Comportement de Miscanthus cultivé sur des sols fortement contaminés en Cd, Pb et Zn

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1 25 & 26 septembre 2014 Cité scientifique - Villeneuve d Ascq Gestion et requalification durable des sites et sols pollués: Expériences en Nord - Pas de Calais Comportement de Miscanthus cultivé sur des sols fortement contaminés en Cd, Pb et Zn Florien NSANGANWIMANA, Christophe WATERLOT, Géraldine BIDAR, Bertrand POURRUT, Francis DOUAY Groupe ISA, LGCgE 1

2 1. Contexte Des sols agricoles aux alentours de l ancienne fonderie de plomb Metaleurop Nord fortement contaminés en Cd, Pb et Zn Des productions végétales agricoles qui excèdent souvent les valeurs réglementaires en vigueur concernant l alimentation humaine et animale 750 ha = 36 exploitations concernées à des degrés variables 2

3 2. Contexte Comment gérer durablement les sols agricoles autour de l ancienne fonderie de Metaleurop Nord? Phytener: Phytostabilisation + production de biomasse végétale non-alimentaire Etudier les potentialités du Miscanthus giganteus pour gérer durablement ces sols Capacité de stabilisation des polluants dans la rhizosphère Qualité de la biomasse produite sur les sols contaminés Evaluation du rendement de la biomasse 3

4 3. Caractéristiques agronomiques de M. giganteus Graminée pérenne : 15 years Taille des tiges : 3-4 m Rendement : t MS ha -1 Peu d intrants agricoles Stabilisation du sol Séquestration de CO 2 Utilisation de la biomasse Cadoux et al, 2013 Chauffage biofuel mulch Litière pour animaux 4

5 4. Objectifs spécifiques de l étude Evaluer l aptitude de M. giganteus à se developer sur les sols contaminés Etudier l influence de la culture sur les paramètres physico-chimiques des sols et le comportement de Cd, Pb et Zn Déterminer l accumulation des ETM dans les organes de M. giganteus selon le gradient de contamination des sols et les pratiques culturales 5

6 5. Le dispositif expérimental Des plantations de miscanthus mises en place en 2007/2008 et en 2010 M1000 MV Evin-Malmaison Site atelier «Metaleurop» ME M500 Evin-Malmaison M200 Courcelles-les-Lens + Une parcelle témoin (MC) de 1,3 ha située à Linzeux (Pas de Calais) 6

7 6. Specificités des sols des parcelles du dispositif MC M200 M500 Limon de plus de 120 cm (g > 120 cm) Limon profond (g > 120 cm) Limon reposant à 30 cm sur un limon argileux. Un matériau argilo-limonosableux apparaît entre 50 et 80 cm (g : cm) Limon argileux reposant entre cm sur un matériaux argilo-limonosableux (g : cm) Limon argileux calcaire reposant entre 30 et 50 cm sur un limon calcaire (g : 30 cm) 7

8 7. Parcelle MV : pratiques culturales vs transfert et accumulation des ETM chez M. giganteus 1 bloc : 3 origines de miscanthus 2 densités de plantation Fertilisation (en 2012) 3 réplicats + 3 blocs avec inoculum mycorhizien 72 sous-blocs 11 mai et 1 juin

9 8. Echantillonnage des sols et de végétaux : Septembre 2011 M500 SITA ME M200 Miscanthus en septembre + Parcelle MC Echantillons prélevés sur 3 plots : MC, M200 (M200-1 et M200-3) et M500 5 échantillons couple Sol / Plante : - Sol (0-25 cm) - Pied de miscanthus (racines, rhizomes, tiges, feuilles) 9

10 9. Echantillonnage des sols et de végétaux : Septembre 2011 Miscanthus en septembre 3 échantillons couple Sol / Plante par modalité : - sol (0-25 cm) - pied de miscanthus (racines, rhizomes, tiges, feuilles) 10

11 10. Préparation et analyse des échantillons Sols Végétaux Séchage à T C ambiante Broyage Lavage à l eau du robinet Rinçage à l eau osmosée Tamisage 2 mm Tamisage 250 µm Séchage à 40 C Granulométrie ph, CEC, phosphore (P 2 O 5 ), Cations échangeables CaCO 3, C org, N Oxydes de Fe et Mn Cd, Pb, Zn Extraction CaCl 2 0,01 M Extraction séquentielle Broyage 250 µm [ETM] Minéralisation à l eau régale Hot Block, 1 h 15 min à 95 o C Dosage de Cd, Pb, Zn par SAA Minéralisation HNO 3 + H 2 O 2 Hot Block, 4 h à 80 o C Dosage de Cd, Pb, Zn par SAA 11

