ارزیابی زیست‌محیطی دینامیک‌های کاربری زمین و ارتباط آن با آلودگی فلزات سنگین در اکوسیستم رودخانه ارس (شمال‌غرب ایران)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی محیط‌زیست، دانشکده جغرافیا و علوم محیطی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

2 گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

هدف :با توجه به روند فزاینده و نگران‌کننده تغییرات پوشش سطح زمین که عمدتاً ناشی از توسعه ناپایدار در بخش‌های کشاورزی، شهری و صنعتی است، منابع آب سطحی به‌ویژه رودخانه‌ها با تهدید جدی از سوی آلاینده‌های مختلف مواجه شده‌اند. از جمله مهم‌ترین این آلاینده‌ها می‌توان به فلزات سنگین و سمی اشاره کرد که با ورود مستقیم یا غیرمستقیم به زنجیره غذایی، سلامت انسان و سایر موجودات زنده را به مخاطره می‌اندازند. رودخانه ارس، به‌عنوان یک منبع آبی مرزی و حیاتی برای استان‌های شمال‌غرب ایران، در معرض چنین خطراتی قرار دارد. بر این اساس، پژوهش حاضر با هدف تحلیل هم‌زمان تغییرات فضایی‌ـ‌زمانی پوشش سطح زمین و بررسی ارتباط آن با تغییرات غلظت فلزات سنگین در آب رودخانه ارس صورت گرفته است. تمرکز اصلی بر شناسایی الگوهای مکانی هم‌پوشانی بین تغییرات کاربری زمین و نقاط دارای آلودگی شیمیایی بالا و همچنین ارزیابی پتانسیل خطر زیستی ناشی از ورود این عناصر به زنجیره غذایی بوده است.
روش پژوهش: در این تحقیق، جهت تحلیل روند تغییرات پوشش سطح زمین در دوره 2001 تا 2024، از تصاویر سری زمانی سنجنده MODIS (محصول MCD12Q1) استفاده شد. تغییرات پوشش زمین در سه بازه زمانی کلیدی (2001، 2012 و 2024) استخراج و تحلیل شد. هم‌زمان، به‌منظور بررسی وضعیت آلودگی فلزات سنگین، نمونه‌برداری میدانی از ۱۳ ایستگاه منتخب در امتداد رودخانه ارس طی دو بازه زمانی (اردیبهشت و مرداد ۱۴۰۳) انجام گرفت. نمونه‌های جمع‌آوری‌شده پس از آماده‌سازی و اسیدی‌سازی، با استفاده از دستگاه طیف‌سنجی نشر پلاسمای القایی (ICP-OES) مورد تجزیه شیمیایی قرار گرفتند. فلزات هدف شامل سرب (Pb)، آرسنیک (As)، نیکل (Ni)، کادمیم (Cd)، جیوه (Hg) و کروم (Cr) بودند.که ازنظر غلظت، توزیع مکانی و انطباق با استانداردهای ملی و بین‌المللی (FAO، WHO، EPA) ارزیابی شدند
یافته: نتایج تحلیل پوشش زمین نشان داد که کاربری‌های مراتع و اراضی زراعی - کشاورزی بیشترین نرخ تغییرات را طی دوره مطالعه داشته‌اند و نتایج تجزیه شیمیایی آب در اردیبهشت نشان داد که غلظت فلزات سرب، آرسنیک و نیکل در برخی ایستگاه‌ها فراتر از حدود مجاز بین‌المللی بوده‌اند. در مرداد، با وجود کاهش نسبی غلظت سرب، سایر عناصر شامل آرسنیک، کادمیم، جیوه، نیکل و کروم در اکثر ایستگاه‌ها دارای مقادیر نسبتاً یکنواخت و نزدیک به مرز خطر زیستی بودند. مقایسه داده‌ها با استانداردهای ملی و بین‌المللی نشان داد که اگرچه برخی فلزات در محدوده ایمن برای مصارف آبیاری کشاورزی، دام و طیور و آستانه‌های زیستی برای تجمع در بافت آبزیان قرار دارند، اما برای سلامت آبزیان مناسب ارزیابی نشد و در صورت مصرف مستقیم یا غیرمستقیم انسانی این منابع از طریق محصولات کشاورزی و دامی یا آبزیان احتمال تجمع زیستی و بروز اثرات سمی جدی در بلندمدت وجود دارد.
نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج، ارتباطی معنادار میان تغییرات کاربری زمین و افزایش غلظت فلزات سمی در آب شناسایی شد. این یافته‌ها ضرورت بازنگری در سیاست‌های مدیریت سرزمین، اعمال محدودیت بر تخلیه پساب‌های آلوده، و تقویت سامانه‌های پایش مستمر کیفی منابع آب را برجسته می‌سازند. پژوهش حاضر با تلفیق داده‌های سنجش از دور و تحلیل‌های آزمایشگاهی، مدلی جامع برای بررسی اثرات زیست‌محیطی تغییرات کاربری زمین ارائه می‌دهد که می‌تواند در سایر حوضه‌های آبی کشور نیز به‌کار گرفته شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Environmental Assessment of Land Use Dynamics and Their Relationship with Heavy Metal Pollution in the Aras River Ecosystem (Northwest Iran)

