نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، دانشکده علوم پایه، دانشگاه علوم و تحقیقات تهران* (نویسنده مسئول)
2 استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی اصفهان
3 استاد گروه محیط زیست، دانشکده علوم پایه ، دانشگاه علوم و تحقیقات تهران
چکیده
کلیدواژه‌ها
پهنه بندی سرب، کروم، کبالت ،مس و نیکل در خاک سطحی شهرستان همدان
با استفاده از GISو زمین آمار
پریسا فرزانه[1]*
09132218510
علیرضا سفیانیان[2]
فرامرز معطر[3]
چکیده
مقدمه:
یکی از مهمترین آلاینده های خاک، فلزات سنگین می باشند. افزایش سطوح آن با توجه به پایداری آنها در محیط زیست، منجر به جلب توجه محققان در دهههای اخیر شده است 3 .هدف از این مطالعه، تعیین توزیع مکانی سرب، کروم، کبالت، مس و نیکل در خاک سطحی شهرستان همدان میباشد.
روش کار:
بدین منظور با استفاده از روش نمونهبرداری سیستماتیک ، نمونههای خاک سطحی از عمق (cm 20 – 0) برداشت گردید و غلظت فلزات سنگین و برخی پارامترهای خاک از جمله pH و درصد شن، سیلت و رس در نمونههای خاک آنالیز شد. برای پهنه بندی غلظت فلزات سنگین از روشهای زمین آماری استفاده گردید و با کمک آنالیز همبستگی مکانی عناصر مختلف از طریق روشهای توابع شعاعی پایه، کریجینگ معمولی و روش معکوس وزنی فاصله پهنهبندی شدند. دقت روشها با استفاده از خطای قدر مطلق میانگین و خطای بایاس میانگین مقایسه شد و روشی که دارای بالاترین میزان دقت بود برای تهیه نقشه فلزات سنگین خاک مورد استفاده قرار گرفت.
یافته ها و نتایج:
نقشههای توزیع کروم، کبالت و سرب با استفاده از توابع پایه شعاعی، مس با استفاده از روش معکوس وزنی فاصله، نیکل با استفاده از کریجینگ معمولی با مدل نمایی تهیه شدند. مطابقت نقشههای بدست آمده در مناطقی با بیشترین میزان غلظت عناصر کروم، کبالت و نیکل با سنگ بستر آذرین و دگرگونی نشان داد زمین شناسی از مهمترین فاکتور مؤثر بر غلظت این عناصر میباشد. بیشترین غلظت سرب در محدوده شهر همدان که از روی هم‌گذاری نقشه کاربری اراضی و توزیع غلظت سرب مشخص شد، سرب در منطقه توسط ساختار زمین شناسی، فعالیتهای کشاورزی و همچنین آلودگی شهری کنترل می‌شود. در حالی که عنصر مس از سنگ بستر نشات میگیرد، اما مصرف بیرویه کودهای شیمیایی در فعالیتهای کشاورزی نیز میتواند موجب افزایش مقدار این عنصر در خاک گردد .
کلمات کلیدی:توزیع مکانی، زمین آمار، فلزات سنگین، سیستم اطلاعات جغرافیایی، شهرستان همدان
1– مقدمه
یکی از مهمترین آلاینده های خاک، فلزات سنگین می باشند. افزایش سطوح آن با توجه به پایداری آنها در محیط زیست، منجر به جلب توجه محققان در دهههای اخیر شده است [1]،Error! Reference source not found.و [3]3.
فعالیتهای انسانی به طور مستقیم و گاها غیرمستقیم بر کیفیت و عملکرد محیط زیست تاثیرگذار است. برای فراهم کردن یک محیط زیست پایدار جنبه‌های مختلفی شامل خاک مناسب و عاری از آلودگی فلزات سنگین، باید مورد ملاحظه و بررسی قرار گیرد[4].
در دهههای اخیر، فلزات سنگین به دلایل خصوصیت آلایندگی ویژه آنها بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. برخی از این ویژگیها عبارتند از:
1. آنها مانند بسیاری از رادیو نوکلوئیدها و مواد آلی درطول زمان تجزیه نمیشوند.
2. ورود آنها در خاک میتواند با هوازدگی سنگهای مادری و پدوژنزی ارتباط داشته باشد.
3.اغلب به صورت کاتیونها هستند. در نتیجه تغییر شرایط زیست محیطی در اثر فعالیتهای انسان (تغییرکاربری زمین، کشاورزی و تغییرات اقلیمی) یا از طریق اشباع شدن بیش از ظرفیت بافری خاک میتوانند تحرک پیداکرده که در چنین وضعیتی بسیار خطرناک خواهند بود [5].
آلودگی فلزات سنگین نه تنها به طور مستقیم بر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک، کاهش فعالیت بیولوژیکی و کاهش دستیابی زیستی مواد مغذی در خاک تأثیر میگذارند، بلکه خطر جدی برای سلامتی انسان با ورود به زنجیره غذایی و همچنین امنیت زیست محیطی از طریق نفوذ در آبهای زیرزمینی محسوب می‌شوند[5].
