Simulations simultanées de l'absorption dans les plantes et de la lixiviation dans les eaux souterraines de cadmium et de plomb pour les terres arables amendées avec du compost ou du fumier de ferme

Les déchets organiques recyclés en agriculture peuvent contenir divers métaux et micropolluants organiques pouvant être nocifs pour les écosystèmes. Cependant, l’absorption de métaux par les plantes est difficile à évaluer car elle est couplée à d’autres processus [1] tels que le bilan hydrique [2] et la lixiviation. Dans cette étude, l’équilibre en eau du sol, l'absorption dans les plantes et la lixiviation de cadmium (Cd) et de plomb (Pb) dans les eaux souterraines ont été simulés simultanément à l'aide d'un modèle d'absorption physiologique des plantes et d'un modèle de transport de l'eau et des solutés.

Résultats majeurs

L'amendement des sols avec du compost ou des boues d'épuration est bénéfique pour la fertilité du sol en raison de la teneur élevée en matière organique et des effets positifs sur la libération d'éléments nutritifs. Par ailleurs, les amendements peuvent contenir divers métaux et micropolluants organiques susceptibles d’entraîner des effets néfastes potentiels sur les écosystèmes terrestres et la santé humaine. Il est donc important d’évaluer l’absorption de métaux des plantes après amendement de produits résiduaires organiques (PRO).

De nombreux facteurs influent sur l'absorption de métaux lourds par la végétation, notamment leur solubilité dans l'eau. En effet, les espèces métalliques dissoutes sont transportées avec l’eau dans les plantes. Les plantes modifient également le bilan hydrique du sol: environ 2/3 de l'eau précipitée est transpirée dans la plupart des écosystèmes [3]. En été, l'évapotranspiration est généralement plus élevée que les précipitations et le sol s'assèche. De ce fait, le lessivage de l’eau et des solutés dans les eaux souterraines est également réduit ou stoppé. D'autre part, l'absorption d'eau et de soluté dans la végétation dépend également de la distribution et de la disponibilité des deux dans le sol. En conséquence, l’équilibre en eau, le transport des solutés, la lixiviation vers les eaux souterraines et l’absorption par les plantes de soluté et d’eau sont des processus couplés.

L’objectif de ce travail est de présenter et de tester un modèle pour la simulation du transport couplé de l’eau et des métaux lourds dissous, de leur absorption dans les cultures et de la lixiviation de l’eau et des solutés dans les eaux souterraines (figure 1).

Figure 1:

Figure 1 : Processus et compartiments du modèle couplé de transport de solutés, bilan hydrique et absorption par les plantes. W: teneur en eau, GW: eau souterraine, CGW: concentration en eau souterraine, CW: concentration en eau interstitielle du sol.

Les simulations réalisées ont été comparées aux résultats d'une étude expérimentale de dix ans sur le terrain, dans laquelle quatre amendements organiques ont été appliqués tous les deux ans (figure 2). Les concentrations prévues ont légèrement diminué (Cd) ou stagné (Pb) dans les sols témoins, mais ont augmenté dans les sols modifiés d'environ 10% (Cd) et de 6% à 18% (Pb). L'absorption estimée par les plantes était inférieure dans les parcelles modifiées, en raison d'une augmentation de Kd (coefficient de partage sol sec-eau). Les concentrations prévues dans les plantes étaient proches des concentrations mesurées dans les résidus de plantes (paille), mais supérieures aux concentrations mesurées dans les céréales. Initialement, on prévoyait que le plomb se déposerait dans les plantes (82% en 1998); les années suivantes, l'absorption par le sol est devenue dominante (30% de l'air en 2006), en raison de la baisse des niveaux dans l'air. Pour le cadmium, l'absorption prévue par l'air dans les plantes était négligeable (1 à 5%).

Figure 2:Aperçu du terrain et étude de simulation. Pour le blé et l'orge, le point de départ de la croissance a lieu après l'ensemencement.

En conclusion, la comparaison entre les concentrations simulées et mesurées dans les sols et les plantes a montré un bon accord général, mais également certains écarts. L'absorption dans les plantes en utilisant le flux d'eau et la concentration en métaux lourds dans l'eau interstitielle du sol a donné des concentrations comparables à celles mesurées dans les feuilles et les tiges, mais l'approche ne semble pas applicable aux concentrations en grains.

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Références

1. McLaughlin MJ, Smolders E, Degryse F, Rietra R (2011) Uptake of metals from soil into vegetables. In: Swartjes FA, editor. Dealing with contaminated sites. Springer, Dordrecht. 325–367.

2. Sauve S, Hendershot W, Allen HE (2000) Solid-solution partitioning of metals in contaminated soils: Dependence on pH, total metal burden, and organic matter. Environ Sci Technol 34: 1125–1131.

3. Larcher W (1995). Physiological Plant Ecology. Springer, Berlin, Germany.

Affiliations

1 Department of Environmental Engineering, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark

2 Veolia Environnement – Research and Innovation, Rueil-Malmaison, France

3 INRA, UMR 1091 Environment and Arable Crop Research Unit, Thiverval-Grignon, France