ترکیب پارامترهای مغناطیسی: راهی مؤثر در تشخیص منابع آلودگی خاک (مطالعه موردی: خاک های اطراف شهر زنجان)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، ایران

2 استاد مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

مطالعه حاضر با هدف ارزیابی آلودگی خاک­های اطراف زنجان با استفاده از تکنیک پذیرفتاری مغناطیسی می­باشد. برای این منظور از منطقه­ای به وسعت 2000 کیلومتر تعداد 241 نمونه به صورت شبکه­بندی انتخاب گردید. در نمونه­های خاک پذیرفتاری مغناطیسی با استفاده از دستگاه بارتینگتون مدل MS2 قرائت گردید. برای تعیین ارتباط بین فلزات سنگین، خصوصیات فیزیکوشیمیایی و پارامترهای مغناطیسی تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) و آنالیز خوشه­ای (CA) صورت پذیرفت.
نتایج نشان داد که میانگین پذیرفتاری مغناطیسی (χlf) در کاربری کشت دیم، کشت آبی، باغ، مرتع و شهری به ترتیب 0/314، 4/265، 5/321، 6/455 و 2/519 (10-8m3kg-1) بدست آمد. میانگین پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) در کاربری­های اراضی فوق به‏ترتیب 5/1، 0/2، 8/1، 2/1 و 1/1 درصد مشاهده شد. در تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) پنج مؤلفه اول شناسایی شده، که مولفه­های اول تا پنجم به ترتیب 5/20، 1/18، 2/16، 65/9 و 50/8 درصد از کل واریانس را توجیه می­کردند. در آنالیز خوشه­ای دو فاکتور شناسایی شد: فاکتور اول شامل پذیرفتاری مغناطیسی، شن، ماده آلی، EC، کادمیم، مس، روی و سرب، فاکتور دوم شامل پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس، آهک، pH، CEC، سیلت، رس، کروم، نیکل، کبالت و منگنز قرار گرفتند. گروه اول جزء پارامترهایی هستند که بیش‏تر تحت تأثیر فعالیت­های انسانی قرار می­گیرند و گروه دوم، بیش‏تر متأثر از ماده مادری می­باشند. نتایج حاصل از توزیع مکانی پذیرفتاری مغناطیسی کاملاً منطبق بر نتایج آماری پذیرفتاری مغناطیسی در کاربری­های اراضی مختلف می­باشد. بیش‏ترین مقادیر پذیرفتاری مغناطیسی در نمونه سنگ­های آذرینی (بازالت، پورفیریت، گرانیت) مشاهده شد. 

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 36، بهار 95

 

ترکیب پارامترهای مغناطیسی: راهی مؤثر در تشخیص منابع آلودگی خاک

(مطالعه موردی: خاک­های اطراف شهر زنجان)

 

علی افشاری[1]*

a.afshari66@yahoo.com

حسین خادمی [2]

 

چکیده

مطالعه حاضر با هدف ارزیابی آلودگی خاک­های اطراف زنجان با استفاده از تکنیک پذیرفتاری مغناطیسی می­باشد. برای این منظور از منطقه­ای به وسعت 2000 کیلومتر تعداد 241 نمونه به صورت شبکه­بندی انتخاب گردید. در نمونه­های خاک پذیرفتاری مغناطیسی با استفاده از دستگاه بارتینگتون مدل MS2 قرائت گردید. برای تعیین ارتباط بین فلزات سنگین، خصوصیات فیزیکوشیمیایی و پارامترهای مغناطیسی تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) و آنالیز خوشه­ای (CA) صورت پذیرفت.

نتایج نشان داد که میانگین پذیرفتاری مغناطیسی (χlf) در کاربری کشت دیم، کشت آبی، باغ، مرتع و شهری به ترتیب 0/314، 4/265، 5/321، 6/455 و 2/519 (10-8m3kg-1) بدست آمد. میانگین پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) در کاربری­های اراضی فوق به‏ترتیب 5/1، 0/2، 8/1، 2/1 و 1/1 درصد مشاهده شد. در تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) پنج مؤلفه اول شناسایی شده، که مولفه­های اول تا پنجم به ترتیب 5/20، 1/18، 2/16، 65/9 و 50/8 درصد از کل واریانس را توجیه می­کردند. در آنالیز خوشه­ای دو فاکتور شناسایی شد: فاکتور اول شامل پذیرفتاری مغناطیسی، شن، ماده آلی، EC، کادمیم، مس، روی و سرب، فاکتور دوم شامل پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس، آهک، pH، CEC، سیلت، رس، کروم، نیکل، کبالت و منگنز قرار گرفتند. گروه اول جزء پارامترهایی هستند که بیش‏تر تحت تأثیر فعالیت­های انسانی قرار می­گیرند و گروه دوم، بیش‏تر متأثر از ماده مادری می­باشند. نتایج حاصل از توزیع مکانی پذیرفتاری مغناطیسی کاملاً منطبق بر نتایج آماری پذیرفتاری مغناطیسی در کاربری­های اراضی مختلف می­باشد. بیش‏ترین مقادیر پذیرفتاری مغناطیسی در نمونه سنگ­های آذرینی (بازالت، پورفیریت، گرانیت) مشاهده شد.