در تجزیه و تحلیل و ارزیابی آلودگیهای زیست محیطی، برنامه‌ریزان نیازمند اطلاعاتی در زمینه موقعیت، مقدار و پراکنش آلودگی در منطقه معین میباشند [6].
اغلب مطالعات در مورد آلودگی فلزات سنگین مانند ارزیابی اثرات زیست محیطی فلزات سنگین با تعیین توزیع مکانی آنها آغاز می شود [7]. بدلیل واریانس بالای دادههای زیست محیطی بسیاری از محققان با مسائل مربوط به ارزیابی و تفسیر بهتر این دادهها مواجهاند. در این زمینه لزوم بکارگیری روشهای پیشرفته آماری ضرورت دارد. علم زمین آمار از دقیقترین روشهایی است که علاوه بر توصیف تغییرات مکانی و زمانی داده ها قادر به تهیه نقشه های کمی توزیع آلودگی با حداقل واریانس ممکن میباشد[8]. نقشههای مشخص کننده مناطق آلوده به فلزات سنگین و یا در معرض خطر آلودگی میتواند اطلاعات مهمی را در زمینه انتخاب و یافتن مناطق مناسب جهت کاربریهای استفاده از سرزمین یا پاکسازی خاک در اختیار تصمیم گیران قرار دهد[9].در بسیاری از مطالعات جهت ارزیابی میزان فلزات سنگین در خاکها به بررسی توزیع مکانی با استفاده از روش زمین آمار پرداخته شده است. فاک چینلی و همکاران(2001) [5]، کوتو و جولین (2001) [10]، کریشنا و گویل (2005) [11] و مارتین و همکاران (2006) [12] مطالعات گستردهای را در زمینه کاربرد زمین آمار در بررسی تغییرات مکانی فلزات سنگین انجام دادهاند. به دلیل برخورداری منطقه مورد مطالعه (شهرستان همدان )، از پتانسیل بالا برای تولیدات کشاورزی و متعاقباً تأثیر فعالیتهای کشاورزی، نظیر استفاده از کودهای شیمیایی مختلف بر روی کیفیت خاک، گیاه و نهایتاً سلامت انسان لزوم انجام این پژوهش برای بررسی توزیع مکانی فلزات سنگین به عنوان یکی از آلایندههای مهم ناشی از این گونه فعالیتها در خاک سطحی را، بیش از پیش آشکار میسازد. با توجه به این مهم، این تحقیق با هدف تعیین توزیع مکانی فلزات سنگین سرب،کروم، کبالت، نیکل و مس در خاک سطحی شهرستان همدان با استفاده از روش های زمین آماری صورت گرفت.
2- مواد و روش ها
2-1 منطقه مورد مطالعه
شهرستان همدان به وسعت 4118 کیلومتر مربع بر اساس آخرین تقسیمات جغرافیایی سال 1384 شهرستان همدان دارای پنج شهر که شامل همدان، جورقان، مریانج، قهاوند، فامنین و 12 دهستان که شامل ابرو، الوند کوه غربی، الوند کوه شرقی، سنگستان، گنبد، هگمتانه، جیهون دشت، چاه دشت، پیشخور، خرم دشت ومفتح می باشد[13].
کاربری اراضی شهرستان همدان بیشتر شامل کشت آبی وکشت دیم میباشد که در بخش‌های مرکزی و غربی شهرستان دیده می‌شود. در اطراف شهر همدان کشت دیم گندم انجام می‌شود و کشت‌های آبی شامل سیب زمینی، یونجه، سبزیجات و باغات است.
تشکیلات زمین شناسی غالب در منطقه شامل تشکیلات آبرفتی که بیشتربن وسعت منطقه را در بر گرفته و سایر قسمت های منطقه شامل سنگ آهک، آذرین و دگرگونی، شیل و مارل و ماسه سنگ میباشد.
شکل2- موقعیت نمونه برداری از خاک شهرستان همدان
نمونههای خاک هواخشک شده و از الک 2 میلیمتری عبور داده شدند. عصارهگیری برای تعیین غلظت کل فلزات سنگین خاک نیز با استفاده از HCL و HNO3 صورت گرفت[15]. غلظت فلزات سرب، کروم، کبالت، مس و نیکل خاک با استفاده از دستگاه ICP-AES در آزمایشگاه شیمی مؤسسه تحقیقات فرآوری پیشرفته مواد معدنی ایران اندازهگیری شد. pH نمونهها در گل اشباع خاک با استفاده از pH متر مدل 774 و درصد شن، سیلت و رس نیز برای تمامی نمونهها به روش هیدرومتری اندازهگیری گردید[16].
2-4 توصیف آماری
آمار توصیفی دادهها به منظور بررسی چگونگی توزیع آنها و دستیابی به خلاصه ای از اطلاعات آماری دادههای مورد نظر صورت گرفت. توزیع فراوانی دادهها به لحاظ تاثیری که روی تخمین به روشهای زمین آماری دارد دارای اهمیت زیادی است. در این مطالعه، توزیع فراوانی با شاخص‌های میانگین[4]، میانه[5] ، انحراف معیار[6] ، ضریب تغییرات [7]، چولگی[8] و کشیدگی مورد بررسی قرار گرفت.
