Open Access
Issue
Cah. Agric.
Volume 27, Number 2, Mars-Avril 2018
Article Number 25002
Number of page(s) 10
Section Études originales / Original Studies
DOI https://doi.org/10.1051/cagri/2018008
Published online 28 February 2018

© A. Liénard and G. Colinet, Published by EDP Sciences 2018

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1 Introduction

Le cadmium (Cd) est un élément connu notamment pour sa phytotoxicité (Hasan et al., 2009 ; Sigel et al., 2013) et son caractère carcinogène (Dokmeci et al., 2009 ; Buruiana et al., 2015). Par ailleurs, le zinc (Zn) est un oligo-élément qui peut devenir phytotoxique lorsqu’il se trouve en grande quantité dans le sol (Påhlsson, 1989 ; Hooda, 2010). Sa phytotoxicité apparaît pour des teneurs en Zn disponible de l’ordre de 120 mg/kg (Mench et Baize, 2004). Cd et Zn sont souvent des co-contaminants, c’est-à-dire qu’ils ont des origines communes telles que les déchets miniers (Schaider et al., 2007 ; Hooda, 2010), les émissions de fonderie (Sterckeman et al., 2000 ; Liénard et al., 2014 ; Liénard et Colinet, 2016), les amendements et engrais agricoles (Lee et Keeney, 1975 ; François et al., 2009 ; Gupta et al., 2014).

Cd et Zn ont un comportement proche dans les sols et les plantes (Hamnér et Kirchmann, 2015). Dans les sols, leur mobilité est principalement influencée par le pH, et par leur spéciation qui dépendra notamment des réactions de sorption avec la matière organique, les oxydes de fer (Fe) et de manganèse (Mn) et les argiles. Au niveau des plantes, l’absorption du Cd est comparable à celle du Zn. Cependant, l’absorption du Cd n’est pas régie par les limites physiologiques de la plante. Certaines études ont montré que l’absorption du Cd augmente avec l’augmentation des concentrations en Cd dans le sol (Singh et Myhr, 1998 ; Alloway, 2013). Néanmoins, certaines plantes comme Noccaea caerulescens (J.&C. Presl) FK Mey ou Arabidopsis halleri L. développent des stratégies de résistance à la toxicité d’éléments traces, en particulier au Cd (Furini, 2012 ; Sigel et al., 2013).

Lorsque Cd et Zn pénètrent dans une plante de la famille des Poaceae, une partie est accumulée et transférée dans les tissus tandis que l’autre partie est transférée vers le grain (Sigel et al., 2013 ; Yamaji et Ma, 2014). Même si ce transport au sein de la plante repose sur des mécanismes difficiles à appréhender, il dépend principalement des transporteurs de métaux présents dans celle-ci. Ces transporteurs régissent le prélèvement et la distribution du métal (Furini, 2012), notamment ceux localisés dans les nœuds des tiges des céréales (Yamaji et Ma, 2014). Parallèlement, il est à noter que les cultures céréalières sont considérées par certaines études comme potentiellement déficientes en Zn (Brown et al., 2001 ; Alloway, 2009).

Dans le cadre de cette étude, nous avons étudié le transfert en Cd et Zn du sol vers une céréale, l’orge de printemps. Pour ce faire, nous avons comparé des orges récoltées dans une zone contaminée par Cd et Zn suite à des activités de traitements de minerai de zinc et de plomb à des orges récoltées sur une zone témoin éloignée d’activités anthropiques similaires. Les objectifs sont :

  • évaluer les transferts sol-plante en Cd et Zn ;

  • estimer l’état de contamination des grains d’orge récoltés ;

  • déterminer les propriétés des sols et des plantes qui influencent ce transfert.

