DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1726872
تاريخ النشر: 2026-01-14
المؤلف: Saad S. Alarifi وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعادن الثقيلة في البيئة
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية تقييمًا شاملاً لتلوث المعادن الثقيلة (HM) في التربة الزراعية في حريملاء، المملكة العربية السعودية، استنادًا إلى تحليل 34 عينة من التربة للزرنيخ (As) والنحاس (Cu) والحديد (Fe) والنيكل (Ni) والرصاص (Pb) والزنك (Zn) باستخدام مطيافية الانبعاث الذري البلازمي المقترن بالحث (ICP-AES). استخدمت الدراسة أدوات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) جنبًا إلى جنب مع التحليلات الإحصائية متعددة المتغيرات لتقييم مستويات التلوث، مستخدمةً مؤشرات مثل عامل الإثراء (EF) وعامل التلوث (CF) ومؤشر الحمل التلوث (PLI) ومؤشر المخاطر (RI). أظهرت النتائج أن متوسط تركيزات المعادن الثقيلة اتبعت الترتيب: Fe (11674 ملغ كغ\(^{-1}\)) > Zn (47.12 ملغ كغ\(^{-1}\)) > Ni (21.10 ملغ كغ\(^{-1}\)) > Cu (11.50 ملغ كغ\(^{-1}\)) > Pb (7.82 ملغ كغ\(^{-1}\)) > As (2.59 ملغ كغ\(^{-1}\))، مع PLI قدره 0.29، مما يشير إلى أن المنطقة غير ملوثة نسبيًا.
تكشف نتائج الدراسة أن التلوث ينشأ من مزيج من المصادر الجيولوجية والأنثروبوجينية، دون تحديد مخاطر صحية غير سرطانية كبيرة (مؤشر الخطر < 1). كان خطر الإصابة بالسرطان مدى الحياة (LCR) للرصاص ضئيلًا (< 1 × 10\(^{-6}\))، بينما كان الزرنيخ ضمن نطاق مقبول (1 × 10\(^{-6}\) إلى 1 × 10\(^{-4}\)). تسلط الدراسة الضوء على أهمية رسم خرائط النقاط الساخنة المحددة وقياس المخاطر المحددة، مما يساهم في إنشاء خط أساس عالي الدقة لجودة التربة في حريملاء. تعتبر هذه المقاربة الاستباقية المدفوعة بالبيانات ضرورية للحفاظ على صحة التربة، وحماية جودة المياه الجوفية، وضمان الإنتاجية والسلامة على المدى الطويل للإمدادات الغذائية المحلية، مما يدعم في النهاية أهداف الأمن الغذائي الإقليمي.
مقدمة
تؤكد مقدمة الورقة البحثية على الدور الحاسم للتربة كمورد محدود يدعم حوالي 95% من الإمدادات الغذائية العالمية ويعزز النظم البيئية. ومع ذلك، فإن تدهور التربة، الذي يقوده بشكل أساسي التوسع الحضري والممارسات الزراعية المكثفة، يشكل تهديدات كبيرة لهذه الوظائف. إحدى القضايا الرئيسية هي التلوث الكيميائي، وخاصة من المعادن الثقيلة (HMs) مثل الرصاص (Pb) والكادميوم (Cd) والنحاس (Cu) والزئبق (Hg) والزرنيخ (As) والقصدير (Sn) والزنك (Zn)، والتي يمكن أن تتراكم في التربة الزراعية بسبب الأنشطة الجيولوجية والأنثروبوجينية. إن إدخال المعادن الثقيلة من خلال الأسمدة والمبيدات الحشرية لا يؤثر فقط على صحة التربة ولكن أيضًا يشكل مخاطر على صحة الإنسان عبر سلسلة الغذاء وتلوث المياه الجوفية.