به منظور انجام تحلیلهای زمین آماری بایستی نمونهها از توزیع نرمال تبعیت کنند. به این ترتیب آزمون کولموگروف- اسمیرنوف برای بررسی نرمال بودن توزیع دادهها انجام شد.برای آنالیز همبستگی بین فلزات سنگین و پارامترهای فیزیکی و شیمیایی در خاک سطحی از ضریب همبستگی پیرسون استفاده شد.
2-5 آنالیز زمین آماری
بر خلاف روشهای آمار کلاسیک، روشهای زمین آمار ضمن در نظر گرفتن موقعیت مکانی نقاط و ارتباط بین آنها از کارایی بیشتری برای تجزیه و تحلیل توزیع فلزات سنگین برخوردار میباشند. این روشها قادر به مدلسازی مناسب زمانی و مکانی جهت توصیف متغیر ناحیهای، با در نظر گرفتن مؤلفههای تغییرپذیری ساختاری و تصادفی هستند. اساس این روشها تخمین مقدار نامعلوم متغیر مکانی z به عنوان یک عدد تصادفی با یک توزیع احتمالاتی مشخص در نقطهای دلخواه از منطقه مورد مطالعه است. در زمین آمار، تجزیه و تحلیل ساختار تغییرات مکانی متغیرها با استفاده از تغییر نما صورت میگیرد. تغییرنما، تغییرات فاصلهای یا ساختار تغییر پذیری یک متغیر خاص را نشان داده و از ابزارهای اساسی زمین آمار جهت بررسی تغییرات مکانی خصوصیات خاک میباشد. محاسبه تغییر نما به صورت معادله1خواهد بود[17].
|
معادله1 |
: سمی واریوگرام
: تعداد زوج نمونه هایی که به فاصله h ازهم جدا می شوند.
: نقطه z در موقعیت x
: موقعیت نقطه z در فاصله h
آنالیز همبستگی مکانی بر اساس ساختار تغییرنماها که وجود وابستگی مکانی را در بین متغیرهای خاک تعیین میکنند، صورت میگیرد. تغییرنماها برای تعیین درجه همبستگی و دامنه وابستگی مکانی مورد استفاده قرار میگیرند. هر تغییرنما (واریوگرام) میتواند با سه پارامتر اثر قطعهای، سقف و دامنه توصیف شود[18].
برای پهنهبندی فلزات سنگین به روش های زمین آماری از نرم افزار9.2 ArcGIS استفاده شد. کریجینگ، تکنیک درون یابی خطی است ، که معادله آن در زیر آمده است[19].
|
معادله2 |
Z*(x0)= ∑ λiZ(xi) |
یکی از راهکارهای تصحیح شیوه وزن‌دهی یکسان به نمونهها ، عبارت از توجه وزن‌دهی بیشتر به نزدیکترین نمونه و اختصاص وزن کوچکتر به نمونه‌هایی است که دارای فاصله بیشتری از محل تخمین هستند. بیان آماری چنین رویکردی وزن‌دهی عبارت از وزن‌دهی بر اساس معکوس فاصله تا نقطه تخمین معادله این روش به صورت زیر می باشد.
|
معادله 3 Z*(x0) = |
d1 عبارت از فاصله بین نقطه تخمین تا هر کدام از نمونه های واقع در همسایگی آن است.
z(x1) ، عبارت از مقادیر نمونه های واقع در همسایگی محل تخمین می باشند.
روشهای توابع پایه شعاعی یکسری از تکنیک‌های دقیق درون‌یابی هستند، و از روشهای غیرپارامتریک میباشند. معادله روش تابع پایه شعاعی به صورت زیر می باشد .
|
معادله 4 Z*
|
=مقدارارزش‌متغیردرنقطهi ام
= وزن نمونه در نقطه i ام
دقت روشها با استفاده از میانگین مطلق خطا (MAE) و خطای بایاس میانگین (MBE) محاسبه شد. [20].
در معادلات فوق:
Z*(x0) : مقدار تخمین کمیت در نقطه مجهول x0
λi: وزن یا اهمیت نمونه i ام
Z(xi) : مقدار کمیت در نمونه i ام
3- نتایج و بحث
3-1 آمار توصیفی
خلاصه آمار توصیفی فلزات سنگین و پارامترهای مورد مطالعه در جدول 1 آورده شده است.
