ارزیابی غلظت کل، آلودگی و گونه‌سازی فلزات بالقوه سمی در خاک‌های کشاورزی دشت جوین (سبزوار، استان خراسان رضوی)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده علوم زمین ، دانشگاه صنعتی شاهرود

2 دانشکده علوم زمین، دانشگاه صنعتی شاهرود

10.48308/envs.2023.1330

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی خاک‌های به فلزات بالقوه سمی امروزه یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در حوضه سلامت مواد غذایی و سلامتی انسان است. بیشتر ارزیابی‌هایی که در ایران بر روی آلودگی‌های خاک‌های کشاورزی صورت گرفته با در نظر گرفتن غلظت کل فلزات در خاک انجام شده است در صورتی که فلزات در خاک‌ها به شکل‌ها یا گونه‌های مختلف شیمیایی حضور دارند که می‌باید در ارزیابی‌های دقیق زیست‌محیطی مدنظر قرار گیرند. هدف از این پژوهش ارزیابی غلظت کل، آلودگی، منشاء و گونه‌سازی فلزات بالقوه سمی در خاک‌ها کشاورزی دشت جوین در استان خراسان رضوی است.

مواد و روش‌ها: 27 نمونه خاک از کل دشت به صورت تصادفی و از عمق حدود 50 سانتی‌متری برداشت گردید. پارامترهای فیزیکوشیمیایی خاک (ماده آلی، pH، درصد کربنات، بافت خاک) به همراه غلظت کل فلزات بالقوه سمی (روی، کادمیم، آرسنیک، کروم و نیکل) به روش‌های استاندارد اندازه‌گیری شد. شدت آلودگی فلزات از طریق شاخص‌های آلودگی (ضریب غنی‌شدگی و شاخص زمین انباشت،) و منشاء آنها با روش‌های آماری چند متغیره (همبستگی و تحلیل مؤلفه اصلی) تعیین گردید. از روش BCR چهار مرحله‌ای برای تعیین گونه‌ها یا فازهای شیمیایی در نمونه‌های خاک استفاده شد.

نتایج و بحث: نمونه‌ها از نظر pH و میزان کربنات دارای ماهیت قلیایی، از نظر بافتی در رده لومی رسی و از نظر میزان ماده آلی در حد متوسط هستند. در بیشتر نمونه‌های خاک غلظت همه فلزات مورد مطالعه از میانگین پوسته‌ای و میانگین خاک‌های جهانی بالاتر است. شاخص‌های ارزیابی شدت آلودگی فلزی نیز نشان داد که کروم، نیکل و مس در رده آلودگی متوسط تا شدید و کادمیم، آرسنیک و روی در رده آلودگی شدید قرار می‌گیرد. همچنین نتایج حاصل از تحلیل‌های آماری مشخص ساخت که در خاک‌های منطقه کروم و نیکل منشاء عمدتاً زمین زاد داشته و از سنگ بستر افیولیتی منطقه ناشی شده‌اند در حالیکه روی، کادمیم و آرسنیک عمدتاً انسانزاد بوده و از (فعالیت‌های کشاورزی) منشاء گرفته‌اند. بر اساس مطالعات گونه‌سازی، کروم و نیکل عمدتاً در فاز بازماندی (F4)، روی و مس در فاز اکسیدپذیر (F3)، آرسنیک در فاز کاهش‌پذیر (F2) و کادمیم عمدتاً در فاز انحلال‌پذیر/تبادل پذیر حضور دارند. قرارگیری دو فلز کروم و نیکل در فاز بازماندی (پایدار) نشان‌دهنده منشاء عمدتاً زمین زاد این فلزات در نمونه‌های خاک داشته و ضریب تحرک پذیری اندک آنها است . در مقابل درصد بالای فلزاتی چون روی، مس، کادمیم و آرسنیک در سه فاز اول (F1+F2+F3) بیانگر منشاء عمدتاً انسانزاد (فعالیت‌های کشاورزی در منطقه) و تحرک پذیری با زیست دسترس‌پذیری بالای آنها در نمونه‌های خاک است.

