Département de génie rural, ENAC - Section des sciences et ingénierie de l'environnement ENAC-SSIE

Etude du cycle biogéochimique du cuivre et du cadmium dans deux écosystèmes forestiers

Keller, Catherine ; Védy, Jean-Claude (Dir.)

Thèse Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1991 ; no 916.

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    Summary
    The biogeochemical cycle of copper and cadmium has been studied in two forested ecosystems for two years. These two sites are: a) a Norway spruce forest (Picea abies) on an acid brown soil (FAQ: Dystric cambisol) and b) a mixed coniferous forest (Picea abies, Pinus cembra, Larix decidua and Abies alba) on a podzol. Both of them are located on low heavy metal polluted sites: the Swiss Plateau (850 m a.s.l.) for the first one and the oriental edge of the Mont-Blanc Massif (1650 m a.s.l.) for the second one. The Cu and Cd stocks in the vegetation and in the soil are evaluated. Heavy metal fluxes through the ecosystems are determined by analysis of concentrations and quantities of rain, throughfalls, stemflows, lysimetric soil solution and litterfall. In addition, the forms of Cu and Cd immobilization in soils are studied by means of sequential extraction, whereas immobilization forms in solution are studied by means of ion exchange chromatography and selective electrode. The results obtained allowed us to draw conclusions concerning the general pollution level in the experimental sites and the annual and/or detailed behaviour of Cu and Cd in the ecosystems. The conclusions are the following: As expected, the sites are not polluted since concentrations and fluxes are low. The chemical composition of solutions is modified during transition through the ecosystem, especially the copper concentrations. The acid brown soil humic layer is more efficient than the podzol humic layer in modifying this composition. There is no significant seasonal variation of concentrations and fluxes. However, the metal diffusion through the ecosystem is almost immediate. The soil plays an essential role in the immobilization of the heavy metals. The organic and organo-mineral layers are particularly active in this process. Exportations out of the ecosystems are limited. They are relatively more important for the podzol than for the acid brown soil and higher for Cd than for Cu. Transfer and stocking forms, and the ways of input to the soil depend on the metal considered: Copper input to the soil is mainly due to litterfall. In the soil, the metal has a preference to be associated with organic matter. In solution, it forms complexes with dissolved organic matter (mainly fulvic acid of MW < 1000 dalton). So, it is strongly retained within the soil and it cannot be easily drained out of the soil profile. At the opposite, cadmium is mostly transported by liquid means (throughfalls). In solution, it is present as free cadmium ions. In the soil, it is less strongly fixed than Cu since Cd is mostly associated with Fe and Mn oxides. For both of the metals, the free ion concentration in solution depends on pH and the saturation rate of organic matter. The latter has a heterogenous and polyfunctional character which explains a similar complexing capacity for all the samples studied. The differences observed in copper and cadmium behaviour can explain the variable diffusion of a polluting Cu and Cd flux through a given ecosystem and to the aquifer. The soil intervenes as a discriminating factor when the two experimental sites are compared.
    Résumé
    Ce travail avait pour but l'étude du cycle biogéochimique du cuivre et du cadmium dans des milieux faiblement perturbés et situés hors de toute source importante de pollution. C'est pourquoi deux écosystèmes forestiers ont été choisis et suivis pendant deux ans: une pessière (Picea abies) sur sol brun acide et une forêt de résineux mélangés (Picea abies, Pinus cembra, Larix decidua et abies alba) sur podzol; la première située sur le Plateau suisse (alt. 850 m) et la seconde sur la bordure orientale du Massif du Mont-Blanc (alt. 1650 m). Toutes deux sont caractéristiques de régions soumises à une faible pollution diffuse. Les quantités stockées dans la végétation et le sol ont été évaluées. Les flux de métaux ont été mesurés grâce à un suivi des eaux gravitaires (pluie, pluviolessivats, écoulements sur troncs et solutions lysimétriques de sol) et des retombées de litière. Enfin, les formes d'immobilisation des métaux dans les sols et les formes de transfert de ces deux éléments en solution ont été étudiées par extraction séquentielle pour les premières et chromatographie d'échange ionique et électrode sélective pour les secondes. L'ensemble des résultats obtenus permet de conclure d'une part sur le niveau moyen de pollution des stations et d'autre part sur les fonctionnements ponctuels et annuels de ces écosystèmes vis-à-vis du cuivre et du cadmium. Les concentrations et flux mesurés dans les différents compartiments des deux écosystèmes sont bas et permettent de confirmer l'hypothèse de départ postulant que les sites étaient peu pollués. La traversée d'un écosystème modifie de manière significative le chimisme des solutions. Les changements sont plus marqués pour Cu que pour Cd et dans ce cadre, le couple pessière/mull acide est plus efficace que la forêt mélangée/mor. Il n'est pas possible de mettre en évidence de véritables lois de variations saisonnières des concentrations ou des flux. Mais la diffusion d'un polluant métallique au travers de l'écosystème est quasiment instantanée. Le sol apparaît comme le lieu privilégié du stockage et de l'immobilisation des métaux. Les horizons organiques et organo-minéraux ont un rôle particulièrement actif dans ces processus. Les exportations hors de l'écosystème sont très limitées. Elles sont relativement plus importantes pour le podzol que pour le sol brun acide et plus élevées pour Cd que pour Cu. Les formes de transfert et de stockage, ainsi que les modes privilégiés d'apport au sol dépendent du métal considéré: le cuivre arrive au sol principalement par les chutes de litière. Dans le sol il s'associe préférentiellement à la matière organique (si l'on excepte le compartiment silicaté). En phase soluble, il forme surtout des complexes avec les composés organiques en solution (acides fulviques de PM < 1000 dalton). Il est donc fortement immobilisé dans le sol et ne peut donc pas être aisément entraîné le long du profil. A l'opposé, le cadmium est principalement véhiculé par voie liquide et est alors essentiellement présent sous forme ionique. Dans le sol il est moins fortement lié à la matrice que Cu: il s'associe principalement aux oxydes de Fe et Mn. Pour les deux métaux, les concentrations en solution d'élément libre sont fonction du pH et du taux de saturation de la matière organique dissoute. Celle-ci présente un caractère hétérogène et polyfonctionnel se traduisant par une capacité de complexation similaire pour tous les échantillons. Les différences de comportement observées entre les deux métaux permettent d'expliquer la plus ou moins grande rapidité de diffusion d'un flux polluant de cuivre et de cadmium au travers d'un écosystème, puis vers les aquifères. Par contre, le sol intervient comme facteur discriminant lors de la comparaison des deux stations.