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N° d’ordre : S7/TE/2005 N° de série : 06/Nat/2005 THÈSE PRESENTÉE AU DÉPARTEMEN

N° d’ordre : S7/TE/2005 N° de série : 06/Nat/2005 THÈSE PRESENTÉE AU DÉPARTEMENT DES SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA VIE UNIVERSITÉ MENTOURI DE CONSTANTINE POUR L’OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR D’ETAT EN ÉCOLOGIE PAR KADEM Dhaou-El-Djabine Ecologue – Pédologue de l’Université de Constantine Thème : ÉVALUATION ET COMPORTEMENT DES MÉTAUX LOURDS (Cd – Cr – Cu – Ni – Pb – Zn et Mn) DANS LES SOLS À VOCATION AGRICOLE ET À VÉGÉTATION NATURELLE SOUMIS À UNE POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE. (EL-HADJAR – ANNABA – EST ALGÉRIEN). INFLUENCE DE LA VÉGÉTATION SUR LA DYNAMIQUE DE CES MÉTAUX. Acceptée sur proposition du jury : 02/07/2005 Prof. A. Djekoun Président – Université Mentouri Constantine Prof. O. Rached Rapporteur – Université Mentouri Constantine Prof. H. Aït Amar Examinateur – Université Houari Boumediène Alger Prof. M. Kaabèche Examinateur – Université Farhet Abbès Sétif Prof. S. Mehennaoui Examinateur – Université de Batna Année universitaire 2004-2005 A la mémoire de ceux qui sont irremplaçables : ma mère, mon père ; A ma chère épouse, celle que tout le monde surnomme ‘’l’Ange’’, Zoubida ; A Chems El Hana (Ahlem) A Bya (Amira) A Med-Amar-Zakaria (dit Zak) REMERCIEMENTS Je tiens à remercier particulièrement le professeur Rached-Mosbah O, pour avoir accepté de remplir la formalité administrative de directeur de thèse. Mes remerciements au professeur Djekoun A. pour avoir accepté de présider le jury de thèse. Messieurs les professeurs Aït-Amar H. de l’Université d’Alger, Kaabèche M. de l’Université de Sétif et Mehennaoui S de l’Université de Batna m’ont fait l’honneur de juger ce travail. Je souhaite leur exprimer ici toute ma gratitude. Je tiens également à remercier Messieurs : Baize D (inra Paris) ; Ciesielski H (inra Arras) et Sterckeman T. (ensa Nancy) pour les entretiens fructueux sur les questions d’extractants. Je ne peux finir sans remercier le professeur J.C Vedy et J.P Dubois (Ingénieur) de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse) ; outre la gentillesse de leur accueil, ils m’ont fait profiter de leurs connaissances et ont mis à ma disposition d’importantes ressources bibliographiques. N° d’ordre : S7/TE/2005 N° de série : 06/Nat/2005 THÈSE PRESENTÉE AU DÉPARTEMENT DES SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA VIE UNIVERSITÉ MENTOURI DE CONSTANTINE POUR L’OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR D’ETAT EN ÉCOLOGIE PAR KADEM Dhaou-El-Djabine Ecologue – Pédologue de l’Université de Constantine Thème : ÉVALUATION ET COMPORTEMENT DES MÉTAUX LOURDS (Cd – Cr – Cu – Ni – Pb – Zn et Mn) DANS LES SOLS À VOCATION AGRICOLE ET À VÉGÉTATION NATURELLE SOUMIS À UNE POLLUTION ATMOSPHÉRIQUE. (EL-HADJAR – ANNABA – EST ALGÉRIEN). INFLUENCE DE LA VÉGÉTATION SUR LA DYNAMIQUE DE CES MÉTAUX. Acceptée sur proposition du jury : 02/07/2005 Prof. A. Djekoun Président – Université Mentouri Constantine Prof. O. Rached Rapporteur – Université Mentouri Constantine Prof. H. Aït Amar Examinateur – Université Houari Boumediène Alger Prof. M. Kaabèche Examinateur – Université Farhet Abbès Sétif Prof. S. Mehennaoui Examinateur – Université de Batna Année universitaire 2004-2005 A la mémoire de