 

کلمات کلیدی: خاک، پارامترهای مغناطیسی، آلودگی­های انسانی، فلزات سنگین.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


مقدمه

 

پذیرفتاری‏‎مغناطیسی (Magnetic susceptibility) درجه­ای است که یک ماده، میدان مغناطیسی شناخته شده و معینی را تحت‏تأثیر قرار داده و مقدار این تأثیر تابع غلظت و نوع کانی­های مغناطیسی است که در نمونه وجود دارد(1).   

 در خاک­ها به صورت طبیعی ذرات فری­مغناطیسی وکه از مواد مادری­شان به ارث می­رسد و از طرفی ذرات فری­مغناطیسی     در شبکه ساختاری خود دارای فلزات سنگین هستند، در نتیجه می­توان از این خاصیت در برآورد آلودگی فلزات سنگین         در خاک­ها کمک گرفت (2). استفاده از تکنیک اندازه­گیری پذیرفتاری مغناطیسی آسان، سریع، غیرمخرب و حساس است که با هزینه کم و زمان اندک در دامنه وسیع و زیاد انجام می­شود و در سال­های اخیر استفاده از آن روز به روز در حال افزایش بوده است. خصوصیات مغناطیسی خاک، شاخص مهمی برای مطالعات محیطی می­باشد و می­تواند برای جدا کردن منابع مختلف آلودگی استفاده شود (1و3). عموماً   در بررسی خاک­های آلوده به فلزات سنگین از روش­های شیمیایی استفاده می­شود، اما اندازه­گیری مغناطیسی خاک­ها اطلاعات زیادی را با هزینه کم و در زمان کوتاه­تری به ما می­دهد، که روشی سریع و غیرمخرب است (4).

مطالعات مختلف صورت گرفته در دنیا نشان داده است که پذیرفتاری مغناطیسی دارای پتانسیل بالایی جهت ردیابی و برآورد آلودگی خاک­ها به فلزات سنگین می­باشد (5). مبنای استفاده از این روش بر این اصل استوار است که بسیاری از اثرات انسانی در ایجاد آلودگی روی محیط، به وسیله رهاسازی ذراتی است که به شدت مغناطیسی هستند و این امر باعث افزایش مقدار پذیرفتاری مغناطیسی خاک می­گردد (5و6). پذیرفتاری مغناطیسی همراه با افزایش غلظت برخی عناصر افزایش پیدا می­کند (7). در چندین مطالعه ارتباط معنی­دار بین پذیرفتاری مغناطیسی و غلظت عناصر سنگین در خاک­ها گزارش شده است (2، 3، 5، 7 و 8). وانگ (Wang) و همکاران (2012) در مطالعه آلودگی فلزات سنگین و ارتباط آن‏ها با پذیرفتاری مغناطیسی در گرد و غبار خیابانی شهر لانگ­ژو (Lanzhou) (چین)، گزارش کردند که بیش‏ترین مقادیر پذیرفتاری مغناطیسی و فلزات سنگین در مناطق صنعتی دیده می­شود و بالاترین ارتباط بین پذیرفتاری مغناطیسی و فلزات مس، منگنز، نیکل، سرب، روی و آهن وجود دارد (9).    لو و همکاران (2009) گزارش کردند که بیش‏ترین مقادیر فلزات سنگین و پذیرفتاری مغناطیسی در داخل شهر هانگ­ژو (چین) مشاهده می­شود و با افزایش فاصله از شهر از غلظت آن‏ها کاسته می­شود (10). دنکوب و همکاران (2012) در خاک­های سطحی اصفهان ارتباط مثبت و معنی­داری بین غلظت کل فلزات سنگین سرب، منگنز، روی، آهن و مس با پذیرفتاری مغناطیسی گزارش کردند. در حالی­که عناصر نیکل، کروم و کبالت ارتباط منفی و معنی­دار با پذیرفتاری مغناطیسی داشتند. ایشان عناصر گروه اول را متأثر از فعالیت­های انسانی در منطقه نسبت دادند و   گروه دوم را تحت کنترل مواد مادری دانستند (3). کریمی و همکاران (2011) در خاک­های شهری اصفهان، بین پذیرفتاری مغناطیسی و غلظت عناصر سرب، روی، مس و باریم ارتباط مثبت مشاهده کردند و بیان داشتند که غلظت این فلزات را می­توان با اندازه­گیری پذیرفتاری مغناطیسی پیش­بینی کرد (2).