نتیجه‌گیری: بر اساس ارزیابی انجام شده در این پژوهش فلزات در خاک‌های کشاورزی منطقه جوین از حدود استاندارد و مجاز خاک فراتر رفته و به غیر از کروم و نیکل که منشاء عمدتاً طبیعی دارند سایر فلزات مورد مطالعه در اثر فعالیت‌های انسانزاد (فعالیت‌های کشاورزی) وارد خاک‌های منطقه شده‌اند. مطالعه گونه‌سازی نشان داد که فلزات در خاک‌های منطقه مورد در شکل یا فازهای شیمیایی مختلفی حضور دارند که ناشی از شدت آلودگی و منشاء متفاوت این فلزات در خاک‌های منطقه است که ماحصل آن تحرک پذیری یا زیست دسترس‌پذیری متفاوت این فلزات در نمونه‌های خاک است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Assessing the total, pollution level and speciation of potentially toxic metals in agricultural soils of Jovin plain (Sabzevar area, Razavi Khorasan Province)

نویسندگان [English]

  • Behnaz Naderi 1
  • Afshin Qishlaqi 2
1 Faculty of Earth sciences, Shahrood University of Technology
2 Faculty of Earth sciences, Shahrood University of Technology
چکیده [English]

Introduction: Soil contamination with potentially toxic metals is one of the most critical challenges in terms of food and human health safety. Majority of the studies on the metal pollution of agricultural soils have been carried out by analyzing the total concentration of metals in the soils whereas the metals are present in different chemical forms or species in soils, that it should be considered in a full-fledged environmental assessment. The purpose of this research is to assess the total concentrations, pollution level, source and speciation of potentially toxic metals in agricultural soils of Jovin plain in Razavi Khorasan province.
Materials and methods: 27 soil samples were randomly collected from the entire plain at a depth of about 50 cm. Soil physicochemical parameters (organic matter, pH, carbonate content, soil texture) along with the total concentrations of potentially toxic metals (zinc, cadmium, arsenic, chromium and nickel) were measured by means of standard methods. The level of soil metal pollution was assessed by calculating pollution indices (enrichment coefficient, land accumulation, pollution load index) and their possible origins were apportioned by multivariate statistical methods (correlation and principal component analysis). The modified four-step BCR method was used to determine the species or chemical phases of metals in soil samples.
Results and discussion: it was found that the cultivated soils are alkaline in nature content, clay loam in texture and moderate in terms of organic matter content. In majority of the soil samples, the concentration of all studied metals is higher than the mean crust and the world mean soils. Evaluating the level of soil metal pollution also showed that the soils are moderately to heavily contaminated in terms of chromium, nickel and copper and heavily contaminated in terms of arsenic and zinc. The results of the multivariate statistical analysis revealed that chromium and nickel are mainly of geogenic sources attributable to the ophiolite rocks in the region while zinc, cadmium, copper and arsenic are mainly derived from anthropogenic sources i.e., agricultural activities in the study are. Based on speciation analysis studies, chromium and nickel are mainly extracted from the residual phase (F4), zinc and copper from the oxidizable phase (F3), and arsenic from the reducible phase (F2) and cadmium was mainly retrieved from the soluble/exchangeable phase (F1). The high extraction percentage of chromium and nickel from the residual (stable) phase indicates that the source of these metals in the soils is mostly geogenic with very limited mobility and bioavailability. On the other hand, the high percentage of metals such as zinc, copper, cadmium and arsenic retrieved from the first three phases (F1+F2+F3) reveals that they are mainly from anthropogenic sources having high mobility and bioavailability in soil samples.
Conclusion: Based on the assessment made in this research, it was found that the metals in the agricultural soils of Jovin plain have surpassed their standard guideline limits and apart from chromium and nickel, the other studied metals have been derived from anthropogenic sources (agricultural activities) in the study area. The chemical speciation analysis also showed that the metals in the soils occurred in different chemical forms or phases depending on their different origin and pollution level, which in turn leading to the different mobility and bioavailability of these metals in the soil samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Chemical fractions
  • Jovin plain
  • Metals
  • Pollution indices
  • Soil