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Variabilité de la relation entre les pertes de césium et de sol par érosion hydrique
Geoderma, 52 ( 1 9 9 2 ) 2 6 5 - 2 7 7 Elsevier Science Publishers B.V., A m s t e r d a m
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Variabilit6 de la relation entre les pertes de c6sium et de sol par 6rosion hydrique C l a u d e B e r n a r d a, M a r c R . L a v e r d i ~ r e b e t A l a i n R . P e s a n t c
aMinistbre de l'Agriculture, des Pkcheries et de I'Alimentation du Qubbec, Service des Sols, 2700, rue Einstein, Sainte-Foy, Que. G1P 3W8, Canada bUniversitb laval, Facultb des Sciences de l'Agricuhure et de l'Alimentation, Dbpartement des Sols, Sainte-Foy, Que. G1K 7P4, Canada CAgriculture Canada, Station de Recherche, CP. 90, Lennoxville, Que. JIM 1Z3, Canada (Requ le l mai 1991; accept6 apr~s revision le 15 aofit 1991 )
ABSTRACT Bernard, C., Laverdi~re, M.R. and Pesant, A.R., 1992. Variabilit6 de la relation entre les perles de c6sium et de sol par 6rosion hydrique (Variability of the relationship between cesium and soil losses by water erosion). Geoderma, 52: 265-277. The relationship between 134Csloss and soil erosion was investigated on two sites with different soil textures. Three successive applications of 3700 Bq m - 2 were incorporated at two different depths. After each one of these applications, soil and cesium losses were measured following two simulated rainfalls. 134Cs losses increased with soil losses. A logarithmic relationship was developed between these two parameters. However, this relationship fluctuates depending on soil texture and soil tillage. ~34Cs losses and sediment radioactivity were higher under shallow tillage than under deeper incorporation of cesium. The sediments coming from the light textured soil showed a greater enrichment in clay and organic matter, resulting in a higher activity in ]34Cs. The addition of cesium with time increased the radioactivity of sediments and the specific losses of ~3aCs. The relationship between cesium loss and soil erosion is therefore variable and may be influenced by numerous factors. Consequently, this variability should be considered when estimating soil movements from 137Csdata under field conditions. RI~SUMI~ La relation entre la perle de 134Cset la perle de sol par 6rosion hydrique a 6t6 6tudi6e sur deux sols pr6sentant des textures diff6rentes. Trois applications successives de 3700 Bq m -2 ont 6t6 enfouies deux profondeurs diff6rentes. Les pertes de sol et de c6sium produites sous pluie simul6e ont 6t6 mesur6es apr6s chacune de ees applications. G6n6ralement, les perles de ~34Cs ont augment6 avec la perle de sol et une relation de type logarithmique a 6t6 d6velopp6e entre ces deux param~tres. Cette relation varie cependant selon la texture du sol en place et le travail du sol. En raison d'une dilution moins importante, les parcelles travaill6es superficiellement ont produit des s6diments pr6sentant une activit6 plus 61ev6e et des pertes sp6cifiques de ~34Csplus importantes que les parcelles travaill6es plus profond6ment. Les s6diments provenant des parcelles sur sol plus sableux ont montr6 une activit6 plus 61ev6e que ceux provenant des parceiles sur sol plus lourd, en raison d'un enrichissement relativement plus important en argile et en mati6re organique. Le cumul des applications de c6sium s'est traduit par une croissance dans le temps de l'activit6 du mat6riel 6rod6 et des pertes sp6cifiques de J34Cs. La relation entre la perle de sol et la perle de c6sium est donc variable et peut 6tre influenc6e
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c. BERNARDET AL.
par divers facteurs. L'utilisation en plein champ du 137Cs c o m m e indicateur des m o u v e m e n t s de sol devrait donc prendre en consid6ration cette variabilit6.
INTRODUCTION
L'6rosion constitue une forme importante de d6gradation des sols, en raison de l'importance de ses impacts agronomiques et environnementaux. On a 6valu6 que les impacts agronomiques de l'6rosion hydrique au Qu6bec seraient de l'ordre de 15 M$ annuellement (Conseil des sciences du Canada, 1986). On estime g6n6ralement que les impacts hors-ferme ou environnementaux sont du m~me ordre de grandeur que les impacts agronomiques (Clark et al., 1985 ). La collecte de donn6es repr6sentatives sur l'importance de l'6rosion constitue cependant un processus lent et cofiteux. L'utilisation d'un marqueur comme le c6sium appara/t alors comme une alternative tr6s int6ressante. Le suivi dans le temps du d6placement de ce marqueur permet d'estimer h peu de frais l'importance des mouvements de sol et l'influence de divers facteurs (sol, topographie, culture, etc. ) sur ces d6placements (Ritchie et McHenry, 1990). Diverses relations ont 6t6 sugg6r6es pour relier la perte de 137Cs ~1l'6rosion hydrique. A ce jour, la plupart des auteurs ont assum6 une perte de sol proportionnelle ~ la r6duction de l'activit6 sp6cifique en 137Cs de l'horizon Ap (couche de labour). Kachanoski (1987) a confirm6 une telle relation, en identifiant une corr61ation lin6aire tr~s significative ( r = 0,80 P < 0,01 ) entre les pertes de sols cumul6es sur une p6riode de 10 ans et la r6duction de l'activit6 sp6cifique de 137Cs de l'horizon Ap de parcelles exp6rimentales. Pour leur part, en regroupant leurs r6sultats avec ceux de Rogowski et Tamura (1970) sur le 137Cs, ceux de Menzel (1960) sur le 9°Sr et ceux de Graham ( 1963 ) sur le 85Sr, Ritchie et al. ( 1974 ) ont sugg6r6 une relation non pas lin6aire mais logarithmique entre la perte de radioisotope de la couche de labour et l'6rosion mesur6e ou estim6e h l'aide de l'6quation universelle de perte de sol. Enfin, Kachanoski et DeJong (1984) ont propos6 un mod61e d6crivant l'6volution dans le temps de l'activit6 du sol en 137Cs. Ce mod61e prend en consid6ration l'importance des retomb6es et la teneur du sol en isotope au moment d'un 6v6nement 6rosifde m~me que l'effet antagoniste de la dilution des retomb6es par le labour et l'enrichissement en 13VCsdu sol 6rod6 par rapport au sol en place:
dA/dT=Dt-EtK2C, -K~At
(1)
ou: Test temps; A t est activit6 sp6cifique de la couche de labour en 137Cs (Bq m - 2 ) ; E test taux d'6rosion (kg m -2 a n - ' ); G est activit6 du sol en 137Cs (Bq
VARIABILITI~DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~SIUMET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE 267
kg-~); Dt est retomb6es de 137Cs (Bq m - 2 a n - l ) ; g l est cte d6sint6gration du 137Cs (0,023 a n - l ) ; et 1(2 est enrichissement du sol 6rod6 en 137Cs. Ce mod61e identifie plusieurs facteurs qui pourraient influencer la relation entre la perte de sol et la perte de c6sium. La pr6sente 6tude vise donc/l pr6ciser cette relation. Plus pr6cis6ment, on a cherch6 h v6rifier c o m m e n t la dilution des retomb6es radioactives dans le sol suite/l l'utilisation de diff6rentes pratiques culturales et le caract6re s61ectif du processus d'6rosion interagissent sur cette relation. MATI~RIEL ET MI~THODES
Deux sites exp6rimentaux ont 6t6 retenus sur la ferme exp6rimentale de la station de recherche d'Agriculture Canada ~ Lennoxville (Qu6bec). Le site 1 pr6sentait un loam limoneux de la s6rie Coaticook (Gleysol luvique humique) et le site 2 un loam graveleux de la s6rie Magog (Gleysol orthique ). Les caract6ristiques de la couche superficielle (0-20 cm) de ces sols sont pr6sent6es au Tableau 1. Le sol Magog, d6velopp6 sur till glaciaire, pr6sentait une profondeur de 5 cm une couche naturellement compacte et pierreuse de 10 ~ 15 cm d'6paisseur. L'inclinaison de la pente 6tait de 9% aux deux endroits. A chacun de ces sites, trois blocs de quatre parcelles ont 6t6 6tablis. Chaque parcelle 6tait isol6e des autres par des bandes m6talliques de 20 cm de hauteur enfonc6es dans le sol. La dimension des parcelles 6tait de l m de largeur par 5 m de longueur. Ces sites 6taient sous prairie herbag6re depuis 3 ans. Apr6s la destruction initiale de la v6g6tation, les parcelles sont demeur6es en jach~re durant toute la dur6e du projet. Trois applications de 3700 Bq m - 2 de ~34Cs ont 6t6 faites sur chacune des parcelles, en aoflt 1989, puis au d6but et ~ la fin de juin 1990. Le c6sium appliqu6 6tait imm6diatement incorpor6 au sol soit de fa¢on superficieUe (5 cm), soit plus profond6ment (20 cm), selon la s6quence pr6sent6e au Tableau 2. Les quatre traitements 6taient distribu6s al6atoirement ~ l'int6rieur de chacun des blocs. Apr6s chacune des applications de 134Cs ' deux pluies produites ~ l'aide d'un simulateur similaire celui de Meyer et McCune (1958) ont 6t6 appliqu6es. La premiere, d'une intensit6 de 63 m m h - x pendant 15 minutes, 6tait suivie environ 15 minutes TABLEAU 1 Caract6ristiques des couches superficielles ( 0 - 2 0 cm) des sols en place a Site
l 2
Texture du sol
Loam limoneux Loam graveleux
Granulom6trie (%) Sable
Limon
Argile
15,7 48,1
64,2 41,0
20,1 10,9
aMoyennes de 36 valeurs. bApr6s labour et tassement naturel.