2 Matériel et méthodes

2.1 Échantillonnage des sols et prélèvement des plantes

Des échantillons d’orge de printemps (Hordeum vulgare L.) ont été prélevés au sein de deux zones (Fig. 1a). La première est la zone contaminée de Sclaigneaux (Liénard et al., 2011 ; Liénard et al., 2014 ; Liénard et Colinet, 2016), dans laquelle 18 prélèvements d’orges ont été effectués (Fig. 1c). La seconde zone est localisée sur une parcelle d’essai de la ferme expérimentale de Gembloux Agro-Bio Tech à Lonzée et est considérée comme zone témoin. Cette zone est considérée comme témoin car contrairement à la zone de Sclaigneaux, elle n’a pas été affectée par des retombées atmosphériques enrichies en Cd, Pb et Zn suite à un passé industriel lourd. Au sein de cette zone, 10 prélèvements d’orge ont été réalisés (Fig. 1b). Le choix de l’orge a été déterminé sur la base des résultats d’une enquête menée auprès des agriculteurs afin de connaître la culture la plus implantée sur la zone contaminée de Sclaigneaux. Pour chaque prélèvement de plantes, un échantillon composite de sol regroupant une dizaine de prélèvements élémentaires a été réalisé à la sonde tubulaire manuelle de type « gouge » sur l’horizon cultivé (0–20 cm), comme préconisé par le Compendium wallon des méthodes d’échantillonnage et d’analyse (CWEA) (Service public de Wallonie, 2014). La contamination étant majoritairement localisée dans les 20 premiers centimètres du sol, comme présenté par Liénard et Colinet (2016), ces 20 premiers centimètres sont représentatifs de l’ensemble de l’horizon labouré et sont échantillonnés afin d’évaluer le transfert sol-plante en métaux. Les échantillons ont été prélevés dans des plages de sols limoneux à drainage naturel favorable, voire à drainage naturel modéré, dont le pourcentage d’argiles, d’après la base de données Aardewerk (Legrain et al., 2017), varie de 14 à 16 % sur la zone témoin et de 12 à 18 % sur la zone contaminée. Cette information provient de la Carte des principaux types de sols de Wallonie à 1/250 000 (Bock et al., 2006), basée sur la Carte des sols de la Belgique éditée à 1/20 000 par l’IRSIA de 1947 à 1991 (Legrain et al., 2011). Toutes les plantes d’orge ont été récoltées au stade phénologique 89 sur l’échelle BBCH, soit à maturation complète des grains (Witzenberger et Hack, 1989 ; Lancashire et al., 1991). Par la suite, elles ont été divisées en trois sous-échantillons dénommés : tige, épi et grain. Le sous-échantillon « tige » reprend les tiges feuillées et l’épi correspond aux barbes avec le reste de l’épi une fois les grains ôtés.

thumbnail Fig. 1

Localisation des lieux de prélèvements à l’échelle a) de la Belgique, b) de la zone témoin et c) de la zone contaminée de Sclaigneaux.

Location of sampling places at scale of a) Belgium, b) control area and c) contaminated Sclaigneaux area.

2.2 Analyses chimiques

Préalablement aux analyses, les échantillons de sol ont été tamisés à 2 mm et un sous-échantillon a été broyé à 200 μm. Les pHeau et pHKCl (1 M) ont été mesurés par potentiométrie (w:v 2:5 ratio). Le carbone organique total (COT) a été déterminé par la méthode de Springer-Klee modifiée (Nelson et Sommers, 1996). L’azote total (NT) a été estimé via la méthode Kjeldahl modifiée (Nelson et Sommers, 1996). Les concentrations pseudo-totales en éléments traces (Cd, Cu, Pb, Zn) et en éléments majeurs (Ca, Mg, K, Mn, Fe, Al) ont été déterminées par digestion à l’eau régale selon la norme ISO 11466 et mesurées par spectrométrie d’absorption atomique (AAS, VARIAN 220, Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA). Les concentrations en éléments traces (Cd, Cu, Pb, Zn) et en éléments majeurs (Ca, Mg, K, Mn, P) disponibles ont été déterminées à l’acétate d’ammonium 0,5 N + EDTA tamponné à pH 4,65 (Lakanen et Erviö, 1971) et mesurées par AAS, à l’exception du P qui a été mesuré par colorimétrie à 430 nm. On considère généralement que les formes extraites selon cette méthode, préconisée par le CWEA (référence S-II-12V2) (Service public de Wallonie, 2014), correspondent aux formes phytodisponibles.