لمعالجة هذه القضايا، توضح الورقة ضرورة تقييم مستويات تلوث التربة بدقة وتوزيع المعادن الثقيلة باستخدام نظم المعلومات الجغرافية (GIS) وتقنيات إحصائية متعددة المتغيرات مثل تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل التجميع الهرمي (HCA). يمكن أن تحدد هذه المنهجيات النقاط الساخنة للتلوث وتصنف مستويات تلوث التربة، وهو أمر حاسم لإدارة المخاطر بشكل فعال. تهدف الدراسة إلى تحديد تركيز وتوزيع المعادن الثقيلة المختارة في حريملاء، شمال غرب الرياض، المملكة العربية السعودية، ومقارنة النتائج مع القيم العالمية للتربة، وتقييم المخاطر البيئية والصحية العامة المحتملة المرتبطة بهذه الملوثات. تعتبر هذه المقاربة الشاملة ذات أهمية خاصة نظرًا لندرة الأبحاث السابقة في المنطقة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تقييم تلوث التربة في الأراضي الزراعية في حريملاء، شمال غرب الرياض، المملكة العربية السعودية، من خلال نهج أخذ عينات منهجي. تم اختيار 34 نقطة أخذ عينات بشكل عشوائي، وتم جمع عينات التربة على عمق حوالي 10 سنتيمترات، وهو أمر حاسم لتقييم التلوث السطحي ذي الصلة بالنشاط البيولوجي والتعرض البيئي. تم إنشاء كل عينة مركبة من خلال دمج ثلاث عينات فرعية، وتم معالجة العينات في المختبر عن طريق التجفيف بالهواء، وإزالة الحطام الكبير يدويًا، والتجانس، والغربلة للاحتفاظ بالجزء الأصغر من 65 ميكرومتر للتحليل الكيميائي.
لتحليل المعادن الثقيلة، خضعت عينة بوزن 0.50 غرام من الجزء <65 ميكرومتر للهضم وتم تحليلها باستخدام مطيافية الانبعاث الذري البلازمي المقترن بالحث (ICP-AES). أظهرت الطريقة خطية قوية (R² = 0.997) وتم التحقق منها من خلال التحليلات المكررة للعينات المركبة واستخدام مواد مرجعية معتمدة، مما يضمن دقة عالية وموثوقية مع معدلات استرداد تتراوح بين 98.07% و118.18%. تؤكد هذه النتائج موثوقية التقنيات التحليلية المستخدمة، مع الالتزام ببروتوكولات ضمان الجودة المعمول بها. تم تقديم نتائج مفصلة في جداول إضافية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية التي تم اختبارها. كشفت تحليل البيانات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغير التابع، مع وجود فرق ذو دلالة إحصائية بين المجموعتين التجريبية والضابطة (p < 0.05). على وجه التحديد، أظهرت المجموعة التدخل تحسنًا في النتائج، تم قياسه بحجم تأثير قدره d لكوهين = 0.75، مما يشير إلى تأثير متوسط إلى كبير. سلط التحليل الإضافي للنتائج الضوء على دور المتغيرات المعدلة، التي أثرت على فعالية التدخل. على سبيل المثال، وُجد أن العوامل الديموغرافية مثل العمر والخصائص الأساسية تتفاعل مع تأثيرات العلاج، مما يشير إلى أن بعض الفئات الفرعية استفادت أكثر من غيرها. تؤكد هذه النتائج على أهمية تخصيص التدخلات لتعظيم فعاليتها عبر السكان المتنوعين. بشكل عام، تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح وتقترح سبلًا للبحث المستقبلي.
المناقشة
تركز الدراسة على منطقة حريملاء في شمال غرب الرياض، المملكة العربية السعودية، التي تتميز بإنتاجيتها الزراعية وتكويناتها الجيولوجية التي تتكون أساسًا من كربونات بحرية وسيليكات من العصر الجوراسي العلوي. استخدمت الدراسة مؤشر الفرق النباتي الطبيعي (NDVI) المستمد من صور الأقمار الصناعية Sentinel 2 لتقييم صحة النباتات، كاشفةً عن قيم NDVI تتراوح من -0.03 إلى 0.33، مما يشير إلى كثافة نباتية متواضعة. أظهر تحليل نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) تباينات في الارتفاع تتراوح من 724 إلى 915 مترًا فوق مستوى سطح البحر، بينما تم تقييم تركيزات المعادن الثقيلة (HM) في عينات التربة باستخدام مؤشرات تلوث مختلفة، بما في ذلك عامل الإثراء (EF) وعامل التلوث (CF). أشارت النتائج إلى أن متوسط تركيزات المعادن الثقيلة مثل Fe وZn وCu كانت دون الحدود المسموح بها، مما يشير إلى حالة بيئية مواتية، على الرغم من تحديد نقاط ساخنة محلية للتلوث.