Mat. org. (%)
Densit6 b apparente ( Mg m - 3)
4,9 2,5
0,92 1,16
268
C. BERNARDET AL.
TABLEAU 2 Mode d'enfouissement des applications de 134Cs Traitements
Application 1
Application 2
Application 3
1 2 3 4
Labour~ Hersageb Labour Hersage
Labour Labour Hersage Hersage
Labour Labour Hersage Hersage
"Enfouissement sur 20 cm approximativement. bEnfouissement sur 5 cm approximativement.
plus tard d'une seconde avec une intensit6 de 42 mm h - t pendant 15 minutes 6galement. Entre les applications de c6sium, les parcelles 6taient recouvertes d'une toile, afin de pr6venir tout ruissellement et toute perte de sol et de 134Cs non contr616s. Des 6chantillons de sol ont 6t6 pr61ev6s dans chacune des parcelles en d6but de projet et apr6s chacune des applications de 134Cs. Les parambtres suivants ont 6t6 d6termin6s sur chacun des 6chantillons pr61ev6s, selon les m6thodes rapport6es par McKeague ( 1978 ): carbone organique par oxydation par voie humide, granulom6trie par la m6thode h l'hydrom6tre, masse volumique apparente par la m6thode du cylindre. L'activit6 en 134Cs a 6t6 d6termin6e par spectrom6trie h rayonnement gamma aprbs un comptage de 7000 secondes, selon la m6thode d6crite par DeJong et al. ( 1982 ). Le volume d'eau ruissel6e ainsi que sa teneur en matibres en suspension ont 6t6 quantifi6s pour chacune des pluies simul6es. Le mat6riel 6rod6 a 6t6 soumis aux m6mes analyses que le sol en place des parcelles. RI~SULTATS ET DISCUSSION
Ruissellement et pertes de sol
Le Tableau 3 pr6sente les donn6es relatives au ruissellement, aux concentrations en mati6res en suspension et aux pertes totales de sol mesur6es apr6s chacune des trois applications de c6sium. En moyenne, le volume total d'eau ruissel6e a vari6 de 49,5 h 97,7 litres par parcelle. La concentration moyenne de particules en suspension se situait entre 19,7 et 43,3 g 1-1. Les pertes de sol ont vari6 entre 1,09 et 3,34 kg par parcelle, soit l'6quivalent de 2180 ~ 6680 kg h a - 1 Le site 2 a produit des pertes d'eau et de sol statistiquement plus 61ev6es que celles mesur6es au site 1, en raison de la pr6sence de cette couche compacte qui se prolongeait sous la couche travaill6e. L'infiltration des pr6cipitations y 6tait donc consid6rablement limit6e, au profit du ruissellement et de l'6rosion.
VARIABILIT~DE LA RELATIONENTRELES PERTESDE CI~SIUMET DE SOL PAR I~ROSIONHYDRIQUE 269 TABLEAU 3 Ruissellement et 6rosion sur les deux sites exp6rimentaux Site
1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2
Applic.
1 1 2 2 3 3
1 1 2 2 3 3
Travail du sol
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage
Labour Hersage
Labour Hersage Labour
Ruissellement
MES a
Erosion
(I)
(gl -~)
(kg)
53, I b 63,1 62,3 55,4 52,5 49,5 56,0a a 56,0a 71,9 64,2 77,3 64,7 97,7 82,5 82,3a 70,5b 56,0a 76,4b
25,5 31,6 23,2 19,7 28,7 27,8 25,8a 26,4a 39,3 43,3 32,5 32,1 34,3 34,3 35,4a 36,6a 26,1a 36,0b
1,51 2,07 1,45 1,09 1,51 1,34 1,49a 1,50a 2,84 2,83 2,58 2,10 3,34 2,83 2,92a 2,59a 1,49a 2,75b
aMES: Mati6res en suspension. bCumul des pertes apr6s deux pluies, moyennes de six d6terminations. ekes valeurs suivies de la m6me lettre ne sont pas statistiquement diff6rentes au seuil de 0,05.
Au site 1, le volume d'eau ruissel6e, la teneur de cette eau en mati6res en suspension de m~me que la perte de sol n'ont pas diff6r6 statistiquement suivant le mode de pr6paration du sol. Par contre, au site 2, les parcelles hers6es ont produit en moyenne plus de ruissellement que celles travaill6es h une profondeur de 20 cm. La concentration en mati6res en suspension et la perte de sol par parcelle n'ont cependant pas diff6r6 de fa~on statistique.
Caract~ristiques des s~diments La composition granulom6trique ainsi que la teneur en mati6re organique des mat6riaux 6rod6s aux deux sites sont pr6sent6es au Tableau 4. Comme divers auteurs l'ont rapport6 (Sinukaban, 1981; Sharpley, 1985; Young et al., 1986 ), le sol 6rod6 se distingue du sol en place par plusieurs caract6ristiques. Ainsi, par rapport au sol des parcelles, les s6diments provenant du site 1 montraient un enrichissement de 6% en mati6re organique, de 39% en argile et de 1% en limon et une r6duction de la teneur en sable de 58%. Pour le site 2, l'enrichissement 6tait de 111% pour la mati6re organique et de 82% pour l'argile et le limon. L'appauvrissement en sable 6tait de 64%. Ces r6sultats illus-
270
c. BERNARDET AL.
TABLEAU 4 Yeneurs en mati6re organique, granulom6trie et enrichissement du mat6riel 6rod6
Site
Applic.
1 1 2 2 3 3
Travail du sol
Mat. org.
