Modelling of the evolution of trace metal contents in urban agricultural soils - Université de Lorraine
Thèse Année : 2022

Modelling of the evolution of trace metal contents in urban agricultural soils

Modélisation des bilans et des flux de métaux en traces dans les sols sous agriculture urbaine

Résumé

Consumption of vegetables grown in a soil contaminated by trace metals and direct soil inhalation pose a risk to human health. In order to maintain the sustainability of urban gardens, predicting the evolution of metals in soils should allow to identify risks related to metal contamination of soil, and thus to apply practices to better preserve the functions rendered by garden soils and target a more efficient rehabilitation of contaminated soils. We used a mass balance model to simulate the evolution of soil metals under the different gardening practices over time. The mass balance was improved to make it more applicable to vegetable gardens by considering the regular and intensive use of organic waste amendments. Leaching and plant uptake are the main flows of metals loss in soils. We incorporate the RothC and VSD+ models to simulate the changes in soil carbon and pH over time, respectively. Specific values of plant uptake factor for over 60 vegetable species have been collected from literature to simulate metal loss via plant uptake. Metal input flows are associated to chemical fertilizers, organic waste amendment, pesticides and atmospheric deposition. Soil tillage depth and crop rotation have also been considered in the model. We predicted the evolution of soil metal (Cd, Cu, Pb and Zn) concentrations in 104 French vegetable gardens over the next 100 years. If current gardening practices are maintained, an increase in soil Cd (35% on average), Cu (183%), and Zn (27%) contents should occur after a century. Soil Pb concentration should not vary consistently. The model has also been used to simulate the historical and future trends of soil metal concentrations in the King’s Vegetable Garden (Potager du Roi) in Versailles, which has more than 300 years of gardening practices since its creation in 1683. Simulated soil pH and OM by the integrated RothC and VSD+ modules are very close to measured values, with variation less than 10%. Soil Zn contents have been well simulated comparing to measured values, with a variation range of 3% to 25% in different scenarios. Less accurate results were found in the historical trend simulations of Cd, Cu and Pb content in soils. In the future trend simulations, the soil metal contents will increase by 39% for Cd, 20% for Cu, 5% for Pb, and 32% for Zn for the next century, while the current gardening practices will be maintained in King’s Vegetable Garden. Green waste compost contributes over 70% of the total input and output metal flows. Moreover, there would be a chronic over-exposure to Cd and Pb for people who would only consume vegetables grown in the King's Vegetable Garden in the future. According to the results of the simulations, current gardening practices can lead to accumulation of metals in French vegetable garden soils. A standard for gardening practices should be developed to prevent/mitigate soil metal contamination in order to ensure food safety.
La consommation de légumes cultivés dans un sol contaminé par des métaux et l'inhalation directe du sol représente un risque pour la santé humaine. Afin de maintenir la durabilité des jardins urbains, la prédiction de l'évolution des métaux dans les sols devrait nous permettre d'identifier les risques liés à la contamination des sols par les métaux, et ainsi de mettre en place des pratiques permettant de mieux préserver les fonctions rendues par les sols des jardins et de cibler une réhabilitation plus efficace des sols contaminés. Nous avons utilisé un modèle de bilan de masse pour simuler l'évolution des métaux du sol sous les différentes pratiques de jardinage au cours du temps. Le modèle de bilan de masse a été amélioré pour le rendre applicable aux jardins potagers en considérant leur utilisation régulière et intensive d'amendements organiques. La lixiviation et le prélèvement par les plantes sont les principaux flux de perte de métaux dans les sols. Nous avons incorporé, respectivement, les modèles RothC et VSD+ pour simuler les changements du carbone et du pH dans les sols. Des valeurs spécifiques de PUF (plant uptake factor) pour plus de 60 espèces végétales ont été recueillies dans la littérature pour simuler la perte de métaux par le prélèvement par les plantes. Les flux d'entrée de métaux ont été pris en compte dans le modèle de bilan de masse, en considérant les apports d’engrais chimiques, d’amendements organiques, de pesticides et les dépôts atmosphériques. La profondeur du travail du sol et la rotation des cultures ont également été prises en compte dans le modèle. Nous avons prédit l'évolution des concentrations de métaux dans le sol de 104 jardins potagers français au cours des 100 prochaines années. Si les pratiques de jardinage actuelles sont maintenues, une augmentation des teneurs en Cd (35% en moyenne), Cu (183%) et Zn (27%) du sol devrait se produire après un siècle. La concentration de Pb dans le sol ne devrait pas varier de façon notable. Le modèle a également été utilisé pour simuler les tendances historiques et futures des concentrations en métaux du sol dans le Potager du Roi à Versailles, qui compte plus de 300 ans de pratiques de jardinage depuis sa création en 1683. Le pH du sol et la MO du sol simulés par les modules RothC et VSD+ sont très proches des valeurs mesurées, avec une variation inférieure à 10%. Les teneurs en Zn des sols ont été bien simulées par rapport aux valeurs mesurées, avec un intervalle de variation de 3% à 25% dans les différents scénarios. Des résultats moins précis ont été trouvés dans les simulations de tendances historiques de la teneur en Cd, Cu et Pb dans les sols. Dans les simulations de tendances futures, les teneurs en métaux des sols du Potager du Roi augmenteront de 39 % pour le Cd, 20 % pour le Cu, 5 % pour le Pb et 32 % pour le Zn dans un siècle, alors que les pratiques de jardinage actuelles seraient maintenues. Le compost de déchets verts contribue à plus de 70 % du total des flux de métaux entrants et sortants. En outre, il existerait une surexposition alimentaire chronique au Cd et au Pb pour les personnes qui ne consommeraient que des légumes cultivés dans le Potager du Roi à l'avenir. D'après les résultats des simulations, les pratiques de jardinage actuelles peuvent entraîner une accumulation de métaux dans les sols des potagers français. Une norme relative aux pratiques de jardinage devrait être élaborée pour prévenir/atténuer la contamination des sols par les métaux afin de garantir la sécurité alimentaire.
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tel-03780640 , version 1 (23-02-2023)

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  • HAL Id : tel-03780640 , version 1

Citer

Xueqian Zhong. Modelling of the evolution of trace metal contents in urban agricultural soils. Agronomy. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0051⟩. ⟨tel-03780640⟩
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