Après récolte, les plantes ont été lavées à l’eau de ville, rincées à l’eau distillée et séchées pendant 48 h à 40 °C avant d’être broyées à l’aide d’un broyeur à couteaux en titane (Retsch; Grindomix GM200). Les concentrations en Cd et Zn dans les plantes ont été mesurées par AAS après minéralisation dans un mélange HNO3 + HClO4 (Miller, 1998). Les limites de quantification pour les concentrations dans la plante sont 0,004 mg/kg (Cd) et 0,019 mg/kg (Zn) après ajout d’un tube ACT (Atom Concentration Tube). L’ACT est un tube de quartz qui est positionné dans la flamme afin d’augmenter de 2 à 3 fois la sensibilité de l’AAS.

2.3 Analyses statistiques

2.3.1 Présentation des analyses classiques

Une matrice de corrélation a été calculée entre les concentrations dans le grain (en Cd et Zn) et les paramètres du sol (pHeau, pHKCl, COT, NT, éléments disponibles et pseudo-totaux mesurés) sur la population générale. Ensuite, des modèles de régression ont été réalisés afin d’estimer les concentrations CdGrain et ZnGrain à partir de ces même paramètres du sol.

Tous ces traitements statistiques ont été effectués à l’aide du logiciel Minitab 16 (Minitab Inc., State College, PA, USA). La normalité des sous-populations pour CdGrain et ZnGrain a été vérifiée par le test de Ryan-Joiner. Les différences ont été considérées comme significatives à p ≤ 0,05.

2.3.2 Présentation de l’analyse Cate-Nelson

Une analyse Cate-Nelson a été effectuée sur la population générale afin de calibrer une réponse CdGrain ou ZnGrain selon les teneurs pseudo-totales en Cd ou en Zn mesurées dans les sols. Une analyse Cate-Nelson est une technique traditionnellement utilisée en agronomie, en particulier pour calibrer la réponse prévue d’une culture en fonction de données d’essai sur les sols (Mangiafico, 2013), par exemple un rendement ou une concentration dans une plante (Dang et al., 1993 ; Collins et Allinson, 2004 ; Mallarino et Atia, 2005 ; Zare et al., 2009 ; Nikoli et al., 2016).

L’analyse Cate-Nelson consiste à diviser les données en deux groupes : (i) les données pour lesquelles un changement dans la variable x (teneur du sol) est susceptible de correspondre à une réponse dans la variable y (concentration dans le grain) et ; (ii) les autres données pour lesquelles un changement de la variable x est peu probable d’engendrer un changement de la variable y. Ainsi, la relation entre deux variables (x et y) peut être présentée à l’aide d’un graphique subdivisé en quatre quadrants, dans lesquels les points sont projetés à partir de deux valeurs x et y dites critiques. Il s’agit en fait des valeurs qui permettent de maximiser le nombre de données dans les quadrants IV et II et minimiser celles dans les quadrants I et III.

Une analyse de la variance (AV1) en fonction du facteur quadrant est réalisée, afin d’obtenir la part de la variance expliquée par le modèle (R2 = coefficient de détermination). Au préalable, chaque valeur CdGrain ou ZnGrain se voit attribuée à la classe II ou IV en fonction de sa valeur en x.

3 Résultats

3.1 Sols

Les statistiques descriptives du pHeau, du pHKCl, du COT, du NT, des éléments majeurs et des éléments traces pour les deux zones d’étude sont reprises dans le tableau 1.

Les résultats montrent que les sols prélevés sur la zone de Sclaigneaux sont fortement contaminés en Cd, Pb et Zn. Les sols témoins ne dépassent pas la valeur de référence (VR) (Ministère de la Région wallonne, 2008) pour Pb (25 mg/kg) et Zn (67 mg/kg), qui équivaut au fond pédogéochimique. Pour ce qui est des teneurs en Cd total, elles sont légèrement au-dessus de la VR avec une gamme allant de 0,263 à 0,428 mg/kg. Les gammes de pH des deux zones sont similaires avec des moyennes de pHKCl de 7,09 pour les sols de Sclaigneaux et 7,25 pour les sols témoins. Par contre, les teneurs mesurées en COT, NT, Ca, Mg, K et P disponibles dans les sols de Sclaigneaux sont en moyenne supérieures à celles des sols témoins. Les rapports entre concentrations en Cu et Cd disponibles et pseudo-totales dans les sols sont assez semblables pour les deux zones d’étude avec des ratios d’environ 25 % pour Cu et 70 % pour Cd. Par ailleurs, la fraction disponible en Pb et Zn par rapport à la teneur totale est plus importante dans les sols de Sclaigneaux avec des ratios de l’ordre de 61 % pour Pb et 17 % pour Zn, contre 37 % pour Pb et 11 % pour Zn en zone témoin.

