Dynamique des polluants persistants en forêt

Résumé

La contamination atmosphérique en Eléments Traces Métalliques
Les Éléments Traces Métalliques (ETM) sont des éléments constitutifs de la croûte terrestre, présents en faibles concentrations. Leur dispersion dans l'atmosphère peut être due à de nombreux processus naturels, tels que les feux de forêts, les éruptions volcaniques ou l'émission d'aérosols marins.

Cependant, l'exploitation des métaux par l'homme pour ses activités industrielles y a aussi contribué, depuis l'Antiquité. Cette influence anthropique a explosé au XXème siècle dans l'hémisphère nord avec la révolution industrielle et le développement des transports. Les cycles naturels des ETM ont ainsi été modifiés à l'échelle globale et leur dispersion atmosphérique sur de longues distances a entraîné la contamination de milieux a priori exempts de ce type de pollution.

Aujourd'hui, les émissions de cadmium et plomb sont en diminution en Europe grâce notamment à l'interdiction de l'utilisation du plomb dans les essences en 2000 et à l'amélioration des techniques industrielles de réduction des émissions. Ce constat n'est pas vérifié pour tous les métaux. Les émissions peuvent être stables, comme celles de cuivre et de nickel, voire croissantes pour d'autres éléments comme l'antimoine. De plus, si les émissions sont majoritairement en baisse à l'échelle européenne, elles augmentent globalement à l'échelle mondiale, du fait du développement de l'activité industrielle en Asie.

Le suivi des dépôts atmosphériques
Les dépôts atmosphériques à longue distance d'ETM sont suivis et évalués à l'échelle européenne par le programme EMEP . Ils sont modélisés à partir de mesures ponctuelles sur les territoires. En France, deux stations seulement, appartenant au réseau MERA , sont équipées pour le suivi des dépôts atmosphériques d'ETM. Mais par ailleurs, le réseau BRAMM , qui utilise les mousses comme bio- accumulateurs des ETM permet une couverture à l'échelle du territoire avec 528 sites de collecte. Lorsque cela est possible, les sites BRAMM sont choisis proches de ceux du réseau RENECOFOR.

Ces derniers servent également de supports pour la comparaison des mousses et lichens comme bioindicateurs des dépôts d'ETM et pour l'étude de l'influence du couvert forestier sur leur enregistrement.

En effet, les forêts sont particulièrement sensibles à la pollution atmosphérique en métaux. Leur couvert constitue une surface d'échange réactive vis-à-vis des ETM. Le dépôt sec s'y accumule. L'exsudation de molécules organiques par la canopée peut induire la dissolution totale ou partielle de ce dépôt sec qui est mis en solution lors du passage de la précipitation humide.

Par ailleurs, les éléments apportés par l'atmosphère par voie humide ou sèche peuvent être assimilés par la canopée. Ces processus modifient les flux incidents des ETM atteignant les sols forestiers. La comparaison des dépôts prélevés hors et sous couvert forestier au niveau du réseau CATAENAT permet d'observer directement cet effet. Ainsi, sous couvert forestier, les flux de plomb sont augmentés (en moyenne 5 fois), alors que les flux de zinc sont réduits en moyenne de moitié, par exemple.

Dynamique des métaux dans les écosystèmes forestiers
Le devenir des ETM dans les forêts dépend de leur transfert entre les compartiments de l'écosystème (sol, eau, végétation), comme schématisé dans la Figure. Leur mobilité est liée d'une part à leur rôle potentiel pour la biosphère (certains éléments sont des micronutriments comme le cuivre, le cobalt, le chrome, le nickel ou le zinc, alors que d'autres n'ont pas de rôle biologique connu comme l'antimoine, le cadmium ou le plomb), et d'autre part et à leurs caractéristiques chimiques. En particulier, leur affinité pour la matière organique (solide et dissoute), et leur sensibilité au pH contrôlent largement leurs transferts au sein des sols et vers la biosphère, et leur potentielle accumulation dans les sols forestiers. Ainsi, dans un contexte acide comme la placette SP 57, les métaux ne s'accumulent pas dans les sols car ils sont dissous et exportés par les eaux de drainage ; à l'inverse, dans un contexte basique comme la placette SP 11, ils ont tendance à s'accumuler. 

Schéma des flux d’ETM dans les écosystèmes forestiers

Impacts des métaux dans les écosystèmes forestiers 
L'analyse des sols des placettes du réseau RENECOFOR montre qu'ils contiennent des métaux dispersés par les activités humaines notamment pour les sites de l'Est et du Nord de la France. Toutefois, leur niveau de contamination reste faible. Actuellement, les apports atmosphériques en ETM sur les forêts françaises sont modérés et représentatifs des dépôts à longue distance en zone rurale en Europe. Ils sont majoritairement d'origine anthropique, mais ne dépassent pas les charges critiques, soit la quantité maximale admissible par un écosystème, en l'état actuel des connaissances.

Résumé

Les contaminations chroniques bas-niveaux et les longues échelles de temps sont des critères primordiaux quand on envisage les risques d'exposition liés aux activités de la filière nucléaire, dont celles dérivant du stockage de matières radioactives.

À cause de la variabilité des contextes et de la complexité des interactions entre les composantes de l'environnement (atmosphère, sol, eau, flore, faune), la modélisation du transfert des éléments dans la biosphère implique généralement une série de choix sur les concepts, les paramètres et les hypothèses à considérer en fonction du degré de précision visé.

Pour éviter de sous-estimer les risques à long terme, les modèles radio-écologiques et éco-toxicologiques - classiquement utilisés pour la chaîne alimentaire et le calcul d'impact des Centres de stockage des déchets radioactifs - adoptent une vision simplifiée des phénomènes de transfert des contaminants dans des systèmes stylisés à l'équilibre, ainsi qu'une stratégie prudente de sélection des valeurs de paramètres avec un biais pénalisant.