با توجه به نکات اشاره شده در رابطه با استفاده از تکنیک پذیرفتاری مغناطیسی در ارزیابی آلودگی فلزات سنگین در خاک­ها از قبیل سرعت بالا، هزینه مقرون به صرفه در اندازه­گیری، دقت نسبتاً قابل قبول و ارتباط قوی بین پذیرفتاری مغناطیسی و غلظت کل فلزات سنگین، می­توان از این تکنیک به عنوان یک ابزار مستقل در برآورد و مکان­یابی مناطق آلوده به فلزات سنگین استفاده کرد. لذا این پژوهش با هدف ارزیابی کارایی تکنیک پذیرفتاری مغناطیسی در برآورد آلودگی فلزات سنگین در خاک­هایی با کاربری­های اراضی مختلف در اراضی مرکزی استان زنجان انجام گرفت.

 

 

روش بررسی

منطقه مطالعاتی و نحوه نمونه­برداری

منطقه مورد مطالعه با مساحتی بالغ بر 2000     کیلومتر مربع بخشی از اراضی مرکزی استان زنجان می­باشد که بین مدارهای ´20 °36 تا ´41 °36 عرض شمالی و ´19 °48 تا ´53 °48 طول شرقی قرار گرفته است. نمونه­برداری بر اساس روش شبکه­بندی و کاملاً تصادفی انجام گرفت. اراضی شهری که دارای فعالیت­های انسانی بالایی هستند و تغییرات مکانی شدیدی دارند، در شبکه­های 5/1 × 5/1 کیلومتر مربع، اراضی کشاورزی و مراتع در شبکه­های 3 × 3 کیلومتر مربع انتخاب شد. در کل تعداد 241 نمونه مرکب خاک سطحی (عمق10-0  سانتی‏متر)، که شامل کاربری اراضی کشت دیم، کشت آبی، باغ، مرتع و شهری به ترتیب 96، 24، 17، 77 و 27 نمونه بود برداشت گردید. هم­چنین از سنگ­های مادری غیرهوا دیده (هر کدام به طور متوسط 5 نمونه سنگ) برای تهیه مقدار پذیرفتاری مغناطیسی نمونه­برداری انجام گرفت (شکل 1).

اندازه­گیری پذیرفتاری مغناطیسی

اندازه­گیری پذیرفتاری مغناطیسی (χ) در فرکانس پایین (0.47 kHz; χlf) و فرکانس بالا (4.7 kHz; χhf)،  با دستگاه Bartington MS2 dual frequency sensor انجام گرفت. برای این منظور نمونه­های خاک در ظروف پلاستیکی کوچک (Plastic Pots) ریخته شد و سپس توسط حس­گر MS2B (MS2B Sensor) قرائت گردید. مقدار پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس با رابطه 1 محاسبه گردید (1).

رابطه 1

 

تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) و آنالیز خوشه­ای (CA)

به منظور تعیین ارتباط بین عناصر سنگین، پارامترهای مغناطیسی و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک و همچنین تشخیص عامل­های انسانی و طبیعی کنترل­کننده تغییرات هر یک از پارامترهای مورد مطالعه تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) به کار گرفته شد. برای داشتن یک ساختار ساده و تفسیر بهتر نتایج تجزیه، چرخش داده­ها از نوع واریماکس صورت گرفت. در تجزیه و تحلیل خوشه­ای، هدف دست یافتن به ملاکی برای طبقه­بندی هر چه مناسب­تر متغیرها و یا نمونه­ها بر اساس تشابه هر چه بیش‏تر درون­گروهی و اختلاف بیش‏تر بین­گروهی است. برای انجام تجزیه و تحلیل خوشه­ای، ابتدا داده­ها استاندارد شدند. زیرا تغییرات بزرگ در یک متغیر ممکن است به اندازه تغییرات کوچک مقیاس متغیر دیگر مهم باشد و همچنین نمی­توان فاصله داده­هایی با واحدهای مختلف را سنجید. در این مطالعه از روش الگوریتم وارد (Ward) و فاصله اقلیدوسی برای تحلیل خوشه­ای و رسم دندروگرام استفاده شد (11).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   
 

 

شکل 1 - موقعیت محل­های نمونه­برداری، کاربری‏های اراضی و محدوده مورد مطالعه در منطقه زنجان

 

     

 

 

 

 

محاسبات آماری

آمار توصیفی شامل شاخص­های پراکندگی میانگین، حداقل، حداکثر، میانه، انحراف معیار، ضریب تغییرات، دامنه، چولگی و کشیدگی تعیین شد. برای تعیین نرمال بودن توزیع داده­ها از آزمون کولیموگروف (KolmogrovSmirnovTest)  کمک گرفته شد. مقایسه میانگین پارامترهای مغناطیسی        در کاربری­های اراضی مختلف از آزمون تجزیه واریانس یک­طرفه و دانکن استفاده شده است. کلیه محاسبات آماری با کمک نرم­افزار آماری SPSS 16.0 صورت پذیرفت و نقشه توزیع پذیرفتاری مغناطیسی با نرم­افزار ArcGIS 9.3 ترسیم گردید.