Tableau 1

Statistiques descriptives pour les paramètres du sol : pHeau, pHKCl, COT, NT, éléments traces et éléments majeurs (mg/kg).

Descriptive statistics for pHwater, pHKCl, total organic carbon (COT), total nitrogen (NT), traces and major elements (mg/kg).

3.2 Concentrations en Cd et Zn dans les plantes

Les concentrations en Cd et Zn mesurées dans la tige, l’épi et le grain d’orge récoltés en zone contaminée sont supérieures à celles mesurées dans les orges témoins (Fig. 2). Pour Cd, les concentrations mesurées dans le grain, la tige et l’épi sont en moyenne 2, 7 et 3 fois supérieures à celles mesurées dans les orges témoins. Ce constat est similaire pour les concentrations en Zn qui sont 2, 9 et 8 fois supérieures dans le grain, la tige et l’épi par rapport à celles mesurées dans les témoins.

La minéralomasse en Cd et Zn, produit de la biomasse en matière sèche et de la concentration, permet d’évaluer la quantité d’éléments minéraux retenus dans la biomasse récoltée. Elle correspond à l’accumulation de Cd et Zn puisés dans le sol par une plante d’orge et répartis dans la tige, l’épi et le grain (Fig. 3). La production de biomasse de grains est semblable entre les deux zones, contrairement aux biomasses de tige et d’épi qui sont supérieures en zone contaminée. En zone témoin, le grain est l’organe de la plante qui présente la plus grande minéralomasse en Cd et Zn avec 65 % et 92 % de la minéralomasse totale de la plante, respectivement. En zone contaminée, la minéralomasse en Cd et Zn de la tige est en moyenne 2 fois supérieure (pour Cd) et 3,5 fois supérieure (pour Zn) à celle mesurée en zone témoin. De plus, la minéralomasse en Cd de la tige représente plus de la moitié de la minéralomasse de la plante (55 %, voir Fig. 3). Également en zone contaminée, les concentrations en Cd dans la tige sont les plus élevées (Fig. 2). Par ailleurs, l’épi a la plus faible minéralomasse en Cd et en Zn. En raison de sa faible biomasse, l’épi ne représente qu’une faible partie de la minéralomasse totale de la plante d’orge, même si les concentrations sont semblables à celles du grain (Cd) ou de la tige (Zn). D’une manière générale, on observe une augmentation de la minéralomasse de la tige en zone contaminée.

thumbnail Fig. 2

Concentrations a) en Cd et b) en Zn mesurées dans les différentes parties des orges récoltées sur les sols contaminés et les sols témoins (+/− erreur standard de la moyenne) (mg/kg de matière sèche). Contaminé : N = 18 ; Témoin : N = 10 sauf pour CdGrain avec N = 6.

Concentrations of a) Cd and b) Zn measured in barley harvested in contaminated and control soils (+/− mean standard error) (mg/kg dry matter). Contaminated: N = 18, control: N = 10 apart from CdSeed with N = 6.

thumbnail Fig. 3

Répartition i) de la minéralomasse moyenne (%) en Cd et Zn et ii) de la matière sèche moyenne (g) (axe vertical secondaire) mesurée pour une plante d’orge récoltée en zone contaminée et en zone témoin.

Distribution of i) the average mineralomass (%) of Cd and Zn and ii) the average dry matter (g) (secondary vertical axis) measured for a barley plant harvested in contaminated and control area.