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour
4,8 4,9 6,4 6,1 4,5 4,2 5,2 5,1 5,4 4,8 5,0 7,0 4,7 4,5 5,0 5,4 5,2 5,2
Hersage Labour
1 ! 2 2 3 3
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour
Argile (%)
Limon (%)
Sable (%)
25,8 (1,31) 24,7 (1,32) 30,8 (1,74) 30,5 (1,62) 26,2 (1,13) 28,6 (1,20) 27,6 (1,39a) 27,9 (1,38a) 18,8 (1,80) 16,6 (1,61) 20,3 (1,76) 27,9 (2,42) 17,6 (1,68) 17,3 (1,63) 18,9 (1,75a) 20,6 (1,89a) 27,8 (1,39a) 19,8 (1,82b)
66,8 67,6 61,2 62,0 69,9 68,1 66,0 65,9 64,7 63,2 65,0 54,1 65,8 67,0 65,2 61,4 65,9 63,3
7.4 (0,55) 7,8 (0,57) 6,6 (0,41) 6,1 (0,39) 3,9 (0,31) 3,3 (0,27) 6,0 (0,42a) 5.7 (0,41a) 16,5 (0,35) 20,3 (0.44) 14,7 (0.31) 17,8 (0,37) 16,6 (0.34) 15,7 (0,32) 15,9 (0,33a) 17,9 (0,38a) 5,9 (0,42a) 16,9 (0,36b)
(%) (1,00) a (1,06) (1,28) (1,27) (0,88) (0,85) (1,05a) b (1,06a) (2,15) (1,59) (1,99) (2,93) (2,08) (1,94) (2,07a) (2,15a) (l,06a) (2,11b)
(1,01) (1,02) (0,94) (0,95) (1,09) (1,06) (1,01a) (l,01a) (I,54) (1,45) (1,63) (1,34) (1,67) (l,65) (l,61a) (1,48a) (1,01a) (1,82b)
aRapport entre la teneur du sol 6rod6 et celle du sol des parcelles. bLes valeurs suivies de la m~me lettre ne sont pas statistiquement diff6rentes au seuil de 0,05.
trent bien le caract6re s61ectif de l'6rosion en faveur des particules fines (argile et mati~re organique). Cependant, sur loam graveleux (site 2 ) on a mesur6 des taux d'enrichissement statistiquement plus 61ev6s pour la mati~re organique, l'argile et le lim o n et un taux statistiquement plus faible pour le sable. Ces diff6rences entre les deux sites sugg~rent que cette s61ectivit6 s'exprime avec d'autant plus d'intensit6 que la texture du sol soumis h l'6rosion est grossi~re, c o m m e l'ont d6j/l rapport6 divers auteurs (Gabriels et Moldenhauer, 1978; Miller et Baharuddin, 1987 ). On a ainsi mesur6 une corr61ation positive entre la teneur en sable du sol en place et l'enrichissement du mat6riel 6rod6 en mati~re organique, en argile et en limon. A l'inverse on a obtenu une corr61ation n6gative entre la teneur du sol en place en 616ments fins et l'enrichissement des s6diments en ces m6mes fractions (Tableau 5 ). Enfin, aucun effet statistiquement significatif des traitements sur les taux d'enrichissement n'a 6t6 identifi6 pour l'un ou l'autre des sites.
Pertes de 134Cs Des comptages ont 6t6 effectu6s sur la fraction liquide du ruissellement recueillie apr6s chaque pluie simul6e, afin de quantifer toute perte 6ventuelle
VARIABILITI~DE LA RELATIONENTRE LES PERTES DE CISSIUMET DE SOL PAR I~ROSIONHYDRIQUE 271
TABLEAU 5 Corrrlations entre la composition du sol en place et l'enrichissement du sol 6rod6 Enrichissement du sol 6rod6
Sol en place Sable
Limon
Argile
Mat. org.
Mat. org. Argile Limon
+0,60 0,0001 a + 0,45 0,0001 +0,84 0,0001
-0,59 0,0001 - 0,39 0,0009 -0,85 0,0001
-0,55 0,0001 - 0,53 0,0001 -0,67 0,0001
-0,67 0,0001 - 0,35 0,0027 -0,78 0,0001
aNiveau de signification statistique.
134Cs SOUS forme soluble. Aucun des quelque cent 6chantillons ainsi comptrs n'a rrvr16 de trace de 134Cs soluble. Ceci confirme les travaux effecturs par Rogowski et Tamura (1970), Tamura (1964) ainsi que Miller et Reitemeier ( 1963 ) montrant que le crsium migre dans l'environnement 1i6 de mani~re presqu'exclusive aux srdiments. L'activit6 sprcifique e n 134Cs du sol 6rod6 a vari6 de 87,2 h 299,6 Bq kgau site 1 et de 124,0 ~ 395,9 Bq kg -1 au site 2 (Tableau 6). Des variations inter-sites au niveau de la distribution granulomrtrique du matrriel 6rod6 pourraient expliquer ces diffrrences d'activitr. Le matrriel 6rod6 provenant du site 2 montrait en effet un taux d'enrichissement en particules fines suprrieur h celui des srdiments du site 1 (Tableau 4). A l'inverse, le taux d'enrichissement en sable y 6tait infrrieur. Or, il a 6t6 rapport~ que l'activit~ des sols en isotopes du crsium est principalement lire aux fractions les plus fines telles que l'argile et les mati~res organiques (Maul6 et Dudas, 1989 ). Les srdiments provenant du site 2 6taient donc relativement plus enrichis en particules capables de fixer le crsium et relativement plus appauvris en particules prrsentant vraisemblablement une faible activit6 sprcifique. Ce processus explique 6galement que le materiel 6rod6 prrsentait une activit6 de 1,75 10,78 fois plus 61evre que le sol en place, et que le gain d'activit6 6tait significativement plus 61ev6 au site 2 (5,64 fois) qu'au site 1 (2,91 fois). Les rrsultats du Tableau 6 permettent 6galement d'apprrcier l'importance des pertes mesurres de 134Cs, Les pertes moyennes, apr~s chacune des trois applications de crsium, ont vari6 entre 25,4 et 88,9 Bq m -2 pour le site 1 et entre 52,8 et 262,7 Bq m -2 pour le site 2. Globalement, les pertes ont 6t6 statistiquement suprrieures au site 2, en raison d'une activit6 des srdiments plus 61evre et d'une 6rosion plus srv~re. de
272
c. BERNARDETAL.
TABLEAU 6 Penes de ~34Cs, activit6 et enrichissement des s6diments Site
Applic.
Travail du sol
Perle 134Cs (Bq m-2)
Activit6 des s6diments
Enrichissement a des s6diments
(Bqkg -~ ) 1 1 2 2 3 3
1 1 2 2 3 3
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour
65,9a b 36,2b 62,7a 25,4b 88,9a 34,4b 72,5a 32,0b 140,6a 66,4b 152,4a 52,8a 262,7a 97,4b 185,2a 72,2b 52,3a 128,7b
206,3a 87,2b 217,2a 121,1b 299,6a 129,5b 241,0a 112,6b 260,0a 124,0b 310,7a 142,3b 395,9a 173,9b 322,2a 146,7b 176,8a 234,5b
2,29a 2,12a 5,92a 2,49b 2,88a 1,75b 3,70a 2,12b 4,08a 2,46b 10,78a 3,03b 10,63a 2,85b 8,50a 2,78b 2,91a 5,64b
aRapport entre l'activit6 des s6diments et celle du sol en place. bCumul des penes apr6s deux pluies, moyennes de 6 d6terminations. Les valeurs suivies de la m6me lettre ne sont pas statistiquement diff6rentes au seuil de 0,05.
Relation entre la perte de lS4Cs et la perte de sol Une relation g6n6rale, de type logarithmique, a 6t6 d6velopp6e h partir de l'ensemble des mesures de pertes de 134Cs et de sol. Cette relation s'6nonce ainsi:
S O L = 0 , 0 3 9 C s °'s35 r = 0 , 7 8
P=0,0001
(2)
o~ SOL est la perte de sol (kg m - 2 ) et Cs la perte de 134Cs (Bq m - 2 ) . L'exposant fractionnaire de cette 6quation signifie que la perte de sol associ6e h une perte donn6e de 134Cs n'augmente pas aussi vite que cette derni~re. Ainsi, une perte de 100 Bq m-2 de 134Csserait associ6e/t une perte de sol de 0,58 kg m -2, alors qu'une perte de 200 Bq m -2 en ~34Cs signifierait une perte de sol non pas doubl6e mais de 0,83 kg m -2 seulement. Ceci peut vraisemblablement s'expliquer par l'enrichissement du mat6riel 6rod6 en argile, ce qui en augmente l'activit6 sp6cifique en ~34Cs en comparaison de celle du sol en place (Tableau 6). La perte d'une quantit6 donn6e de sol se traduit alors par une perte croissante de 134Cs h mesure que s'accentue ce ph6nom~ne. Bien qu'une bonne lin6arit6 existe entre les valeurs logarithmiques de la
VARIABILITI~ DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~SIUM ET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE
273
Site 1 340 • 300 • ' . ~ 288 .~220 .41 188 >
~
140 IO0
I
60
2
Application
Site 2 420 -
A 3so . T-'~ 3 0 0
.