یافته­ها

غلظت پارامترهای مغناطیسی در کاربری­های اراضی مختلف

شکل 2 نمودار جعبه­ای حاصل از پارامترهای مغناطیسی (پذیرفتاری مغناطیسی در فرکانس پایین (χlf) و پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به ا در پنج کاربری اراضی مختلف نشان می­دهد. با توجه به شکل، مقدار پذیرفتاری مغناطیسی   در کاربری کشت دیم بین 8/27 تا 8/1947 و میانگین 0/314 (10-8m3kg-1)، درکاربری کشت آبی بین 3/70 تا 6/685 و میانگین 4/265 (10-8m3kg-1) و در کاربری باغ بین 8/30 تا 1/1410 و میانگین 5/321 (10-8m3kg-1) می­باشد. مقدار پذیرفتاری مغناطیسی در کاربری مرتع بین 2/21 تا 9/1740 و میانگین 6/455 (10-8m3kg-1) و در کاربری شهری بین 0/116 تا 6/1347 و میانگین 2/519 (10-8m3kg-1) بدست آمد. بیش‏ترین و کم‏ترین مقادیر پذیرفتاری مغناطیسی به ترتیب مربوط به کاربری­های شهری و کشت آبی می­باشد که دارای اختلاف معنی­دار در سطح احتمال 5 درصد نسبت به سایر کاربری­هاست.

فعالیت­های انسانی باعث افزایش پذیرفتاری مغناطیسی خاک سطحی می­شود (7). ذرات مغناطیس با منشاء آنتروپوژنیکی احتمالاً از منابع زیر منشاء می­گیرند: 1) انتشار ناشی از پروسه سوختن سوخت­های فسیلی 2) انتشار از وسایل نقلیه موتوری (اگزوز وسایل نقلیه، سائیدگی لاستیک­ها و غیره) 3) پسماندهای صنعتی و گرد و غبار حاصل از ذوب فلز و دیگر صنایع. این سه منبع نقش به سزایی در افزایش پذیرفتاری مغناطیسی خاک­ها به خصوص در مناطق شهری دارند (8و 12).

 

   

الف

ب

شکل 2 - نمودار جعبه­ای پذیرفتاری مغناطیسی (الف) و پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (ب) در کاربری­های اراضی مختلف (241=N). (میانگین­های دارای حروف مشترک در سطح 5 درصد اختلاف معنی­داری ندارند)

 

 

 

پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) نماینده ذرات فری­مغناطیس پدوژنیکی است (1 و 13). همچنین برای تمیز و جدا سازی آلودگی منابع طبیعی از منابع غیرمتعارف با منشاء انسانی می­توان از پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) استفاده کرد (14). میانگین پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) در کاربری­های کشت دیم، کشت آبی، باغ، مرتع و شهری به ترتیب 5/1، 0/2، 8/1، 2/1 و 1/1 درصد بدست آمد. کاربری­های اراضی کشت آبی و شهری به ترتیب بیش‏ترین و کم‏ترین مقادیر پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس را نشان می­دهد که دارای اختلاف معنی­دار نسبت به سایر کاربری­های اراضی است.

ضریب تغییرات پذیرفتاری مغناطیسی (χlf) به ترتیب کاهشی در کاربری­های اراضی باغ (106%)، کشت دیم (94%)، مرتع (87%)، کشت آبی (65%) و شهری (51%) مشاهده شد. به‏صورت

  موردی در برخی از نقاط نمونه­برداری شده از کاربری­های باغ، مرتع و کشاورزی (دیم و آبی) میزان پذیرفتاری مغناطیسی به صورت غیرعادی بالاست، این نقاط مربوط به مناطق با فعالیت کارخانجات صنعتی و یا جاده­هایی با ترافیک بالاست. مگیرا و همکاران (2006) اشاره داشتند که در مناطق صنعتی میزان فرونشست گرد و غبار سالیانه در حدود بیش از 100 گرم بر متر مربع می­باشد. آن‏ها ارتباط معنی­داری بین پذیرفتاری مغناطیسی و غلظت برخی فلزات سنگین در این مناطق گزارش کردند (7). کاپیکا و همکاران (2003) میزان ذرات فری­مغناطیس را در نزدیکی نیروگاه برق بالا گزارش کردند که بیش‏ترین میزان پذیرفتاری مغناطیسی در افق سطحی (آلی) مشاهده شد (15). یکی از دلایل عمده ضریب تغییرات بالا در کاربری اراضی مختلف می­تواند ناشی از تحت تأثیر قرار گرفتن بعضی از نقاط نمونه­برداری در کاربری اراضی مختلف به فعالیت­های انسانی در منطقه باشد.

تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) و آنالیز خوشه­ای (CA)

برای تشخیص بیش‏تر و دسته­بندی کردن پارامترهای مغناطیسی و عوامل تأثیرگذار بر آن در نمونه­های خاک سطحی منطقه مورد مطالعه، تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) انجام گرفت (جدول 1). برای بهتر نشان دادن مؤلفه­های اصلی (Principal components) از چرخش واریمکس (Varimax Rotation) استفاده گردید. بر طبق نتایج جدول 1، 5 مؤلفه اول 73 درصد از تغییرات کل واریانس را توجیه می­کند. فاکتور اول حدود 5/20 درصد از کل تغییرات واریانس را توجیه می­کند و کادمیم، مس، روی، سرب، ماده آلی و هدایت الکتریکی خاک (EC) در این گروه قرار گرفتند. اضافه کردن لجن­فاضلاب و کودهای حیوانی در اراضی کشاورزی و فضای سبز شهری که دارای آلودگی به عناصر سنگین هستند باعث شده همبستگی مثبتی بین میزان ماده آلی و مقدار عناصر سرب، روی، مس و کادمیم ایجاد شود و دارای منبع مشترک باشند (16).

فاکتور دوم شامل کروم، کبالت، منگنز، نیکل، جزء سیلت و پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) می‏باشد و حدود 1/18 درصد از کل تغییرپذیری را توجیه می­کند. این گروه بیش‏تر تحت تأثیر مواد مادری در منطقه می­باشند. لو و همکاران (2007) گزارش کردند که غلظت عناصری مانند منگنز در خاک­های سطحی شهری تغییرات چندانی ندارد و این عنصر بیش‏تر تحت تأثیر مواد مادری می­باشد (11). فاکتور سوم نیز 2/16 درصد از واریانس کل را توجیه می­کند و پذیرفتاری مغناطیسی (χlf و χhf) به همراه جزء شن در این فاکتور قرار گرفته است. بردارهای ویژه برای پذیرفتاری در فرکانس بالا و پایین (95/0) و برای جزء شن (40/0) می­باشد. همبستگی بسیار قوی پذیرفتاری مغناطیسی با جزء شن نشان می­دهد که ذرات فری­مغناطیس در اندازه­های درشت بیش‏تر هستند و همچنین جزء شن میزان کانی­های مغناطیسی بالاتری دارد. عامل پذیرفتاری مغناطیسی در خاک سطحی شهری و مناطق صنعتی تحت تأثیر آلودگی با منشاء انسانی قرار می­گیرد بنابراین می­توان گفت که ضریب همبستگی بالا بین اندازه پذیرفتاری مغناطیسی و غلظت عناصر سنگین می­تواند به عنوان شاخص آلودگی تعبیر شود (17). فاکتور چهارم شامل جزء رس و ظرفیت تبادل کاتیونی می­باشد که در کل حدود 65/9 درصد از تغییرات واریانس کل را توجیه می­کند. فاکتور پنجم 50/8 درصد از واریانس را توجیه می­کند و شامل درصد کربنات کلسیم و pH خاک می­باشد. با توجه به ضرایب همبستگی و درصد توجیه­پذیری هر فاکتور (جدول 1) به نظر می­رسد سه فاکتور اول مهم‏ترین عوامل تأثیرگذار بر پارامترهای مغناطیسی باشند.

 

 

 

 

 


جدول 1 - مقادیر ویژه داده­های متغیرهای مورد بررسی (پارامترهای مغناطیسی، فلزات سنگین و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک) در منطقه مطالعاتی

 

تجزیه به مؤلفه­های اصلی

 

1

2

3

4

5

مقدار ویژه

896/3

434/3

071/3

834/1

616/1

درصد واریانس (%)

505/20

071/18

162/16

652/9

503/8

محتوی

 

 

 

 

 

χlf

082/0

222/0-

945/0

099/0-

046/0-

χhf

079/0

224/0-

946/0

100/0-

045/0-

χfd

108/0

325/0

616/0-

261/0

054/0-

کادمیم

744/0

203/0-

152/0

235/0-

177/0

مس

742/0

100/0-

161/0-

107/0-

096/0

روی

651/0

072/0

326/0

228/0-

024/0

سرب

411/0

040/0

279/0

567/0-

004/0-

کروم

084/0-

745/0

377/0-

016/0

110/0-

کبالت

293/0-

815/0

017/0

148/0-

055/0-

منگنز

041/0-

333/0

019/0

054/0

731/0-

نیکل

159/0-

668/0

350/-

127/0

048/0

کربنات کلسیم

125/0

218/0

055/0-

069/0

867/0

pH

683/0-

231/0

166/0

067/0

424/0

EC

882/0

002/0-

104/0

027/0

242/0

Clay

211/0-

092/0

249/0-

698/0

036/0

Sand

047/0-

680/0-

402/0

472/0-

031/0-

Silt

141/0

673/0

324/0-

311/0

098/0

CEC

077/0

607/0

184/0

667/0

033/0-

ماده آلی

849/0

011/0

038/0-

057/0

110/0-

 

 

نتایج حاصل از تجزیه خوشه­ای (CA) همانند نتایج تجزیه به مؤلفه­های اصلی (PCA) است و آن را تأیید می­کند (شکل 3).      در گروه اول تجزیه خوشه­ای پارامترهای پذیرفتاری مغناطیسی در فرکانس بالا (χhf) و پایین (χlf)، درصد شن، ماده آلی، هدایت الکتریکی خاک (EC)، کادمیم، مس، روی و سرب     قرار دارند. در گروه دوم از تجزیه خوشه­ای پارامترهای مختلف از قبیل پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd)، کربنات کلسیم معادل (CCE)، pH، سیلت، رس، ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC)، کروم، نیکل، کبالت و منگنز  قرارگرفته­اند. گروه اول جزء پارامترهایی هستند که بیش‏تر تحت‏تأثیر فعالیت­های انسانی قرار می­گیرند و گروه دوم، بیش‏تر متأثر از ماده مادری و فاکتورهای خاک­سازی می­باشد.

