Devenir du Zn, Pb et Cd issus de retombées atmosphériques dans les sols, à différentes échelles d'étude. -Influence de l'usage des sols sur la distribution et la mobilité des métaux-.

Accueil || Parcours || Recherche || S'enregistrer || Mon Compte || Contacts || Aide || Langues

Fernandez-cornudet, Christelle (2006) Devenir du Zn, Pb et Cd issus de retombées atmosphériques dans les sols, à différentes échelles d'étude. -Influence de l'usage des sols sur la distribution et la mobilité des métaux-. Doctorat Environnement et gastronomie, Unité de sciences du sol de Versailles, INAPG 2006INAP0012.

Plein texte disponible en tant que : - thèsedef.pdf ( 4859 Kb )

Licence: Copyright

Résumé

Dans les études sur le devenir et les impacts de pollutions métalliques dans les sols l'influence de leur usage est encore mal connue. Cette influence a été examinée ici à travers une étude détaillée de comportements de trois métaux polluants, présentant des mobilités différentes: Zn, Cd, et Pb. Cette étude a été menée à la fois dans des horizons de surface d'une petite région affectée par des retombées de poussières métallifères émises par l'industrie métallurgique, ainsi que dans un site comportant deux sols agricoles gérés de manière contrastée. Il s'agit d'un sol sous prairie permanente (PP) et un sol cultivé (CA), situés à une même distance de la source d'émission et développés dans des conditions pédogenétiques semblables. L'objectif principal de ce travail était de quantifier les parts endogènes et exogènes des ETM dans les sols, leurs distributions dans les horizons et dans les compartiments pédologiques (microstructures, agrégats, constituants) et d'identifier les principaux vecteurs d'incorporation. Cette étude a fait appel à des analyses de teneurs totales en éléments (C. organique, Fe, Zn, Pb, Cd,) des études macro- et micromorphologiques, des extractions cinétiques à l'EDTA et des études de la composition isotopique. Un deuxième objectif était de hiérarchiser le rôle des paramètres révélateurs de l'usage des sols sur la distribution et la mobilité des ETM.
Ce travail montre que, 40 ans après l'arrêt de l'activité industrielle, la distribution actuelle des teneurs en métaux dans les horizons de surface ne reflète pas celle de retombées atmosphériques attendus selon un modèle simple de distribution en fonction de la distance à la source et des vents dominants. Les teneurs en Zn, Pb et Cd dans les premier 30 cm des sols varient selon l'usage des sols et notamment en fonction du pH, du potentiel redox, de la texture ou encore de l'activité biologique. Ainsi, les horizons de surface de sols acides en forêt auraient perdu plus de 80% du Zn retombé, contre environ 60% de l'horizon A d'un sol sous prairie permanente, suite à la bioturbation lombricienne, et "seulement " 40% pour l'horizon L d'un sol cultivé. Une typologie de secteurs de la zone impactée, pertinente par rapport à la migration de polluants a été proposée à partir de cartographies des rapports Zn/Pb et Cd/Pb.
A l'échelle du solum et des horizons, un siècle de pratiques agricoles distinctes a conduit à des phénoformes différents. En particulier, l'activité biologique différente dans les sols PP et CA a modifié le cycle bio-géochimique des métaux et induit des différences dans leurs distributions et mobilité. Les 2 sols présentent en effet des profils de teneurs totales en Zn, Pb et Cd contrastés, avec une rétention de la majeure partie des métaux exogènes dans l'horizon labouré en CA (entre 53% pour Zn et 92% pour Pb et Cd) et une incorporation nettement plus importante dans PP (40% du Zn seulement, 73% du Cd et 82% du Pb exogène sont aujourd'hui présent dans les 26 premiers cm). L'incorporation est significative jusqu'à 80 cm de profondeur sous prairie. A l'échelle des agrégats, l'activité biologique en PP conduit à l'occurrence de trois types de fractions impliquées dans la dynamique des métaux (agrégats de 50-100 μm, 2-20μm, et fraction <2μm), alors que pour CA, seules les fractions 2-20μm et <2μm semblent prioritairement impliquées dans leur rétention et extractabilité.
L'analyse de la composition isotopique du Pb sur des échantillons de sol et des extraits EDTA, est un outil performant pour détailler la nature et l'incorporation du Pb exogène. Par cette technique analytique le Plomb exogène sous prairie se retrouve jusqu'à la base du profil et jusqu'à 60cm de profondeur dans le sol sous culture. Cette approche a permis de valider l'ensemble des résultats obtenus à partir des teneurs totales en métaux. Elle souligne la nécessité d'une prise en compte des paramètres pédologiques afin de garantir la représentativité des échantillons étudiés et autoriser une évaluation plus pertinente des risques environnementaux qu'à partir des seules teneurs totales en métaux.

