری نشان می‌دهند. این موضوع بیانگر آن است که احتمالا منشا نیکل، کادمیم و سرب یکسان است. بیشترین همبستگی بین مس و آهن دیده شده است. در مطالعه انجام شده توسط جوا کوئیم و همکاران (8) نیز همبستگی بین فلزات سنگین را از روش همبستگی پیرسون محاسبه و به این نتیجه رسیدند، فلزاتی که همبستگی قوی با هم دارند احتمالا منابع آلاینده یکسانی دارند. جدول 5 همبستگی بین عناصر مورد مطالعه و خصوصیات خاک را نشان می‌دهد. رس خاک در سطح 1 درصد با سرب، آهن و مس و در سطح 5 درصد با منگنز ارتباط معنی‌دار دارد. تحقیقات نشان داد که بخش ذرات ریز خاک بدلیل سطح ویژه بالا، تمایل بیشتری برای جذب عناصر سنگین در مقایسه با بخش ذرات درشت خاک نشان می‌دهند. دراگویک و همکاران (6) همبستگی کروم، روی و سرب با ذرات رس خاک را گزارش کردند. بین کربن آلی خاک با سرب، نیکل، آهن، منگنز و مس ارتباط معنی‌دار و مثبت مشاهده شده. لازم به ذکر است که ارتباط کربن آلی با منگنز منفی است. تقی‌پور (29)، ارتباط مثبت و معنی‌داری بین ماده آلی خاک با غلظت نیکل، کروم، کبالت، مس، روی و سرب را گزارش کردند. بین درصد آهک با سرب، نیکل و روی ارتباط منفی و معنی دار وجود دارد. با افزایش آهک، تحرک این عناصر به شدت کاهش می‌یابند و موجب رسوب فلزات سنگین در خاک می‌شوند. کرمی و همکاران (10) ارتباط معنی‌دار و منفی بین روی، مس و آهن در خاک با میزان کربنات کلسیم خاک گزارش کردند. خیرآبادی (13) بین درصد آهک با غلظت کروم، نیکل و مس ارتباط منفی و معنی‌داری مشاهده کرد.
جدول 4. ضریب همبستگی عناصر فلزات سنگین و فسفر مورد مطالعه
Table 4. Correlation coefficient of heavy metals and phosphorus
فسفر | مس | منگنز | روی | آهن | نیکل | سرب | کادمیم | متغیر |
|
|
|
|
|
|
| 1 | کادمیم |
|
|
|
|
|
| 1 | 055/0ns | سرب |
|
|
|
|
| 1 | 48/0** | -43/0** | نیکل |
|
|
|
| 1 | 148/0-ns | 20/0* | 28/0** | آهن |
|
|
| 1 | 004/0-ns | 156/0ns | 137/0ns | 078/0-ns | روی |
|
| 1 | 3/0** | 32/0** | 088/0ns | 3/0** | 076/0ns | منگنز |
| 1 | 33/0** | 087/0-ns | 68/0** | -24/0** | 3/0** | 32/0** | مس |
1 | 067/0ns | 138/0ns | 43/0** | 25/0** | 153/0ns | 21/0** | 42/0** | فسفر |
* و ** به ترتیب معنی‌دار در سطح 5 و 1 درصد و n.s غیر معنی‌دار
جدول 5. ضریب همبستگی بین عناصر و خصوصیات خاک در منطقه مورد مطالعه
Table 5. Correlation coefficient between heavy metals and soil properties in the studied region
رس خاک | درصد آهک | کربن آلی | متغیر |
128/0ns | 47/0** | 117/0ns | کادمیم کل |
3/0** | -38/0** | 25/0** | سرب کل |
079/0ns | -45/0** | 181/0* | نیکل کل |
2/0** | 021/0ns | 2/0** | آهن |
051/0-ns | -166/0* | 128/0ns | روی |
15/0* | 119/0-ns | -166/0* | منگنز |
44/0** | 009/0-ns | 38/0** | مس |
* و ** به ترتیب معنی‌دار در سطح 5 و 1درصد و ns غیر‌معنی‌دار
تجزیه و تحلیل خوشه‌ای
شکل 5 دندروگرام حاصل از تجزیه خوشه‌ای فلزات سنگین مورد مطالعه را نشان می‌دهد. فاصله خوشه‌ها نشان‌دهنده فاصله بین عناصر می‌باشد. فاصله کم بیانگر ارتباط قوی و فاصله زیاد، بیانگر ارتباط ضعیف بین متغیرها است. این نتایج مشابه نتایج حاصل از همبستگی بین عناصر می‌باشد. طبق نتایج آنالیز خوشه‌ای، فلزات سنگین در 4 گروه قرار می‌گیرند. گروه اول شامل عناصر آهن و مس می‌باشد که با هم همبستگی قوی دارند. گروه دوم شامل عناصر روی و منگنز، گروه سوم شامل سرب و نیکل و در گروه چهارم کادمیم تشکیل یک خوشه مستقل را می‌دهد. هر گروه به نظر می‌رسد از منشا مشترک هستند. احتمال می‌رود نیکل و سرب منشا زمین‌شناسی و طبیعی داشته باشند. کادمیم از فاکتورهای انسانی نظیر استفاده از کودهای شیمیایی در مزارع کنترل میشود.
