Bioavailability of copper and zinc for plants and earthworms : interactions between the effects of organic fertilization on long-term and organisms on the evolution of soil physico-chemical properties
Biodisponibilité du cuivre et du zinc pour les plantes et les vers de terre : interactions entre les effets de fertilisants organiques sur le long-terme et des organismes sur l'évolution des propriétés physico-chimiques du sol
Résumé
The agronomic valorization of organic fertilizers (OF) is one of the main source contamination of agricultural soils in trace elements. This is particularly significant for copper (Cu) and zinc (Zn) for which the ecotoxicity and more generally their impact on soil fertility on the long-term is a matter of concerns. The scientific literature of the two last decades did not enable to state clearly whether Cu and Zn bioavailability for soil organisms will be impacted by OF application. Indeed, previous studies did not take into account the modifications of Cu and Zn availability in soils induced by (i) pH and organic matter (OM) temporal evolution observed with OF application and (ii) organism activities in the soil they can bio-influence. My PhD work thus aimed at assessing the respective effects of soil contamination, soil pH and OM evolution and key soil organisms (i.e. plants and earthworms) in the bio-influenced volume of soil, on Cu and Zn bioavailability for these organisms in the context of OF applications.This work was based on soils sampled from field trials in Réunion and amended for a decade with mineral or organic fertilizers, or never fertilized. The evolution of pH, concentration and aromaticity of dissolved organic matter (DOM), and Cu and Zn availability (i.e. totale concentration and free ionic activity) was measured in soil solutions of the non-bio-influenced soils and the soil bio-influenced by the activities of either plant roots (i.e. rhizosphere) or earthworm bioturbation (i.e. drilosphere). Copper and Zn bioavailability was assessed by the measurement of Cu and Zn concentration in a tropical epi-endogeic earthworm species (Dichogaster saliens) and a temperate plant species (Festuca arundinacea, fescue) exposed to soils in mesocosms under laboratory conditions.In the absence of bio-influence, OF application did not only increase the level of Cu and Zn contamination in soils, but also pH and the concentration and aromaticity of DOM in soil solutions. Total Cu concentration in soil solution increased in soils amended with OF proportionally to DOM concentration while Cu2+ activity decreased mainly proportionally to pH increase, which resulted in a similar Cu availability between soils amended with OF or not. Due to the lower affinity of Zn for DOM, total Zn concentration and Zn2+ activity decreased in soils with OF application proportionally to pH increase, which resulted in Zn availability equal or lower in soils amended with OF than in non-amended soils. Thus, the modification of pH and DOM seems to regulate Cu and Zn availability in non-bio-influenced soils by exerting a protective effect that counteracts Cu and Zn contamination.Under the influence of earthworms or plants, the variation range of pH and DOM concentration was reduced regardless of fertilization type in bio-influenced soils compared to non-bio-influenced soils. In the drilosphere, this resulted in a similar effect of OF application on Cu and Zn availability but in a lesser extent than the effect of OF application in non-bio-influenced soils. In the rhizosphere, the intense root activities resulted in the absence of OF effect on Cu and Zn availability. The combination of the protective effects induced by OF application and organism activity explained why Cu and Zn bioavailability for earthworms and plants did not increase with OF application for a decade despite Cu and Zn contamination in soil.
La valorisation agronomique de fertilisants organiques (FO) est une source majeure de contamination des sols agricoles en éléments traces. Ce constat est particulièrement prégnant pour le cuivre (Cu) et le zinc (Zn) dont l’écotoxicité vis-à-vis des organismes du sol et plus largement l’impact sur la fertilité du sol posent question sur le long-terme. La littérature scientifique des deux dernières décennies ne permet cependant pas de trancher quant à l’évolution de la biodisponibilité pour les organismes du sol de Cu et Zn ainsi apportés. En effet les travaux antérieurs ne tiennent pas compte de la modification de la disponibilité de Cu et Zn pouvant être induite (i) par l’évolution temporelle du pH et de la matière organique (MO) observée avec l’apport de FO et (ii) par les activités des organismes dans le sol qu’ils sont susceptibles de bio-influencer. L’objectif de mon travail de thèse a donc été d’évaluer les effets respectifs de la contamination du sol, de l’évolution du pH et de la MO du sol et d’organismes clés du sol (i.e. les plantes et les vers de terre) dans le volume de sol bio-influencé, sur la biodisponibilité de Cu et Zn pour ces organismes en contexte d’apports de FO sur le long-terme.Ce travail a été basé sur l’étude de sols provenant d’essais de terrain conduits à La Réunion, amendés pendant une décennie avec des fertilisants minéraux ou organiques ou jamais fertilisés. L’évolution du pH ainsi que de la concentration, de l’aromaticité de la matière organique dissoute (MOD) et de la disponibilité de Cu et Zn (i.e. concentration totale et activité de l’ion libre) a été mesurée dans la solution du sol non bio-influencé ainsi que du sol bio-influencé, soit par les activités racinaires (i.e. la rhizosphère), soit par l’activité des vers de terre (i.e. la drilosphère). La biodisponibilité de Cu et Zn a été évaluée par la mesure de leur concentration dans une espèce épi-endogée tropicale de vers de terre (Dichogaster saliens) et une espèce végétale tempérée (Festuca arundinacea, la fétuque), exposées aux sols en mésocosmes au laboratoire.En l’absence de bio-influence, l’apport de FO a non seulement augmenté la contamination en Cu et Zn dans les sols, mais également le pH ainsi que la concentration et l’aromaticité de la MOD dans la solution des sols. La concentration totale de Cu dans la solution du sol a augmenté dans les sols ayant reçu des FO, proportionnellement à la concentration en MOD alors que l’activité de Cu2+ a diminué principalement du fait de l’augmentation du pH, se traduisant par une disponibilité de Cu identique entre les sols ayant reçu des FO ou non. Le Zn ayant une plus faible affinité pour la MOD, la concentration totale en Zn et l’activité de Zn2+ ont diminué dans les sols ayant reçu des FO sous l’effet de l’augmentation du pH, se traduisant par une disponibilité de Zn identique ou inférieure, dans ces sols par rapport aux sols non amendés. Ainsi, les modifications de pH et de MOD semblent réguler la disponibilité de Cu et Zn dans les sols non bio-influencés par un effet protecteur vis-à-vis de la contamination en Cu et Zn.Sous l’influence des vers de terre ou des racines des plantes, la gamme de variation du pH et de la concentration en MOD quel que soit la modalité de fertilisation s’est réduite par rapport aux sols non bio-influencés. Cela s’est traduit dans la drilosphère par un effet de l’apport de FO sur la disponibilité de Cu et Zn similaire à celui observé dans le sol non bio-influencé mais de plus faible ampleur. Du fait d’une forte intensité des activités racinaires, cela s’est en revanche traduit dans la rhizosphère par une absence d’effet de l’apport de FO sur la disponibilité de Cu et Zn. La combinaison des effets protecteurs induits par l’apport de FO et l’activité des organismes a permis d’expliquer pourquoi la biodisponibilité de Cu et Zn pour les vers de terre et les plantes n’a pas augmenté avec les apports décennaux de FO malgré la contamination en Cu et Zn.
Origine : Version validée par le jury (STAR)