3.3 Modélisation du transfert sol-plante en Cd et Zn

3.3.1 Corrélation entre concentrations dans les plantes et propriétés du sol

Afin de vérifier l’existence de relations entre les concentrations en Cd et Zn mesurées dans les différentes parties de la plante et les propriétés du sol, une analyse de corrélation a été effectuée sur la population générale (Tab. 2). Il en ressort que les teneurs en Cd, Cu, Pb et Zn pseudo-totales et disponibles mesurées dans les sols sont corrélées aux concentrations en Cd (p variables) et en Zn (p < 0,001) mesurées dans les orges. Les concentrations en Cd et Zn dans les plantes sont également liées aux teneurs en Mn disponible mesurées dans les sols. Nous avons en outre constaté que la concentration en cadmium dans les tiges (CdTige) est liée aux teneurs en Ca, Mg et K disponibles et pseudo-totales ainsi qu’aux teneurs en P disponible, Fe total et Al total. Par ailleurs, les paramètres de fertilité tels que COT et NT sont également corrélés aux paramètres des plantes, sauf dans le cas particulier de CdGrain et COT. Concernant le pH, les concentrations CdEpi (p < 0,05), ZnGrain (p < 0,05) et ZnEpi (p < 0,01) sont inversement corrélées aux pHeau et pHKCl.

Tableau 2

Matrice des corrélations entre les concentrations en Cd et Zn mesurées dans le grain, la tige et l’épi et les paramètres du sol significatifs.

Pearson correlation matrix between concentrations of Cd and Zn in seed, stem and ear and significant soil parameters.

3.3.2 Analyse Cate-Nelson entre CdGrain, ZnGrain et les teneurs pseudo-totales en Cd et Zn dans le sol

Suite à l’analyse Cate-Nelson, les données peuvent être subdivisées en deux groupes afin de souligner la relation entre la variable « teneur du sol » et la variable « concentration dans le grain » (Fig. 4). Pour Cd, plus de 90 % des données sont situées dans les quadrants II et IV (Fig. 4a). Seules deux données sur les 24 sont localisées dans le quadrant I et ne suivent pas le modèle prédictif (R2 = 42,2 %). Les valeurs critiques sont équivalentes à 0,058 mg/kg pour CdGrain et 1,23 mg/kg pour la teneur totale en Cd dans le sol. Ainsi pour une teneur dans le sol inférieure à 1,23 mg/kg (quadrant IV), CdGrain est en moyenne égale à 0,027 mg/kg. De même, pour des teneurs sol comprises entre la valeur critique et 7 mg/kg (quadrant II), CdGrain est en moyenne équivalente à 0,118 mg/kg.

Concernant Zn, l’ensemble des données collectées répond au modèle prédictif (R2 = 78 %, Fig. 4b). Les valeurs critiques sont équivalentes à 27,2 mg/kg pour ZnGrain et 131 mg/kg pour la teneur totale en Zn dans le sol. Pour des valeurs en Zn dans le sol inférieures à 131 mg/kg, ZnGrain sera en moyenne équivalente à 19 mg/kg. Tandis que pour des valeurs de Zn total comprises entre 131 et 600 mg/kg, ZnGrain attendue correspond à environ 40 mg/kg.

thumbnail Fig. 4

Projection des données au sein des sous-populations estimées via l’analyse Cate-Nelson a) Cd et b) Zn.

Representation of data within the estimated subpopulations via the Cate-Nelson analysis a) Cd and b) Zn.

3.3.3 Présentation des modèles globaux pour CdGrain et ZnGrain

Afin de déterminer une équation de prédiction de la concentration en Cd ou Zn dans le grain, des régressions linéaires ou quadratiques, simples ou multiples, ont été réalisées à partir des propriétés du sol mises en évidence par la matrice de corrélation (Tab. 2). Les paramètres introduits dans la régression ont été sélectionnés selon le pourcentage d’explication (R2) apporté par la combinaison des paramètres et la p-value obtenue par les facteurs dans la régression (p < 0,05). Les régressions sont reprises dans le tableau 3.

