توزیع مکانی کادمیوم در شالیزارهای جنوب غربی اصفهان با استفاده از زمین آمار و GIS

نوع مقاله : مقالات پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه بوعلی سینا

چکیده

در اثر تخلیه و دفع کنترل نشده فاضلاب‌های صنعتی و شهری، کاربرد غیراصولی کودهای شیمیایی و لجن فاضلاب، خاک های شالیزاری منطقه لنجان واقع در استان اصفهان بطور گسترده در معرض آلودگی قرار دارند. از آنجائیکه درباره وضعیت پراکنش کادمیوم در شالیزارهای این منطقه اطلاعات دقیقی وجود ندارد، این تحقیق با هدف بررسی تغییرات مکانی کادمیوم که به عنوان یکی از فلزات سمی ‌مطرح است، انجام گردید. بدین منظور، تعداد 90 نمونه خاک سطحی (20-0 سانتی‌متر) از منطقه مورد مطالعه جمع آوری گردید. برخی از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک مانند pH، هدایت الکتریکی، کربنات کلسیم معادل، بافت خاک، ماده آلی و ظرفیت تبادل کاتیونی در نمونه ها اندازه گیری شد. مقدار کادمیوم کل و قابل‌جذب در نمونه‌ها نیز با استفاده از دستگاه جذب اتمی ‌تعیین گردید. ضمناً تخمین مکانی داده‌ها از طریق روش های درون یابی کریجینگ معمولی و کریجینگ بلوکی و با استفاده از GIS صورت گرفت. میانگین غلظت کادمیوم کل و قابل‌جذب در منطقه مطالعاتی به‌ترتیب 747/1 و 073/0 میلی گرم بر کیلوگرم بدست آمد که بالاتر از حدود استاندارد تعریف شده است و در کلاس آلودگی زیاد قرار دارد. نتایج آنالیزهای زمین‎آماری نشان داد که بهترین مدل تغییرنما برای داده های غلظت کادمیوم کل و قابل‌جذب، بترتیب نمایی و کروی بودند. بیشترین دامنه تاثیر برای کادمیوم کل و قابل جذب به ترتیب 1011 و 1050 متر و نسبت همبستگی در این دامنه برای هر دو ضعیف بود. ارزیابی پارامترهای ضریب همبستگی، MEE و RMSE نشان داد که هر دو روش کریجینگ در تخمین داده ها نسبت به داده های واقعی به‎نحو مطلوبی عمل نموده اند. همچنین بر اساس نتایج این مطالعه، فعالیت‌های انسانی از قبیل ورود فاضلاب‌های صنعتی و شهری به منابع آب‌رسانی و کاربرد بیش از اندازه کودها در افزایش غلظت کادمیوم در منطقه مطالعاتی تاثیر بسزایی داشته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Spatial Distribution of Cadmium in Paddy Soils Southwest of Isfahan Using Geostatistics and GIS

نویسندگان [English]

  • Gh. Rahimi
  • A. A. Charkhabi
Bu Ali Sina University, Hamedan
چکیده [English]