. .
. .
.
. .
. .
. .
.
. .
. .
H .
.
.
.
.
.
~24o:
~
120 • I 2
6O
Apptication - B - Trait 1
+
Trait 2
H: Hecsage (moyemle de 6 parcelle8)
~
Trait 3
~--
Trait 4
L: Labour (moyenne de 6 parcelles)
Fig. 1. Variation moyenne de l'activit6 du matrriel 6rod6 en 134Csen fonction des applications et du travail du sol. Fig. 1. Mean variation of sediment activity in 134Cs as a function of the applications and of soil tillage. perte de sol et de la perte de 134Cs, c o m m e l'indique le coefficient de corrrlation linraire simple de 0,78, l'rquation 2 laisse encore 39% de la variance des pertes de sol inexpliqure. U n certain nombre de facteurs influencent donc la relation entre la perte de sol et celle de 134Cs° Ainsi, les rrsultats du Tableau 6 drmontrent qu'/l chacun des deux sites, l'activit6 des srdiments provenant des parcelles hersres 6tait plus de deux fois suprrieure h celles des srdiments provenant des parcelles labourres. Un enfouissement plus superficiel, se traduisant par une activit6 plus 61evre du sol en surface, explique cette diffrrence d'activit6 en 134Cs du sol 6rod6 des parcelles hersres. Cette activit6 sprcifique plus 61evre se traduit par des pertes de t34Cs significativement plus importantes. Les trois applications successives de 3700 Bq m -2 de 134Cs produisent 6galement une augmentation dans le temps de l'activit6 sprcifique du matrriel 6rod6 et des pertes de t34Cs, et ce pour les deux sites et les deux modes de prrparation du sol (Tableau 6 ).
274
C. BERNARDET AL.
TABLEAU 7 Param6tres des 6quations de r6gression simple a entre les pertes de sol et de ~34Cs Applic.
Travail du sol
R2
a
b
1 1 2 2 3 3 Toutes Toutes Equation 2
Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage
0,80 0,90 0,67 0,65 0,93 0,91 0,74 0,81 0,61
0,029 0,011 0,010 0,028 0,016 0,010 0,019 0,017 0,039
0,716 0,797 0,935 0,570 0,788 0,762 0,766 0,678 0,535
aEquations de type Y = a X b.
1.6 L
,~
1.4~
1.21 "~ E
1.o
0.8
o.,+ o.o
I
0
I
I
I
I
I
I
t
I
I
I
I
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Perte de 134Cs (Bq m -2) Hersage
-z-- Labour
Fig. 2. I n f l u e n c e du t r a v a i l du sol sur la relation entre la perle de =34Cs et la perle de sol.
Fig. 2. Influence of soil tillage on the relationship between Cs-loss and soil erosion.
Le type de travail du sol et le cumul dans le temps des apports influencent donc consid6rablement l'activit6 du sol 6rod6 en 134Cs (Fig. 1 ). Le traitement 1, qui consistait en un labour effectu6 ~t la suite de chacune des applications, produit des s6diments dont l'activit6 en 134Cs, bien que croissante dans le temps, demeure constamment la plus faible. Le traitement 4 (hersage suivant toutes les applications ) produit des s6diments avec une activit6 consid6rablement plus 61ev6e que le traitement 1. Les traitements 2 et 3 incluaient une combinaison des deux profondeurs de travail du sol. L'activit6 du mat6riel 6rod6 en 134Cs, suite h un apport de cet isotope, est donc tr6s d6pendante de la profondeur du travail du sol effectu6 pour incorporer le c6sium ajout6 (Fig. 1).
VARIABILITI~ DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~SIUM ET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE
275
1.2-
'E_~0.8-1'0i "~ 0.6"~ O.4-
DI 0.2 ............................ 0.0 I I I I I I 20
40 60
I I I I I I I I 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Perte de 134C$ (Bq m-21
-~- APlolic1 -a- Ao01ic3 Fig. 3. Variabilit6 de la relation entre la perte de I34Cs et la perte de sol entre la premiereet la derni~reapplication de c6sium. Fig. 3. Variabilityof the relationship between ~3aCsloss and soil erosion from the first to the last application of cesium. Le m~me type d'interaction entre l'intensit6 du travail du sol et la s6quence des apports de c6sium a 6t6 mesur6 pour les pertes e n 1 3 4 C s et le rapport entre l'activit6 du mat6riel 6rod6 et celle du sol en place. Des 6quations de r6gression simple, de forme similaire h celle de l'6quation 2 et liant la perte de sol/l la perte de 1 3 4 C s ' ont donc 6t6 calcul6es pour chaque combinaison application-travail du sol (Tableau 7). Les coefficients de d6termination (R 2) de ces 6quations sont tous sup6rieurs h celui de l'6quation 2, indiquant une meiUeure capacit6 de pr6diction. Cela confirme l'influence du travail du sol et de la s6quence temporelle des apports de 134Cs sur la relation entre la perte de sol et celle de 134Cs. La Figure 2 illustre la variation de la relation entre ces deux param~tres selon les deux types de travail du sol 6tudi6s. On peut constater qu'une perte donn6e de 1 3 4 C s serait atteinte avec un entrainement de sol environ deux fois moins important pour le sol travaill6 superficiellement que pour le sol labour6. La Figure 3 illustre la variation de la relation entre la perte de 1 3 4 C s et la perte de sol, entre la premiere et la troisi~me application. Pour une perte de 1 3 4 C s identique, la perte de sol est sensiblement plus importante apr~s la premiere application qu'apr~s la troisi~me, en raison d'une activit6 sp6cifique moins 61ev6e du sol en place et du materiel ~rod6. CONCLUSION La relation entre la perte de c6sium et la perte de sol par 6rosion hydrique peut donc fluctuer de fa¢on importante en fonction de divers param6tres. Le niveau d'activit6 du sol au moment d'un 6v6nemement 6rosif influence Vim-
276
C. BERNARD ET AL.
portance de la perte de c6sium pour une m6me perte de sol, comme le d6montre la croissance de l'activit6 des s6diments 6rod6s apr6s chacune des trois applications ~34Cs. La profondeur du travail du sol suite aux retomb6es contr61e la dilution du c6sium appliqu6 et l'activit6 r6sultante du sol en place. Un enfouissement plus superficiel se traduit par une activit6 plus importante du sol en place et du mat6riel 6rod6. Une perte de sol donn6e se traduit alors par une perte de c6sium beaucoup plus importante. Enfin, en raison de la s61ectivit6 du processus 6rosifen faveur des particules fines, l'enrichissement du sol 6rod6 en argile et en particules organiques, porteuses du c6sium, varie selon la texture du sol et l'intensit6 de l'6rosion. L'activit6 r6sultante du sol 6rod6 et par cons6quent la perte de c6sium par kilogramme de sol 6rod6 sont donc aussi influenc6es par ces param6tres. Un kilogramme de sol 6rod6 peut donc entra~ner des quantit6s tr6s variables de c6sium, comme le sugg6re le mod61e propos6 par Kachanoski et DeJong (1984). Dans le cadre d'6tudes au champ, l'interpr6tation des mesures de variation de l'activit6 sp6cifique des sols en ~37Cs en termes de pertes de sol demande donc h &re faite en fonction des divers facteurs qui peuvent influencer la relation entre la perte de sol 6rod6 et la perte de c6sium. Une certaine connaissance de l'historique des champs 6tudi6s (cultures et pratiques culturales) apparait donc n6cessaire afin de pouvoir reconna]tre les principaux facteurs ayant pu influencer la perte de c6sium. Dans l'6ventualit6 o~ ces renseignements ne sont pas disponibles, on peut envisager proc6der par 6chantillonnages successifs, espac6s de quelques ann6es. Le premier 6chantillonnage sert alors h 6tablir le niveau d'activit6 e n 1 3 7 C s du sol de la parcelle 6tudi6e et les subs6quents permettent de quantifier l'6rosion survenue dans l'intervalle. REMERCIEMENTS
Cette 6tude a 6t6 r6alis6e grhce h une contribution financi6re en provenance de l'Entente auxiliaire Canada-Qu6bec sur le d6veloppement agro-alimentaire (recherche en conservation du sol et de l'eau). Projet # 3E 1-40190260019.