12 Accumulation des ETM dans les organes de M. giganteus selon le gradient de contamination des sols Objectifs : Description des paramètres physico-chimiques et distribution de Cd, Pb et Zn dans les sols Etude de la croissance et rendement de biomasse aérienne Etude de la distribution et l accumulation de Cd, Pb et Zn dans les organes de miscanthus 12

13 12. Paramètres physico-chimiques des sols MC M200-1 M200-3 M500 Argile (%) 20,0 26,2 16,8 31,1 Limons (%) 69 40,5 58,2 52,2 Sables (%) ,5 25,0 16,7 ph (H 2 O) 6,5 7,4 7,6 7,6 C Org (g kg -1 ) 8,9 14,3 17,7 27,6 N tot (g kg -1 ) 0,9 1,1 1,3 2,8 C/N 9,3 12,7 14,1 12,8 CaCO 3 (g kg -1 ) 0,8 2,5 9,1 22,6 P 2 O 5 (g kg -1 ) 0,1 0,4 0,4 0,2 CEC 15,6 16,3 19,9 25,5 Fe (g kg -1 ) 8,2 4,8 4,7 7,8 Mn (g kg -1 ) 0,4 0,2 0,3 0,1 Sols à dominante limoneuse CO, N tot, CaCO 3, P 2 O 5, CEC : M500 > M200-1 = M200-3 >> MC 13

14 13. Concentrations des ETM dans les sols 0,2 13,7 MC MC Gradient de contamination en Cd, Pb, Zn : M500 > M200-1 = M200-3 >> MC 52,3 MC Concentrations en Cd, Pb and Zn de MC TAH régionales 14

15 14. Fractions extractibles des ETM au CaCl 2 0,01 M Sols Cd (%) Pb (%) Zn (%) MC 0,609 ± 0,411 a < LD 0,311 ± a M ,219 ± 0,074 b 0,006 ± 0,001 a 0,064 ± 0,064 ab M ,252 ± 0,133 b 0,005 ± 0,001 a 0,114 ± 0,047 b M500 0,400 ± 0,277 ab 0,003 ± 0,000 b 0,044 ± 0,008 c ETM peu extractibles au CaCl 2 0,01 M : < 1 % Les fractions extractibles dépendent des propriétés physico-chimiques des sols ainsi que la mobilité naturelle d un ETM 15

16 15. ACP des paramètres physico-chimiques des sols Sol MC : ph, (Fe, Mn, ETM-CaCl 2 et ETM-Fraction R) Sol M200-1 et M200-3 : (P 2 O 5, K + et Cd-Fraction A), (Fe et Na + ) Sol M500 : (CEC, C Org, CaCO 3, Ca 2+, Mg 2+ et Pb-Fraction D) 16

17 Accumulation des ETM dans les organes de Miscanthus giganteus selon le gradient de contamination des sols Objectifs : Description des paramètres physico-chimiques et distribution de Cd, Pb et Zn dans les sols Etude de la croissance et rendement de biomasse aérienne Etude de la distribution et l accumulation de Cd, Pb et Zn dans les organes de miscanthus 17

18 17. Croissance et rendement du miscanthus 1 ère année, mai 2 ème année, juillet 3 ème année, juillet 3 ème année, novembre Absence de symptômes de toxicité visibles Compétition avec le développement des adventices (1 ère et 2 ème années) Rendement : 14 t ha -1 la 3 ème année (hiver 2011, % d humidité) 18

19 18. Concentrations des ETM dans les organes du miscanthus ETM plus accumulés dans les racines Pas de différence significative entre les organes aériens 19

20 19. Transfert des ETM du sol aux organes du miscanthus BCF: [ETM] organe végétal / [ETM] sol ETM Sols BCF par organe Feuilles Tiges Rhizomes Racines Cd M ,13 ± 0,04 cd 0,09 ± 0,04 d 0,28 ± 0,19 bcd 2,99 ± 1,05 a M ,09 ± 0,03 d 0,15 ± 0,02 c 0,33 ± 0,11 b 2,43 ± 0,45 a M500 0,06 ± 0,01 e 0,08 ± 0,03 de 0,22 ± 0,06 b 2,51 ± 0,87 a Pb M ,04 ± 0,02 cde 0,04 ± 0,02 cde 0,06 ± 0,02 cd 0,16 ± 0,00 b M ,06 ± 0,02 cd 0,05 ± 0,01 d 0,05 ± 0,01 d 0,13 ± 0,06 b M500 0,02 ± 0,00 e 0,03 ± 0,01 e 0,02 ± 0,00 e 0,07 ± 0,02 c Zn M ,14 ± 0,02 e 0,12 ± 0,07 ef 0,11 ± 0,01 e 0,24 ± 0,09 d M ,13 ± 0,02 e 0,08 ± 0,04 ef 0,12 ± 0,01 e 0,21 ± 0,01 d M500 0,10 ± 0,02 e 0,08 ± 0,03 ef 0,06 ± 0,01 f 0,18 ± 0,04 d Racines > Rhizomes > tiges = feuilles M200-1 = M200-3 > M500 Cd >> Zn > Pb (racines) Cd > Zn > Pb (rhizomes) Cd = Zn > Pb (tiges) Zn Cd > Pb (feuilles) 20

