devenir des polluants métalliques dans les sols
TRANSCRIPT
0 100 200 300 400 500 600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e
Devenir des polluants métalliques dans les sols
Folkert van Oort
Physicochimie et écotoxicologie
des sols d’agrosystèmes contaminés - Pessac
INRA, Centre de Versailles-Grignon
RD -10, 78026 Versailles Cedex
1. les sols
2. les métaux dans les sols
3. devenir des métaux en fonction de l’usage des sols
4. observation de profils de sol
polluants métalliques dans les sols
0 100 200 300 400 500 600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e
1. les sols
0 100 200 300 400 500 600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e
définitions
"Produit de l’altération, du remaniement et de
l’organisation des couches supérieures de la croûte
terrestre sous l’action de la vie, de l’atmosphère et
des échanges d’énergie qui s’y manifestent" (Aubert & Boulaine)
"La couche supérieure de la croûte terrestre qui sert
d'encrage aux systèmes racinaires des végétaux"
facteurs de formation
1. Matériaux parental roche dure, formations meubles
schiste, granite, calcaire, basalte, sable quartzeux, limon éolien, alluvions argileuses
2. Climat pluviométrie, température
3. Biologie végétation (enracinement, qualité MO), macro-, microfaune et flore
4. Topographie érosion, écoulement de l’eau, exposition
5. Drainage transfert(s) de matières, conditions redox (fer, manganèse)
6. Temps durée d’altération, événements géologiques, équilibres chimiques
7. L’HOMME déboisement, agriculture (amendements, érosions, battance)
travaux d’assainissement, POLLUTIONS
…une histoire de couches… (horizons)
Systèmes anciens : succession A, B, C, D
Nouveau système (RPF, 2006)
O : horizon de litière, accumulation de débris végétaux
A (ou L) : horizon organominéral de surface (de labour)
E : horizon appauvri (éluvial)
S : horizon structural (altération, structure, coloration, sans
enrichissement de matière, argile, fer, MO)
BT : horizon enrichi (illuvial) en argile, structure prismatique
C : horizon différent de la roche mère, affecté par la pédogenèse
M ou D : matériaux parental, Meuble (sable) ou Dur (roche)
+ nombreux suffixes pour indiquer des particularités ca, h, g…
constitution et texture
Eléments grossiers Terre fine
cailloux graviers sables limons argiles
grossiers fins grossiers fins
> 20 mm
2 - 20 mm
200 – 2000 µm
50 - 200 µm
20 – 50 µm
2 – 20 µm
< 2 µm
Ex. sol de limon (Versailles)
Argile : 19%
Limon : 59%
Sables : 22%
constituants, organisation et structure
matières organiques du sol
(débris végétaux, MO humifiée)
Squelette : quartz, feldspath, mica, carbonates
Plasma : argiles (smectite, kaolinite), oxydes (Fe,Mn..)
agrégats & structures organo-minéraux
200 µm
0.5 mm
quartz
quartz
argile
oxydes Fe
• alimentation en eau et en nutriments pour les
plantes (C, N, P, K, Ca, Mg, Fe….Cu, Zn)
• encrage racinaire
• transformation des MO, stockage (100 millions de bactéries /g de sol)
• biodiversité champignons (70 000 connues /1,5 million)
vers de terre, action de mélange
fonctions du sol
processus & types de sols
Décarbonation dissolution de CaCO3, libération et accumulation
Calcosols, Calcisols d’impuretés minérales (argiles, oxydes)
Altération physique et chimique fissuration, microdivision, dissolution-
Andosols, Brunisols reprécipiation, néogenèse
Lessivage transfert de particules fines (argiles, oxydes de
Luvisols Fe) de la surface vers la profondeur
Gley/pseudogley excès d’eau périodique ou permanent (réduction
Reductisols/Redoxisols /oxydation du fer), présence de taches
Podzolisation complexation, migration et précipitation de Fe,
Podzosols Al (métaux) par des composés organiques en
