1 Etat de l’art
1.2 Cycle du chlore dans un écosystème terrestre
processus naturels complexes de formation (chloruration) et de dégradation (déhalogénation) du chlore organique. Par ailleurs, les compartiments des écosystèmes terrestres échangent entre eux des flux de chlore qui vont influencer les concentrations et stocks de chlore dans les sols.
1.2 Cycle du chlore dans un écosystème terrestre
1.2.1 Apports de chlore aux sols
1.2.1.1 Sources de chlore à un écosystème
Le chlore peut atteindre le sol par les dépôts atmosphériques secs (gaz et particules) ou humides (pluies et neiges). Les dépôts dépendent de la distance à la mer, de la direction du vent, des précipitations et de l’évapotranspiration (Ericksson et al., 1960 ; Potts et al., 1978 ; Draaijers et al., 1996 ; Clarke et al., 2009). Les dépôts humides de chlore total en Europe varient de 0,5 à 220 kg.ha.an-1 (Clarke et al., 2009) tandis que les dépôts secs de chlore total sont estimés en moyenne à 6 kg.ha.an-1, soit 15-73% des dépôts totaux (Svensson et al., 2010). Les dépôts secs et humides sont principalement constitués de chlore inorganique. En France, les dépôts (secs et humides) de chlore atmosphériques sont inférieurs à 6 kg.ha.an-1 à l’Est contre 50 kg.ha.an-1 à L’Ouest (Redon et al., 2011). Ces résultats mettent bien en évidence une influence marine sur les dépôts. Dans le cadre d’une étude menée au Danemark, les dépôts atmosphériques de chlore inorganique (Clin) sont estimés à 100 kg.ha.an-1 (Öberg et Gron, 1998). En considérant une concentration moyenne de chlore inorganique dans les dépôts humides de 0,1 mg.L-1, un dépôt humide moyen annuel mondial de 1100000 km3.an-1
et des dépôts secs deux fois plus importants, alors le dépôt global de chlore inorganique à l’échelle de la planète serait de 33 millions de t.an-1 (Öberg, 2003).
Les dépôts secs et humides contiennent également du chlore organique (Ennel et Wennberg, 1991 ; Grimvall et al., 1991 ; Grimvall et deLeer., 1995). Laniewski et al. (1995) et Öberg et Gron (1998), estiment, dans le cadre d’une étude menée au Danemark, que le chlore organique apporté par les dépôts atmosphériques est de 0,38 kg.ha.an-1. Considérant les précipitations dans le monde proches de 1100000 km3.an-1 (Graedel et al., 1993), Öberg (2003) estime que le dépôt total de chlore organique serait de 1,1 millions de t.an-1. L’origine
12
de ce chlore organique dans les précipitations est encore peu connue. Des sources anthropiques, notamment des polluants industriels comme les pesticides, ont été trouvées à des concentrations de l’ordre du ppt (Stringet et Jonston, 2001). Ces teneurs sont bien plus faibles (de 3 ordres de grandeur) que celles mesurées pour le chlore organique total trouvé dans les précipitations, laissant suggérer une origine naturelle au chlore.
Le tableau 1. 1 permet de faire un bilan des données concernant les flux d’entrée de chlore au sol par les dépôts secs et humides.
Tableau 1.1. Bilan des données issues de la littérature concernant les flux d’entrée de chlore au sol par dépôts secs et humides.
Auteur Informations supplémentaires flux de chlore total flux de chlore organique flux de chlore inorganique Clarke et al. (2009) Dépôts humides
(Europe)
0,5-220 kg.ha.an-1
Svensson et al. (2010) Dépôts secs 15-73% des dépôts totaux
6 kg.ha.an-1
Redon et al. (2011) Est de la France < 6 kg.ha.an-1
Ouest de la France 50 kg.ha.an-1
Öberg et Gron (1998) Danemark 0,38 kg.ha.an-1 100 kg.ha.an-1
Öberg (2003) Dépôt global à l’échelle mondiale 1,1 millions de t.an-1 33 millions de t.an-1
Classiquement il existe 2 sources externes d’éléments à un écosystème terrestre peu anthropisé : les dépôts atmosphériques et l’altération des minéraux du sol. Cependant, rares sont les minéraux contenant du chlore dans les roches. Ainsi, seule l’altération de certaines roches riches en minéraux contenant du chlore (sylvine et halite) conduit à un enrichissement des sols en chlore inorganique, à des endroits très localisés.