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VARIABILITI~ DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~.SIUM ET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE
277
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265
Variabilit6 de la relation entre les pertes de c6sium et de sol par 6rosion hydrique C l a u d e B e r n a r d a, M a r c R . L a v e r d i ~ r e b e t A l a i n R . P e s a n t c
aMinistbre de l'Agriculture, des Pkcheries et de I'Alimentation du Qubbec, Service des Sols, 2700, rue Einstein, Sainte-Foy, Que. G1P 3W8, Canada bUniversitb laval, Facultb des Sciences de l'Agricuhure et de l'Alimentation, Dbpartement des Sols, Sainte-Foy, Que. G1K 7P4, Canada CAgriculture Canada, Station de Recherche, CP. 90, Lennoxville, Que. JIM 1Z3, Canada (Requ le l mai 1991; accept6 apr~s revision le 15 aofit 1991 )
ABSTRACT Bernard, C., Laverdi~re, M.R. and Pesant, A.R., 1992. Variabilit6 de la relation entre les perles de c6sium et de sol par 6rosion hydrique (Variability of the relationship between cesium and soil losses by water erosion). Geoderma, 52: 265-277. The relationship between 134Csloss and soil erosion was investigated on two sites with different soil textures. Three successive applications of 3700 Bq m - 2 were incorporated at two different depths. After each one of these applications, soil and cesium losses were measured following two simulated rainfalls. 134Cs losses increased with soil losses. A logarithmic relationship was developed between these two parameters. However, this relationship fluctuates depending on soil texture and soil tillage. ~34Cs losses and sediment radioactivity were higher under shallow tillage than under deeper incorporation of cesium. The sediments coming from the light textured soil showed a greater enrichment in clay and organic matter, resulting in a higher activity in ]34Cs. The addition of cesium with time increased the radioactivity of sediments and the specific losses of ~3aCs. The relationship between cesium loss and soil erosion is therefore variable and may be influenced by numerous factors. Consequently, this variability should be considered when estimating soil movements from 137Csdata under field conditions. RI~SUMI~ La relation entre la perle de 134Cset la perle de sol par 6rosion hydrique a 6t6 6tudi6e sur deux sols pr6sentant des textures diff6rentes. Trois applications successives de 3700 Bq m -2 ont 6t6 enfouies deux profondeurs diff6rentes. Les pertes de sol et de c6sium produites sous pluie simul6e ont 6t6 mesur6es apr6s chacune de ees applications. G6n6ralement, les perles de ~34Cs ont augment6 avec la perle de sol et une relation de type logarithmique a 6t6 d6velopp6e entre ces deux param~tres. Cette relation varie cependant selon la texture du sol en place et le travail du sol. En raison d'une dilution moins importante, les parcelles travaill6es superficiellement ont produit des s6diments pr6sentant une activit6 plus 61ev6e et des pertes sp6cifiques de ~34Csplus importantes que les parcelles travaill6es plus profond6ment. Les s6diments provenant des parcelles sur sol plus sableux ont montr6 une activit6 plus 61ev6e que ceux provenant des parceiles sur sol plus lourd, en raison d'un enrichissement relativement plus important en argile et en mati6re organique. Le cumul des applications de c6sium s'est traduit par une croissance dans le temps de l'activit6 du mat6riel 6rod6 et des pertes sp6cifiques de J34Cs. La relation entre la perle de sol et la perle de c6sium est donc variable et peut 6tre influenc6e
0 0 1 6 - 7 0 6 1 / 9 2 / $ 0 5 . 0 0 © 1992 Elsevier Science Publishers B.V. All rights reserved.
266
c. BERNARDET AL.
par divers facteurs. L'utilisation en plein champ du 137Cs c o m m e indicateur des m o u v e m e n t s de sol devrait donc prendre en consid6ration cette variabilit6.
INTRODUCTION
L'6rosion constitue une forme importante de d6gradation des sols, en raison de l'importance de ses impacts agronomiques et environnementaux. On a 6valu6 que les impacts agronomiques de l'6rosion hydrique au Qu6bec seraient de l'ordre de 15 M$ annuellement (Conseil des sciences du Canada, 1986). On estime g6n6ralement que les impacts hors-ferme ou environnementaux sont du m~me ordre de grandeur que les impacts agronomiques (Clark et al., 1985 ). La collecte de donn6es repr6sentatives sur l'importance de l'6rosion constitue cependant un processus lent et cofiteux. L'utilisation d'un marqueur comme le c6sium appara/t alors comme une alternative tr6s int6ressante. Le suivi dans le temps du d6placement de ce marqueur permet d'estimer h peu de frais l'importance des mouvements de sol et l'influence de divers facteurs (sol, topographie, culture, etc. ) sur ces d6placements (Ritchie et McHenry, 1990). Diverses relations ont 6t6 sugg6r6es pour relier la perte de 137Cs ~1l'6rosion hydrique. A ce jour, la plupart des auteurs ont assum6 une perte de sol proportionnelle ~ la r6duction de l'activit6 sp6cifique en 137Cs de l'horizon Ap (couche de labour). Kachanoski (1987) a confirm6 une telle relation, en identifiant une corr61ation lin6aire tr~s significative ( r = 0,80 P < 0,01 ) entre les pertes de sols cumul6es sur une p6riode de 10 ans et la r6duction de l'activit6 sp6cifique de 137Cs de l'horizon Ap de parcelles exp6rimentales. Pour leur part, en regroupant leurs r6sultats avec ceux de Rogowski et Tamura (1970) sur le 137Cs, ceux de Menzel (1960) sur le 9°Sr et ceux de Graham ( 1963 ) sur le 85Sr, Ritchie et al. ( 1974 ) ont sugg6r6 une relation non pas lin6aire mais logarithmique entre la perte de radioisotope de la couche de labour et l'6rosion mesur6e ou estim6e h l'aide de l'6quation universelle de perte de sol. Enfin, Kachanoski et DeJong (1984) ont propos6 un mod61e d6crivant l'6volution dans le temps de l'activit6 du sol en 137Cs. Ce mod61e prend en consid6ration l'importance des retomb6es et la teneur du sol en isotope au moment d'un 6v6nement 6rosifde m~me que l'effet antagoniste de la dilution des retomb6es par le labour et l'enrichissement en 13VCsdu sol 6rod6 par rapport au sol en place:
dA/dT=Dt-EtK2C, -K~At
(1)
ou: Test temps; A t est activit6 sp6cifique de la couche de labour en 137Cs (Bq m - 2 ) ; E test taux d'6rosion (kg m -2 a n - ' ); G est activit6 du sol en 137Cs (Bq
VARIABILITI~DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~SIUMET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE 267