Pour CdGrain, seules les teneurs en Cd disponible et en Cd total sont significatives. Plus précisément, c’est une régression quadratique avec le facteur Cd total qui conduit à la meilleure prédiction (R2 = 42 %). Concernant la prédiction de la concentration en Zn dans le grain (ZnGrain), c’est une régression linéaire multiple basée sur les teneurs en Cd, Pb et Mn disponibles ainsi que les teneurs en Cd, Pb, Mg et Fe pseudo-totales qui obtient le meilleur pourcentage d’explication (R2 = 97 %). Cependant, cette estimation repose sur de nombreux paramètres. Une régression plus simple de type quadratique basée sur la teneur en Zn disponible (R2 = 81,5 %) ou sur la teneur en Zn total (R2 = 78 %) permet d’expliquer près de 80 % de ZnGrain.

Tableau 3

Équations de régression linéaire ou quadratique pour les concentrations en Cd et Zn mesurées dans le grain.

Linear and quadratic regression equations for concentration of Cd and Zn in seed.

4 Discussion

4.1 Accumulation en Cd et Zn dans la plante

Les concentrations en Zn montrent une augmentation de la tige vers l’épi, puis de l’épi vers le grain. Dans une étude menée par Raguž et al. (2013), une augmentation des concentrations en Zn des racines vers l’épi d’orge a également été constatée. Page et Feller (2015) expliquent également que des concentrations élevées en Zn ou en Cd provoquent une augmentation de leurs teneurs dans les grains de blé, mais les feuilles et les glumes sont également affectées. Pour les plantes d’orges cultivées sur les sols témoins, ce schéma d’augmentation de concentrations en Cd de la tige vers les grains a été observé. Par contre, en zone contaminée, les concentrations sont réparties de la manière suivante : CdTige > CdGrain > CdEpi. Il semble que la tige et les nœuds de la tige jouent un rôle de barrière à la progression du Cd dans la plante. Bien que les conditions de culture soient différentes, Yamaji et Ma (2014) ont mis en évidence que même si la distribution du Zn et du Cd dans le riz (Oryza sativa L.) est similaire, c’est-à-dire une accumulation dans les nœuds primaires et ensuite une distribution préférentielle pour le développement de nouvelles feuilles et de grains, le Cd s’accumule davantage à l’intérieur des tissus vasculaires axiaux agrandis du nœud. Ce constat pourrait expliquer que la concentration CdTige est supérieure pour les plantes qui sont cultivées sur les sols présentant des teneurs élevées en Cd.

Par ailleurs, en matière de minéralomasse, la répartition du Cd en zone témoin et du Zn pour les deux zones est la suivante : grain > tige > épi. Dans l’ensemble, le grain se comporte comme un organe de stockage, particulièrement lorsque les teneurs en Cd et Zn du sol sont proches de celles du fond pédogéochimique (VR, (Ministère de la Région wallonne, 2008)). Cette capacité à être stocké est normalement typique des oligo-éléments tels que Zn qui, en tant qu’élément nutritif, se retrouve majoritairement dans le grain.

Concernant la qualité des grains récoltés, les concentrations en Cd mesurées sont en dessous de la teneur maximale définie par la Commission européenne en matière de contaminants dans les denrées alimentaires sur base du règlement (UE) no 488/2014. La teneur maximale en Cd fixée pour les céréales, à l’exclusion du son, du germe, du blé et du riz est de 0,1 mg/kg de matière fraîche (MF) (Union européenne, 2006), avec une teneur maximale en humidité de 14,5 % comme défini par le règlement (CE) no 824/2000 fixant les procédures de prise en charge des céréales par les organismes d’intervention ainsi que les méthodes d’analyse pour la détermination de la qualité. Parallèlement, la qualité des grains d’orge est conforme à la directive 2005/87/CE fixant les substances indésirables dans les aliments pour animaux. La concentration en Cd de 1 mg/kg (12 % d’humidité) dans les matières premières des aliments pour animaux d’origine végétale n’est dépassée pour aucun des échantillons de grains d’orge analysés. Les concentrations en Zn mesurées sont comparées aux teneurs naturelles mesurées dans l’orge cultivée en sols non impactés par des activités anthropiques. Aucune des concentrations ZnGrain et ZnTige pour la zone témoin ne dépasse les teneurs de 34 et 18,7 mg/kg de matière sèche (MS) proposées par Tremel-Schaub et Feix (2005). Par contre, ces concentrations sont dépassées pour 12 et 14 échantillons de grain et tige récoltés sur la zone contaminée de Sclaigneaux. Si on réalise la même comparaison pour les concentrations CdGrain, on constate que 4 échantillons témoins et 17 échantillons contaminés ont des concentrations supérieures aux teneurs mesurées dans des grains d’orges récoltés en zone non impactées par des activités anthropiques (0,03 mg/kg MS) (Tremel-Schaub et Feix, 2005).