نویسندگان [English]

  • Ali Khodaie 1
  • Rahman Zandi 2
1 Environmental Sciences and Engineering, Faculty of Geography and Environmental Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
2 Department of Natural Geography, Geographical Sciences and Planning, Isfahan Faculty of University, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Objective: Given the increasing and alarming trend of land cover changes-primarily driven by unsustainable development in agricultural, urban, and industrial sectors-surface water resources, particularly rivers, are facing serious threats from various pollutants. Among the most critical of these pollutants are heavy and toxic metals, which, through direct or indirect entry into the food chain, pose significant risks to human health and other living organisms. The Aras River, as a transboundary and vital water source for the northwestern provinces of Iran, is subject to such threats. Accordingly, this study aims to analyze the spatiotemporal changes in land cover and examine their relationship with variations in the concentration of heavy metals in the Aras River water. The main focus is on identifying spatial patterns of overlap between land use changes and areas of high chemical pollution, as well as assessing the potential biological risk associated with the entry of these elements into the food chain.
Methods: To analyze the trend of land cover changes from 2001 to 2024, this study used time series imagery from the MODIS sensor (product MCD12Q1). Land cover changes were extracted and analyzed for three key time periods: 2001, 2012, and 2024. Simultaneously, in order to assess the heavy metal pollution status, field sampling was conducted at 13 selected stations along the Aras River during two time periods (May and August 2024). The collected samples were prepared and acidified, and then subjected to chemical analysis using Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). The target metals included lead (Pb), arsenic (As), nickel (Ni), cadmium (Cd), mercury (Hg), and chromium (Cr), which were evaluated in terms of concentration, spatial distribution, and compliance with national and international standards (FAO, WHO, EPA).
Findings: The land cover analysis showed that rangelands and agricultural lands experienced the highest rate of change during the study period. The chemical analysis of water samples in May revealed that concentrations of lead, arsenic, and nickel in some stations exceeded international permissible limits. In August, despite a relative reduction in lead levels, other elements such as arsenic, cadmium, mercury, nickel, and chromium showed relatively uniform concentrations close to the biological risk threshold in most stations. Comparison with national and international standards indicated that although some metals were within the safe range for agricultural irrigation, livestock and poultry use, and aquatic organism tissue accumulation thresholds, they were deemed unsuitable for aquatic life health. Furthermore, if these resources are consumed directly or indirectly by humans through agricultural, livestock, or aquatic products, there is a potential for bioaccumulation and serious long-term toxic effects.
Conclusion: Based on the results, a significant relationship was identified between land use changes and the increase in toxic metal concentrations in water. These findings highlight the necessity of revising land management policies, imposing restrictions on the discharge of polluted effluents, and strengthening continuous water quality monitoring systems. By integrating remote sensing data with laboratory analyses, this study presents a comprehensive model for assessing the environmental impacts of land use changes, which can also be applied to other water basins across the country.

کلیدواژه‌ها [English]

  • MODIS
  • Heavy metals
  • Human health
  • Remote sensing
  • Aras River