kg-~); Dt est retomb6es de 137Cs (Bq m - 2 a n - l ) ; g l est cte d6sint6gration du 137Cs (0,023 a n - l ) ; et 1(2 est enrichissement du sol 6rod6 en 137Cs. Ce mod61e identifie plusieurs facteurs qui pourraient influencer la relation entre la perte de sol et la perte de c6sium. La pr6sente 6tude vise donc/l pr6ciser cette relation. Plus pr6cis6ment, on a cherch6 h v6rifier c o m m e n t la dilution des retomb6es radioactives dans le sol suite/l l'utilisation de diff6rentes pratiques culturales et le caract6re s61ectif du processus d'6rosion interagissent sur cette relation. MATI~RIEL ET MI~THODES
Deux sites exp6rimentaux ont 6t6 retenus sur la ferme exp6rimentale de la station de recherche d'Agriculture Canada ~ Lennoxville (Qu6bec). Le site 1 pr6sentait un loam limoneux de la s6rie Coaticook (Gleysol luvique humique) et le site 2 un loam graveleux de la s6rie Magog (Gleysol orthique ). Les caract6ristiques de la couche superficielle (0-20 cm) de ces sols sont pr6sent6es au Tableau 1. Le sol Magog, d6velopp6 sur till glaciaire, pr6sentait une profondeur de 5 cm une couche naturellement compacte et pierreuse de 10 ~ 15 cm d'6paisseur. L'inclinaison de la pente 6tait de 9% aux deux endroits. A chacun de ces sites, trois blocs de quatre parcelles ont 6t6 6tablis. Chaque parcelle 6tait isol6e des autres par des bandes m6talliques de 20 cm de hauteur enfonc6es dans le sol. La dimension des parcelles 6tait de l m de largeur par 5 m de longueur. Ces sites 6taient sous prairie herbag6re depuis 3 ans. Apr6s la destruction initiale de la v6g6tation, les parcelles sont demeur6es en jach~re durant toute la dur6e du projet. Trois applications de 3700 Bq m - 2 de ~34Cs ont 6t6 faites sur chacune des parcelles, en aoflt 1989, puis au d6but et ~ la fin de juin 1990. Le c6sium appliqu6 6tait imm6diatement incorpor6 au sol soit de fa¢on superficieUe (5 cm), soit plus profond6ment (20 cm), selon la s6quence pr6sent6e au Tableau 2. Les quatre traitements 6taient distribu6s al6atoirement ~ l'int6rieur de chacun des blocs. Apr6s chacune des applications de 134Cs ' deux pluies produites ~ l'aide d'un simulateur similaire celui de Meyer et McCune (1958) ont 6t6 appliqu6es. La premiere, d'une intensit6 de 63 m m h - x pendant 15 minutes, 6tait suivie environ 15 minutes TABLEAU 1 Caract6ristiques des couches superficielles ( 0 - 2 0 cm) des sols en place a Site
l 2
Texture du sol
Loam limoneux Loam graveleux
Granulom6trie (%) Sable
Limon
Argile
15,7 48,1
64,2 41,0
20,1 10,9
aMoyennes de 36 valeurs. bApr6s labour et tassement naturel.
Mat. org. (%)
Densit6 b apparente ( Mg m - 3)
4,9 2,5
0,92 1,16
268
C. BERNARDET AL.
TABLEAU 2 Mode d'enfouissement des applications de 134Cs Traitements
Application 1
Application 2
Application 3
1 2 3 4
Labour~ Hersageb Labour Hersage
Labour Labour Hersage Hersage
Labour Labour Hersage Hersage
"Enfouissement sur 20 cm approximativement. bEnfouissement sur 5 cm approximativement.
plus tard d'une seconde avec une intensit6 de 42 mm h - t pendant 15 minutes 6galement. Entre les applications de c6sium, les parcelles 6taient recouvertes d'une toile, afin de pr6venir tout ruissellement et toute perte de sol et de 134Cs non contr616s. Des 6chantillons de sol ont 6t6 pr61ev6s dans chacune des parcelles en d6but de projet et apr6s chacune des applications de 134Cs. Les parambtres suivants ont 6t6 d6termin6s sur chacun des 6chantillons pr61ev6s, selon les m6thodes rapport6es par McKeague ( 1978 ): carbone organique par oxydation par voie humide, granulom6trie par la m6thode h l'hydrom6tre, masse volumique apparente par la m6thode du cylindre. L'activit6 en 134Cs a 6t6 d6termin6e par spectrom6trie h rayonnement gamma aprbs un comptage de 7000 secondes, selon la m6thode d6crite par DeJong et al. ( 1982 ). Le volume d'eau ruissel6e ainsi que sa teneur en matibres en suspension ont 6t6 quantifi6s pour chacune des pluies simul6es. Le mat6riel 6rod6 a 6t6 soumis aux m6mes analyses que le sol en place des parcelles. RI~SULTATS ET DISCUSSION
Ruissellement et pertes de sol
Le Tableau 3 pr6sente les donn6es relatives au ruissellement, aux concentrations en mati6res en suspension et aux pertes totales de sol mesur6es apr6s chacune des trois applications de c6sium. En moyenne, le volume total d'eau ruissel6e a vari6 de 49,5 h 97,7 litres par parcelle. La concentration moyenne de particules en suspension se situait entre 19,7 et 43,3 g 1-1. Les pertes de sol ont vari6 entre 1,09 et 3,34 kg par parcelle, soit l'6quivalent de 2180 ~ 6680 kg h a - 1 Le site 2 a produit des pertes d'eau et de sol statistiquement plus 61ev6es que celles mesur6es au site 1, en raison de la pr6sence de cette couche compacte qui se prolongeait sous la couche travaill6e. L'infiltration des pr6cipitations y 6tait donc consid6rablement limit6e, au profit du ruissellement et de l'6rosion.
VARIABILIT~DE LA RELATIONENTRELES PERTESDE CI~SIUMET DE SOL PAR I~ROSIONHYDRIQUE 269 TABLEAU 3 Ruissellement et 6rosion sur les deux sites exp6rimentaux Site
1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2
Applic.
1 1 2 2 3 3
1 1 2 2 3 3
Travail du sol
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage
Labour Hersage
Labour Hersage Labour
Ruissellement
MES a
Erosion
(I)
(gl -~)
(kg)
53, I b 63,1 62,3 55,4 52,5 49,5 56,0a a 56,0a 71,9 64,2 77,3 64,7 97,7 82,5 82,3a 70,5b 56,0a 76,4b
25,5 31,6 23,2 19,7 28,7 27,8 25,8a 26,4a 39,3 43,3 32,5 32,1 34,3 34,3 35,4a 36,6a 26,1a 36,0b
1,51 2,07 1,45 1,09 1,51 1,34 1,49a 1,50a 2,84 2,83 2,58 2,10 3,34 2,83 2,92a 2,59a 1,49a 2,75b
aMES: Mati6res en suspension. bCumul des pertes apr6s deux pluies, moyennes de six d6terminations. ekes valeurs suivies de la m6me lettre ne sont pas statistiquement diff6rentes au seuil de 0,05.
Au site 1, le volume d'eau ruissel6e, la teneur de cette eau en mati6res en suspension de m~me que la perte de sol n'ont pas diff6r6 statistiquement suivant le mode de pr6paration du sol. Par contre, au site 2, les parcelles hers6es ont produit en moyenne plus de ruissellement que celles travaill6es h une profondeur de 20 cm. La concentration en mati6res en suspension et la perte de sol par parcelle n'ont cependant pas diff6r6 de fa~on statistique.
Caract~ristiques des s~diments La composition granulom6trique ainsi que la teneur en mati6re organique des mat6riaux 6rod6s aux deux sites sont pr6sent6es au Tableau 4. Comme divers auteurs l'ont rapport6 (Sinukaban, 1981; Sharpley, 1985; Young et al., 1986 ), le sol 6rod6 se distingue du sol en place par plusieurs caract6ristiques. Ainsi, par rapport au sol des parcelles, les s6diments provenant du site 1 montraient un enrichissement de 6% en mati6re organique, de 39% en argile et de 1% en limon et une r6duction de la teneur en sable de 58%. Pour le site 2, l'enrichissement 6tait de 111% pour la mati6re organique et de 82% pour l'argile et le limon. L'appauvrissement en sable 6tait de 64%. Ces r6sultats illus-
270
c. BERNARDET AL.