Table des Matières

Sommaire
LISTE DES FIGURES - i
LISTE DES TABLEAUX - V
INTRODUCTION - 1
CHAPITRE 1:
SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE - 7
1. Le sol - 7
2. La contamination en éléments traces métalliques des sols - 9
2.1. Origine des ETM dans le sol - 9
2.2. Contamination et pollution des sols - 11
2.3. Distributions dans l'espace des polluants - 11
2.4. Distribution verticale des ETM à l'échelle du solum - 12
2.5. Distribution des ETM à l'échelle des constituants et leurs microstructures - 13
Les phyllosilicates - 13
Les oxy-hydroxydes de fer et manganèse - 13
Les carbonates et les phosphates - 13
Les matières organiques - 13
3. Principaux métaux étudiés - 16
3.1. Le Plomb - 16
3.2. Le Zinc - 17
3.3. Le cadmium - 18
CHAPITRE 2:
DÉMARCHES, OUTILS ET TECHNIQUES & SITE D'ÉTUDE - 21
1. Démarches - 21
1.1. Évaluation du devenir des ETM dans les sols par l'étude de la distribution de leurs teneurs totales en métaux à différentes échelles - 21
Distribution des éléments traces métalliques à l'échelle de la zone agricole - 21
Distribution des éléments traces métalliques à l'échelle des solums - 22
Distribution des éléments traces métalliques à l'échelle des fractions granulométriques des horizons - 22
Approche de la mobilité par des extractions chimiques - 23
1.2. Choix des polluants métalliques - 23
1.3. Choix des deux solums étudiés - 23
2. outils et techniques - 25
2.1. Distribution des polluants à l'échelle du périmètre agricole - 25
Le choix de la distribution des points de prélèvement dans l'ensemble de la zone agricole - 25
Mode de prélèvement et données acquises - 25
Traitement spatial de la pollution en métaux - 26
2.2. Distribution verticale des polluants et fonctionnement des sols à l'échelle du solum - 27
Évaluation de la distribution verticale du Zn et du Pb - 27
Caractérisation du fonctionnement du sol - 28
2.3. Approche de la spéciation des métaux dans les compartiments fonctionnels du sol - 28 i
Détermination des compartiments fonctionnels - 28
Détermination de la nature des compartiments fonctionnels dégagés et détermination du vecteur de transport des ETM dans les différents systèmes - 29
2.4. Différentes approches de la mobilité et évaluation des proportions endogènes et exogènes des ETM - 30
Utilisation du rapport Zn/Pb pour une vision dynamique de la mobilité des ETM à l'échelle d'un périmètre agricole - 30
Quantification des parts endogènes et exogènes des ETM et dynamique d'incorporation au sein d'un solum par l'approche typologique - 30
Cinétique d'extraction à l'EDTA: approche de la mobilité des polluants à l'échelle des horizons de sols - 31
Vérification de l'ensemble des conclusions par le biais de l'outil isotopique appliqué au plomb - 31
3. Description du site de Mortagne du Nord - 32
3.1. Localisation du site - 32
3.2. Historique de site - 33
3.3. Présentation des unités du périmètre d'étude - 34
3.4. Voies de communication - 35
3.5. Contexte pédologique - 36
CHAPITRE 3:
CONCENTRATIONS AND RATIOS OF ZN AND PB FOR ASSESSING THE FATE OF AIRBORNE METAL POLLUTION IN SOILS AS RELATED TO THEIR LAND MANAGEMENT - 39
1. Introduction - 39
2. Materials and Methods - 41
2.1. Historic - 41
2.2. Soils - 42
2.3. Sampling strategy - 43
2.4. Chemical analyses - 44
2.5. Geostatistical mapping procedure - 44
Multi-Gaussian Kriging (MGK) - 44
Factorial discriminant analysis (FDA) - 45
3. Results - 46
3.1. Mapping of Zn and Pb concentrations by MGK - 46
3.2. Spatial distribution maps of Zn and Pb concentrations in topsoils - 47
Zn concentration map - 49
Pb concentration map - 49
Zn/Pb concentration map - 49
Relating metal fate and land use by FDA - 50
4. Discussion - 51
4.1. Spatial distribution patterns of Zn and Pb concentrations in top soils - 51