در مطالعات مختلف نتایج مشابهی ارایه شده است. ارتباط مثبت بین پذیرفتاری مغناطیسی و برخی فلزات سنگین (Pb، Zn، Cd و Cu) نشان­دهنده وجود منشاء مشترک این دو عامل می­باشد. هوفمن و همکاران (1999) نشان دادند که کانی­های مغناطیسی و آلاینده­ها به طور هم‏زمان از اگزوز ماشین­ها خارج می­شوند (6). پذیرفتاری مغناطیسی به طور بالقوه به عنوان نماینده مقدار آلودگی فلزات سنگین در خاک مورد استفاده قرارمی­گیرد (2و3).

با توجه به وجود پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) پایین و غلظت بالای پذیرفتاری مغناطیسی در منطقه‏ی- شهری می­توان گفت که ذرات آنتروپوژنیکی مهم‏ترین منابع ورودی تأثیرگذار هستند. مهم‏ترین فعالیت­های انسانی که در منطقه صورت می­گیرد شامل فعالیت کارخانه سرب و روی و سایر کارخانجات صنعتی مربوط به آن، سوخت­های فسیلی و شهرسازی (عمران، ساختمان، جاده­سازی و ...) است که این سه منبع به صورت مشترک باعث افزایش میزان پذیرفتاری مغناطیسی در خاک سطحی شهری می­شوند. منبع مشترک یا هم‏زیستی بین عناصر سنگین و میزان پذیرفتاری مغناطیسی می­تواند غنی­شدگی عناصر سنگین و پذیرفتاری مغناطیسی را در خاک سطحی توجیح کند (12).

 

 

 

 

 

شکل 3 - دندوگرام حاصل از تجزیه خوشه­ای پارامترهای مغناطیسی،     فلزات سنگین و خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک در خاک­های سطحی        منطقه مطالعاتی (241=N)

CEC: ظرفیت تبادل کاتیونی، Clay: درصد رس، Silt: درصد سیلت،

 EC: هدایت الکتریکی، SOM: مواد آلی خاک، Sand: درصد شن

 


پراکنش جغرافیایی پارامترهای مغناطیسی در منطقه مطالعاتی

شکل 4 (الف) پراکنش مکانی پذیرفتاری مغناطیسی (χlf) و پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) که از کریجینگ معمولی حاصل شده است را نشان می­دهد. با توجه به شکل 4 (الف)، غلظت­های بالای پذیرفتاری مغناطیسی در قسمت شمال تا شمال شرقی کشیده شده است.

وجود ساختارهای زمین­شناختی از نوع مواد مادری آذرین (از قبیل گرانیت، بازالت، آندزیت و ...) در منطقه مورد نظر، که دارای پذیرفتاری مغناطیسی نسبتاً بالایی هستند (7و18)، می­تواند در بالا بردن پذیرفتاری مغناطیسی در این قسمت نقش داشته باشد. افزایش پذیرفتاری مغناطیسی در خاک­های طبیعی بیش‏تر به علت تشکیل پدوژنز و درجای مواد فرومغناطیس است که تشکیل این مواد در ارتباط با فاکتورهای تشکیل خاک، مواد مادری، اقلیم، توپوگرافی و زمان هستند (20). پروسه­های پدوژنیکی در افق سطحی خاک­ها بالا گزارش شده است (19). همچنین در طی شخم زدن خاک­های زراعی، کانی­های فری­مغناطیس مشتق شده از سنگ­های مادری به سطح خاک انتقال می­یابند (7). فاین و همکاران (1998) وجود مقدار بالای مواد آلی و میکرواورگانیسم­های هتروتروف در نزدیکی سطح خاک را از عوامل عمده تشکیل کانی­های فری­مگنتیک در خاک­های طبیعی می­دانند (20). از طرف دیگر افزایش غلظت پذیرفتاری‏مغناطیسی در قسمت مرکزی منطقه مطالعاتی دیده می­شود که دارای کاربری اراضی شهری است و همچنین مراکز صنعتی مختلفی در این بخش فعالیت دارند   (به خصوص کارخانه سرب و روی زنجان). فعالیت­های انسانی از قبیل شهری و صنعتی، از مهم‏ترین عوامل افزایش پذیرفتاری مغناطیسی در خاک­های سطحی گزارش شده است (2، 3، 7، 12 و 17). شکل 4 (ب) توزیع مکانی پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) را نشان می­دهد. پراکنش مکانی پذیرفتاری‏‏مغناطیسی وابسته به فرکانس کاملاً عکس پراکنش مکانی پذیرفتاری در منطقه می­باشد. هر کجا که پذیرفتاری‏مغناطیسی بالا باشد، مقدار پذیرفتاری‏مغناطیسی وابسته به فرکانس (χfd) در آن منطقه پایین خواهد بود (1). به صورت کلی این نشان­دهنده این است که ذرات فری­مغناطیسی ناشی از فعالیت­های انسانی در منطقه بیش‏تر است. ضریب‏تغییرات بالای پارامترهای پذیرفتاری‏مغناطیسی نشان می­دهد که این پارامترها در منطقه تحت تأثیر عوامل و ویژگی­های مختلف و غیریکنواختی می­باشند (شکل 4 الف و ب). گسترش روزافزون شهرنشینی و تردد وسایل نقلیه، فعالیت کارخانه­های بزرگ صنعتی و از طرف دیگر وجود مواد مادری متنوع با میزان پذیرفتاری‏مغناطیسی متفاوت از عوامل دخیل بر ضریب تغییرات بالای پارامترهای مغناطیسی می­باشند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