4.2 Évaluation des modèles statistiques

Pour la population générale, des relations entre les teneurs dans les sols et les concentrations CdGrain et ZnGrain ont été mises en évidence. Pour Cd, la relation repose sur les teneurs pseudo-totales en Cd du sol grâce à une régression quadratique. Au sein du jeu de données, on peut classer les prélèvements en deux groupes distincts en fonction des teneurs en Cd du sol en se fixant une valeur critique de 1,23 mg de Cd/kg. Néanmoins, les prélèvements repris dans le quadrant IV groupent des échantillons dont la teneur en Cd totale du sol ne dépasse pas 0,434 mg/kg. D’après le modèle prédictif défini via Cate-Nelson, les concentrations CdGrains pour ces sols avoisinent les 0,027 mg/kg de MS, ce qui correspond aux teneurs naturelles en Cd dans les grains d’orge (0,03 mg/kg de MS) rapportées par Tremel-Schaub et Feix (2005). Concernant Zn, utiliser une régression quadratique basée sur les teneurs pseudo-totales en Zn dans le sol permet d’expliquer 78 % de la variabilité du jeu de données. De plus, par l’analyse Cate-Nelson (R2 = 78 %), un groupe de prélèvement dont les teneurs en Zn sont inférieures à la valeur critique de 131 mg/kg a pu être isolé au sein de la population générale. La gamme de teneurs mesurées sur ces sols est située entre 49 et 68 mg/kg de Zn, soit des teneurs proches de la valeur de référence (67 mg/kg, [Ministère de la Région wallonne, 2008]). Pour ces 11 échantillons de sols, la concentration moyenne ZnGrain équivaut à 19 mg/kg. Cette valeur est comparable à celle de 15 mg/kg mesurée par Moreno-Jiménez et al. (2016) dans des grains d’orge récoltés sur des sols agricoles non contaminés et dont la teneur moyenne en Zn est de 53,6 mg/kg.

Dans le cadre de notre étude, on constate que les propriétés du sol étudiées ont une très faible influence sur CdGrain. En effet, l’étude de Adams et al. (2004) sur l’orge a proposé un modèle de prédiction pour CdGrain basé sur le pH et la concentration en Cd du sol. Cependant, la pertinence de cette combinaison de facteurs n’a pas été démontrée dans notre étude. Par ailleurs, d’autres études (Sappin-Didier et al., 2002 ; Chaudri et al., 2007 ; Novotná et al., 2015) réalisées sur le blé ont proposé des modèles de transfert qui intègrent diverses propriétés du sol, seules ou combinées, telles que la texture (pourcentage d’argile, limon et sable), le pH, le carbone organique total, la teneur en d’autres éléments traces (Cr, Cu, Ni, etc.). Il semble que dans la zone d’étude, les teneurs en Cd et Zn dans le sol soient le facteur déterminant principal, sinon exclusif, des teneurs dans la plante.

5 Conclusion

Les concentrations en Cd et Zn mesurées dans les grains, tiges et épis des orges cultivées en milieu contaminé sont de 2 à 9 fois supérieures aux concentrations mesurées dans les orges témoins. De plus, dans les cas étudiés, les concentrations en Cd mesurées dans les grains ne dépassent pas la teneur maximale (0,1 mg/kg MF) tolérée par la réglementation de mise sur le marché (règlement [UE] no 488/2014). Les grains d’orge récoltés peuvent donc être utilisés sans aucune restriction préalable comme source d’alimentation. Cependant, il est à noter que dans certains cas, les concentrations CdGrain et ZnGrain sont supérieures aux concentrations mesurées dans des plantes cultivées en milieu non impacté par des activités anthropiques.