میانگین غلظت کبالت در منطقه مورد مطالعه 49/17 میلیگرم برکیلوگرم بوده و دامنه تغییرات آن با حداکثر غلظت 29 و حداقل 9/8 ، 1/20 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد (جدول 1). میانگین غلظت این عنصر در خاکهای جهان 9/7 میلیگرم بر کیلوگرم برآورد شده است[21].به این ترتیب میانگین غلظت کبالت در منطقه مورد مطالعه بالاتر از مقدار جهانی آن و پایینتر از استاندارد کیفی خاک کانادا (40 میلیگرم بر کیلوگرم) بدست آمد [22] . دامنه حداکثر غلظت قابل قبول کبالت در خاکهای کشاورزی 50-20 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد [23].. غلظت کبالت با حدود اطمینان 95 % بین 76/16 تا 22/18 میلیگرم برکیلوگرم بوده و در دامنه حداکثر غلظت قابل قبول برای زمینهای کشاورزی قرار میگیرد .
میانگین غلظت کروم در خاک شهرستان همدان 64/86 میلیگرم برکیلوگرم بوده و دامنه تغییرات آن 100 و با حداکثر 130 و حداقل 30 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد (جدول 1). با توجه به اینکه مقدار جهانی این فلز در خاکها 54 میلیگرم بر کیلوگرم برآورده شده است [21]. میانگین غلظت کروم در منطقه مورد مطالعه اختلاف معنیداری در سطح خطای 5% با غلظت کروم در خاکهای جهان (mg/kg54) دارد. غلظت کروم با حدود اطمینان 95 % در دامنه 76/90-53/82 میلیگرم بر کیلوگرم قرارمیگیرد. دامنه حداکثر غلظت قابل قبول کروم در خاکهای کشاورزی 200-50 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد [21]. این میزان بدست آمده برای منطقه در دامنه حداکثر غلظت قابل قبول برای زمینهای کشاورزی قرار میگیرد.
میانگین غلظت نیکل در منطقه مورد مطالعه 61/58 میلیگرم برکیلوگرم بوده و دامنه تغییرات آن 72 و با حداکثر غلظت 99 و حداقل 27 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد (جدول 1). میانگین غلظت نیکل در شهرستان همدان در مقایسه با غلظت نیکل در استان اصفهان (7/55) [24]، مشهد(7/54) [25]و استان قم با میانگین 6/9 میلیگرم بر کیلوگرم [26] نسبت به میانگین قم و اصفهان بالاتر بوده و همچنین میانگین این عنصر در شهرستان همدان بیشتر از میانگین غلظت نیکل در خاکهای جهان (22 میلیگرم بر کیلوگرم) میباشد [21].
دامنه حداکثر غلظت قابل قبول نیکل در خاکهای کشاورزی60-20 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد [22].همچنین غلظت کل نیکل در منطقه مورد مطالعه با حدود اطمینان 95 % در دامنه 46/61- 76/55 میلیگرم بر کیلوگرم قرار گرفته که این میزان در دامنه حداکثر غلظت مجاز برای زمینهای کشاورزی میباشد.
میانگین غلظت سرب در منطقه مورد مطالعه 97/25میلیگرم برکیلوگرم بوده و دامنه تغییرات آن با حداکثر غلظت 5/48 و حداقل15، 5/33 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد (جدول1). در حالیکه میانگین غلظت سرب در سپاهان شهر 87/101 میلی گرم بر کیلوگرم میباشد[27].
میانگین غلظت مس در منطقه مورد مطالعه 67/32 میلیگرم برکیلوگرم بوده و دامنه تغییرات آن با حداکثر غلظت 54 و حداقل 3/12، 7/41 میلیگرم بر کیلوگرم میباشد (جدول 1). غلظت مس با حدود اطمینان 95 % بین 31 تا 44/34 میلیگرم برکیلوگرم میباشد.
جدول 1- آمار توصیفی فلزات سنگین و پارامترهای خاک
|
فاکتور خاک |
حداکثر |
حداقل |
میانگین |
میانه |
انحراف معیار |
ضریب تغییرات(%) |
دامنه |
چولگی |
کشیدگی |
|
نیکل(mg/kg) |
99 |
27 |
61/58 |
5/57 |
92/13 |
75/23 |
72 |
461/0 |
055/0 |
|
سرب (mg/kg) |
5/48 |
15 |
26 |
26 |
66/5 |
79/21 |
5/33 |
296/1 |
596/3 |
|
کروم (mg/kg) |
130 |
30 |
64/86 |
5/87 |
07/20 |
16/23 |
100 |
067/0- |
229/0- |
|
مس (mg/kg) |
54 |
3/12 |
67/32 |
32 |
62/8 |
38/26 |
7/41 |
338/0 |
16/0- |
|
کبالت(mg/kg) |
29 |
9/8 |
49/17 |
17 |
55/3 |
29/20 |
1/20 |
315/0 |
886/0 |
|
اسیدیته |
37/8 |
7/6 |
7/7 |
78/7 |
27/0 |
5/3 |
67/1 |
72/0- |
65/1 |
|
شن( %) |
61/70 |
1/4 |
07/34 |
84/34 |
1/15 |
32/44 |
51/66 |
47/0- |
652/0- |
|
سیلت(%) |
32/65 |
46/18 |
76/41 |
75/41 |
03/11 |
41/26 |
85/46 |
001/0 |
758/0- |
|
رس(%) |
34/48 |
68/7 |
15/24 |
1/23 |
66/8 |
86/35 |
66/40 |
694/0 |
572/0 |
pH خاک منطقه مورد مطالعه با میانگین 73/7 و دامنه تغییرات آن از 7/6 تا 37/8 بوده وکمترین ضریب تغییرات را در بین پارامترهای دیگر دارد.خاک منطقه از نظر pH خنثی تا کمی قلیایی است. میانگین درصد رس در خاک 15/24 ،میانگین درصدسیلت 76/41 ومیانگین درصدشن07/34 میباشد.