شکل 5. دندروگرام حاصل از تجزیه خوشه ای فلزات سنگین مورد مطالعه
Figure 5. Dendrogram resulting from the cluster analysis of the studied heavy metals
جهت بررسی صحت روش درونیابی به کار رفته، میزان خطای درونیابی به صورت جدول 6 با استفاده از شاخص های میانگین خطا (MEE)، میانگین ، میانگین مجذور خطای کاهش یافته (RMSS) و میانگین مربعات خطا (RMSE) بدست آمد. نتایج بدست آمده نشان داد که نقشه های تهیه شده دارای دقت مناسب در تعیین توزیع مکانی کیفیت خاکهای منطقه مورد مطالعه می باشند.
جدول 6. نتایج ارزیابی روش کریجینگ فلزات سنگین مورد مطالعه
Table 6. Evaluation results of kriging method of the studied heavy metals
RMSS | MSE | MEE | متغیر |
950/0 | 000/0 | 000/0 | کادمیم کربناتی |
006/1 | 010/0 | 030/0 | سرب کربناتی |
940/0 | 014/0 | 002/0 | نیکل کربناتی |
970/0 | 010/0 | 033/0 | مس |
970/0 | 010/0 | 300/0 | آهن |
040/1 | 020/0 | 005/0 | منگنز |
058/1 | 008/0 | 002/0 | روی |
بحث و نتیجهگیری
با توجه به نتایج بدست آمده، پراکنش غظت کادمیم در منطقه متفاوت بوده و عمدتا به حد بحرانی سمیت نرسیده است ولی در برخی مناطق، غلظت آن تاحدودی نزدیک به حد بحرانی سمیت نیز رسیده است. بیشترین پراکنش غظت کادمیم از مرکز تا شمال منطقه و در محدوده کیاکلا، بهنمیر و نزدیکی جویبار می‌باشد. لذا در صورت استمرار آلودگی از منابع مختلف ممکن است در آینده مشکلاتی را به دنبال داشته باشد. در حاشیه رودخانه بابلرود آلودگی کمتری دیده میشود درحالی که در حاشیه سیاهرود و مناطق مرکزی بیشترین غلظت دیده میشود. سرب بیشترین غلظت را در منطقه نزدیک کیاکلا و جویبار و در حاشیه رودخانه سیاهرود و مناطقی از جنوب از خود نشان داد. میانگن سرب در منطقه کمتر از حد بحرانی سمیت است و آلودگی را به دنبال ندارد، در برخی مناطق، غلظت آن تا حدودی نزدیک به حد بحرانی سمیت نیز رسیده است. میزان سرب در منطقه عمدتا منشا طبیعی دارد. البته نباید تاثیر آلایندگی سوخت بنزین در مسیر جاده‌ها را نادیده گرفت. در مورد نیکل باید گفت در مناطق مرکزی و در حاشیه رودخانه سیاه رود در منطقه نزدیک کیاکلا، جویبار و نزدیک قائمشهر بیشترین غلظت نیکل را داریم. از آنجایی که عنصر روی جزو عناصر کم مصرف ضروری مورد نیاز گیاه محسوب می شود، لذا بررسی غلظت آن در خاک از لحاظ تغذیه ای از اهمیت بسزایی برخوردار است. نتایج این تحقیق نشان داد که نه تنها غلظت روی در منطقه به حد آستانه سمیت برای گیاه نرسیده است، حتی در برخی مناطق به خصوص مناطق مرکزی و همچنین در اراضی زراعی بین شهرستان های جویبار و کیاکلا کمبود این عنصر نیز مشاهده میشود. بیشترین غلظت مس در سه نقطه از منطقه به طور مشخص، در اراضی کشاورزی محدوده شهرهای بابلسر، بابل و همچنین در اراضی بین شهرهای قائمشهر و کیاکلا مشاهده میشود، بنابراین نتایج این تحقیق نشان می دهد که غلظت مس در منطقه به حد آستانه سمیت برای گیاه نرسیده، با این حال در برخی از مناطق، غلظت بالایی از مس نمایان است که میتواند ناشی از کشاورزی فشرده در منطقه، استفاده نادرست از کودها و سموم و همچنین فاضلاب باشد. همچنین غلظت منگنز در منطقه به حد آستانه سمیت برای گیاه نرسیده، با این حال میانگین غلظت منگنز در منطقه نسبتا بالا است. بیشترین غلظت آهن در منطقه در مناطق مرکزی، اطراف شهرستان‌های کیاکلا، بابلسر و بهنمیر دیده میشود. غلظت میانگین و غلظت حداکثر این عنصر بالاتر از حد تعیین شده برای آن می‌باشد لذا ظاهرا نباید با مشکل تغذیه‌ای از جنبه میزان آهن در خاک مواجه باشیم ولی ممکن است از لحاظ فیزیولوژیکی جذب این عنصر برای گیاه با مشکلاتی همراه باشد. درصد آهک در منطقه دارای میانگین 74/10 است و حداقل 50/0 و حداکثر 76/34 می‌باشد. می توان نتیجه گرفت خاک های منطقه آهکی می باشند. میانگین میزان کربن آلی در محدوده اراضی حوزه زیر سد البرز (سیاهرود-بابلرود) 83/1 درصد که حداقل 2/0 و حداکثر 5/3 درصد متغیر است.
