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

vanoort@versailles.inra.fr

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