Doctoral thesis (Dissertations and theses)
Caractérisation multiscalaire de contaminations en éléments traces dans les sols : distribution spatiale et verticale, évaluation du transfert sol-plante-vers de terre et gestion potentielle par amendements organiques
Liénard, Amandine
2016
 

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Keywords :
contamination; soil; trace elements; Belgium; barley; landscape distribution; vegetable garden; remediation; amendments; soil-plant transfer; sol; éléments traces; Belgique; orge; distribution paysagère; jardin potager; remédiation; amendements; transfert sol-plante
Abstract :
[en] Human economic and technological development has a negative impact on the environment. The soil is not spared from this growing threat through its role in the environmental interface. Once degraded as a result of contamination, it can no longer fulfill its ecosystem functions such as the protection of ecosystems, food production or preservation of the quality of surface water and groundwater. The studies presented in the thesis are on soil contaminated by atmospheric fallouts enriched by trace elements. This type of contamination increases the natural levels of contaminants in soils and particularly in surface horizons to exceed the maximum levels set by legislation. The first axe of research concerns the assessment of contamination at a landscape scale around a former zinc-lead ore-treatment plant. The spatial distribution of cadmium, lead and zinc in the topsoil (0-20 cm) was characterized using 247 samples taken in crop, grassland and forest on three major types of loam soils representative of the study area Sclaigneaux (Wallonia, Belgium). The distribution of contaminants is explained by the distance to the source of contamination, direction of dominant winds, land use and soil type. Subsequently, 22 soil profiles were sampled within the study area to estimate the vertical transfer of contaminants. Based on various indexes of contamination, no migration along the profiles has been demonstrated. Only some more clay horizons presented contaminant levels that increased relative to their upper horizons. The second approach studied the soil-plant transfer and soil-plant-worm transfer of contaminants. First, a field study of the quality of grains of barley (Hordeum vulgare L.) harvested in the study area Sclaigneaux was performed. It appears that the concentration of cadmium in the grain meets quality standards for placing the cereals on the market. However, 78% and 94% of zinc and cadmium, respectively, concentrations measured in grains exceed the expected levels of a non-impacted environment by human activity. Secondly, a study on microcosms was conducted with soils of agricultural parcels around Sclaigneaux on which two crops (faba bean, Vicia faba L. and corn, Zea mays L.) were grown and where earthworms (Eisenia fetida (Savigny)) were introduced. The life traits of E. fetida such as mortality and adult weight were not affected by the levels of contaminants unlike the presence of plants which limit their reproduction (weight and number of cocoons). Moreover, the presence of E. fetida in microcosms influenced the mobility and bioavailability of contaminants. The third approach deals with metal contaminations in vegetable gardens and their management using organic amendments. This method of stabilization aims to decrease the labile fraction of soil contaminants and further reduce their transfer to plants. To do so, two vegetables (spinach, Spinacia oleracea L. and lettuce, Lactuca sativa L.) were grown on contaminated garden soils enriched in various amendments sold in garden centers. The major finding of this study is that management by amendments does not allow a systematic decrease in the soluble fraction contaminants. This is mainly due to the direct intake of rapidly mobilized trace elements produced by the addition of some of the studied amendments.