همبستگی بین عناصر و ویژگی‌های خاک نشان داد که رس خاک همبستگی مثبت با منگنز، سرب، آهن و مس دارد. بین کربن آلی خاک با سرب، نیکل، آهن و مس ارتباط معنی‌دار و مثبت مشاهده شد است. لازم به ذکر است که ارتباط کربن آلی با منگنز منفی است. بین درصد آهک با سرب، نیکل و روی ارتباط منفی و معنی دار وجود دارد. با افزایش آهک، غلظت این عناصر کاهش می‌یابد و موجب رسوب فلزات سنگین در خاک می‌شوند. همبستگی بین عناصر نشان داد که بین عناصر مس و آهن بیشترین ارتباط مثبت وجود دارد و این مطلب در نقشه نیز مشخص شده است. مناطقی که از لحاظ مس و آهن غلظت زیادی دارند، روی کمتری مشاهده شده است.
نتایج آنالیز خوشه‌ای نشان داد که نیکل، کادمیم و سرب در یک خوشه قرار گرفته و احتمالا کلیه این عناصر از یک منشا که میتواند عامل انسانی باشد منشا گرفته‌اند. در ارزیابی صحت روش میان‌یابی کریجینگ معمولی، نتایج آنالیز آماره‌های خطای تخمین (MEE)، میانگین مجذور خطای تعدیل شده (RMSS) و میانگین مربعات خطا (MSE) نشان داد، به غیر از آهن، برای سایر عناصر، این روش مناسب بوده و از دقت و صحت قابل قبولی برخوردار است. درمجموع مناطق مورد مطالعه، روستای کیاکلا دارای بیشترین غلظت عناصر منطقه بوده که احتمالا به دلیل استفاده از کشاورزی فشرده در منطقه و کاربرد نادرست کودها، سموم و آبیاری با آب آلوده می‌باشد.
سپاسگزاري
اين تحقیق با اعتبار پژوهشي سازمان جهاد کشاورزي مازندران و با شماره مصوب 90036-10-60-4 سازمان تحقیقات، آموزش و ترويج کشاورزي انجام شده است که بدين وسیله از تامین اعنبار سازمان جهاد کشاورزي مازندران و مساعي موسسه تحقیقات خاک و آب در تصويب پروژه و اجراي آن در بخش تحقیقات خاک و آب مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزي و منابع طبیعي استان مازندران تشكر مي‌شود
منابع مورد استفاده
1. Atteia O, and Dubois JP. 1994. Geostatistical analysis of soil contamination in the Swiss Jura. Env. Pollution. 86: 315-327. DOI: 10.1016/0269-7491(94)90172-4
2. Brown RE. 1975. Significance of trace-metals and nitrate in sludge Soil. J. Water Pollution Control Federation. 47(12): 2863-2875.
3. Chen T, Liu X, Zhu M, Zhao K, Wu J, and Huang P. 2008. Identification of trace element sources and associated risk assessment in vegetable soils of the urban rural transitional area of Hangzhou, China. Environ. Poll. 151: 67-78. 10.1016/j.envpol.2007.03.004
4. Cherati A, and Malekoti MJ. 2009. Investigating the chemical forms of zinc residue resulting from the application of zinc sulfate in some soils of Mazandaran. Soil and Water Sciences. 23(2): 181-189. 10.22092/IJSR.2010.126948 (In Persian)
5. Dadger M, Shaheswar A, and Yusufzadeh A. 2010. Investigation of changes of cadmium in Absard plain of Tehran. International Conference on Plant, Water, Soil and Air Modeling, Shahid Bahonar University of Kerman, 9 pages. (In Persian)
6. Dragovic S, Mihailovic N, and Gajic B. 2008. Heavy metals in soils: Distribution, relationship with soil characteristics and radionuclide’s and multivariate assessment of contamination sources. Chemosphere. 72: 491–495. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2008.02.063
7. Hani A. 2010. Investigating spatial changes of heavy metals using geostatistics in agricultural lands south of Tehran, PhD thesis, Islamic Azad University, Tehran Science and Research Branch. (In Persian)
8. Jiachun S, Haizhen W, Jianming X, Jianjun W, Xingmei L, and Haiping Z. 2007. Spatial distribution of heavy metal in soil: A case study of changing, China. Environ. Geol. 52:1-10. doi: 10.1007/S00254-006-0443-6
9. Kabata-Pendias A, and Mukherjee AB. 2007. Trace Elements from Soil to Human. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg.