الف

 

ب

شکل 4 -  پراکنش مکانی حاصل از کریجینگ معمولی (الف) پذیرفتاری مغناطیسی و (ب) پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول2، پذیرفتاری‏مغناطیسی و  پذیرفتاری‏مغناطیسی وابسته به فرکانس در نمونه سنگ­های مادری جمع­آوری شده از منطقه مطالعاتی را نشان‏می­دهد. نتایج نشان‏می­دهد که بالاترین مقادیر پذیرفتاری- مغناطیسی در سنگ­های آذرینی مشاهده می­شود و      نمونه سنگ­های بازالت، پوفیریت و گرانیت به ترتیب 1/898، 2/481 و 0/277 (10-8m3kg-1) بیش‏ترین مقدار را دارد. سنگ­های رسوبی کم‏ترین مقادیر پذیرفتاری مغناطیسی را نشان می­دهند که در سنگ­های کنگلومرا- شیل و دولومیت به ترتیب1/7 و 9/4 (10-8m3kg-1) کم‏ترین مقادیر را دارند.    به صورت کلی پذیرفتاری مغناطیسی در رسوبات آبرفتی بیش‏تر از سنگ­های رسوبی و کم‏تر از سنگ­های آذرینی است. لو (2000) سهم جزء مغناطیسی مواد مادری در افزایش مقدار پذیرفتاری مغناطیسی در خاک­های تشکیل شده از بازالت را   در مقایسه با دیگر خاک­های تشکیل شده از سنگ­های رسوبی خیلی بالا گزارش کردند (18). مگیرا و همکاران (2006)     اشاره کردند که خاک­های مشتق شده از سنگ­های بازی، پذیرفتاری مغناطیسی بالایی دارند (7).

 

 

 


جدول 2 - غلظت پارامترهای پذیرفتاری مغناطیسی در نمونه سنگ­های جمع­آوری شده از مواد مادری

منطقه مطالعاتی

 

پذیرفتاری مغناطیسی (χlf)

پذیرفتاری وابسته به فرکانس (χfd)

گرانیت

0/277

46/0

بازالت

1/898

53/0

آندزیت

1/68

66/3

پورفیریت

2/481

59/0

توف سبز آتشفشانی

4/52

45/0

سنگ آهک

1/24

60/0

کنگلومرا-شیل

1/7

74/2

شیل

6/43

20/1

فیلیت

1/28

18/0

ماسه سنگ

7/83

39/2

دولومیت

9/4

13/2

رسوبات آبرفتی1

بین 6/211 تا 5/212

بین 70/0 تا 94/0

1میانگین پارامترهای مغناطیسی در رسوبات آبرفتی بین تمام افق­های ژنتیکی و افق C که در عمق 180 تا 250 سانتی­متری بود، محاسبه شده است.


بحث و نتیجه­گیری

 

نتایج نشان داد که بالاترین میزان پذیرفتاری- مغناطیسی در مناطقی با فعالیت انسانی بالا مشاهده شد.       در کاربری اراضی شهری میانگین پذیرفتاری مغناطیسی بیش‏تر از سایر کاربری­های اراضی بدست آمد. جمع ذرات فرومغناطیس با منشاء انسانی بیش‏تر در جریان سوخت سوخت­های فسیلی و فعالیت کارخانه­های صنعتی به خصوص کارخانه سرب و روی و مجتمع­های صنعتی  در منطقه اتفاق می­افتد. نتیجه حاصل از پراکنش مکانی پذیرفتاری‏مغناطیسی کاملاً منطبق بر نتایج مربوط  به کاربری‏های اراضی مختلف بود و بیش‏ترین مقادیر  پذیرفتاری مغناطیسی در کاربری شهری و اطراف مراکز صنعتی مشاهده شد. نتایج حاصل از تجزیه به مؤلفه­های اصلی و آنالیز خوشه­ای دو منبع اصلی تأثیرگذار بر پارامترهای مغناطیسی را نشان داد. گروه اول شامل عناصر با آلودگی‏انسانی(سرب، روی، مس، کادمیم) و پذیرفتاری مغناطیسی است و گروه دوم شامل عناصر با منشاء طبیعی (آهن، منگنز، کروم، کبالت، نیکل) و پذیرفتاری مغناطیسی وابسته به فرکانس است. به صورت کلی می­توان گفت که روش پذیرفتاری‏مغناطیسی، تکنیکی با قابلیت بالا جهت برآورد آلودگی محیط و جدا کردن منابع انسانی از طبیعی می­باشد.