TABLEAU 4 Yeneurs en mati6re organique, granulom6trie et enrichissement du mat6riel 6rod6
Site
Applic.
1 1 2 2 3 3
Travail du sol
Mat. org.
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour
4,8 4,9 6,4 6,1 4,5 4,2 5,2 5,1 5,4 4,8 5,0 7,0 4,7 4,5 5,0 5,4 5,2 5,2
Hersage Labour
1 ! 2 2 3 3
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour
Argile (%)
Limon (%)
Sable (%)
25,8 (1,31) 24,7 (1,32) 30,8 (1,74) 30,5 (1,62) 26,2 (1,13) 28,6 (1,20) 27,6 (1,39a) 27,9 (1,38a) 18,8 (1,80) 16,6 (1,61) 20,3 (1,76) 27,9 (2,42) 17,6 (1,68) 17,3 (1,63) 18,9 (1,75a) 20,6 (1,89a) 27,8 (1,39a) 19,8 (1,82b)
66,8 67,6 61,2 62,0 69,9 68,1 66,0 65,9 64,7 63,2 65,0 54,1 65,8 67,0 65,2 61,4 65,9 63,3
7.4 (0,55) 7,8 (0,57) 6,6 (0,41) 6,1 (0,39) 3,9 (0,31) 3,3 (0,27) 6,0 (0,42a) 5.7 (0,41a) 16,5 (0,35) 20,3 (0.44) 14,7 (0.31) 17,8 (0,37) 16,6 (0.34) 15,7 (0,32) 15,9 (0,33a) 17,9 (0,38a) 5,9 (0,42a) 16,9 (0,36b)
(%) (1,00) a (1,06) (1,28) (1,27) (0,88) (0,85) (1,05a) b (1,06a) (2,15) (1,59) (1,99) (2,93) (2,08) (1,94) (2,07a) (2,15a) (l,06a) (2,11b)
(1,01) (1,02) (0,94) (0,95) (1,09) (1,06) (1,01a) (l,01a) (I,54) (1,45) (1,63) (1,34) (1,67) (l,65) (l,61a) (1,48a) (1,01a) (1,82b)
aRapport entre la teneur du sol 6rod6 et celle du sol des parcelles. bLes valeurs suivies de la m~me lettre ne sont pas statistiquement diff6rentes au seuil de 0,05.
trent bien le caract6re s61ectif de l'6rosion en faveur des particules fines (argile et mati~re organique). Cependant, sur loam graveleux (site 2 ) on a mesur6 des taux d'enrichissement statistiquement plus 61ev6s pour la mati~re organique, l'argile et le lim o n et un taux statistiquement plus faible pour le sable. Ces diff6rences entre les deux sites sugg~rent que cette s61ectivit6 s'exprime avec d'autant plus d'intensit6 que la texture du sol soumis h l'6rosion est grossi~re, c o m m e l'ont d6j/l rapport6 divers auteurs (Gabriels et Moldenhauer, 1978; Miller et Baharuddin, 1987 ). On a ainsi mesur6 une corr61ation positive entre la teneur en sable du sol en place et l'enrichissement du mat6riel 6rod6 en mati~re organique, en argile et en limon. A l'inverse on a obtenu une corr61ation n6gative entre la teneur du sol en place en 616ments fins et l'enrichissement des s6diments en ces m6mes fractions (Tableau 5 ). Enfin, aucun effet statistiquement significatif des traitements sur les taux d'enrichissement n'a 6t6 identifi6 pour l'un ou l'autre des sites.
Pertes de 134Cs Des comptages ont 6t6 effectu6s sur la fraction liquide du ruissellement recueillie apr6s chaque pluie simul6e, afin de quantifer toute perte 6ventuelle
VARIABILITI~DE LA RELATIONENTRE LES PERTES DE CISSIUMET DE SOL PAR I~ROSIONHYDRIQUE 271
TABLEAU 5 Corrrlations entre la composition du sol en place et l'enrichissement du sol 6rod6 Enrichissement du sol 6rod6
Sol en place Sable
Limon
Argile
Mat. org.
Mat. org. Argile Limon
+0,60 0,0001 a + 0,45 0,0001 +0,84 0,0001
-0,59 0,0001 - 0,39 0,0009 -0,85 0,0001
-0,55 0,0001 - 0,53 0,0001 -0,67 0,0001
-0,67 0,0001 - 0,35 0,0027 -0,78 0,0001
aNiveau de signification statistique.
134Cs SOUS forme soluble. Aucun des quelque cent 6chantillons ainsi comptrs n'a rrvr16 de trace de 134Cs soluble. Ceci confirme les travaux effecturs par Rogowski et Tamura (1970), Tamura (1964) ainsi que Miller et Reitemeier ( 1963 ) montrant que le crsium migre dans l'environnement 1i6 de mani~re presqu'exclusive aux srdiments. L'activit6 sprcifique e n 134Cs du sol 6rod6 a vari6 de 87,2 h 299,6 Bq kgau site 1 et de 124,0 ~ 395,9 Bq kg -1 au site 2 (Tableau 6). Des variations inter-sites au niveau de la distribution granulomrtrique du matrriel 6rod6 pourraient expliquer ces diffrrences d'activitr. Le matrriel 6rod6 provenant du site 2 montrait en effet un taux d'enrichissement en particules fines suprrieur h celui des srdiments du site 1 (Tableau 4). A l'inverse, le taux d'enrichissement en sable y 6tait infrrieur. Or, il a 6t6 rapport~ que l'activit~ des sols en isotopes du crsium est principalement lire aux fractions les plus fines telles que l'argile et les mati~res organiques (Maul6 et Dudas, 1989 ). Les srdiments provenant du site 2 6taient donc relativement plus enrichis en particules capables de fixer le crsium et relativement plus appauvris en particules prrsentant vraisemblablement une faible activit6 sprcifique. Ce processus explique 6galement que le materiel 6rod6 prrsentait une activit6 de 1,75 10,78 fois plus 61evre que le sol en place, et que le gain d'activit6 6tait significativement plus 61ev6 au site 2 (5,64 fois) qu'au site 1 (2,91 fois). Les rrsultats du Tableau 6 permettent 6galement d'apprrcier l'importance des pertes mesurres de 134Cs, Les pertes moyennes, apr~s chacune des trois applications de crsium, ont vari6 entre 25,4 et 88,9 Bq m -2 pour le site 1 et entre 52,8 et 262,7 Bq m -2 pour le site 2. Globalement, les pertes ont 6t6 statistiquement suprrieures au site 2, en raison d'une activit6 des srdiments plus 61evre et d'une 6rosion plus srv~re. de
272
c. BERNARDETAL.
TABLEAU 6 Penes de ~34Cs, activit6 et enrichissement des s6diments Site
Applic.
Travail du sol
Perle 134Cs (Bq m-2)
Activit6 des s6diments
Enrichissement a des s6diments
(Bqkg -~ ) 1 1 2 2 3 3
1 1 2 2 3 3
Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour
65,9a b 36,2b 62,7a 25,4b 88,9a 34,4b 72,5a 32,0b 140,6a 66,4b 152,4a 52,8a 262,7a 97,4b 185,2a 72,2b 52,3a 128,7b
206,3a 87,2b 217,2a 121,1b 299,6a 129,5b 241,0a 112,6b 260,0a 124,0b 310,7a 142,3b 395,9a 173,9b 322,2a 146,7b 176,8a 234,5b
2,29a 2,12a 5,92a 2,49b 2,88a 1,75b 3,70a 2,12b 4,08a 2,46b 10,78a 3,03b 10,63a 2,85b 8,50a 2,78b 2,91a 5,64b
aRapport entre l'activit6 des s6diments et celle du sol en place. bCumul des penes apr6s deux pluies, moyennes de 6 d6terminations. Les valeurs suivies de la m6me lettre ne sont pas statistiquement diff6rentes au seuil de 0,05.