10. Karami M, Afyuni M, Khoshgoftarmanesh AH, Paritz A, and Schulin R. 2009. Grain zinc, iron, and copper concentrations of wheat grown in central Iran and their relationships with soil and climate variables. J. Agric. Food Chem. 57: 10876–10882. doi: 10.1021/jf902074f.
11. Karbasi A, Nabi G, Ghadban F, and Kokbi Sh. 2010. Chemical Partitioning & Pollution Intensity of Heavy Metals in Siahrud River Sediment. Journal of Environment. 53: 11-20. doi:20.1001.1.10258620.1389.36.53.2.5 (In Persian)
12. Kazemi Z. 1996. Investigating the pollution of Syahrud river. Master thesis, Faculty of Environment, University of Tehran, 180 pages. (In Persian)
13. Khairabadi, H. 2010. Investigating the origin of heavy elements in the soil and determining their risk to human health in the surface soil of Hamadan, Master's thesis in soil science. Isfahan University of Technology. (In Persian)
14. Khodakarmi L, Sufianian A, Mirghafari N, Afioni M, and Gulshahi A. 2011. Zonation of heavy metal concentrations of chromium, cobalt and nickel in the soils of three sub-watersheds of Hamadan province. Agricultural sciences and techniques and natural resources, Water and Soil Sciences.58:243-250. 20.1001.1.24763594.1390.15.58.8.2 (In Persian)
15. Kishne AS, Bringmark E, Bringmark L, and Alriksson A. 2006. Comparison of ordinary and lognormal kriging on skewed data of total cadmium in forest soils of Sweden. Evironmental Monitoring and Assessment, 84:243-263. doi: 10.1023/a:1023326314184.
16. Lado LR, Hengl T, and Reuter HI. 2008. Heavy metals in european soils: A geostatistical analysis of the FOREGS geochemical database. Geoderma. 148:189-199. DOI:10.1016/J.GEODERMA.2008.09.020
17. Lindsay WL, and Norwell. 1978. W.A. Development of DTPA soil test for Zinc, Iron, Manganese and copper. Soil Sci. Soc. Amre. Proc. 42(3):421-428. doi:10.2136/sssaj1978.03615995004200030009x
18. Malekoti, MJ, Khavazi K, and Noorzadeh M. 2009. Investigation and zoning of heavy metal concentration (zinc, iron and copper) in agricultural lands of Hamadan province. Geology and Environmental Engineering Conference. Tarbiat Modares University. Page 1209-1216. (In Persian)
19. Malekoti MJ, Mosheiri F, Ghaibi M, and Molawi P., 2005. The optimum concentration of nutrients in soil and some agricultural and horticultural crops. Technical No. 406, Sana Publications, Tehran. (In Persian)
20. Matkan AA, Kazemi A, Gili MR, and Ashurlo D. 2008. Investigating the spatial distribution of cadmium and determining endangered vegetation in the central region of Iran located in Isfahan province using GIS and RS. Journal of Environmental Sciences. 2: 65-76. (In Persian)
21. Mohammadi J. 2001. A review of the basics of geostatic and its application in soil science, Journal of Soil and Water Sciences. 1:90-121. (In Persian)
22. Mohammadi J. 2000. Evaluation and mapping of soil salinity hazard in Ramhormoz area (Khuzestan) using disjungtive kriging. Journal of Agricultural Reasearch. 25(6): 45-57. DOI: 10.22099/IAR.2000.4310
23. Nicholson FA, Smith SR, Alloway BJ, Carlton-Smith C, and Chambers B.J. 2003. An inventory of heavy metal input to agricultural soil in England and Wales. Science Total Environ. 311:205-219. doi: 10.1016/S0048-9697(03)00139-6.