|
برای بررسی همبستگی بین عناصر مورد مطالعه و همچنین همبستگی فلزات سنگین با پارامترهای فیزیکی و شیمیایی خاک (pH، سیلت، ماسه و رس) از آنالیز همبستگی پیرسون استفاده شد که نتایج آن در جدول 3 آمده است. نتایج آنالیز همبستگی پیرسون نشان داد که هر سه فلز (کروم، کبالت و نیکل) در سطح معنی دار 99% با هم همبستگی بالایی دارند. در بسیاری از مطالعات همبستگی معنیدار بین این سه فلز حاکی از منشأ مشترک آنها میباشد[5]،[28]و[29]. همچنین همبستگی بالای بین نیکل و کروم به شباهت آنها در انتقال، تجمع این فلزات نیز اشاره دارد [30].
pH خاک منطقه همبستگی معنیداری با فلزات مورد مطالعه نداشت. با توجه به دامنه تغییرات کم pHتاثیر ناچیز آن بر غلظت عناصر سنگین قابل توجیه است. در نتیجه تأثیر کمی بر روی رفتار غلظت کل عناصر خاک داشته و pH خاک بیشتر در ارتباط با غلظت قابل جذب عناصر میباشد. در مطالعاتی که توسط مانتا و همکاران (2002) [31].و رودریگوئز مارتین و همکاران (2006) [32]. صورت گرفت نیز رابطه معنیداری بین pH و غلظت عناصر مورد بررسی مشاهده نشد .
جدول2- نتایج آزمون معنی داری کولموگروف- اسمیرنوف برای فلزات سنگین
|
فلزات سنگین |
کبالت |
کروم |
مس |
نیکل |
سرب |
|
k-sp |
62/0 |
54/0 |
76/0 |
75/0 |
25/0 |
ذرات خاک سطحی با توجه به دانهبندی آنها، کنترل کننده فرآیند جذب فلزات سنگین هستند .عموماً این ذرات همراه با ماده آلی مسئول جذب اغلب فلزات در خاک میباشند [28].
درصد رس خاک ارتباط مثبت و معنیداری با مس (3/0=r و 01/0>p) دارد و نشان دهنده تأثیر ذرات رس خاک بر جذب فلز مس میباشد. در تحقیقاتی که توسط رودریگوئز- مارتین (2006 ) در اسپانیا بر روی منابع فلزات سنگین صورت گرفته، نیکل همبستگی معنیداری با رس داشت، در حالیکه کروم با کربنات خاک همبستگی داشت [32].مطالعات چن و همکاران (1999) نشان داد مقدار رس در خاک از عوامل مهم کنترل کننده توزیع و غلظت عناصر سنگین میباشد [28].
همبستگی مثبت معنیداری بین فلزات سنگین نیکل(324/0=r و 01/0>p) و مس (244/0=r و 05/0>(p با درصد سیلت خاک وجود داشت. خواص جذب سطحی در کانیهای مختلف خاک اصولاً در ارتباط با ذرات رس و سیلت خاک میباشد[21].
همبستگی منفی و معنیدار بین فلزات نیکل(34/0- =r و 01/0p<)و مس(35/0- =r و 01/0p<) با درصد شن خاک سطحی را میتوان به نداشتن بار سطحی و سطوح تبادلی و عدم توانایی ذرات شن برای جذب و نگهداری عناصر خاک نسبت داد [33].در مطالعه آکوستا و همکاران (2009) نیکل و کروم همبستگی منفی معنیداری با درصد شن و همبستگی مثبت با در صد سیلت داشتند [30].
|
Silt |
Sand |
Clay |
PH |
Cr |
Cu |
Ni |
Pb |
Co |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Co |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
**409/0 |
Pb |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
*237/0 |
**695/0 |
Ni |
|
|
|
|
|
|
1 |
323/0** |
013/0- |
193/0 |
Cu |
|
|
|
|
|
1 |
24/0* |
85/0** |
349/0** |
838/0** |
Cr |
|
|
|
|
1 |
099/0- |
118/0 |
02/0- |
159/0- |
19/0- |
PH |
|
|
|
1 |
301/0** |
04/0 |
3/0** |
184/0 |
029/0- |
065/0- |
Clay |
|
|
1 |
694/0-** |
18/0- |
126/0- |
35/0-** |
342/0-** |
04/0- |
076/0 |
Sand |
|
1 |
825/0-** |
165/0 |
01/0 |
142/0 |
244/0* |
324/0** |
077/0 |
053/0- |
Silt |
جدول3- ضرایب همبستگی بین عناصر سنگین و برخی پارامترهای خاک
** در سطح 1% معنی دار است.
* در سطح 5% معنی دار است.