منابع

1-      Dearing, J.A., 1999. Environmental Magnetic Susceptibility: Using the Bartington MS2 System. Chi Publishing, Keniloworth, England.

2-      Karimi, R., Ayoubi, S., Jalalian, A., Sheikh-Hosseini, A.R., and Afyuni, M. 2011. Relationships between magnetic susceptibility and heavy metals in urban topsoils in the arid region of Isfahan, central Iran. Journal of Applied Geophysics, 74: 1-7.

3-      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. Pedosphere, 22: 33-47.

4-      Wang, X.S., and Qin, Y. 2006. Comparison of magnetic parameters with vehicular Br levels in urban roadside. Environ. Geol, 50: 787-791.

5-      Lu, S.G., Bai, S.Q., and Fu, L.X. 2008. Magnetic properties as indicators of Cu and Zn contamination in soils. Pedospher, 18: 479-485.

6-      Hoffmann, V., Knab, M., and Apple, E. 1999. Magnetic susceptibility mapping of roadside pollution. J. Geochem. Explor, 66: 3131-326.

7-      Magiera, T., Strzyszcs, Z., Kapicka, A., Petrovsky, E. 2006. Discrimination of lithogenic and anthropogenic influences on topsoil magnetic susceptibility in Central Europe. Geoderma, 130: 299-311.

8-      Sharma, A.P., and Tripathi, B.D. 2008. Magnetic mapping of fly-ash pollution and heavy metals from soil samples around a point source in a dry tropical environment. Environmental Monitoring Assessing, 138: 31-39.

9-      Wang, G., Oldfield, F., Xia, D., Chen, F., Liu, X., and Zhang, W. 2012. Magnetic properties and correlation with heavy metals in urban street dust: A case study from the city of Lanzhou, China. Atmospheric Environment, 46: 289-298.

10-  Lu, S., Wang, H., and Bai, S. 2009. Heavy metal contents and magnetic susceptibility of soils along an urban–rural gradient in rapidly growing city of eastern China. Environmental Monitoring Assessing, 155: 91-101.

11-  Johnson, D.E., 1998. Applied Multivariate Methods for Data Analysis, Duxbury Press, Pacific Grove, California, USA.

12-  Lu, S.G., Bai. S.Q., and Xue. Q.F. 2007. Magnetic properties as indicators of heavy metals pollution in urban topsoils: a case study from the city of Luoyang, China. Geophys. J. Int, 171: 568-580.

13-  Maher, B.A. 1986. Characterization of soils by mineral magnetic measurements. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 42: 76-92.

14-  Hanesch, M., Scholger, R. 2002. Mapping of heavy metal loadings in soils by means of magnetic susceptibility measurements. Environ. Geol, 42: 857-870.

15-  Kapicka, A., Jordanova, N., Petrovsky, E., and Podrazsky, V. 2003. Magnetic study of weakly contaminated forest soils. Water Air Soil Pollution, 148: 31-44.

16-  Amini, M., Afyuni, M., Khademi, H., Abbaspour, K.C., and Schulin, R. 2005. Mapping risk of cadmium and lead contamination to human health in soils of Central Iran. Science of the Total Environment, 347: 64-77.

17-  Canbay, M., Aydin, A., and Kurtulus, C. 2010. Magnetic susceptibility and heavy-metal contamination in topsoils along the Izmit Gulf coastal area and IZAYTAS (Turkey). Journal of Applied Geophysics, 70: 46-57.

18-  Lu, S.G. 2000. Lithological factors affecting magnetic susceptibility of subtropical soils, Zhejiang Province, China. Catena, 40: 359-373.

19-  Jelenska, M., Hasso-Agopsowicz, A., Kadzialko-Hofmokl, M., Sukhorada, A., Bondar, K., and Matviishina, Z.H. 2007. Magnetic iron oxides occurring in chernozem soil from Ukraine and Poland. Stud. Geophys. Geod, 52: 255-270.

20-  Fine, P., Singer, M.J., and Southward, R.J. 1989. Role of pedogenesis in distribution of magnetic susceptibility in two California chronosequence. Geoderma, 44: 287-306.

 

 

 

 

 



1 دانش­آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، ایران *(مسئول مکاتبات).

2- استاد مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، ایران.