4.2. Fate of Zn and Pb pollutants in relation to land use - 52
Well-drained forest soils - 52
Well-drained soils under arable land - 52
Moderately-and poorly drained soils under agriculture, poplar stand or humid forest - 53
5. Conclusion - 54
6. Références bibliographiques - 56
ii
CHAPITRE 4:
FATE OF AIRBORNE METAL POLLUTION IN SOILS AS RELATED TO AGRICULTURAL MANAGEMENT. 1. ZN & PB DISTRIBUTIONS IN SOIL PROFILES - 63
1. Summary - 63
2. Introduction - 63
3. Materials and methods - 65
3.1. Site conditions and selection of soils - 65
3.2. Soil sampling and analyses - 68
4. Results and Discussion - 69
4.1. Major morphological and chemical soil characteristics - 69
Macromorphology and physicochemical data - 69
Micromorphology - 72
4.2. Distribution of metal elements in soils - 74
Profiles of Zn and Pb concentrations - 74
Assessing incorporation of Zn and Pb with soil depth - 76
Metal stocks - 77
4.3. Mechanisms of metal mobility and quantification of metal pollution - 78
Premise and estimation of local geochemical background values - 78
Zn - Fe and Pb - Fe relationships in CA and PP - 79
Distribution of metal pollutants with depth - 81
5. Conclusions - 83
6. References - 85
CHAPITRE 5:
FATE OF AIRBORNE METAL POLLUTION IN SOILS AS RELATED TO AGRICULTURAL MANAGEMENT. 2. DISTRIBUTION AND MOBILITY OF ZN & PB IN SIZE FRACTIONS - 89
1. Summary - 89
2. Introduction - 89
3. Materials and methods - 92
3.1. Site - 92
3.2. Major soil characteristics - 93
3.3. Soil sampling and main physico-chemical analysis - 96
3.4. Physical fractionation - 96
3.5. Kinetic extraction of Zn and Pb with EDTA - 97
4. Results and discussion - 98
4.1. Distributions of Zn and Pb concentrations in horizons of PP and CA - 98
4.2. Physical fractionation and distribution of Zn and Pb - 100
Particle size fractionation - 100
Total Zn and Pb concentrations and stocks in size fractions - 101
4.3. EDTA extractability of Zn and Pb - 105
4.4. Soil aggregation and metal mobility - 108
5. Conclusions - 111
6. References - 113
iii
CHAPITRE 6:
LEAD MOBILITY IN SOILS UNDER PERMANENT GRASSLAND AND ARABLE LAND ESTIMATED BY LEAD ISOTOPIC COMPOSITIONS - 117
1. Introduction - 117
2. Material and method - 119
2.1. Study site - 119
Soil selection - 119
Soil characteristics - 119
2.2. Soil Sampling - 121
2.3. Analysis - 121
Total element concentration - 121
EDTA extractions - 121
Isotopic measurements - 122
3. Results - 122
3.1. Physico-chemical data in the PP and CA soils - 122
3.2. Geochemical element and isotopic profiles - 123
4. Discussion - 126
4.1. Data preparation and anthropogenic pool calculation - 126
4.2. Origin of the anthropogenic lead pool - 128
4.3. Migration and origin of lead related to land use - 129
5. Conclusion - 133
6. References - 134
CHAPITRE 7:
DEVENIR DU CADMIUM ISSU DE RETOMBÉES ATMOSPHÉRIQUES DANS LES SOLS - 139
1. Introduction - 139
2. Distribution de Cd à l'échelle du périmètre agricole - 140
3. Distribution du Cadmium à l'échelle du solum - 143
3.1. Distribution du Cd dans les sols - 143
3.2. Quantification de l'incorporation d'une pollution - 145
Distribution - 145
Quantification de Cd exogène - 147
4. Distribution du cadmium à l'échelle des compartiments fonctionnels du sol - 148
4.1. Localisation et distribution du Cd - 149
4.2. Approche du risque - 151
5. Influence du mode d'occupation sur la distribution du Cd - 151
5.1. Distribution du Cd à l'échelle du périmètre agricole - 151
5.2. Distribution à l'échelle du solum de sol - 152
5.3. Distribution du Cd à l'échelle des agrégats de sol - 153
6. Conclusion - 154
CHAPITRE 8:
CONCLUSIONS - 155
PERSPECTIVES - 162
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 163

Statistiques de consultation

Administrateurs de l'archive uniquement : éditer cet enregistrement