24. Nowrozi A, Qutbrazmjo Sh, and Charkhabi AH. 2009. Evaluation of the spatial distribution of cadmium in some agricultural and forest soils in the Gilan plain, 11th Iran Soil Science Congress, Gorgan, page 2292. (In Persian)
25. Rodriguez Martin JA, Arias ML, and Grau Corbi JM. 2006. Heavy metals contents in agricultural topsoils in the Ebro basin (Spain). Application of the multivariate geoestatistical methods to study spatial variations. Environ. Pollut. 144: 101–1012. DOI: 10.1016/j.envpol.2006.01.045
27. Sarmadyan F, and Taghizadeh Mehrjooi R. 2009. Investigating the effectiveness of geostatistical methods for the purpose of zoning some soil characteristics in Akhtarabad region. Pasture and Watershed Journal (Iranian Natural Resources Journal). 62(3): 377-388. (In Persian)
28. Shahbazi A, Soffianian AR, Afraz R, and Khodakarami L. 2011. The spatial distribution of heave metals cadmium, copper and lead in soil and sources of these metals (Case study: Nahavand city). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 2(2): 97-109. (In Persian)
29. Taghipour M. 2009. Spatial changes of some heavy metals in the surface soils of a part of Hamadan province. Master's Thesis in Soil Science, Faculty of Agriculture, Isfahan University of Technology. 98 pages. (In Persian).
30. Taghipour M, Ayoubi S, and Khademi H. 2010. Analysis of spatial changes of total nickel and copper concentration in surface soils around Hamedan by geostatistical method, Journal of Water and Soil Protection Research.17 (2):69-87. (In Persian)
31. Wu C, and Zhang L. 2009. Heavy metal concenterations and their possible source in paddy soils of a modern agricultural zone, southeastern China, J. Environ. Earth Sci. 60(1):45-56. doi 10.1007/s12665-009-0168-4
32. Zarei L, Hashemi SS, and Najafi M. 2022. Spatial distribution of some heavy metals in two agriculture and rangeland uses (A case study: Shahzand industrial city, Arak). Journal of RS and GIS for Natural Resources, in press. (In Persian)
Spatial distribution mapping of heavy metal pollutants in soils of different areas of Alborz Dam basin in Mazandaran
Abstract
Soil pollution and heavy metal accumulation is one of the most important environmental problem to plants, animals and human health. Because the lack of heavy metal distribution map in Mazandaran, the objective of this research is to provide map of heavy metal (Cd, Pb, Ni, Zn, Fe, Mn and Cu) distribution and evaluate pollution pattern in arable land of the Alborz Dam downstream basin. Composite soil samples with systematic sampling scheme in 2-Km regular grid were provided. Carbonate Cd, Pb and Ni content by 0.05M Na2EDTA and exchangeable Zn, Fe, Mn and Cu content with DTPA extractant by means of AAS. The data normality were assessed, and then standardized if necessary. Spatial distribution maps were drawn using the ordinary kriging method. The best interpolator were monitored with respect to some statistics such as mean error, mean square error and root mean square standardized. Results show that carbonates Cd, Ni and Pb don’t have high content in soil. Soil contamination of Cd, Ni and Pb was mainly derived from anthropic activities like agricultural practices, irrigate with contaminated water. Cu and Fe with high correlation coefficient have high content around babol, kiakola and babolsar. Zn content is normal in the area and in some places is less than normal content but rather is suitable for plants. Evaluating kriging method showed that, ordinary kriging is the best way of estimating not sampled areas, but not for Fe. In maps, the most contaminated area was near Siahrod river in east, especially between Joibar and Kiakola and near Ghaemshahr.
Keywords: pollution, soil samples, interpolation, kriging
توزیع مکانی و پایش آلاینده‌های فلزات سنگین در خاکهای مناطق مختلف حوضه سد البرز، مازندران
طرح مسئله و هدف
