Facteurs influençant la microlysimétrie

Comme pour les méthodes de prélèvement à tension à macro-échelle, la composition chimique de la solution de sol prélevée par microlysimétrie peut dépendre d’une variété de facteurs techniques dont il faut tenir compte. Les principaux facteurs influençant l’échantillonnage sont le niveau de réactivité des matériaux du système de prélèvement avec la substance échantillonnée, la proximité du contact de l’instrument avec la matrice du sol, la texture et le contenu en eau du sol, et l’impact du prélèvement sur le régime hydrique du sol (Di Bonito, 2005; Weihermüller, L. et al., 2007; Luster et al., 2009).

a) L’effet des matériaux sur les métaux.

Les réactions qui peuvent se produire entre les composantes de la solution échantillonnée et le matériel de l’instrument sont l’adsorption, la précipitation ou la libération de substances chimiques (Di Bonito, 2005; Shen et Hoffland, 2007). Les biais potentiels associés aux métaux traces (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) sont plus souvent liés à l’adsorption. Différents matériaux ont été testés pour minimiser l’adsorption des métaux traces et il en a résulté que les meilleurs sont le polyamide (p. ex. nylon), le polyethylène (PE) et le polytétrafluoroéthylène (p. ex. teflon) (Weihermüller et al., 2007). Rais et al., (2006) après avoir testé divers matériaux sous diverses conditions de pH et de carbone organique dissous (COD), trouvent que le Zn et le Cd sont généralement moins fortement adsorbés que Pb et Cu, ce qui concorde avec Wenzel and Wieshammer (1995). Pour ce qui est des microlysimètres en polyéthersulphone (PES) de marque Rhizon©, Rais et al., (2006) ont montré qu’ils performaient de façon satisfaisante pour le Zn, Cd et Pb, mais que, à l’opposé, le Cu était fortement adsorbé peu importe les conditions. Toutefois, ces derniers résultats proviennent de tests en solution, alors le comportement réactif des microlysimètres pourrait être variable dans les sols. Selon, Grossmann et Udluft, (1991) après plusieurs prélèvements dans les sols, les concentrations de métaux traces prélevées avec les échantillonneurs à tension devraient se rapprocher des concentrations réelles de la solution de sol en raison de l’équilibre qui s’établit entre la surface d’échange cationique de l’instrument et la solution.

Les tests de Rais et al., (2006) ont également montré l’importance de l’effet du COD sur l’adsorption des métaux traces. En effet, le COD peut réduire la rétention des métaux en formant des complexes solubles avec eux. Par contre, le COD peut avoir l’effet contraire et augmenter la CEC suite à sa propre adsorption ce qui hausse la rétention en phase solide des métaux. Un système d’échantillonnage ne devrait donc pas adsorber ou libérer de COD en grande quantité

(Weihermüller et al., 2007). Cependant, il a été montré que la surface poreuse des microlysimètres Rhizon© se recouvrait, malgré le nettoyage à l’acide, d’un film organique suite au premier échantillonnage dans les sols, posant de nouveau le problème de l’adsorption sur ces nouvelles surfaces (Di Bonito, 2005). Par ailleurs, la force ionique de la solution semble avoir un effet sur l’adsorption des métaux. Andersen et al., (2002) montrent que la force ionique faible d’une solution augmente l’adsorption de Cd, Ni, Zn et spécialement celle de Cu après un instrument à tension fait de PTFE. De plus, Meers et al., (2006) ont observé que l’absence, ou de faibles concentrations, de cations compétitifs (Ca, Mg, Na, K, Fe Mn, Al) augmentait la rétention de métaux traces par les Rhizon©, particulièrement Cu et Pb, Quand à l’effet du pH, il semblerait très significatif pour l’adsorption des métaux sur le PTFE en la diminuant à pH acide. Inversement, l’effet du pH sur l’adsorption des métaux par les microlysimètres Rhizon© ne semble pas déterminant (Rais et al., 2006).