Par ailleurs, il existe peu de relations entre les propriétés des sols et les concentrations dans le grain, à l’exception des teneurs pseudo-totales et disponibles en Cd et Zn dans le sol. Pour l’ensemble des prélèvements, les teneurs pseudo-totales en Cd et en Zn présentes dans le sol expliquent une partie de la variabilité des concentrations dans les grains, soit 42 % pour Cd et 78 % pour Zn. Cependant, pour les sols dont les teneurs pseudo-totales en Cd sont inférieures à 0,5 mg/kg ou dont les teneurs pseudo-totales en Zn sont inférieures à 70 mg/kg, CdGrain et ZnGrain sont comparables à des mesures réalisées sur des sols non contaminés.

Remerciements

Nous tenons à remercier l’équipe du Professeur Bernard Bodson de la ferme expérimentale de Gembloux Agro-Bio Tech (Liège Université), et plus particulièrement Jérôme Pierreux pour son aide durant l’échantillonnage de la parcelle d’essai. Nous remercions également tous les agriculteurs qui nous ont permis de recueillir des échantillons dans leurs parcelles ainsi que l’équipe technique de l’Axe Échanges Eau-Sol-Plante pour son travail à la préparation des échantillons ou à l’analyse des sols et des plantes.

Références

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Citation de l’article : Liénard A, Colinet G. 2018. Transfert en cadmium et zinc vers l’orge de printemps en sols contaminés et non contaminés de Belgique : évaluation et prédiction. Cah. Agric. 27: 25002.

Liste des tableaux

Tableau 1

Statistiques descriptives pour les paramètres du sol : pHeau, pHKCl, COT, NT, éléments traces et éléments majeurs (mg/kg).

Descriptive statistics for pHwater, pHKCl, total organic carbon (COT), total nitrogen (NT), traces and major elements (mg/kg).

Tableau 2

Matrice des corrélations entre les concentrations en Cd et Zn mesurées dans le grain, la tige et l’épi et les paramètres du sol significatifs.

Pearson correlation matrix between concentrations of Cd and Zn in seed, stem and ear and significant soil parameters.

Tableau 3

Équations de régression linéaire ou quadratique pour les concentrations en Cd et Zn mesurées dans le grain.

Linear and quadratic regression equations for concentration of Cd and Zn in seed.

Liste des figures

thumbnail Fig. 1

Localisation des lieux de prélèvements à l’échelle a) de la Belgique, b) de la zone témoin et c) de la zone contaminée de Sclaigneaux.

Location of sampling places at scale of a) Belgium, b) control area and c) contaminated Sclaigneaux area.

Dans le texte
thumbnail Fig. 2

Concentrations a) en Cd et b) en Zn mesurées dans les différentes parties des orges récoltées sur les sols contaminés et les sols témoins (+/− erreur standard de la moyenne) (mg/kg de matière sèche). Contaminé : N = 18 ; Témoin : N = 10 sauf pour CdGrain avec N = 6.

Concentrations of a) Cd and b) Zn measured in barley harvested in contaminated and control soils (+/− mean standard error) (mg/kg dry matter). Contaminated: N = 18, control: N = 10 apart from CdSeed with N = 6.

Dans le texte
thumbnail Fig. 3

Répartition i) de la minéralomasse moyenne (%) en Cd et Zn et ii) de la matière sèche moyenne (g) (axe vertical secondaire) mesurée pour une plante d’orge récoltée en zone contaminée et en zone témoin.

Distribution of i) the average mineralomass (%) of Cd and Zn and ii) the average dry matter (g) (secondary vertical axis) measured for a barley plant harvested in contaminated and control area.

Dans le texte
thumbnail Fig. 4

Projection des données au sein des sous-populations estimées via l’analyse Cate-Nelson a) Cd et b) Zn.

Representation of data within the estimated subpopulations via the Cate-Nelson analysis a) Cd and b) Zn.

Dans le texte

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