براي جلوگيري از ورود عناصر سنگین به زنجیره غذایی و گسترش آلودگي، شناسايي مکان‌های آلوده به این عناصر امری ضروری است. يكي از مشكلات اصلي در ارزيابي وضعيت آلودگي، عدم امكان نمونه‌برداري از تمامي نقاط است. بدين منظور باید از راهكار مناسبی جهت تعميم نتايج حاصل از نقاط اندازهگيري شده به کل سطح نمونه‌برداری استفاده کرد. يكي از راهكارها، استفاده از فن‌های نوين، نظير زمین‌آمار براي مطالعه الگوي توزيع مكاني دادهها و تهيه نقشههاي موردنظر است. روشهای کریجینگ که یکی از روشهای زمین‌آماری می‌باشد برای تعیین توزیع مکانی فلزات سنگین خاک، به عنوان روش مناسب برای درونیابی و تهیه نقشه‌های آلایندهها مورد استفاده قرار می‌گیرد. براي جلوگيري از ورود این فلزات به زنجیره غذایی و گسترش آلودگي، شناسايي مکان‌های آلوده (پهنه‌بندي اين عناصر در خاك) ضروری است. با توجه به برنامه‌ریزی‌های فراوان در جهت توسعه اقتصادی و اجتماعی و بهره‌برداری بهينه از منابع آب‌وخاک در اراضی کشاورزی حوزه زير سد البرز (محدوده بين دو رودخانه بابلرود و سیاهرود) اين تحقیق به‌منظور پايش کيفيت خاک ازنقطه‌نظر آلودگی و پهنه‌بندی غلظت کادمیم، سرب، نیکل، روی، مس، منگنز و آهن با استفاده از مناسبترين مدل و روش تخمينگر کریجینگ و تعیین عوامل مؤثر در پراکنش این عنصر انجام گرفت
روش تحقیق
این تحقیق در حوزه آب و خاك البرز، در اراضي زراعي در محدوده رودخانه سياه‌رود و بابلرود شامل شهرستان‌هاي بابل، قائمشهر، كياكلا، بهنمير و جويبار به مساحت منطقه 95056 هکتار صورت گرفت. نمونه خاك مركب سطحی به صورت شبكه‌اي با فواصل دو كيلومتر تهيه شد (2کیلومتر×2کیلومتر) از عمق 30-0 سانتيمتري تهيه و مشخصات جغرافيائي محل نمونه‌برداري با دستگاه GPS ثبت شد. برای اندازه‌گیری فرم بالقوه قابل‌جذب کادمیم، سرب و نیکل از عصاره‌گیر Na2EDTA 05/0 مولار (کادمیم، سرب و نیکل کربناتی) استفاده شد. برای اندازه‌گیری غلظت عناصر سنگين روي، آهن، مس و منگنز در خاك، از عصاره گیر DTPA استفاده شد. تست نرمال بودن دادهها در سطح اطمینان 95% از آماره کلموگروف-اسمیرنف استفاده شد و عناصری که از توزیع نرمال پیروی ننمودند، با روش حذف اعداد پرت از کل نمونه‌ها و گرفتن لگاریتم، نرمال شدند. نتايج با استفاده از نرم افزارSPSS مورد تجزيه و تحليل آماري قرار گرفت. دادهها به محیط سامانه اطلاعات جغرافیایی (GIS Geographic Information System,) وارد و سپس پردازش و سازماندهی گردیده و بانک اطلاعاتی (Database) منطقه مورد مطالعه درمحیط GIS تشکیل شد.
پراکنش کادمیم در اراضی زراعی حوزه زیر سد البرز نشان می‌دهد که بیشترین پراکنش کادمیم از مرکز تا شمال منطقه و در محدوده کیاکلا، بهنمیر و نزدیکی جویبار می‌باشد. با توجه به این نکته که حد بحرانی سمیت کادمیم در خاک 5/1 تا 5/2 میلی‌گرم در کیلوگرم و حد مجاز آن حداکثر 1 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌باشد، لذا غلظت کادمیم در منطقه به حد بحرانی سمیت نرسیده است. با این حال پراکنش غظت کادمیم در منطقه، متفاوت بوده و در برخی مناطق غلظت آن تا حد بحرانی نیز رسیده است. بیشترین غلظت سرب 10/21 میلی‌گرم در کیلوگرم می‌باشد. میانگن سرب در منطقه کمتر از حد بحرانی سمیت (حد اکثر غلظت مجاز) است و آلودگی به دنبال ندارد. بیشترین غلظت سرب در منطقه، نزدیک کیاکلا و جویبار و در حاشیه رودخانه سیاهرود و مناطقی از جنوب دیده میشود. نقشه پراکنش نیکل نشان داده شده است که مناطق مرکزی و در حاشیه رودخانه سیاهرود در منطقه نزدیک کیاکلا، جویبار و نزدیک قائمشهر حاوی بیشترین غلظت نیکل می باشد. غلظت نیکل نیز در مناطق ذکر شده به بالاتر از حد بحرانی سمیت نرسیده است. درخصوص فلزات سنگین که جنبه تغذیه ای برای گیاه دارد می توان به روی، مس، منگنز و آهن اشاره کرد. با توجه به حد بحرانی سمیت روی، میانگین غلظت این عنصر در منطقه بالا نیست و آلودگی به دنبال نداشته و در برخی مناطق به خصوص مناطق مرکزی و همچنین در اراضی زراعی بین شهرستان‌های جویبار و کیاکلا، کمبود این عنصر نیز مشاهده شد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که غلظت مس در منطقه به حد آستانه سمیت برای گیاه نرسیده ولیکن در برخی از مناطق، غلظت بالایی از مس میتواند ناشی از کشاورزی فشرده در منطقه و استفاده نادرست از کودها و سموم و فاضلاب‌ها باشد. همانند عناصر دیگر، بیشترین غلظت منگنز در قسمت شرقی منطقه و حاشیه سیاهرود، بین کیاکلا و جویبار مشاهده میشود. با توجه به حد بحرانی سمیت منگنز، نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که غلظت این عنصر در منطقه نسبتا بالا است ولی آلودگی به دنبال نداشته و در برخی مناطق به صورت پراکنده، غظت منگنز در حد بحرانی کمبود است. بیشترین غلظت آهن در منطقه در مناطق مرکزی، اطراف شهرستان‌های کیاکلا، بابلسر و بهنمیر دیده میشود. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که میانگین غلظت این عنصر در منطقه بسیار بالاتر از حد بحرانی کمبود آهن در خاک بوده لذا ظاهرا نبایستی با مشکل تغذیه‌ای آهن برای محصولات مختلف زراعی و باغی مواجه باشیم ولی ممکن است از لحاظ فیزیولوژیکی، جذب این عنصر توسط گیاه با مشکلاتی همراه باشد. همبستگی بین عناصر سنگین و برخی ویژگی‌های خاک نشان داد که رس خاک همبستگی مثبت با منگنز، سرب، آهن و مس دارد. بین میزان آهک با غلظت سرب، نیکل و روی خاک ارتباط منفی معنی دار وجود دارد. با افزایش آهک، غلظت این عناصر کاهش می‌یابد و موجب رسوب فلزات سنگین در خاک میشود.