21 20. Transfert des ETM des racines aux autres organes TF: [ETM] feuilles, tiges ou rhizomes/[etm] racines ETM Cd Pb Zn Sols TF par organe Feuilles Tiges Rhizomes M ,05 ± 0,01 ab 0,03 ± 0,01 ab 0,09 ± 0,03 abc M ,04 ± 0,04 ab 0,06 ± 0,01 ab 0,14 ± 0,04 bc M500 0,02 ± 0,01 a 0,04 ± 0,02 ab 0,09 ± 0,03 bc M ,4 ± 0,10 c 0,16 ± 0,05 b 0,001 ± 0,001 a M ,43 ± 0,2 c 0,42 ± 0,1 c 0,14 ± 0,19 abc M500 0,24 ± 0,11 bc 0,31 ± 0,14 bc 0,04 ± 0,06 a M ,63 ± 0,12 b 0,34 ± 0,14 a 0,51 ± 0,22 ab M ,64 ± 0,14 b 0,39 ± 0,19 ab 0,56 ± 0,05 b M500 0,58 ± 0,15 b 0,45 ± 0,25 ab 0,38 ± 0,08 a TF sur M200-1 = M200-3 = M500 TF < 1 pour M200-1, M200-3 et M500 Zn >> Cd > Pb (rhizomes) Zn Pb >> Cd (tiges) Zn > Pb >> Cd (feuilles) 21

22 21. Transfert et accumulation des ETM dans les organes du miscanthus Miscanthus giganteus se développe bien sur les sols étudiés Accumulation des ETM principalement dans les racines et faible transfert aux rhizomes et aux organes aériens L accumulation des ETM n augmente pas avec le gradient de contamination du sol Les BCF et les TF sont largement inférieurs à 1 sur les sols M200-1, M200-3 et M500 Miscanthus giganteus est considéré comme une espèce excluder et un bon candidat pour la phytostabilisation dans le contexte expérimental 22

23 Accumulation des ETM dans les organes de M. giganteus : Influence des pratiques culturales Objectifs : Etudier le comportement d accumulation des ETM chez trois génotypes de Miscanthus giganteus Etudier l influence de la densité de plantation, ajout d un inoculum mycorhizien sur le transfert et l accumulation des ETM chez les trois génotypes de M. giganteus in situ 23

24 23. Concentrations des ETM dans les sols selon les modalités De petites différences selon certaines modalités en ce qui concerne le degré de contamination des sols, voire même certains paramètres physico-chimiques Des biais possibles Evaluation du transfert et de l accumulation des ETM dans les organes au regard des BCF 24

25 24. Transfert des ETM du sol aux organes du miscanthus Racines : Cd >> Zn > Pb Rhizomes : Cd > Zn > Pb Tiges : Cd = Zn > Pb Feuilles : Cd Zn > Pb Pas de différences significatives selon les génotypes 25

26 25. Effets de facteurs sur l accumulation des ETM Influence monofactorielle sur l accumulation des ETM dans les organes : Génotype Inoculum Densité Aucun effet Influence bi et trifactorielle sur l accumulation des ETM dans les organes : Génotype x densité Densité x inoculum Aucun effet Génotype x inoculum x densité Génotype x inoculum : effet négatif Augmentation de l accumulation d au moins un ETM dans 34 % des cas : - 11 % des cas : feuilles, - 7 % des cas : tiges, - 7 % des cas : rhizomes, - 9 % des cas : racines 26

27 26. Bilan et perspectives Même profil d accumulation des ETM chez les trois génotypes étudiés La densité de plantation n influence pas l accumulation des ETM chez les trois génotypes Aucun effet croisé entre la densité de plantation et l ajout de l inoculum mycorhizien sur l accumulation des ETM dans les organes Les résultats préliminaires montrent que l ajout de l inoculum pourrait augmenter l accumulation des ETM dans les organes de miscanthus Quelle est l évolution du comportement des génotypes au cours du temps? Quelle est l intérêt d associer les pratiques culturales étudiées afin de réduire le transfert des ETM du sol vers les organes du miscanthus? 27

28 Les partenaires de Phytener Merci pour votre attention 28

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