condition acide
profiles de sol, ‘simples’…
LUVISOL sur lœss
sols fertiles, plateaux
CALCOSOL sur calcaire
sols caillouteux, versants
PODZOSOL sur sables (quartz)
sols acides sous forêt
… ou ‘complexe’
Lagoa do Caiado
Pico, Açores (+ 740m)
ANDOSOL sur dépôts pyroclastiques
climat perhumide, constituants amorphes,
cap. rétention d’eau : 550%, Da : 0,2
7Bw1
7 Bw2
6 C 6 Bw
4Bw
Ah1
2Bw
4 C
5 Bw
2C
3 C 3Bw
8 C
C
5 C
7 C
2. les métaux dans les sols
0 100 200 300 400 500 600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e
origines
Liées aux phénomènes naturels
1. fond pédogéochimique
2. cycle biogéochimique
3. transferts verticaux
4. transferts latéraux
6. poussières d’aérosols
d’origine lointaine
Liées aux activités anthropiques
5. apports agricoles
6. pollutions diffuses par déposition
atmosphérique
7. pollutions concentrées locales
8. érosion, ruissellement en
surface
9. exportations par les récoltes
D. Baize, 1997, Ed. Inra
notions ‘danger’ et ‘risques’
Sol agricoles pollués / métaux Risques pour l'environnement
risques liés à la biodisponibilité
risques liés à la mobilité des métaux (migration dans profil)
risques liés à la toxicité des métaux
Pratiques agricoles
Retombées atmosphériques
Incorporation dans le sol (redistributions, liaisons chimiques)
Teneur totale dans le sol danger
Structuration interne, modes d’organisation …
un réacteur bio-géochimique
Solution
du sol
biodisponibilité Adsorption désorption
Biodégradation ?
Lixiviation
lessivage
complexation
L
C
BT
E
associations privilégiées entre métaux, constituants & êtres vivants des sols
distributions localisées des métaux dans les sols
risques = f(nature des sols, des constituants, gestion des sols)
diversité de la nature de liaisons chimiques avec les constituants (spéciation)
pollutions anthropiques : hétérogénéité +/- organisée
distribution spatiale des teneurs en Zn & Pb issus de retombées atmosphériques industrie de métallurgie de métaux non-ferreux (Mortagne-du-Nord)
Zn : élément mobile Pb : élément peu- ou non-mobile
forêt Teneur en Zn Teneur en Pb
Inra, Orléans Inra, Orléans
métaux/sol : associations privilégiées, en surface…
Microscopie optique
d’une coupe de sol
(lame mince)
Cartographie des éléments
Zinc Cuivre van Oort et al., EJSS2008
méthodes non destructrices de localisation des métaux
Microfluorescence-X
sous rayonnement
synchrotron
quartz
quartz
débris
végétal
oxyde
de fer
plasma
(C. argilo-humique)
charbon échelle en µm
concentrations localisées, fortes / diffuses, moyennes représentativité?
…comme en profondeur!
800 700 600 500 400 300 200 100 00
50
100
150
200
250
300
350
van Oort et al., Pessac, 2011
calcaire
mise en évidence de la mobilité des métaux
hypothèses sur les mécanismes de transfert
Horizon Bt/Cca
80 – 100 cm!
Fe Mn
Zn Pb Cu
500 µm
L
E
Si K Fe Ni Ca Zn Pb Cu
d’un horizon à l’autre…
van Oort et al., EJSS, 2008
limite d’horizon : barrière physico-chimique
3. Rôle de l’occupation des sols
sur le devenir des métaux
0 100 200 300 400 500 600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e
Pédogenèse
- constituants minéraux &
organiques
- organisations (agrégation,
structures)
- propriétés physiques & chimiques
sol réacteur
cycle
biogéochimique
des éléments
« Spéciation »
- distribution
- localisation
- (re)mobilisation
devenir des métaux dans les sols agricoles
Usage des sols
- gestion des intrants
- pratiques agricoles
phenoform
Pollution
- nature des intrants minéraux & organique
- voies de dissémination
Exemple: la pollution atmosphérique générée par l’industrie métallurgique
distributions de Zn et Pb dans les sols
rôle de la nature et de l’usage des sols sur
l’incorporation des métaux
Site de la CRAM (Mortagne-du-Nord (1957)