نتیجهگیری
غلظت عناصر فلزات سنگین کادمیم، سرب و نیکل در منطقه، عمدتا به حد بحرانی سمیت نرسیده ولی در برخی مناطق، غلظت کادمیم تا حدودی نزدیک به حد بحرانی سمیت رسیده است. در حاشیه رودخانه بابلرود، آلودگی کمتری دیده شده درحالی که در حاشیه رودخانه سیاهرود و مناطق مرکزی بیشترین غلظت این عناصر دیده میشود بدین‌صورت که بیشترین پراکنش عناصر فلزات سنگین کادمیم، سرب و نیکل از مرکز تا شمال منطقه و در محدوده کیاکلا، بهنمیر و نزدیکی جویبار می‌باشد. افزایش کادمیم در قسمت‌هایی از منطقه را شاید بتوان تا حدودی به بالا بودن فسفر خاک ناشی از مصرف کودهای فسفاته حاوی فلزات عناصر سنگین بخصوص کادمیم مرتبط دانست. در خصوص عناصر فلزات سنگین که جنبه تغذیه‌ای بر گیاه دارد، غلظت عناصر روی، مس، منگنز و آهن در منطقه نه تنها به حد آستانه سمیت برای گیاه نرسیده است، بلکه در برخی مناطق به خصوص مناطق مرکزی و همچنین در اراضی زراعی بین شهرستان‌های جویبار و کیاکلا، کمبود عنصر روی و منگنز نیز مشاهده شد. غلظت نسبتا بالای مس در برخی از اراضی کشاورزی این مناطق را می‌توان تا حدودی به کشاورزی فشرده در منطقه، استفاده نادرست از کودها و سموم و همچنین به استفاده از آب های آلوده به فاضلاب رودخانه سیاهرود نسبت داد. هرچند که غلظت آهن در منطقه نسبتا بالا است و ظاهرا نباید با مشکل تغذیه‌ای گیاه از جنبه میزان آهن در خاک مواجه باشیم ولی ممکن است از لحاظ فیزیولوژیکی جذب این عنصر برای گیاه با مشکلاتی همراه باشد.
كلمات كليدي: آلودگی، نمونه خاک، میان یابی، کریجینگ
Spatial distribution mapping of heavy metal pollutants in soils of different areas of Alborz Dam basin in Mazandaran
Abstract
Background and objectives
In order to prevent the entry of heavy elements into the food chain and the spread of contamination, it is necessary to identify the places contaminated with these elements. One of the main problems in the evaluation of the pollution situation is the impossibility of sampling from all the points. For this purpose, a suitable solution should be used to generalize the results obtained from the measured points to the entire sampling surface. One of the solutions is to use new techniques, such as geostatistics, to study the spatial distribution pattern of data and prepare the desired maps. Kriging methods, which are one of the geostatistical methods, are used to determine the spatial distribution of heavy metals in the soil, as a suitable method for interpolation and preparation of pollutant maps. In order to prevent the entry of these metals into the food chain and the spread of contamination, it is necessary to identify the contaminated places (zonation of these elements in the soil). Considering the many plans for economic and social development and optimal use of water and soil resources in the agricultural lands below the Alborz Dam (the area between the Babolroud and Siahroud rivers. This research was carried out in order to monitor soil quality from the point of view of pollution and zoning of cadmium, lead, nickel, zinc, copper, manganese and iron concentrations using the most suitable model and kriging estimator method and to determine the effective factors in the distribution of this element.