Cette démarche conservative est avant tout dictée par la réglementation et par des critères de radioprotection. Elle reste cependant peu adaptée pour donner par exemple une information scientifique précise sur la dynamique d'accumulation de ces polluants dans le sol ou la végétation, à leur spéciation, à leur biodisponibilité ou toxicité avérée. Une caractérisation plus mécanistique du cycle biogéochimique des contaminants dans des écosystèmes naturels typiques de l'environnement doit permettre de développer des modèles dynamiques plus rationalistes qui puissent être utilisés comme outils de questionnement, pour traiter des incertitudes, en support aux modèles prédictifs classiques.

L'écosystème forestier, actuellement très présent dans l'environnement des zones de stockage de déchets radioactifs, représente un système naturel qui prédomine en l'absence d'occupation du territoire par l'homme, sous différents climats. Les longues échelles de temps qui caractérisent les évaluations de risques associés au stockage de déchets radioactifs (100-10000 ans) sont similaires à celles du fonctionnement de l'écosystème forestier. Le caractère pérenne de l'écosystème forestier en fait donc un modèle adapté pour étudier le comportement à long terme des contaminants dans l'environnement. Il s'agit en fait :

• de préciser la redistribution des contaminants entre le sol et la végétation, ainsi que les échelles de temps concernées dans des conditions environnementales représentatives des climats futurs ;

• de comparer l'impact de relâchements hypothétiques de contaminants à celui résultant des empreintes historiques (naturelles vs. artificielles) de l'environnement ;

• de nuancer le risque d'accumulation en modélisant différentes voies de contamination (dépôts atmosphérique vs. relâchement sous-terrain) ;

• de vérifier la validité des simplifications utilisées dans les modèles de transfert génériques opérationnels.

Les cibles prioritaires sont les isotopes stables ou radioactifs des éléments (Cl, I, Se, Cs, C, B, As, Hg, Cs ...) qui font la singularité des programmes Andra et qui sont détectables à partir du fond naturel. Les modèles envisagés visent plus de réalisme écologique et non la complexité, en se basant sur des teneurs, stocks et flux mesurés (rétention, transformation, volatilisation, ...), notamment à partir de sites densément équipés, ou qui autorisent l'accès à de longues séries de données.

Dans ce contexte, la coopération du réseau RENECOFOR a été sollicitée pour disposer d'échantillons variés (eau, sol, biomasse), représentatifs de conditions environnementales contrastées. Les collections d'échantillons ont été exploitées pour améliorer par exemple la quantification des flux de transformation du chlore (inorganique vs. organique) dans la colonne de sol, en vue d'une représentation plus explicite dans les modèles de cycle. D'autres études sont en cours pour identifier le rôle des facteurs environnementaux qui influencent la distribution, la spéciation ou le temps de résidence d'autres éléments (chlore-36, iode, sélénium, césium).

Résumé

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) constituent une famille de polluants organiques persistants (POP) provenant pour l'essentiel de la combustion incomplète de la matière organique. En raison de leur toxicité et de leur présence généralisée de l'environnement (notamment sous l'effet de retombés atmosphériques loin des sources d'émission), les HAP sont reconnus comme substances prioritaires par l'Union européenne.

Dans le cadre d'un travail de thèse, l'évolution des teneurs en HAP dans les feuilles des arbres, dans l'humus et dans le sol des forêts, a été étudiée en utilisant des échantillons prélevés de 1993 à 2011 sur 14 placettes RENECOFOR et conservés en pédothèque.

De fortes concentrations en HAP sont mesurées ponctuellement sur certains sites en relation avec des sources d'émission locales (feux de forêt, proximité de sites industriels ou urbains). Si l'on excepte ces situations particulières, les concentrations en HAP dans les feuilles et les aiguilles (de l'année de prélèvement) diminuent de façon régulière dans la période étudiée (cf. Figure).

Evolution de la somme des concentrations des 14 HAP analysés dans les échantillons de feuilles de 14 parcelles du réseau RENECOFOR

Cette réduction suit la même tendance que les émissions de HAP dans l'air estimées au cours de la même période. L'analyse rétrospective d'échantillons de feuilles permet donc, dans une certaine mesure, de reconstituer l'évolution de teneurs en HAP atmosphérique. Compte tenu des concentrations mesurées, la part de HAP fixés dans les feuilles des forêts françaises a été estimée à 2 à 5% du total de HAP émis. Ce résultat, très éloigné des 44±18% initialement proposés par Simonich et Hites (1994) en Indiana (USA), peut conduire ici à relativiser l'effet filtre de polluants atmosphériques souvent évoqué comme rôle de la forêt.

Dans l'humus, les concentrations en HAP semblent, pour l'essentiel, contrôlées par la dynamique de minéralisation et d'incorporation des matières organiques dans le sol. En effet, elles sont plus élevées dans les horizons humiques (OH) des humus les plus épais (de type mor). Une mobilisation des HAP les plus légers par le flux hydrique est néanmoins supposée.

Sous les humus, les résultats obtenus dans les couches minérales des sols mettent en évidence des stocks de HAP très importants par rapport aux flux entrants, ce qui implique un temps de résidence très élevé. La constitution des stocks de HAP dans les sols forestiers français pourrait donc résulter d'une dynamique d'accumulation sur des temps très longs (plusieurs centaines d'années).

Le réseau RENECOFOR, utilisé ici à la fois comme réseau de placettes permanentes mais aussi comme bibliothèque d'échantillons (pédothèque ; archivage des feuilles), s'avère un dispositif tout à fait pertinent pour des approches de rétro-observation environnementale.