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300
Teneur en métal (mg/kg)
prof
ondeur
(cm
)
L
S1
S2
0
20
40
60
80
100
0 200 400 Teneur en métal (mg/kg)
prof
ondeur
(cm
)
O
A
E
O
A
E
BPh
BPs
Culture annuelle
Brunisol/Luvisol pH 6.5
Forêt acide
Podzosol pH 3.5-4.5
Prairie permanente
Brunisol pH 6
A11 A12 A13
A/S
S/C
C
L
0
20
40
60
80
100
0 50 100
Teneur en métal (mg/kg)
prof
ondeur
(cm
)
rôle de la nature et de l’usage des sols sur
l’incorporation des métaux
distributions distinctes du Zn et Pb;
C C
3200 m 4000 m
phenoforms genoform
Zn
Pb
Travail du sol, fertilisations & amendements
• homogénéisation des premiers 25cm par le labour,
• apport d'éléments chimiques (carbonates, phosphates..),
limitant la mobilité vers la profondeur,
• sols faiblement acides
sous culture annuelle
rétention de Zn & Pb dans l'horizon de labour (L), migration partielle de Zn++
dans la solution du sol, interception par argile/oxydes Fe en profondeur (S2)
0
25
50
75
100
0 25 50 75 100 125
Zn
Pb
teneur en métaux (mg/kg)
pro
fondeu
r (c
m)
L
S1
S2
C
sous prairie permanente
Non-labour depuis 1900, végétation herbacée
• intense activité de vers de terre (400 ind/m²),
• incorporation sur une grande profondeur de la
matière organique, agrégation organominérale,
• sols faiblement acides,
distribution parallèle des profils de teneurs en Pb et Zn, rôle de l’activité
biologique dans l’incorporation des polluants en profondeur
teneur en métaux
(mg/kg)
0
25
50
75
100
0 25 50 75 100
Zn
Pb
pro
fondeu
r (c
m)
A
AS
AC
C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Cum
ula
ted m
eta
l sto
ck /g m
-3
CA
PP
Zn Pb
stocks de métaux
culture annuelle / prairie permanente
répartition des polluants Zn & Pb
Stocks identiques, mais répartition (et disponibilité!) différentes selon l’usage
En surface (0-26 cm)
Culture annuelle Prairie permanente
Zn Pb Zn Pb
60% 92% 40% 80%
sous forêt (sols acides)
Forêt de Hêtre et de Pins, exploitation sylvicole,
• interception accrue de poussières par le canopée ( Pb!)
• sols très sableux, très acides,
• faible activité de la faune, décomposition partielle des M.O.,
• accumulation de débris végétaux (litière),
• complexation et migration de colloïdes organo-métalliques,
En surface, Pb > Zn (!), lixiviation de Zn hors du sol (environ 80%), migration
du Pb (colloïdes MO-Pb)
-5
20
45
70
95
120
145
0 100 200 300
Zn
Pb
teneur en métaux (mg/kg)
pro
fondeu
r (c
m)
O
A E
C
Bh Bs
BC
20
40
80
100
60
0
rôle de la nature et de l’usage des sols sur
l’incorporation des métaux : le bilan
Permanent pasture
(PP)
Conventional arable land
(CA)
Acid forest stand
(podsol)
depth Zn Pb depth Zn Pb dept
h
Zn Pb
/cm /g m-² /cm /g m-² /cm /g m-²
O 7- 0 0.9 1.2
A11 0-6 5.1 3.2 Ap 0-26 40.2 21.3 A 0-18 12.0 29.1
A12 6-26 23.6 16.3 (B)1 26-44 18.8 3.2 E 18-29 1.3 1.2
A(B) 26-53 23.8 7.2 (B)2 44-72 16.3 3.2 Bh 29-34 1.0 1.1
AC(g) 53-76 19.9 2.9 Cg1 72-87 6.6 2.3 Bs 34-48 3.0 1.6
Cg2 76-100 17.8 1.8 Cg2 87-100 9.3 1,8 BC 48-70 4.4 1.7
C 70-100 7.4 2.3
Total Stock (g m-3) 90.2 31.4 91.2 31.8 30.0 38.2
Et alors???
- raisonnement sur le devenir des pollutions,
- compréhension des processus en jeux,
- aide à la gestion des sols pollués
Cartes de la pollution en Zn et Pb, environs Mortagne-du-Nord
Zn Pb
Inra, Orléans Inra, Orléans
avec vos connaissances nouvelles
sur le devenir de Zn et Pb dans les sols???
Zn/Pb
Inra, Orléans
forêt acide
forêt acide
sols agricoles
acide
le rapport Zn/Pb, un indicateur du devenir des polluants métalliques dans les sols
4. Séance d’observation de
profils de sol (genoforms & phenoforms)
0 100 200 300 400 500 600
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X Axis Title
Y A
xis
Titl
e