بررسی آلودگی خاک‌های دشت شازند به عناصر سنگین و تهیه نقشه آلودگی خاک‌ها به روش کریجینگ شاخص

سابقه و هدف: امروزه آلودگی فلزات سنگین به طور گسترده‌ای بر روی کره زمین گسترش یافته است و باعث ایجاد آشفتگی محیط زیست و خطرات جدی برای سلامتی انسان شده است. به طور کلی علت اصلی این مسئله سرعت سریع شهرنشینی، تغییرات کاربری اراضی و صنعتی سازی خصوصاً در کشورهای در حال توسعه با جمعیت بسیار بالا است. هدف این مطالعه ارزیابی کریجینگ شاخص و منشا آلودگی فلزات سنگین در خاک سطحی اراضی کشاورزی دشت شازند واقع در استان مرکزی بود.مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه بخشی از اراضی اطراف مجموعه صنایع در دشت شازند می‌باشد. نمونه خاک‌های سطحی (230 نمونه) از عمق صفر تا 15 سانتی‌متری خاک در سال 1398 بر اساس الگوی تصادفی طبقه‌بندی شده جمع‌آوری شد. غلظت کل (شبه‌کل) فلزات آرسنیک، روی، سرب،کادمیم، مس و نیکل اندازه‌گیری شد.. از تخمینگر کریجینگ شاخص که احتمال مقادیر متغیر که بالاتر از یک آستانه معلوم هستند را تعیین می‌‌کند، برای تهیه نقشه‌های خطر فلزات سنگین استفاده شد. سطح آلودگی خاک‌های منطقه با استفاده از شاخص زمین انباشتگی و فاکتور غنی‌شدگی اندازه‌گیری گردید. به منظور تعیین منشا احتمالی فلزات سنگین، تجزیه مولفه اصلی (pca) در نرم افزار spss نسخه 22 مورد استفاده قرار گرفت.یافته‌ها: میانگین غلظت آرسنیک، روی، سرب،کادمیم، مس و نیکل به ترتیب 78/151، 04/104، 88/37، 17/1، 48/13 و 98/92 میلی‌گرم بر کیلوگرم بود.. با مقایسه میانگین غلظت کل فلزات با میانگین خاک‌های جهانی مشاهده می‌شود که غلظت سرب ، کادمیم، آرسنیک، نیکل و روی به ترتیب 4/1، 6/2، 18، 5/3 و 7/1 برابر بیشتر است، که نشان می‌دهد منطقه مورد مطالعه دارای سطح بالای آلودگی این فلزات است. حدود 90 % و 100 % نمونههای خاک به ترتیب برای کادمیم و آرسنیک غلظتی بیشتر از میانگین خاک‌های جهانی داشتند. بر اساس تجزیه مولفه اصلی سه مولفه، 81 درصد از کل واریانس را به خود اختصاص دادند. نتایج تجزیه مولفه اصلی نشان داد که مولفه اول (سرب روی) به علت مقدار بالای بار عاملی چرخش یافته این فلزات میتواند به عنوان مولفه آنتروپوژنیکی تعریف شود. میانگین غلظت این فلزات بیشتر از مقادیر زمینه است منشا این فلزات ممکن است از ضایعات، باطلهها و زهکشی اسید معدن سرب و روی عمارت باشد. مولفه دوم (نیکل و مس) میتواند به عنوان مولفه زمینشناسی بیان شود. این فلزات احتمالاً از منابع زمینشناسی منشا میگیرند. مولفه سوم شامل آرسنیک است. آرسنیک در خاک ممکن است ناشی از فعالیتهای انسانی شامل خروج گازهای صنعتی (پالایشگاه، پتروشیمی و نیروگاه)، معدن‌کاری، و تعلیق مجدد غبارات اتمسفری باشد. با توجه به سطح گسترده زمینهای کشاورزی در منطقه مورد مطالعه، منشا کادمیم در منطقه نیز ممکن است ناشی از مصرف کودهای فسفر باشد. کریجینگ شاخص نشان داد که خطر زیاد آلودگی فلزات سنگین به صورت زیر است: آرسنیک> کادمیوم> نیکل> سرب> روی> مس. مقادیر فاکتور غنی‌شدگی محاسبه شده برای نمونه‌های خاک از بدون غنی‌شدگی تا غنی‌شدگی قابل توجه متغیر بود. میانگین شاخص زمین انباشتگی برای سرب، کادمیم، مس، نیکل، روی و آرسنیک به ترتیب 37/0، 59/1، 53/2 ، 48/0 ، 63/0 و 9/2 به دست آمد.تیجه‌گیری: نتایج تجزیه مولفه اصلی نشان داد که منشا سرب، روی، آرسنیک و کادمیم ممکن است ناشی از فعالیت‌های انسانی باشد، درحالی‌که منشا مس و نیکل عمدتاً در ارتباط با منابع زمین‌شناسی است. نقشه‌های خطر نیز نشان داد که منطقه مورد مطالعه دارای خطر زیاد آلودگی فلزات سنگین است. نتایج فاکتور غنی‌شدگی نشان داد که مس، نیکل و روی دارای بدون غنی‌شدگی تا غنی‌شدن کم، سرب دارای غنی‌شدگی متوسط و کادمیم و آرسنیک غنی‌شدگی قابل توجهی دارند. ارزیابی شاخص زمین انباشتگی نشان داد که مس، نیکل و روی دارای (سطح غیرآلوده)، سرب (غیرآلوده تا آلودگی متوسط) ، کادمیم (آلودگی متوسط) و آرسنیک ( آلودگی متوسط تا شدید) بودند.