شکل3-مدلتغییرنمای فلزسنگین نیکل
|
|
جدول4- آنالیز همبستگی مکانی روش های مختلف زمین آماری با حداقل خطا برای تهیه نقشه های توزیع فلزات سنگین خاک
|
عناصر |
روش |
MAE |
MBE |
(C0) |
(C+C0) |
C0/ C+C0 |
دامنه‌تاثیر km)) |
|
سرب |
توابع شعاعی پایه |
8/3 |
07/0 |
- |
- |
- |
- |
|
کبالت |
توابع شعاعی پایه |
2/2 |
08/0 |
- |
- |
- |
- |
|
مس |
معکوس وزنی فاصله |
1/7 |
11/0 |
- |
- |
- |
- |
|
کروم |
توابع شعاعی پایه |
4/13 |
29/0 |
- |
- |
- |
- |
|
نیکل |
کریجینگ معمولی با مدل نمایی |
7/9 |
28/0 |
78/70 |
32/209 |
34/0 |
25 |
3-2 آنالیز زمین آماری
دقت روشهای زمین آماری با استفاده از میانگین مطلق خطا (MAE)، خطای بایاس میانگین (MBE) محاسبه شد. با توجه به نتایج جدول 4 و آنالیز زمین آماری، فلزات سرب،کروم و کبالت در خاک سطحی کمترین مقادیر خطا را در روش توابع پایه شعاعی، مس در خاک سطحی کمترین مقادیر خطا را در روش معکوس وزنی فاصله و نیکل بالاترین دقت را در روش کریجینگ معمولی با مدل نمایی داشتند.
3-3 توزیع مکانی غلظت کبالت
شکل4پراکنش غلظت کبالت با استفاده از روش توابع شعاعی پایه در خاک سطحی(20-0 سانتی متری) شهرستان همدان را نشان می‌دهد.
همانگونه که مشاهده می‌شود حداقل مقدار کبالت که بخش اصله را شامل می‌شود بر روی سنگ بستر آلوویوم واقع شده است.
بیشترین توزیع غلظت کبالت در محدوده انصارالامام با دامنه غلظت 29-22 میلیگرم بر کیلوگرم برروی ساختار زمین شناسی ،سنگ بسترآذرین و دگرگونی واقع شده است.بر اساس مطالعات انجام شده ،در سنگ بستر آذرین وشیل به طور طبیعی مقدار کبالت بالاست [34].
شکل 4- نقشه توزیع غلظت کبالت شکل 5- نقشه توزیع غلظت کروم
شکل 6- نقشه توزیع غلظت نیکل
3-4 توزیع مکانی غلظت کروم
شکل5 پراکنش غلظت کروم با استفاده از روش توابع پایه شعاعی را در در خاک سطحی(20-0 سانتی متری) شهرستان همدان را نشان می‌دهد.حداقل مقدار کروم که بخش اصله را شامل می‌شود بر روی سنگ بستر آلوویوم واقع شده است. کاربری اراضی این منطقه کشاورزی آبی، دیم و مرتع میباشد.
بیشترین غلظت کروم خاک سطحی بامقدار130-100 میلیگرم بر کیلوگرم به صورت پنج لکه در محدوده قهاوند، بیوک‌آباد، گنبد، جورقان و انصارالامام مشاهده می‌شود. که برروی ساختار زمین شناسی سنگ بسترماسه سنگ، سنگ آهک، شیل و مارن و آذرین واقع شده است. بر اساس مطالعات انجام شده در سنگ بستر آذرین، شیل و ماسه سنگ به طور طبیعی مقدار کروم بالاست [34].
3-5 توزیع مکانی غلظت نیکل
شکل6 پراکنش غلظت نیکل با استفاده از روش کریجینگ معمولی با مدل نمایی در خاک سطحی (20- 0 سانتی متری) شهرستان همدان را نشان می‌دهد. حداقل مقدار غلظت نیکل در قسمت شرقی شهرستان که(محدوده بخش اصله) بر روی سنگ بستر آلوویوم واقع شده است.کاربری اراضی این منطقه کشاورزی آبی، دیم و مرتع میباشد.
حداکثر غلظت نیکل خاک سطحی در دامنه 99-72 میلیگرم بر کیلوگرم به صورت دو لکه در محدوده قهاوند، بیوک آباد و گنبد مشاهده می‌شود که بر روی سنگ بستر شیل، ماسه سنگ و سنگ آهک واقع شده است. بر اساس مطالعات انجام شده، در سنگ بسترهای، شیل و ماسه سنگ به طور طبیعی مقدار نیکل بالاست [34].