b) L’effet du prélèvement sur l’eau dans le sol

Le prélèvement de l’eau par le microlysimètre modifie les conditions hydriques du sol. La difficulté est d’avoir un impact minimal sur les conditions du milieu tout en obtenant une solution de sol représentative et ce, tout en prélevant un volume de solution suffisant. Toutefois, on ne peut mesurer directement l’influence des microlysimètres sur le régime de l’eau du sol en milieu naturel. De plus, certains auteurs affirment que les échantillonneurs à tension ont un biais inhérent en prélevant préférentiellement la solution des macropores au détriment de celles contenue dans les micropores du sol (Weihermüller et al., 2007). Di Bonito, (2005) a évalué la provenance de l’eau en utilisant 18O comme traceur, et il a trouvé que l’échantillonnage avec un microlysimètre à tension n’était pas représentatif car il prélevait une solution de sol ne faisant pas partie de l’eau capillaire mais plutôt de l’eau gravitationnelle.

Le niveau optimal de tension à appliquer au microlysimètre et le mode d’opération optimal est encore sujet à débat (Weihermüller et al., 2007). En général, la tension appliquée aux échantillonneurs à tension dépend du type de sol, du volume d’eau requis pour les analyses, du contenu du sol en eau, et de la durée de l’extraction sous tension. (Weihermüller et al., 2007). La fenêtre d’opération des microlysimètres est donc limitée, car les Rhizon© fonctionnent seulement quand le sol n’est pas trop sec, soit lorsque le potentiel matriciel est plus grand que 10 kPa. Il faut également considérer que le prélèvement d’un trop grand volume peut causer une perturbation significative dans le sol (Grossmann et Udluft, 1991). De plus, il faut minimiser le temps de prélèvement afin d’avoir une mesure ponctuelle dans le temps et de respecter la vitesse

à laquelle l’eau diffuse vers les pores vidés. Shen et Hoffland (2007) suggèrent à cet égard un temps d’extraction de moins de deux heures pour la mesure du Zn et citrate. Pour évaluer l’impact du prélèvement sur les conditions hydriques du sol, la zone d’influence autour du microlysimètre peut être calculée. Contrairement aux échantillonneurs à tension conventionnels où la solution de sol est acquise d’un seul point à l’extrémité, la surface de drainage des Rhizon© est distribuée uniformément le long de l’entière section du filtre. Ainsi, une estimation de la surface d’influence est donnée en calculant le rayon du cylindre d’influence qui représente le volume de sédiment duquel l’eau est prélevée. Pour ce faire, Seeberg-Elverfeldt et al., (2005) ont développé la formule suivante :

r = rayon du cylindre d’influence autour du microlysimètre (cm) V sample = volume échantillonné (ml)

l= longueur du cylindre poreux (cm) Φ= porosité

Ces auteurs ont validé le calcul du rayon d’influence avec un traceur fluorescent. Le traceur apparaissait lorsque le volume prélevé était de plus de 4 ml dans les sédiments sableux et à grains fins. Dans le même ordre d’idée, Di Bonito (2005) a associé ce rayon d’influence avec le type de sol et la pression exercée sur celui-ci. Ces résultats sont affichés à la figure 1.7 où chaque type de sol (α-value) est représenté par une courbe. Le diamètre des Rhizon© et les conditions optimales d’échantillonnage ont été assumés pour le calcul, et les valeurs de α correspondent aux valeurs observées dans la littérature. Comme il était anticipé, le rayon d’influence est plus grand pour les sols à texture fine (argileux) et plus petit pour les sols à texture grossière. Les deux lignes verticales, représentent la capacité au champ (FC) et la tension exercée par une seringue, délimitant ainsi les conditions qui s’appliquent dans ce type d’échantillonnage.

Figure 1.7 : Rayon d’influence des microlysimètres en fonction de la pression exercée et du type de sol (Di Bonito, 2005).