BACKGROUND CONCENTRATIONS OF TRACE ELEMENTS IN SURFICIAL SOILS OF ARCTIC CANADA

Abstract

Environmental soil quality guidelines represent acceptable numerical threshold values for trace metal concentrations that safeguard human and ecological health. These guidelines take into account background soil concentrations to avoid the remediation of areas erroneously identified as contaminated based on a simple guideline comparison. The majority of the background concentration data used to derive the Canadian Soil Quality Guidelines (CSQGs) was collected from soil surveys performed in southern provinces. However, as Canada is a vast country with many unique geological regions, the application of a single guideline value to the entire country is not realistic. If background concentrations are above guidelines, provisional guidelines in the form of Background Threshold Values (BTVs) should be established based on the background soil concentrations at the site (CCME, 2006). With limited background concentration data in Arctic Canada, Environmental Site Assessors are required to determine BTVs at many northern sites at significant cost. Several approaches to determining local background concentrations by performing high resolution background sampling programs have been proposed, but they vary greatly and guidance on best practices does not exist. As part of the environmental site assessment of over 61 federal contaminated sites across Arctic Canada, over 2100 background soil samples were collected by the Environmental Sciences Group at the Royal Military College of Canada (ESG-RMC) between 1989 and 2016. Background soil data was manually compiled and analyzed to understand the natural variability across the continent. Trace element concentrations were found to be highly variable across Arctic Canada, with many of the sites having measured background concentrations above the CSQGs. This study provides the first longitudinal reference data set for background concentrations of trace elements (As, Cd, Co, Cu, Cr, Pb, Ni, Zn) in Arctic Canada along the 69th parallel North. The extensive data set generated in this study was compared to those generated in other areas of the world, highlighting the need for high resolution background sampling programs across other continents. Additionally, background soil data from three case studies in Northern Canada was used to develop recommendations for performing high resolution background sampling programs in Arctic and remote sites in Canada. Recommendations were based on the influence of sampling strategy, sample size, and identification of outliers were evaluated during the calculation of BTVs. These recommendations include; collecting between 10-25 samples/km2 from a minimum of 40 discrete sample locations, and the use of the interquartile rule to remove outliers. Additionally, each BTV calculation method was ranked by conservativeness and accuracy to guide decisions during data analysis and site management.

Les recommandations environnementales sur la qualité des sols proposent les valeurs seuils numériques acceptables des concentrations de métaux traces qui protègent l’environnement et la santé humaine. Ces recommandations sont calculées d’après les concentrations de fond pour éviter que des zones ne soient déclarées contaminées et assainies à tort par suite d’une simple comparaison avec les recommandations. La majorité des données sur les concentrations de fond utilisées pour calculer les Recommandations canadiennes pour la qualité de l’environnement (RCQE) ont été recueillies lors de prospections pédologiques réalisées dans les provinces du Sud. Toutefois, dans un pays de l’immensité du Canada où l’on trouve de nombreuses régions géologiques uniques en leur genre, l’application d’une seule recommandation à tout le pays n’est pas réaliste. Dans les cas où les concentrations de fond sont supérieures aux recommandations, il faudrait des recommandations provisoires sous la forme de valeurs seuils des concentrations de fond (VSCF) calculées à partir des concentrations de fond spécifiques au terrain étudié (CCME, 2006). Le manque de données sur les concentrations de fond dans l’Arctique canadien fait que, bien souvent, les évaluateurs environnementaux de sites qui doivent déterminer les valeurs seuils des concentrations de fond dans des régions nordiques le font à grands frais. Plusieurs méthodes ont été proposées pour évaluer les concentrations de fond locales au moyen de programmes d’échantillonnage de concentrations de fond à haute résolution, mais elles sont très variables et il n’existe pas de pratiques exemplaires. Dans le cadre d’une évaluation environnementale de plus de 61 lieux contaminés fédéraux répartis dans l’ensemble de l’Arctique canadien, le Groupe des sciences de l’environnement du Collège militaire royal du Canada a recueilli plus de 2 100 échantillons de concentrations de fond entre 1989 et 2016. Les données sur les concentrations de fond dans le sol ont été compilées et analysées manuellement afin de permettre une meilleure compréhension de la variabilité naturelle d’un bout à l’autre du continent. Il est ressorti de cette étude que les concentrations d’éléments traces varient énormément d’une région de l’Arctique canadien à l’autre, bon nombre des lieux analysés présentant des concentrations de fond supérieures aux RCQE. La présente étude fournit le premier ensemble de données longitudinales de référence sur les concentrations de fond d’éléments traces (As, Cd, Co, Cu, Cr, Pb, Ni, Zn) dans l’Arctique canadien le long du 69e parallèle nord. Une comparaison du riche ensemble de données qui a résulté de l’étude et des ensembles de données recueillis dans d’autres régions du monde a mis en évidence la nécessité d’établir des programmes d’échantillonnage des concentrations de fond à haute résolution dans les autres continents. En outre, nous nous sommes servis des données sur les concentrations de fond de trois études de cas menées dans le Nord canadien pour calculer des recommandations en vue de l’exécution de programmes d’échantillonnage de concentrations de fond à haute résolution dans des lieux éloignés et arctiques du Canada. Les recommandations tenaient compte de l’influence de la stratégie d’échantillonnage, de la taille des échantillons et du repérage des cas déviants dans l’élaboration des VSCF. Ces recommandations comprennent : la collecte de 10 à 25 échantillons par kilomètre carré d’au moins 40 lieux d’échantillonnage distincts et l’utilisation de la règle d’intervalle interquartile pour éliminer les cas déviants. En outre, chaque méthode de calcul des VSCF a été classée en fonction de la prudence et de l’exactitude de son approche dans l’orientation des décisions pendant l’analyse des données et la gestion des lieux. La limite supérieure de l’intervalle de confiance à 95 % s’est révélée être la VSCF la plus prudente tandis que la limite extrême de déviance a correspondu à la valeur la moins prudente.