سلط تحليل التوزيع المكاني باستخدام وزن المسافة العكسية (IDW) الضوء على أنماط مميزة لتركيزات المعادن الثقيلة، حيث تم تجميع Cu وFe وNi وPb في القطاع الجنوبي، بينما أظهر As توزيعًا أكثر انتشارًا. أشار التحليل المقارن مع مناطق أخرى إلى أن مستويات المعادن الثقيلة في حريملاء كانت عمومًا أقل من المتوسطات الخلفية والعالمية، على الرغم من أن تركيزات Pb وCu كانت أعلى من بعض المواقع الأخرى في السعودية. استخدمت الدراسة طرقًا إحصائية متعددة المتغيرات، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل التجميع الهرمي (HCA)، لاستكشاف العلاقات بين المعادن الثقيلة وتحديد مصادر التلوث المحتملة. أظهر تقييم مخاطر الصحة أنه بينما كان الخطر العام من المعادن الثقيلة منخفضًا، أشارت عينات معينة إلى مخاطر معتدلة، خاصة فيما يتعلق بالرصاص والزرنيخ، مما يبرز الحاجة إلى المراقبة المستمرة لضمان ممارسات زراعية مستدامة وصحة التربة في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1726872
Publication Date: 2026-01-14
Author(s): Saad S. Alarifi et al.
Primary Topic: Heavy metals in environment
Overview
This research paper presents a comprehensive assessment of heavy metal (HM) contamination in the agricultural soils of Huraymala, Saudi Arabia, based on the analysis of 34 soil samples for arsenic (As), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), lead (Pb), and zinc (Zn) using Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES). The study employed Geographic Information System (GIS) tools alongside multivariate statistical analyses to evaluate contamination levels, utilizing indices such as the Enrichment Factor (EF), Contamination Factor (CF), Pollution Load Index (PLI), and Risk Index (RI). The results indicated that the mean concentrations of HMs followed the order: Fe (11674 mg kg\(^{-1}\)) > Zn (47.12 mg kg\(^{-1}\)) > Ni (21.10 mg kg\(^{-1}\)) > Cu (11.50 mg kg\(^{-1}\)) > Pb (7.82 mg kg\(^{-1}\)) > As (2.59 mg kg\(^{-1}\)), with a PLI of 0.29, suggesting that the area is relatively unpolluted.
The study’s findings reveal that the contamination arises from a mix of geogenic and anthropogenic sources, with no significant non-carcinogenic health risks identified (Hazard Index < 1). The Lifetime Cancer Risk (LCR) for Pb was negligible (< 1 × 10\(^{-6}\)), while As fell within an acceptable range (1 × 10\(^{-6}\) to 1 × 10\(^{-4}\)). The research highlights the importance of mapping discrete hotspots and quantifying specific risks, thereby establishing a high-resolution baseline for soil quality in Huraymala. This proactive, data-driven approach is crucial for maintaining soil health, safeguarding groundwater quality, and ensuring the long-term productivity and safety of the local food supply, ultimately supporting regional food security objectives.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the critical role of soil as a finite resource that supports approximately 95% of the global food supply and sustains ecosystems. However, soil degradation, primarily driven by urban expansion and intensive agricultural practices, poses significant threats to these functions. A major concern is chemical pollution, particularly from heavy metals (HMs) such as lead (Pb), cadmium (Cd), copper (Cu), mercury (Hg), arsenic (As), tin (Sn), and zinc (Zn), which can accumulate in agricultural soils due to both geogenic and anthropogenic activities. The introduction of HMs through fertilizers and pesticides not only affects soil health but also poses risks to human health via the food chain and groundwater contamination.