The paddy soils in Lenjan area exposed to pollution owing to uncontrolled discharge of sewage sludge, wastewater and unessential fertilizers. Little information exists on Cadmium (Cd) distribution in paddy soils of Isfahan Province, this study was therefore investigated the spatial variability of cadmium which is considered as the most toxic metals. 90 soil samples (0-20 cm) were collected from study area. Soil properties such as pH, EC, calcium carbonate equivalent, soil texture, organic matter and cation exchange capacity were measured. The total and available Cd concentrations of soil samples analyzed by atomic absorption spectrophotometer. In addition, estimation of spatial data performed via kriging interpolation method (ordinary and blocky kriging) and by GIS. The total and available concentration of Cd in the study area were averagely 1.747 and 0.073 mgkg-1 respectively, which were much higher than the standard limit and classified in high pollution. Geostatistical analysis result was shown that exponential and spherical models for the total and available Cd concentration were best model, respectively. The most effective range of total and available Cd was 1011 and 1050 meter respectively and correlation ratio was weak in this range. Evaluation of correlation coefficient, MEE and RMSE parameters showed that both methods of kriging for data estimation in comparison with real data had acted in an appropriate manner. The result also showed that human activities such as industrial and urban wastewater entering to the water resources and application of excessive fertilizers had an impact on cadmium concentrations significantly.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pollution
  • Cadmium
  • Spatial variability
  • Kriging, Rice paddies
- امینی م.، افیونی م. و خادمی ح. 1385. مدل سازی توازن جرمی عناصر کادمیوم و سرب در زمین های زراعی منطقه اصفهان. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی 10: 89-77.
2- پورمقدس ح. 1381. بررسی کیفیت آبهای زیرزمینی منطقه لنجانات اصفهان. مجله دانشکده بهداشت و انستیتو تحقیقات بهداشتی 1: 40-31.
3- حسنی پاک ع.ا. 1377. زمین آمار (ژئواستاتیستیک). انتشارات دانشگاه تهران.
4- صدر س.، افیونی م. و فتحیان پور ن. 1388. تغییرات مکانی آرسنیک در اراضی با کاربردهای مختلف در استان اصفهان. علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب وخاک 13: 75-65.
5- محمدی ج. 1385. پدومتری (آمار مکانی). جلد دوم، انتشارات پلک.
6- مدنی ح. 1373. مبانی زمین آمار. چاپ اول، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، واحد تفرش.
7- یارقلی ب.، عظیمی ع.ا.، باغوند ا.، عباسی ف.، لیاقت ع. و اسداله فردی غ. 1388. بررسی جذب و تجمع کادمیوم در اندام‌های مختلف محصولات غده‎ای در خاک‎های آلوده. مجله آب و فاضلاب 4: 70-60.
8- Acosta J.A., Jansen B., Kalbitz K., Faz A. and Martinez-Martinez S. 2011. Salinity increases mobility of heavy metals in soils. Chemo, 07.046.
9- Amini M., Afyuni M., Khademi H., Abbaspour K.C. and Schulin R. 2005. Mapping risk of cadmium and lead contamination to human health in soils of central Iran. Science of the Total Environ. 347: 64-77.
10- Bauycos G.J. 1962. Hydrometer methods improved for making particle size of soils. Agron. J. 56: 464-465.
11- Cambardella C.A., Moorman T.B., Novak J.M., Parkin T.B., Karlen D.L., Turco R.F. and Konopka A.E. 1994. Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils. Soil Sci. Soc. Amer. J. 58:1501- 1511.
12- Campbell J.B. 1978. Spatial Variation of sand content and pH within single contiguous delineation of two soil mapping units. Soil Sci. Soc. Am. J. 42: 460-464.
13- Cetin M. and Kirda C. 2003. Spatial and temporal changes of soil salinity in a cotton field irrigated with low-quality water. J. Hydro. 272: 238-249.
14- Duce R.A., Hoffman G.L. and Zoller W.H. 1975. Atmospheric trace elements at remote northern and southern hemisphere sites, pollution or natural. Science, 187: 59–61.
15- Errecalde M.F., Boluda R., Lagarda M.J. and Farre R. 1991. Indices de contamination por metals pesados en suelos de cultivo intensive: application en la comarca Horca (Valencia). Sueloy Planta 1: 483-494.
16- Facchinelli A., Sacchi E. and Mallen L. 2001. Multivariate statistical and GIS-based approach to identify heavy metal sources in soils. Environ Pollut 114: 313–324.
17- FOEFL (Swiss Federal Office of Environment, Forest and Landscape). 1987. Commentary on the ordinance relating to pollutants in soils (VSBo of June 9, 1986), Bern.