ceux qui sont irremplaçables : ma mère, mon père ; A ma chère épouse, celle que tout le monde surnomme ‘’l’Ange’’, Zoubida ; A Chems El Hana (Ahlem) A Bya (Amira) A Med-Amar-Zakaria (dit Zak) REMERCIEMENTS Je tiens à remercier particulièrement le professeur Rached-Mosbah O, pour avoir accepté de remplir la formalité administrative de directeur de thèse. Mes remerciements au professeur Djekoun A. pour avoir accepté de présider le jury de thèse. Messieurs les professeurs Aït-Amar H. de l’Université d’Alger, Kaabèche M. de l’Université de Sétif et Mehennaoui S de l’Université de Batna m’ont fait l’honneur de juger ce travail. Je souhaite leur exprimer ici toute ma gratitude. Je tiens également à remercier Messieurs : Baize D (inra Paris) ; Ciesielski H (inra Arras) et Sterckeman T. (ensa Nancy) pour les entretiens fructueux sur les questions d’extractants. Je ne peux finir sans remercier le professeur J.C Vedy et J.P Dubois (Ingénieur) de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse) ; outre la gentillesse de leur accueil, ils m’ont fait profiter de leurs connaissances et ont mis à ma disposition d’importantes ressources bibliographiques. Sommaire Page Préambule Chapitre I. Introduction 1. Pollution – contamination : définition adéquate ?..... .......................................................1 2. Situation du sujet………………………………………..………………………………....2 3. Stratégie de réalisation………………………………...…………………………………..5 Chapitre II. Connaissances de base et contexte d’étude 1. Connaissances de base…..…………………………………………………………………7 1.1. Métaux lourds – éléments traces – micro-éléments : désignation adéquate ?.................7 1.2. Origine des métaux lourds dans les sols……………………………………..…………9 1.3. Relation : Métaux lourds- Sol……………………………………………..……………9 1.4. Métaux lourds : nature, critères de sélection, caractéristiques générales….....…...…...10 1.4.1. Le cadmium………………...…………………………………………………….10 1.4.1.1. Origine géogène……………………………………………………………….10 1.4.1.2. Le cadmium dans le sol………………………………………………………..10 1.4.1.3. Comportement du Cd dans le sol……………...………………………………11 1.4.1.4.Biodisponibilité du Cd…………………………………………………………11 1.4.1.5. Toxicité du Cd…………………………………………………………………12 1.4.2. Le chrome…….…….…………………………………………………………….12 1.4.2.1. Origine géogène……...….…………………………………………………….12 1.4.2.2. Le chrome dans le sol………………………………………………………….13 1.4.2.3. Comportement du Cr dans le sol…...……………………….…………………13 1.4.2.4. Biodisponibilité du Cr…………………………………………………………13 1.4.2.5. Toxicité.…….…………………………………………………………………13 1.4.3. Le cuivre…………………………………………………….…………………….13 1.4.3.1. Origine………….…………………………………….……………………….13 1.4.3.2. Le cuivre dans le sol……………………………..…………………………….14 1.4.3.3. Comportement du Cu dans le sol…...…....……………………………………14 1.4.3.4.Bio et phytodisponibilité du Cu….……...……………………………………..15 1.4.3.5. Toxicité – phytotoxicité…….…………...………………………………….…15 1.4.4. Le nickel…………………………...……………….……………………………..15 1.4.4.1. Origine géogène……………………………………………………………….15 1.4.4.2. Le nickel dans le sol…….……………………………………………………..16 1.4.4.3. Comportement du nickel dans le sol : spéciation et phytodisponibilité………16 1.4.4.4.Biodisponibilité ……..…………………………………………………………17 1.4.4.5. Toxicité……..…………………………………………………………………17 1.4.5. Le plomb………………………………………………………………………….17 1.4.5.1. Origine…….……….………………………………………………………….17 1.4.5.2. Pb dans le sol………………...