Les concentrations les plus importantes en Cl sont retrouvées dans les roches sédimentaires de type évaporites (Melkerud et al., 1992). Les roches magmatiques de type felsiques (silicatées), comme le granite, contiennent des teneurs en chlore inorganique plus faibles que les roches mères mafiques (basalte). Les minéraux contenant du chlore correspondent notamment à la halite (NaCl) ou à la sylvine (KCl). Lovett et al. (2005) estiment,
13
dans le cadre d’une étude menée aux Etats-Unis, que la contribution de l’altération à la teneur en chlore total du sol est de 2% pour un site développé sur roche mère granitique.
Dans les écosystèmes anthropisés, Bastviken et al. (2013) rappellent que les entrées de chlorures au sol d’origine anthropique par les irrigations ou les fertilisations représentent une part importante, notamment sur sols agricoles. L’irrigation, même avec une eau de faible salinité (200 g Cl.m3) contribue à un apport de 1000 kg.ha.an-1 (Xu et al., 2000). De cette façon, elle peut conduire à une accumulation de chlore inorganique dans les sols (Rengasamy et al., 2010).
Le salage des routes en hiver peut également augmenter la concentration en chlore inorganique dans les eaux de surface et les eaux profondes, et donc indirectement dans les sols par pollution diffuse (Ramakrishna et Viraraghavan, 2005). Ceci est d’autant plus marqué dans les pays où les précipitations sous forme neigeuse sont abondantes. Dans le Sud-Est de la Suède, Tröjbom et al. (2008) estiment que l’apport de chlore inorganique par salage est de 35 à 56% du chlore inorganique total contenu dans le sol.
1.2.1.2 Apport de chlore à la surface du sol par le recyclage de litière
Le chlore, du fait de sa forte électronégativité, est impliqué en tant qu’agent de chloruration ou d’oxydation dans les systèmes vivants (Neidleman et Geigert, 1986 ; Gribble et al., 1992). Les chlorures participent à l’osmorégulation des cellules dans les plantes, ou la quantité minimale requise est de 1g.kg-1 (White et Broadley, 2001) et sont impliqués dans le processus de photosynthèse, ou ils jouent le rôle de co-facteur d’enzymes (Winterton et al., 2000).
Le chlore peut être apporté à la surface du sol par la matière organique issue des végétaux, et plus particulièrement par les dépôts, la dégradation de litière (feuilles, branches, racines) et les pluviolessivats dans les écosystèmes forestiers.
Van den Hoff et Thiry (2012) montrent que le prélèvement annuel de chlore par une forêt de pin développée en Belgique sur un sol de type podzol est 9 fois supérieur à son besoin
14
en chlore. L’excès de chlore inorganique retourne alors au sol par les pluviolessivats et par la litière.
Bien que le chlore soit majoritairement présent sous forme inorganique dans les plantes, il apparait que la proportion de chlore organique augmente dans la plante au cours de sa sénescence et de sa dégradation (Leri et Myneni, 2011). La litière peut ainsi contenir à la fois du chlore inorganique et du chlore organique (Johansson et al., 2003 ; Öberg et al., 2005).