18- Hajrasuliha S., Baniabbassi N., Metthey J. and Nielsen D.R. 1980. Spatial variability of soil sampling for salinity studies in southwest Iran. Irrig Sci. 1: 197-208.
19- Kabata-Pendias A. 2011. Trace elements in soils and plants.CRC Press, Boca Raton, London, New York. PP 534.
20- Kalavrouziotis I.K., Koukoulakis P. and Kostakioti E. 2012. Assessment of metal transfer factor under irrigation with treated municipal Wastewater. Agri Water Manag.103: 114– 119.
21- Karanlık S., A˘gca N. and Yalçın M. 2010. Spatial distribution of heavy metals content in soils of Amik Plain (Hatay, Turkey). Environ Monit Assess, 10.1007/s10661-010-1380-0.
22- Li J.T., Qiu J.W., Wang X.W., Zhong Y., Lan C.Y. and Shu W.S. 2006. Cadmium contamination in orchard soils and fruit trees and its potential health risk in Guangzhou, China. Geod. 143: 159–165.
23- Lindsay W.L. and Norvell W.A. 1978. Development of a DTPA Soil Test for Zinc, Iron, Manganese, and Copper. Soil Sci. Soc. Am. J. 42:421-428.
24- Liu W.X., Shen L.F., Liu J.W., Wang Y.W. and Li S.R. 2007. Uptake of Toxic Heavy Metals by Rice (Oryza sativa L.) Cultivated in the Agricultural Soil near Zhengzhou City, People’s Republic of China. Bull Environ Contam Toxicol, 79:209–213.
25- Mahmut C., Eiliv S., Viladimirovna F.M., Eidhammer S.T. and Svetlana D. 2005. Heavy metal pollution of surface soil in thethrace region Turkey. Environ Monit and Assess, 119, 545–556.
26- Manousaki E. and Kalogerakis N. 2009. Phytoextraction of Pb and Cd by the Mediterranean saltbush (Atriplex halimus L.): metal uptake in relation to salinity. Environ Sci Pollut Res. 16: 844–854.
27- Montgomery J.M. 1985. Water Treatment, Principale and design. John Wiley & sons. Inc.
28- Morton-Bermea O., Hernandez-Alvarez E., Guzman-Morales R.L.J. and Martinez G. 2010. Spatial Distribution of Heavy Metals in Top Soils around the Industrial Facilities of Cromatos de Mexico, Tultitlan Mexico. Bull Environ Contam Toxicol. 85: 520-524.
29- Page A.L., Logan T., and Ryan J. 1987. Land Application of Sludge. Lewis publishers, Chelsea, MI.
30- Patel R.M., Prasher S.O. and Bonnell R.B. 2000. Effects of watertable depth, irrigation water salinity, and fertilizer application on root zone salt buildup. Canad Agri Engin, 42 (3): 111-115.
31- Quine T.A. and Zhang Y. 2002. An investigation of spatial variation in soil erosion, soil properties and crop production within an agricultural field in Devon. U.K. J. Soil and Water Conservation. 57: 50-60.
32- Roades J.D. 1996. Salinity: electrical conductivity and total dissolved solids. Method of soil analysis, parss: chemical methods. Madison. Wisconsin, USA. Pp: 417-436.
33- Rowell D.L. 1994. Soil Science: Method and Application. Longman Group, Harlow, 345 p.
34- Shi J., Wang H., Xu J., Wu J., Liu X., Zhu H. and Yu Ch. 2007. Spatial distribution of heavy metals in soils: a case study of Changxing, China. Environ Geo, 52:1–10.
35- Sims J.T. 1996. Lime requirement method of soil analysis, parts: chemical methods. Madison, Wisconsin. USA. pp: 491.
36- Sposito G., Lund J. and Chang A.C. 1982. Trace metal chemistry in arid-zone field soils amended with sewage sludge: I. Fractionation of Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb in solid phases. Soil Sci. Soc. Am. J. 46: 260-264.
37- Thomas A.R.Jr. and Brian L.J. 1976. Normal Probability Plots and Tests for Normality. Statistics Department, the Pennsylvania State University.
38- Thomas G.W. 1996. Soil pH and soil acidity in methods of soil analysis. Klute, A. (ed). Part3. Chemical methods. Madison, wisconsen, USA. Pp: 475-490.
39- Wong S.C., Li X.D., G. Zhang S.H.Q. and Min Y.S. 2002. Heavy metals in agricultural soils of the Pearl River Delta, South China. Environ Pollut, 119: 33–44.
40- Wu Ch., Luo Y. and Zhang L. 2010. Variability of copper availability in paddy fields in relation to selected soil properties in southeast China. Geod 156: 200–206.
41- Zhang X.Y., Lin F.F., Wong M.T.F., Feng X.L. and Wang K. 2009. Identification of soil heavy metal sources from anthropogenic activities and pollution assessment of Fuyang County, China. Environ Monit Assess, 154: 439- 449.
42- Zhao Y.F., Shi X.Zh., Huang B., Yu D.Sh., Wang H.J., Sun W.X., Oboern I. and Blomback K. 2007. Spatial distribution of heavy metals in agricultural soils of an industry-based pre-urban area in Wuxi, China. Pedo, 17(1): 44-51.