………………………………………………..18 1.4.5.3. Comportement du plomb dans le sol : spéciation et mobilité…………………18 1.4.5.4.Biodisponibilité du Pb………………………………………………………….19 1.4.5.5. Toxicité……..…………………………………………………………………19 1.4.6. Le zinc…………………………………………………………………………….19 1.4.6.1. Origine.………………………………………………………………………..19 1.4.6.2. Le zinc dans le sol………………………………………………………..……20 1.4.6.3. Comportement du zinc dans le sol : spéciation et mobilité……………………20 1.4.6.4.Biodisponibilité ……..…………………………………………………………20 1.4.6.5. Toxicité………………………………………………………………………..20 2. Zone d’étude : présentation et caractéristiques.……………………………………….22 2.1. Caractéristiques climatiques générales………………………………………………..22 2.2. Données climatiques (périodes de prélèvement)………………………………………23 2.2.1. Pluviométrie……...………………………………………………………………..23 2.2.2. Le vent……………..………………………………………………………………23 2.3. Caractéristiques géologiques…………………………………………………………..24 2.4. Caractéristiques pédologiques…………………………………………………………24 2.5. Végétation……………………………………………………………………………..25 Chapitre III. Matériels et méthodes. 1. Travail au champ…………………………………………………………………………26 1.1. Zone d’étude : délimitation et caractéristiques parcellaires…………………………...26 1.2. Echantillonnage au champ : critères de sélection………………………………..........29 1.3. prélèvement des échantillons………………………………………………………….29 1.3.1. Sol………………………………………………………………………………....29 1.3.2. Végétation…………………………………………………………………………30 2. Travail de laboratoire…………………………………………………………………….31 2.1. Méthodes pour les analyses des échantillons de sols et de végétation…………...........31 2.1.1.Analyses de caractérisation globale des échantillons de terre……………………..31 2.1.2. Extractions et analyses spécifiques appliquées à l’étude des métaux lourds dans le sol (modes opératoires)……………………………………………………………31 2.1.2.1. Extraction des métaux lourds totaux (eau régale) (selon Hoening)…………...32 2.1.2.2. Extraction des métaux lourds échangeables (NaNO3) (Osol)…………………32 2.1.2.3. Extraction à l’eau (extrait 1/5)………………………………………………...32 2.1.3. Extraction et analyses spécifiques appliquées à l’étude des métaux lourds dans la végétation (mode opératoire)…………………………………….………………..33 2.1.4. Méthodes analytiques appliquées à la destruction quantitative des métaux lourds…….…………………………………………………..………………………...33 2.2. Méthodes statistiques………………………………………………………………….33 3. Précautions spécifiques à l’échantillonnage et à l’analyse des métaux lourds........…..36 4. Justification du choix des méthodes d’extraction et d’analyse des métaux lourds…...36 5. Justification des choix des normes……………………………………………………….37 6. Justification du choix des plantes………………………………………………………..37 7. Validation des méthodes d’extraction et d’analyse quantitative des métaux lourds…38 8. Validation des résultats…………………………………………………………………..38 Chapitre IV. Résultats et discussion 1. Résultats…………………………………………………………………………………...42 1.1. Paramètres physico-chimiques……...………………………………………………...42 1.1.1. Parcelle‘’Bois’’…….………………………………………...……………………42 1.1.2. Parcelle‘’Prairie’’…….……………………………………………………………42 1.1.3. Parcelle ‘’Tomate’’…….……………………………………………………...…..43 1.1.4. Parcelle ‘’Féverole – Melon – Blé’’...…………………………………………….43 1.2. Métaux lourds dans le sol……...………………….…………………………………...45 1.2.1. Teneurs totales……………………………………………………………………45 1.2.1.1. Parcelles ‘’Bois’’. Placettes : ‘’Olivier’’ ; ‘’Lentisque’’ et ‘’Sol nu’’………..45 1.2.1.2. Parcelle ‘’Prairie’’...