Bastviken et al. (2013), estiment l’apport de chlore par la litière à 0,1-2,5 kg.ha.an-1 sur des écosystèmes forestiers situés en France. En considérant une production annuelle mondiale de litière d’environ 54,8 milliards de tonnes, un ratio Cl/C moyen dans les produits en décomposition de 0,1 mg.g-1 de matière organique, alors l’apport de chlore au sol par la végétation est de 5,5 millions de t.an-1 (Öberg, 2003)
Le chlore apporté au sol par les pluviolessivats est deux fois plus important que celui des dépôts atmosphériques (41 et 20 kg.ha.an-1, respectivement ; Redon et al., 2011). Il dépend par ailleurs de la distance à l’arbre (Öberg, 2003). Öberg (2003) estime le dépôt annuel de chlore organique par les pluviolessivats à 0,04 g.m2, soit 2,25 millions de t.an-1 à l’échelle du globe.
1.2.2 Les sorties de chlore hors des sols
Les pertes de chlore par drainage profond ou drainage latéral des solutions de sol qui vont rejoindre les nappes ou rivières sont documentées principalement pour le chlore inorganique (Bastviken et al., 2013). Les données sur les pertes de chlore organique par drainage sont rares. Öberg et al. (1998) rapportent cependant que les eaux de drainage semblent contenir une concentration en chlore organique deux fois plus faible que celle en chlore inorganique dans le cas d’une étude menée sur une forêt située au Danemark. Öberg et Gron (1998) estiment que le transport par drainage de chlore organique est de 0,07 g.m2.an -1, soit 0,63 kg.ha.an-1 dans une étude menée dans une forêt d’épicéa située au Danemark. Considérant une concentration moyenne de carbone dans les eaux de drainage de 50 mg.L-1
15
mondiale de chlore organique dans les eaux de drainage de 100 μg.L-1 et un transport annuel de 4,7 millions de tonnes (Öberg, 2003).
Par ailleurs, bien qu’étant considéré comme un flux faisant partie du cycle biologique interne à l’écosystème, le prélèvement de chlore par les plantes constitue également une voie d’exportation du chlore hors du sol. Les plantes doivent en effet absorber suffisamment de chlore inorganique pour remplacer les pertes par chutes de litières, lessivage/lixiviation des feuilles et permettre une accumulation de Cl dans la biomasse. De la même façon, l’exploitation du bois de forêt constitue une perte de chlore de l’écosystème.
Van den Hoff et Thiry (2012) précisent qu’une proportion de chlorures peut également quitter le sol par volatilisation. Öberg et Gron (1998) rapportent en effet que la fragmentation de substances chlorées dans les sols peut conduire à la formation de composés chlorés volatils. Les pertes de chlore du sol sous forme gazeuse sont observées dans une large gamme d’écosystèmes (Dimmer et al., 2001 ; Rhew et al., 2002 ; Albers et al., 2011) et dans différentes régions climatiques (Yokouchi et al., 2002 ; Rhew et al., 2008 ; Albers et al., 2011). Il a également été observé que ces flux varient avec la saison (Dimmer et al., 2001 ; Haselmann et al., 2002). De précédentes études identifient 7 composés organochlorés volatils principaux. Les plus importants correspondent au chlorométhane et au chloroforme (Hoekstra et al., 2001 ; Haselmann et al., 2002 ; Wang et al., 2007 ; Mead et al., 2008). Dimmer et al. (2001) ont évalué les émissions naturelles de chloroforme et de chlorométhane dans une forêt de conifères à 0,13 g.m2.an-1 et 0,04 g.m2.an-1, respectivement.
La figure 1. 1 permet de faire un bilan des principales sources d’apports (flux d’entrée) et de pertes (flux de sorties) de chlore aux sols.
16
Figure 1.1. Principales sources d’apports (flux d’entrée) et de perte (flux de sortie) de chlore au sol.
Les teneurs en chlore dans les sols sont donc le résultat de flux d’entrées (apports de chlore au sol) et de flux de sorties (perte de chlore au sol). Ces flux correspondent à la fois à des flux de chlore inorganique et de chlore organique, bien que les flux de chlore inorganique soient dominants.