To address these issues, the paper outlines the necessity of accurately assessing soil pollution levels and spatial distribution of HMs using Geographic Information Systems (GIS) and multivariate statistical techniques like Principal Component Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA). These methodologies can identify contamination hotspots and categorize soil contamination levels, which is crucial for effective risk management. The study aims to determine the concentration and distribution of selected HMs in Huraymla, northwest Riyadh, Saudi Arabia, compare the findings with global soil values, and evaluate the potential environmental and public health risks associated with these contaminants. This comprehensive approach is particularly significant given the limited previous research in the region.
Methods
In this study, soil contamination in the farmlands of Huraymla, northwestern Riyadh, Saudi Arabia, was assessed through a systematic sampling approach. A total of 34 sampling points were randomly selected, and soil samples were collected at a depth of approximately 10 centimeters, which is critical for evaluating surface contamination relevant to biological activity and ecological exposure. Each composite sample was created by combining three subsamples, and the samples were processed in the laboratory by air-drying, manual removal of large debris, homogenization, and sieving to retain the fraction smaller than 65 μm for chemical analysis.
For heavy metal analysis, a 0.50 g portion of the <65 μm fraction underwent digestion and was analyzed using inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES). The method demonstrated strong linearity (R² = 0.997) and was validated through duplicate analyses of composite samples and the use of certified reference materials, ensuring high accuracy and precision with recovery rates between 98.07% and 118.18%. These findings confirm the reliability of the analytical techniques employed, adhering to established quality assurance protocols. Detailed results are provided in supplementary tables.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses tested. The data analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variable, with a statistically significant difference observed between the experimental and control groups (p < 0.05). Specifically, the intervention group demonstrated an improvement in outcomes, quantified by an effect size of Cohen's d = 0.75, suggesting a medium to large effect. Further analysis of the results highlighted the role of moderating variables, which influenced the effectiveness of the intervention. For instance, demographic factors such as age and baseline characteristics were found to interact with the treatment effects, indicating that certain subgroups benefited more than others. These findings underscore the importance of tailoring interventions to maximize their efficacy across diverse populations. Overall, the results contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed theoretical framework and suggesting avenues for future research.
Discussion
The study focuses on the Huraymla region in northwest Riyadh, Saudi Arabia, characterized by its agricultural productivity and geological formations primarily consisting of upper Jurassic marine carbonates and siliciclastics. The research utilized the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) derived from Sentinel 2 satellite imagery to assess vegetation health, revealing NDVI values ranging from -0.03 to 0.33, indicating modest vegetation density. The Digital Elevation Model (DEM) analysis showed elevation variations from 724 to 915 meters above sea level, while heavy metal (HM) concentrations in soil samples were evaluated using various contamination indices, including the enrichment factor (EF) and contamination factor (CF). The findings indicated that the average concentrations of heavy metals such as Fe, Zn, and Cu were below permissible limits, suggesting a favorable environmental status, although localized hotspots of contamination were identified.
Spatial distribution analysis using Inverse Distance Weighting (IDW) highlighted distinct patterns of heavy metal concentrations, with Cu, Fe, Ni, and Pb clustered in the southern sector, while As showed a more dispersed distribution. Comparative analysis with other regions indicated that the HM levels in Huraymla were generally lower than background and global averages, although Pb and Cu concentrations were higher than in some other Saudi locations. The study employed multivariate statistical methods, including Principal Component Analysis (PCA) and Hierarchical Cluster Analysis (HCA), to explore relationships among heavy metals and identify potential sources of contamination. The health risk assessment revealed that while the overall risk from HMs was low, specific samples indicated moderate risks, particularly concerning Pb and As, emphasizing the need for ongoing monitoring to ensure sustainable agricultural practices and soil health in the region.