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 برنامه‌ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

سابقه و 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. براین‌اساس، 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.
مواد و روش‌ها: 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.
 نتایج و بحث: 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 سنجش‌ازدور و تحلیل‌های آزمایشگاهی، مدلی جامع برای بررسی اثرات زیست‌محیطی تغییرات کاربری زمین ارائه می‌دهد که می‌تواند در سایر حوضه‌های آبی کشور نیز به کار 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 Department of Environmental Sciences and Engineering, Faculty of Geography and Environmental Sciences, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
2 Department of Natural Geography, Faculty of Geographical Sciences and Planning, Isfahan University, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Introduction: Given the growing and alarming trend of land cover changes-primarily driven by unsustainable Development in agricultural, urban, and industrial sectors-surface water resources, especially rivers, are increasingly threatened by various pollutants. Among the most critical of these are heavy and toxic metals, which pose serious risks to human and ecological health by directly or indirectly entering the food chain. As a vital transboundary water resource for the northwestern provinces of Iran, the Aras River is exposed to such threats. Accordingly, this study aims to perform a spatiotemporal analysis of land cover changes and investigate their relationship with variations in heavy metal concentrations in the Aras River. The primary focus is on identifying spatial patterns of overlap between land use transformation and chemically polluted hotspots, as well as evaluating the ecological risk potential of toxic elements entering the food web.
Material and methods: To analyze land cover change trends from 2001 to 2024, time-series satellite imagery from the MODIS sensor (MCD12Q1 product) was utilized. Land cover dynamics were extracted and analyzed for three key years: 2001, 2012, and 2024. Concurrently, field sampling was conducted at 13 selected stations along the Aras River during two seasonal intervals (May and August 2024). The collected water samples were acidified and prepared following standard protocols, and were chemically analyzed using Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP-OES). 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).
Results and discussion: Land cover analysis revealed that rangelands and agricultural lands experienced the highest rates of change throughout the study period. Chemical analysis of the water samples in May showed that concentrations of lead, arsenic, and nickel exceeded international permissible limits in several stations. In August, although lead concentrations relatively decreased, other elements including arsenic, cadmium, mercury, nickel, and chromium maintained relatively uniform levels across most stations-often approaching ecological risk thresholds. While some metal concentrations remained within safe limits for agricultural irrigation, livestock consumption, and aquatic tissue accumulation, they were deemed unsuitable for aquatic life. Long-term human exposure through consumption of contaminated agricultural, livestock, or aquatic products could pose serious toxicological risks due to bioaccumulation.
Conclusion: The results indicated a significant and meaningful correlation between land use change and increased concentrations of toxic heavy metals in surface waters. These findings underscore the urgent need to revise land management policies, enforce stricter controls on the discharge of untreated effluents, and enhance continuous water quality monitoring systems. By integrating remote sensing data with laboratory-based environmental assessments, this.

کلیدواژه‌ها [English]

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