با توجه به نقشههای4، 5 و 6، سه عنصر نیکل ، کبالت و کرم به دلیل همبستگی بالا از الگوی توزیع مشابهی پیروی میکنند. با روی هم گذاری نقشه های زمین شناسی، کاربری اراضی و توزیع کبالت،کروم و نیکل مشخص شد که مناطق دارای غلظت بالای این سه عنصر با ساختار زمین شناسی مطابقت دارد. به طور کلی عامل اصلی موثر بر افزایش غلظت این سه عنصر ساختار زمین شناسی میباشد.اما مصرف غیر اصولی کود در زمینهای کشاورزی به دلیل وجود این سه عنصر در ساختار شیمیایی کودهای اوره، فسفات و پتاس که در جدول6 مقادیر آن ارائه شده است، میتواند باعث افزایش بیشتر غلظت آنها در خاک شده باشد.
جدول 5- میانگین غلظت عناصرسرب ،کروم،کبالت، مس و نیکل(mg/kg )در سنگ بسترهای مختلف[34].
|
فلز |
اولترامافیک |
بازالت |
گرانیت |
ماسه سنگ |
سنگ آهک |
شیل |
|
سرب |
1 |
- |
19-15 |
10 |
- |
23 |
|
کروم |
1600 |
170 |
22-4 |
35 |
11 |
90 |
|
کبالت |
150 |
48 |
7-1 |
3/0 |
1/0 |
19 |
|
مس |
40 |
12 |
- |
- |
- |
50 |
|
نیکل |
- |
130 |
15-5/4 |
20 |
5> |
90 |
در مطالعه انجام شده توسط فاکچینلی و همکاران (2001)و میکو و همکاران (2006)برای تعیین منابع فلزات سنگین در خاک به این نتیجه رسیدند که غلظت کبالت،کروم و نیکل در خاک توسط سنگ بستر کنترل می‌شود [5]و[35].
جدول6-دامنه غلظت عناصر سنگین (mg/kg) در کودهای شیمیایی پر مصرف[36].
|
سرب |
نیکل |
مس |
کروم |
کبالت |
|
|
7/48-5/5 |
2/10-2/7 |
1> |
8-6/1 |
4/1-1 |
اوره |
|
225-7 |
32-7 |
300-1 |
600-66 |
12-1 |
فسفات |
|
4/17-4/1 |
16-11 |
2-1 |
8/2-2 |
7-8/5 |
پتاسیم |
3-6 توزیع مکانی غلظت سرب
شکل7 پراکنش غلظت سرب با استفاده از روش توابع پایه شعاعی به علت داشتن بالاترین میزان دقت در خاک سطحی(20-0 سانتی متری) شهرستان همدان را نشان می‌دهد.
همان طور که مشاهده می‌شود، حداقل مقدارسرب در بخش‌هایی از تجرک، اصله و قهاوند بر روی سنگ بستر آلوویوم واقع شده است. بیشترین غلظت سرب خاک سطحی بامقدار 49-33 میلیگرم بر کیلوگرم به صورت یک لکه درمنطقه جورقان (محدوده شهر همدان ) بر روی سنگ بستر آذرین و دگرگونی و ماسه سنگ مشاهده می‌شود. کاربری اراضی در این مناطق بیشتر کشاورزی آبی میباشد که کود و سموم شیمیایی به صورت غیر اصولی و بیرویه مصرف می‌شود. بر اساس مطالعات انجام شده ،در سنگ بستر ماسه سنگ به طور طبیعی مقدارغلظت سرب بالاست [34].با روی هم گذاری نقشه کاربری اراضی و توزیع غلظت سرب ،مشخص شد که مناطق با غلظت بالای سرب با الگوی کشت مطابقت دارد. به طور کلی میتوان به این نتیجه رسید که عوامل موثر بر افزایش غلظت سرب در شهرستان همدان، ساختار زمین شناسی (شیل، ماسه سنگ و سنگ آهک) ، فعالیتهای کشاورزی(مصرف بی رویه کودهای شیمیایی)به دلیل وجود سرب در ساختار شیمیایی کودهای اوره ، فسفات و پتاس ( در جدول 6 مقادیر آن ارائه شده است) و آلودگی شهری میباشد. در مطالعه انجام شده توسط فاکچینلی و همکاران (2001)برای تعیین منابع فلزات سنگین در خاک به این نتیجه رسیدند که غلظت عنصر سرب توسط منابع انسانی کنترل می‌شود [5]..همچنین مطالعه انجام شده توسط لوئیس و همکاران (2008) بر روی فلزات سنگین در خاکهای اروپا نشان داد غلظت عنصر سرب همبستگی بالایی با کشاورزی و سنگ آهک نشان می‌دهد[37].
شکل 7- نقشه توزیع غلظت سرب شکل 8- نقشه توزیع غلظت مس
3-7 توزیع مکانی غلظت مس
شکل 8 پراکنش غلظت مس با استفاده از روش معکوس وزنی فاصله (IDW) را در در خاک سطحی(20-0 سانتی متری) شهرستان همدان را نشان می‌دهد.
مناطق دارای غلظت‌های پایین مس با مقدار 25-12 میلیگرم بر کیلوگرم به صورت لکه‌های کوچکی در آبشینه ، تجرک و جورقان مشاهده می‌شود.