Methodology
This research was carried out in the water and soil area of Alborz, in agricultural lands in the area of Siahroud and Babolroud rivers, including the cities of Babol, Ghaemshahr, Kiakola, Behnemir and Joibar, with an area of 95056 hectares. The surface composite soil sample was collected in grid form with two kilometers intervals (2 kilometers x 2 kilometers) from a depth of 0-30 cm and the geographical characteristics of the sampling site were recorded with a GPS device. 0.05 M Na2EDTA extractant (carbonate form of cadmium, lead and nickel) was used to measure the potentially available form of cadmium, lead and nickel. DTPA extractant was used to measure the concentration of heavy elements zinc, iron, copper and manganese in soil. The data normality test was used at the 95% confidence level of the Kolmogorov-Smirnov statistic, and the elements that did not follow the normal distribution were normalized by removing outliers from all samples and taking the logarithm. The results were statistically analyzed using SPSS software. The data was entered into the geographic information system environment (GIS) and then processed and organized, and the database of the studied area was formed in the GIS environment for georeferencing. Finally, the required information layers were digitized.
Results and discussion
The distribution of cadmium in the agricultural lands of Alborz Dam basin shows that the highest distribution of cadmium is from the center to the north of the region and in the area of Kiakola, Behnemir and near Joibar. Considering the point that the critical limit of cadmium toxicity in soil is 1.5 to 2.5 mg/kg and its maximum limit is 1 mg/kg, therefore the concentration of cadmium in the region has not reached the critical limit of toxicity. However, the distribution of cadmium concentration in the region is different and in some regions its concentration has reached to critical level. The highest concentration of lead is 21.10 mg/kg. The highest concentration of lead can be seen in the region, near Kiakola and Joibar, on the banks of the Siahroud River, and in areas in the south. The distribution map of nickel shows that the central areas and along the Siahroud River in the area near Kiakola, Joibar and near Qarmshahr contain the highest concentration of nickel. The concentration of nickel has not reached above the critical level of toxicity in the mentioned areas. Regarding the heavy metals that have a nutritional aspect for the plant, we can mention zinc, copper, manganese and iron. According to the critical limit of zinc toxicity, the average concentration of this element in the region is not high and there is no pollution, and in some areas, especially the central areas, as well as in the agricultural lands between Joibar and Kiakla cities, the deficiency of this element was also observed. The results of this research show that the concentration of copper in the region has not reached the threshold of toxicity for plants, but in some regions, a high concentration of copper can be caused by intensive agriculture in the region and improper use of fertilizers, poisons, and sewage. As other elements, the highest concentration of manganese observed in the eastern part of the region and on the edge of Siahroud, between Kiakola and Joibar. Regarding the critical limit of manganese toxicity, the results of this research show that the concentration of this element in the region is relatively high, but pollution does not follow, and in some areas, the concentration of manganese is at the critical limit of deficiency. The highest concentration of iron in the region can be seen in the central areas, around the cities of Kiakola, Babolsar and Behnemir. The results of this research show that the average concentration of this element in the region is much higher than the critical level of iron deficiency in the soil, so it seems that we should not face the nutritional problem of iron for various agricultural and horticultural products but the absorption of this element by the plant may be limited physiologically. The correlation between heavy elements and some soil characteristics showed that soil clay has a positive correlation with manganese, lead, iron and copper. There is a significant negative relationship between the amount of lime and the concentration of lead, nickel and zinc in the soil. With the increase of lime, the concentration of these elements decreases and causes the precipitation of heavy metals in the soil.
Conclusion
The concentration of heavy metal elements cadmium, lead and nickel in the region has not reached the critical level of toxicity, but in some areas, the concentration of cadmium has reached the critical level of toxicity. On the banks of the Babolroud river, less pollution is seen, while on the banks of the Siahroud river and in the central areas, the highest concentration of these elements is seen, so that the highest distribution of the heavy metal elements cadmium, lead and nickel is from the center to the north of the region and in the limits of Kiakola, Bahnmir and near Joibar. The increase of cadmium in some parts of the region may be related to the high level of soil phosphorus caused by the use of phosphate fertilizers containing heavy metals, especially cadmium. Regarding the elements of heavy metals which have a nutritional aspect on the plant, the concentration of elements zinc, copper, manganese and iron in the region has not only not reached the threshold of toxicity for the plant, but also in some areas, especially in the central areas, as well as in the agricultural lands between the cities of Joibar. And Kiakola, deficiency of zinc and manganese was also observed. The relatively high concentration of copper in some agricultural lands of these regions can be attributed to some extent to intensive agriculture in the region, improper use of fertilizers and poisons, and also to the use of water polluted by the sewage of the Siahroud River. Although the concentration of iron in the region is relatively high and apparently we should not face a nutritional problem for the plant in terms of the amount of iron in the soil, but the absorption of this element may be associated with problems for the plant from a physiological point of view.
Key words: pollution, soil samples, interpolation, kriging
[1] Detrending
[2] Anisotropy