…………………………………………………………..46 1.2.1.3. Parcelle ‘’Tomate’’……………………………………………………….…..47 1.2.1.4. Parcelle ‘’Féverole’’..…………………………………………………….…..47 1.2.1.5. Parcelle ‘’Melon’’..………………………………………………………..….48 1.2.1.6. Parcelle ‘’Blé’’.…...……………………………………………………….….48 1.2.2. Teneurs échangeables…………………………………………………………….50 1.3. Métaux lourds dans la végétation……...……………………………………………...53 2. Discussion……...………………………………………………………………………….57 2.1. Charge en métaux lourds au niveau des parcelles : Variabilité intra parcellaires ………………………………………………………..57 2.1.1. Parcelle ‘’Bois’’…………………………………………………………………...57 2.1.1.1. Charge en métaux lourds : teneur totale………………………………………57 2.1.1.2. Charge en métaux lourds : teneurs échangeables……………………………..64 2.1.2. Parcelle ‘’Prairie’’…………………………………………………………………64 2.1.2.1. Charge en métaux lourds : teneur totales……………………………………..65 2.1.2.2. Charge en métaux lourds : teneurs échangeables……………………………..68 2.1.3. Parcelle ‘’Tomate’’……...………………………………………………………...70 2.1.3.1. Charge en métaux lourds : teneur totale………………………………………70 2.1.3.2. Charge en métaux lourds : teneurs échangeables……………………………..71 2.1.4. Parcelle ‘’Féverole’’….…………………………………………………………...72 2.1.4.1. Charge en métaux lourds : teneur totale………………………………………72 2.1.4.2. Charge en métaux lourds : teneurs échangeables……………………………..73 2.1.5. Parcelle ‘’Melon’’.....……………………………………………………………...74 2.1.5.1. Charge en métaux lourds : teneur totale………………………………………74 2.1.5.2. Charge en métaux lourds : teneurs échangeables……………………………..75 2.1.6. Parcelle ‘’Blé’’..…………………………………………………………………...76 2.1.6.1. Charge en métaux lourds : teneur totale………………………………………76 2.1.6.2. Charge en métaux lourds : teneurs échangeables……………………………..77 2.2. Répartition des métaux lourds : variabilité interparcellaires……………………..78 2.2.1. Répartition au niveau des sols……………………………………………………..78 2.2.1.1. Teneurs totales………………………………………………………………...78 2.2.1.2. Teneurs échangeables…………………………………………………………86 2.3. Métaux lourds dans la végétation : influence des espèces végétales………………….88 2.3.1. Influence de la végétation sur l’absorption du cuivre……………………………..88 2.3.2. Influence de la végétation sur l’absorption du nickel……………………………..93 2.3.3. Influence de la végétation sur l’absorption du plomb……………………………..96 2.3.4. Influence de la végétation sur l’absorption du zinc...……………………………..98 Conclusion……..……………………………………………………………………………107 Références bibliographiques……………………………………………………………...110 Annexes ………...………………………………………………………………………….115 Annexe I : paramètres physico-chimiques Annexe II : teneurs métaux lourds dans les sols Annexe III : teneurs métaux lourds dans la végétation Annexe IV : corrélations. Annexe V : Tests. Annexe VI : Valeurs aberrantes Liste des figures Liste des tableaux. ANNEXE V. TEST ‘’t’’ METAUX LOURDS DANS LA VEGETATION Test ‘’t’’ pour des échantillons indépendants Note: Variables traitées comme des échantillons indépendants Tableau V1 Stat. Descriptives (Parcelle ‘’LENTISQUE’’) 1er 3ème N Actifs Moyenne Médiane Minimum Maximum Quartile Quartile Variance Ec-Type CU 10 9,13000 10,00000 3,48000 10,43000 8,70000 10,43000 4,56344 2,136222 MN 10 25,24100 25,00000 16,19000 31,69000 22,53000 29,57000 21,89488 4,679196 NI 10 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,000000 PB 10 1,01000 0,00000 0,00000 10,10000 0,00000 0,00000 10,20100 3,193900 ZN 9 15,95333 uploads/Litterature/ kad4278 1 .pdf