بیشترین غلظت مس بین 54-42 میلیگرم بر کیلوگرم است که به صورت لکه‌هایی در کوزره، مناطق جنوبی آبشینه، گنبد و قهاوند بر روی سنگ بستر شیل دیده می‌شود. در مناطقی که غلظت مس بالاست، مصرف غیر اصولی سموم شیمیایی و کودها در کاربریهای کشاورزی بالاست.
با رویهم‌گذاری نقشه توزیع غلظت مس با نقشه کاربری اراضی مشخص شد، در مناطقی که غلظت مس بالاست، کودهای کشاورزی به صورت غیر اصولی مصرف می‌شود ولی صرفأ غلظت بالای مس در این مناطق به دلیل مصرف کودهای شیمیایی نیست چون در مناطق دیگر هم مصرف کودهای کشاورزی بالاست و همچنین الگوی توزبع غلظت مس با الگوی کشت منطقه (کاربری اراضی) مطابقت دارد.
به طور کلی عامل اصلی غلظت بالای مس عوامل طبیعی از جمله سنگ بستر شیل، آهک و آلوویوم میباشد. اما مصرف بالای کودهای شیمیایی به دلیل وجود مس در ساختار شیمیایی کودهای اوره، فسفات و پتاس که در جدول6 مقادیر آن ارائه شده است، هم میتواند باعث افزایش هر چه بیشتر غلظت مس در زمینهای کشاورزی باشد. در مطالعه انجام شده توسط لوئیس و همکاران (2008) برروی توزیع فلزات سنگین در خاکهای اروپا به این نتیجه رسیدند که غلظت عنصر مس در خاک همبستگی بالایی با کشاورزی و سنگ آهک نشان می‌دهد[37].
منابع
Spatial distribution of (Ni, Cr, Pb, Cu and Co)in the Surface (Superficial) Soil of Hamadan county with Geostatistic & GIS
P. Farzaneh1, A.Soffianian2, F. Moattar3
1) MSc Student in environmental Pollution major, Basic Sciences School , Tehran Sciences and researches azad university.
2) Assistant. Prof.s. Department of Natural Resources, Isfahan University of Technology, Iran
3) Environment Department Professor, Basic Sciences school, Tehran Sciences and researches azad university.
Abstract
Introduction:
Heavy metals are one of the most important soil pollutants. The increased level of them in environment in respect to their stability has led to researchers’ attraction at recent decades. the principal goal of present study is to determine the spatial distribution of heavy metals (Ni, Cr, Pb, Cu and Co) in surface soil of Hamadan county.
Material and methods:
For this Sampling was carried out based on systematic method from depth 0-20cm. heavy metals concentration and soil characteristics including PH, silt,clay and sand percentage were measured. Interpolation for heavy metals levels concentrations were done by geo-statistics methods . Different elements were interpolated through Radial basic function(RBF), Ordinary and Disjunctive Kriging and inverse distance weighting .The method accuracies were compared by using mean absolute error and mean bayas error.
Results:
for heavy metal concentration maps, Cr,Co and Pb, we used (RBF),for Cu inverse distance weighting(IDW),for Ni ordinary kriging with exponential model. Overplaying heavy metals distribution maps with geology and land use maps showed that Cr, Co and Ni have geological origin, The highest levels of Lead concentration is controlled by geological formation, agricultural activities and also urban pollution.
Cu have originated from bed rock. But, excessive consumption of chemical fertilizers according to agricultural activities can increase most of these elements in soil.
Key words: Spatial distribution, geostatistics , heavy metals, geographical information system(GIS), Hamadan county.
پهنه بندی سرب، کروم، کبالت ،مس و نیکل در خاکهای سطحی شهرستان همدان
پریسا فرزانه(1)، علیرضا سفیانیان(2)،فرامرز معطر (3)
1ـ دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، دانشکده علوم پایه، دانشگاه علوم و تحقیقات تهران
2- استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی اصفهان
3- استاد گروه محیط زیست، دانشکده علوم پایه ، دانشگاه علوم و تحقیقات تهران
نویسنده مسئول: پریسا فرزا نه تلفن: 09132218510
E-mail: parifarzaneh@yahoo.com
نشانی:اصفهان،چهاراه عسگریه ،خیابان دشتستان شمالی،کوچه شهید میرزایی،پلاک 11
دکتر علیرضا سفیانیان تلفن:09183632917
E-mail: soffianian@cc.iut.ac.ir
دکتر فرامرز معطر تلفن:09121304380
1- دانشجوی کارشناسی ارشد آلودگیهای محیط زیست، دانشکده علوم پایه، دانشگاه علوم و تحقیقات تهران* (نویسنده مسئول)
2- استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی اصفهان
3- استاد گروه محیط زیست، دانشکده علوم پایه ، دانشگاه علوم و تحقیقات تهران
1 Mean
2 Median
3 Standard Deviation
4 Coefficient of Variation
5 Skewness
)