[fr] L’homme par son développement économique et technologique impacte sur son environnement. Le sol n’est pas épargné par cette menace croissante de par son rôle d’interface environnementale. Une fois dégradé à la suite de contaminations, il ne peut plus remplir ses fonctions écosystémiques telles que la protection des écosystèmes, la production alimentaire ou la préservation de la qualité des eaux de surface et souterraines. Les études présentées dans la thèse sont menées sur des sols contaminés par des retombées atmosphériques chargées en éléments traces. Ce type de contamination augmente les teneurs naturelles en contaminants dans les sols et plus particulièrement dans les horizons de surface jusqu’à dépasser les teneurs maximales définies par la législation. Le premier axe de recherches a pour objet l’évaluation d’une contamination à l’échelle d’un paysage entourant une ancienne usine de traitement de minerai de zinc et plomb. La distribution spatiale des teneurs en cadmium, plomb et zinc dans l’horizon de surface (0-20 cm) a été caractérisée à l’aide de 247 échantillons prélevés en culture, prairie et forêt sur trois grands types de sols limoneux représentatifs de la zone d’étude de Sclaigneaux (Wallonie, Belgique). La répartition des contaminants est expliquée par la distance à la source de contamination, le sens des vents dominants, l’occupation du sol et le type de sol. Par la suite, 22 profils de sols ont été échantillonnés au sein de la zone d’étude afin d’estimer le transfert vertical en contaminants. Sur base de différents indices de contamination, aucune migration le long des profils n’a été mise en évidence. Seuls certains horizons plus argileux ont présenté des teneurs en contaminants qui augmentaient par rapport à leurs horizons supérieurs. La seconde approche a étudié les transferts de contaminants du sol vers les plantes et/ou vers les vers de terre. Tout d’abord, une étude in situ de la qualité de grains d’orges (Hordeum vulgare L.) récoltés sur la zone d’étude de Sclaigneaux a été réalisée. Il ressort que les concentrations en cadmium dans le grain répondent à la qualité de mise sur le marché des céréales. Cependant, 78% et 94% des concentrations en cadmium et zinc mesurées dans les grains dépassent les teneurs attendues en milieu non impacté par des activités anthropiques industrielles. Dans un deuxième temps, une étude en microcosmes a été menée avec des sols de parcelles agricoles de Sclaigneaux sur lesquels deux plantes (la féverole, Vicia faba L. Tet le maïs, Zea mays L.) ont été cultivées et dans lesquels des vers (Eisenia fetida (Savigny)) ont été introduits. Les traits de vie d’E. fetida tels que la mortalité et le poids des adultes n’ont pas été impactés par les teneurs en contaminants ou la présence des plantes contrairement à leur reproduction (poids et nombre des cocons). Par ailleurs, la présence d’E. fetida dans les microcosmes a influencé la mobilité et la biodisponibilité des contaminants. La troisième approche traite de contaminations métalliques en jardins potagers et de leur gestion à l’aide d’amendements organiques. Cette méthode de stabilisation a pour objectif de diminuer la fraction labile en contaminants du sol et par delà diminuer leur transfert vers les plantes. Pour se faire, deux légumes (l’épinard, Spinacia oleracea L. et la laitue, Lactuca sativa L.) ont été cultivés sur des sols de jardins potagers contaminés enrichis en divers amendements vendus en jardinerie. La conclusion majeure de cette étude est que la gestion sur base d’amendements du commerce ne permet pas une diminution systématique de la fraction soluble en contaminants. Ceci est principalement du à l’apport direct en éléments traces rapidement mobilisables réalisé par l’ajout de certains des amendements étudiés.
Disciplines :
Agriculture & agronomy
Environmental sciences & ecology
Author, co-author :
Liénard, Amandine ;  Université de Liège > Ingénierie des biosystèmes (Biose) > Echanges Eau-Sol-Plantes
Language :
French
Title :
Caractérisation multiscalaire de contaminations en éléments traces dans les sols : distribution spatiale et verticale, évaluation du transfert sol-plante-vers de terre et gestion potentielle par amendements organiques
Alternative titles :
[en] Multiscale characterization of contaminations of trace elements in soils: spatial and vertical distribution, assessment of soil-plant-worm transfer and potential management by organic amendments
Defense date :
13 September 2016
Number of pages :
223
Institution :
ULiège - Université de Liège
Degree :
Doctorat en Sciences Agronomiques et Ingénierie Biologique
Promotor :
Colinet, Gilles  ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Echanges Eau - Sol - Plantes
President :
Lejeune, Philippe ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Gestion des ressources forestières et des milieux naturels
Jury member :
Cornelis, Jean-Thomas ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Echanges Eau - Sol - Plantes
Bock, Laurent ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Echanges Eau - Sol - Plantes
Garré, Sarah  ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Echanges Eau - Sol - Plantes
Lognay, Georges ;  Université de Liège - ULiège > Département des sciences et gestion de l'environnement (Arlon Campus Environnement) > Surveillance de l'environnement
Mahy, Grégory ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Biodiversité et Paysage
Lutts, Stanley
Douay, Francis
Available on ORBi :
since 05 September 2016

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