ارزیابی غلظت کل، آلودگی و گونهسازی فلزات بالقوه سمی در خاکهای کشاورزی دشت جوین (سبزوار، استان خراسان رضوی) | ||
| فصلنامه علوم محیطی | ||
| مقاله 9، دوره 21، شماره 4، 1402، صفحه 159-176 اصل مقاله (1.95 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.48308/envs.2023.1330 | ||
| نویسندگان | ||
| بهناز نادری؛ افشین قشلاقی* | ||
| گروه آبشناسی و زمین شناسی زیست محیطی، دانشکده علوم زمین، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف: امروزه آلودگی خاک به فلزات سمی از مهمترین چالشهای 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 بایستی در ارزیابیهای دقیق زیستمحیطی مدنظر قرار گیرند. هدف از این پژوهش ارزیابی غلظت کل، آلودگی، منشاء و گونهسازی فلزات بالقوه سمی در خاکهای کشاورزی دشت جوین 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 فیزیکی و شیمیایی خاک شامل ماده آلی، pH، درصد کربنات و بافت خاک، به همراه غلظت کل فلزات بالقوه سمی (روی، کادمیم، آرسنیک، مس، کروم و نیکل) به روشهای استاندارد اندازهگیری شد. شدت آلودگی فلزات از طریق شاخصهای آلودگی (ضریب غنیشدگی و شاخص زمین انباشت) و منشاء و رابطه آنها با خواص خاک با استفاده از 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: نمونههای خاک 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 بودند. در بیشتر نمونههای خاک غلظت همه فلزات مورد مطالعه از میانگین پوستهای و میانگین خاکهای جهانی بالاتر بود. شاخصهای ارزیابی شدت آلودگی فلزات نیز نشان داد که کروم، نیکل و مس در گروه آلودگی متوسط تا شدید و کادمیم، آرسنیک و روی در گروه آلودگی شدید قرار داشتند. همچنین نتایج حاصل از تحلیلهای آماری مشخص ساخت که در خاکهای منطقه کروم و نیکل منشاء عمدتاً طبیعی داشته و از سنگ بستر افیولیتی منطقه ناشی شدهاند در حالیکه روی، کادمیم و آرسنیک عمدتاً غیرطبیعی بوده و از (فعالیتهای کشاورزی) منشاء گرفتهاند. بر اساس مطالعات گونهسازی مشخص گردید که 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 طبیعی این فلزات در نمونههای خاک بوده و ضریب تحرک پذیری اندکی دارند. در مقابل درصد بالای فلزاتی چون روی، مس، کادمیم و آرسنیک در سه فاز اول (F1+F2+F3) بیانگر منشاء عمدتاً غیرطبیعی (فعالیتهای کشاورزی در منطقه) و تحرکپذیری با زیستدسترسپذیری بالاتر آنها نسب به سایر فلزات در نمونههای خاک مورد مطالعه است . نتیجهگیری: بر اساس ارزیابی انجام شده در این پژوهش، فلزات خاکهای کشاورزی منطقه جوین از حدود استاندارد و مجاز فراتر رفته و به غیر از کروم و نیکل که منشاء عمدتاً طبیعی دارند سایر فلزات مورد مطالعه در اثر فعالیتهای انسانی (فعالیتهای کشاورزی) وارد خاکهای منطقه شدهاند. مطالعه گونهسازی نشان داد که فلزات در خاکهای منطقه 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 | ||
| خاک؛ دشت جوین؛ شاخصهای آلودگی؛ فازهای شیمیایی؛ فلزات | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Assessing the total concentration, pollution level and speciation of potentially toxic metals in agricultural soils of Jovin Plain (Sabzevar area, Razavi Khorasan Province) | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Behnaz Naderi؛ Afshin Qishlaqi | ||
| Department of Hydrogeology and Environmental Geology, Faculty of Earth Sciences, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Introduction: Soil contamination with potentially toxic metals is one of the most critical challenges in terms of food and human health safety. The majority of the studies on metal pollution of agricultural soils have been carried out by analyzing the total concentration of metals in the soils. However, metals are present in different chemical forms or species in soils, so they 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. Material and Methods: Twenty-seven 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 using 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 were alkaline in nature, clay loam in texture and moderate in terms of organic matter content. In majority of the soil samples, the concentration of all studied metals was higher than the mean crust and the global mean soils. Evaluating the level of soil metal pollution also showed that the soils were 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 were mainly derived from anthropogenic sources e.g. agricultural activities in the study area. Based on speciation analysis studies, chromium and nickel were mainly extracted from the residual phase (F4), zinc and copper from the oxidizable phase (F3), 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 was mostly geogenic with very limited mobility and bioavailability. On the other hand, the high percentage of metals retrieved from the first three phases (F1+F2+F3) revealed that they were 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 the 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 lead to the different mobility and bioavailability of these metals in the soil samples. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Keywords: Chemical fractions, Jovin plain, Metals, Pollution indices, Soil | ||
| مراجع | ||
|
Akbari, S., Karimi, A. and Lakzian, A., 2022. Pedogenesis and distribution of Ni and Cr in an ultramafic soil toposequence under arid climate. Eurasian Soil Science. 55, 520–532. https://doi.org/10.1134/S1064229322040020. Alloway, B.J., 2013. Sources of heavy metals and metalloids in soils. In: Alloway, B.J. (Eds). Heavy Metals in Soils. Trace Metals and Metalloids in Soils and their Bioavailability. Springer-Verlag, Dordrecht, the Netherlands, pp.11-50. Bertoldo, L.A., Ribeiro, A. and Reis, C.E.S., 2023. Environmental risk assessment of potentially toxic elements in Doce River watershed after mining sludge dam breakdown in Mariana, MG, Brazil. Environmental Monitoring and Assessment. 195, 539-545. https://doi.org/10.1007/s10661-023-11080-5. Bowen, H.J.M., 1979. Environmental Chemistry of the Elements. Academic Press, London, UK. Huang, C., Guo, Z., Li., T., Xu, R., Peng, C. and Gao, Z., 2023. Source identification and migration fate of metal(loid)s in soil and groundwater from an abandoned Pb/Zn mine. Science of the Total Environment. 895, 165037. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165037. Jiang, H.H., Cai, L.M., Wen, H.H., Hu, G.C., Chen, L.G. and Luo, J., 2020. An integrated approach to quantifying ecological and human health risks from different sources of soil heavy metals. Science of the Total Environment. 701, 134466. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134466. Kabata-Pendias, A. and Mukherjee, A.B., 2007. Trace elements from soil to human. Springer Science and Business Media, Heidelberg, Germany. Kabata-Pendias A. and Pendias, H., 2001. Trace elements in soils and plants. CRC Press, Washington, USA. Kumari, N. and Mohan, C., 2021. Basics of clay minerals and their characteristic properties. Clay Mineralogy. 1–29. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91858-9.00004-5. Kharvi, A., 2011. Estimate deep percolation plain and its impact on wells of piezometers -A case of study in Jovain plain. Ms.c Thesis. Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran Li, Y., Ajmone-Marsan, F. and Padoan, E., 2023. Combining DGT with bioaccessibility methods as tool to estimate potential bioavailability and release of PTEs in the urban soil environment. Science of The Total Environment. 857, 159597. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.159597. Liu, W., Hu, T., Mao, Y., Shi, M., Cheng, C., Zhang, J., Qi, S., Chen, W. and Xing, X., 2022. The mechanistic investigation of geochemical fractionation, bioavailability and release kinetic of heavy metals in contaminated soil of a typical copper-smelter. Environmental Pollution. 306, 119391. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.119391. Martin, A.P., Lim, C., Kah, M., Rattenbury, M.S., Rogers, K.M., Sharp, E.L. and Turnbull, R.E., 2023. Soil pollution driven by duration of urbanization and dwelling quality in urban areas: An example from Auckland, New Zealand. Applied Geochemistry. 148, 105518. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2022.105518. Morrison, J., Goldhaber, M., Mills, Christopher, Breit, G., Hooper, R., Holloway, J., Diehl, S. and Ranville, J., 2015. Weathering and transport of chromium and nickel from serpentinite in the coast range ophiolite to the Sacramento Valley, Ca, USA. Applied Geochemistry. 61, 72-86. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2015.05.018. Müller, G., 1969. Index of geoaccumulation in the sediments of the Rhine River. Geojournal. 