investigation of soil pollution shazand plain with heavy metal and preparing a soil pollution map using indicator kriging

background and objectives: heavy metal pollution has become a widespread environmental issue, posing serious risks to human health. the primary causes of this pollution include rapid urbanization, land use changes, and industrialization, particularly in developing countries with high population densities. this study aims to evaluate indicator kriging and investigate the sources of heavy metal contamination in the surface soil of the shazand plain, markazi province, iran. materials and methods: the study area includes lands surrounding the imam khomeini refinery, petrochemical facilities, thermal power plants, and the emarat lead and zinc mine in the shazand plain. a total of 230 surface soil samples were collected from a depth of 0 15 cm in 2019 using a stratified random sampling pattern. the total (quasi total) concentrations of arsenic (as), zinc (zn), lead (pb), cadmium (cd), copper (cu), and nickel (ni) were measured. indicator kriging, which estimates the probability of values exceeding a known threshold, was used to develop heavy metal risk maps. the geo accumulation index (igeo) and enrichment factor (ef) were calculated to assess soil pollution levels. to determine potential sources of heavy metals, principal component analysis (pca) was conducted using spss version 22. results: the mean concentrations of arsenic, zinc, lead, cadmium, copper, and nickel were 151.78, 104.04, 37.88, 1.17, 13.48, and 92.98 mg/kg, respectively. by comparing the average concentration of all metals, it was observed that the concentrations of lead, cadmium, arsenic, nickel, and zinc were 1.4, 2.6, 18, 3.5, and 1.7 times higher than the global soil mean, indicating a high level of pollution in the study area. about 90% of soil samples for cadmium and 100% for arsenic had concentrations exceeding the global soil average. based on principal component analysis (pca), three components accounted for 81% of the total variance. the results showed that the first component (lead and zinc) can be classified as an anthropogenic factor due to the high rotated factor loadings of these metals. the average concentration of these metals was higher than their background values, suggesting that their origin may be related to waste, tailings, and acid drainage from the lead and zinc mine. the second component (nickel and copper) was classified as a geological factor, indicating that these metals likely originate from geological sources. the third component included arsenic, which may have a different source from the other metals. the presence of arsenic in the soil may be attributed to human activities, including industrial emissions (refinery, petrochemical, and power plants), mining operations, and atmospheric dust resuspension. given the widespread agricultural land in the study area, the presence of cadmium contamination may also be linked to phosphorus fertilizer application. the indicator kriging method showed that the high risk ranking of heavy metal contamination in the study area was as follows: arsenic > cadmium > nickel > lead > zinc > copper. the calculated enrichment factor (ef) values for soil samples ranged from no enrichment to significant enrichment. the average geo accumulation index (igeo) values for lead, cadmium, copper, nickel, zinc, and arsenic were 0.37, 1.59, 2.53, 0.48, 0.63, and 2.9, respectively.conclusion: the principal component analysis (pca) results showed that the origin of lead, zinc, arsenic, and cadmium is likely anthropogenic, while copper and nickel are primarily derived from geological sources. the risk maps confirmed that the study area has a high risk of heavy metal contamination. the enrichment factor (ef) analysis indicated that copper, nickel, and zinc exhibited no to low enrichment, lead had moderate enrichment, and cadmium and arsenic showed significant enrichment. the geo accumulation index (igeo) assessment classified copper, nickel, and zinc as non contaminated, lead as non contaminated to moderately polluted, cadmium as moderately polluted, and arsenic as moderately to severely polluted.