2, 108–118. https://doi.org/10.1007/s10661-007-9678-2. Nelson, R.E., 1982. Carbonate and gypsum. In: Page, A.L., Miller, R.H., Keeney, D.R. (Eds.), Methods of Soil Analysis. American Society of Agronomy Inc, Wisconsin, pp.181–197. Nicholson, F.A., Smith, S.R., Alloway, B.J., Carlton-Smith, C. and Chambers, B.J., 2003. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales. Science of the Total Environment. 311, 205–219. https://doi.org/10.1016/S0048-9697(03)00139-6. Park, H.J., Kim, S.U., Jung, K.Y., Lee, S., Choi, Y.D., Owens, V.N., Kumar, S., Yun, S.W. and Hong, C.O., 2021. Cadmium phytoavailability from 1976 through 2016: changes in soil amended with phosphate fertilizer and compost. Science of the Total Environment. 762, 143132. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143132. Qishlaqi, A., Moore, F. and Forghani, G., 2009. Characterization of metal pollution in soils under two landuse patterns in the Angouran region, NW Iran: a study based on multivariate data analysis. Journal of Hazardous Materials.172, 374–384. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.07.024. Rauret, G., López-Sánchez, J.F., Sahuquillo, A., Rugiom, R., Davidson, C., Ure, A. and Quevauiller, P.H., 1999. Improvement of the BCR three step sequential extraction procedure prior to the certification of new sediment and soil reference materials. Journal of Environmental Monitoring. 1, 57–61. https://doi.org/10.1039/A807854H. Reimann, C., Filzmoser, P., Garrett, R. and Dutter. R., 2008. Statistical data analysis explained: applied environmental statistics with R. Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey, USA. Shan, Y., Tysklind, M. and Hao, F., 2013. Identification of sources of heavy metals in agricultural soils using multivariate analysis and GIS. Journal of Soils and Sediments. 13, 720–729. https://doi.org/10.1007/s11368-012-0637-3. Sutherland, R.A., 2000. Bed sediment associated trace metals in an urban stream, Oahu, Hawaii. Environmental Geology. 39, 611–627. https://doi.org/10.1007/s002540050473. Tessier, A., Campbell, P.G. and Bisson, M., 1979. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals. Analytical Chemistry. 51, 844–851. https://doi.org/10.1021/ac50043a017. Tian, K., Li., M., Hu, W., Huang, B. and Zhao, Y., 2022. Environmental capacity of heavy metals in intensive agricultural soils: insights from geo-chemical baselines and source apportionment. Science of the Total Environment. 819, 153078. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153078. Walkey, A. and Black, I.A., 1934. An examination of the Degtiareff method for determining soil organic matter and proposed modification of the chromic acid titration method. Soil Science. 63, 29–38. http://dx.doi.org/10.1097/00010694-193401000-00003. Wang, C.C., Zhang, Q.C., Yan, C.A., Tang, G.Y., Zhang, M.Y., Ma, L.Q., Gu, R. H. and Xiang, P., 2023. Heavy metal(loid)s in agriculture soils, rice, and wheat across China: Status assessment and spatiotemporal analysis. Science of the Total Environment. 882, 163361. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163361. Yang, C. Y., Nguyen, D. Q., Ngo, H. T. T., Navarrete, I. A., Nakao, A., Huang, S. T. and Hseu, Z. Y., 2022. Increases in Ca/Mg ratios caused the increases in the mobile fractions of Cr and Ni in serpentinite-derived soils in humid Asia. Catena, 216, 106418. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106418. Zhang, K., Yi, Y., and Fang, Z., 2023. Remediation of cadmium or arsenic contaminated water and soil by modified biochar: a review, Chemosphere, 311. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.136914. Zheng, X., Xu, W., Dong, J., Yang, T., Shangguan, Z., Qu, J., Li, X. and Tan, X., 2022. The effects of biochar and its applications in the microbial remediation of contaminated soil: A review. Journal of Hazardous Materials. 438, 129557. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129557. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 15,582 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 7,870 |
||