Relation entre la perte de lS4Cs et la perte de sol Une relation g6n6rale, de type logarithmique, a 6t6 d6velopp6e h partir de l'ensemble des mesures de pertes de 134Cs et de sol. Cette relation s'6nonce ainsi:
S O L = 0 , 0 3 9 C s °'s35 r = 0 , 7 8
P=0,0001
(2)
o~ SOL est la perte de sol (kg m - 2 ) et Cs la perte de 134Cs (Bq m - 2 ) . L'exposant fractionnaire de cette 6quation signifie que la perte de sol associ6e h une perte donn6e de 134Cs n'augmente pas aussi vite que cette derni~re. Ainsi, une perte de 100 Bq m-2 de 134Csserait associ6e/t une perte de sol de 0,58 kg m -2, alors qu'une perte de 200 Bq m -2 en ~34Cs signifierait une perte de sol non pas doubl6e mais de 0,83 kg m -2 seulement. Ceci peut vraisemblablement s'expliquer par l'enrichissement du mat6riel 6rod6 en argile, ce qui en augmente l'activit6 sp6cifique en ~34Cs en comparaison de celle du sol en place (Tableau 6). La perte d'une quantit6 donn6e de sol se traduit alors par une perte croissante de 134Cs h mesure que s'accentue ce ph6nom~ne. Bien qu'une bonne lin6arit6 existe entre les valeurs logarithmiques de la
VARIABILITI~ DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~SIUM ET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE
273
Site 1 340 • 300 • ' . ~ 288 .~220 .41 188 >
~
140 IO0
I
60
2
Application
Site 2 420 -
A 3so . T-'~ 3 0 0
.
. .
. .
.
. .
. .
. .
.
. .
. .
H .
.
.
.
.
.
~24o:
~
120 • I 2
6O
Apptication - B - Trait 1
+
Trait 2
H: Hecsage (moyemle de 6 parcelle8)
~
Trait 3
~--
Trait 4
L: Labour (moyenne de 6 parcelles)
Fig. 1. Variation moyenne de l'activit6 du matrriel 6rod6 en 134Csen fonction des applications et du travail du sol. Fig. 1. Mean variation of sediment activity in 134Cs as a function of the applications and of soil tillage. perte de sol et de la perte de 134Cs, c o m m e l'indique le coefficient de corrrlation linraire simple de 0,78, l'rquation 2 laisse encore 39% de la variance des pertes de sol inexpliqure. U n certain nombre de facteurs influencent donc la relation entre la perte de sol et celle de 134Cs° Ainsi, les rrsultats du Tableau 6 drmontrent qu'/l chacun des deux sites, l'activit6 des srdiments provenant des parcelles hersres 6tait plus de deux fois suprrieure h celles des srdiments provenant des parcelles labourres. Un enfouissement plus superficiel, se traduisant par une activit6 plus 61evre du sol en surface, explique cette diffrrence d'activit6 en 134Cs du sol 6rod6 des parcelles hersres. Cette activit6 sprcifique plus 61evre se traduit par des pertes de t34Cs significativement plus importantes. Les trois applications successives de 3700 Bq m -2 de 134Cs produisent 6galement une augmentation dans le temps de l'activit6 sprcifique du matrriel 6rod6 et des pertes de t34Cs, et ce pour les deux sites et les deux modes de prrparation du sol (Tableau 6 ).
274
C. BERNARDET AL.
TABLEAU 7 Param6tres des 6quations de r6gression simple a entre les pertes de sol et de ~34Cs Applic.
Travail du sol
R2
a
b
1 1 2 2 3 3 Toutes Toutes Equation 2
Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage Labour Hersage
0,80 0,90 0,67 0,65 0,93 0,91 0,74 0,81 0,61
0,029 0,011 0,010 0,028 0,016 0,010 0,019 0,017 0,039
0,716 0,797 0,935 0,570 0,788 0,762 0,766 0,678 0,535
aEquations de type Y = a X b.
1.6 L
,~
1.4~
1.21 "~ E
1.o
0.8
o.,+ o.o
I
0
I
I
I
I
I
I
t
I
I
I
I
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Perte de 134Cs (Bq m -2) Hersage
-z-- Labour
Fig. 2. I n f l u e n c e du t r a v a i l du sol sur la relation entre la perle de =34Cs et la perle de sol.
Fig. 2. Influence of soil tillage on the relationship between Cs-loss and soil erosion.
Le type de travail du sol et le cumul dans le temps des apports influencent donc consid6rablement l'activit6 du sol 6rod6 en 134Cs (Fig. 1 ). Le traitement 1, qui consistait en un labour effectu6 ~t la suite de chacune des applications, produit des s6diments dont l'activit6 en 134Cs, bien que croissante dans le temps, demeure constamment la plus faible. Le traitement 4 (hersage suivant toutes les applications ) produit des s6diments avec une activit6 consid6rablement plus 61ev6e que le traitement 1. Les traitements 2 et 3 incluaient une combinaison des deux profondeurs de travail du sol. L'activit6 du mat6riel 6rod6 en 134Cs, suite h un apport de cet isotope, est donc tr6s d6pendante de la profondeur du travail du sol effectu6 pour incorporer le c6sium ajout6 (Fig. 1).
VARIABILITI~ DE LA RELATION ENTRE LES PERTES DE CI~SIUM ET DE SOL PAR I~ROSION HYDRIQUE
275
1.2-
'E_~0.8-1'0i "~ 0.6"~ O.4-
DI 0.2 ............................ 0.0 I I I I I I 20
40 60
I I I I I I I I 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Perte de 134C$ (Bq m-21
-~- APlolic1 -a- Ao01ic3 Fig. 3. Variabilit6 de la relation entre la perte de I34Cs et la perte de sol entre la premiereet la derni~reapplication de c6sium. Fig. 3. Variabilityof the relationship between ~3aCsloss and soil erosion from the first to the last application of cesium. Le m~me type d'interaction entre l'intensit6 du travail du sol et la s6quence des apports de c6sium a 6t6 mesur6 pour les pertes e n 1 3 4 C s et le rapport entre l'activit6 du mat6riel 6rod6 et celle du sol en place. Des 6quations de r6gression simple, de forme similaire h celle de l'6quation 2 et liant la perte de sol/l la perte de 1 3 4 C s ' ont donc 6t6 calcul6es pour chaque combinaison application-travail du sol (Tableau 7). Les coefficients de d6termination (R 2) de ces 6quations sont tous sup6rieurs h celui de l'6quation 2, indiquant une meiUeure capacit6 de pr6diction. Cela confirme l'influence du travail du sol et de la s6quence temporelle des apports de 134Cs sur la relation entre la perte de sol et celle de 134Cs. La Figure 2 illustre la variation de la relation entre ces deux param~tres selon les deux types de travail du sol 6tudi6s. On peut constater qu'une perte donn6e de 1 3 4 C s serait atteinte avec un entrainement de sol environ deux fois moins important pour le sol travaill6 superficiellement que pour le sol labour6. La Figure 3 illustre la variation de la relation entre la perte de 1 3 4 C s et la perte de sol, entre la premiere et la troisi~me application. Pour une perte de 1 3 4 C s identique, la perte de sol est sensiblement plus importante apr~s la premiere application qu'apr~s la troisi~me, en raison d'une activit6 sp6cifique moins 61ev6e du sol en place et du materiel ~rod6. CONCLUSION La relation entre la perte de c6sium et la perte de sol par 6rosion hydrique peut donc fluctuer de fa¢on importante en fonction de divers param6tres. Le niveau d'activit6 du sol au moment d'un 6v6nemement 6rosif influence Vim-
276
C. BERNARD ET AL.
portance de la perte de c6sium pour une m6me perte de sol, comme le d6montre la croissance de l'activit6 des s6diments 6rod6s apr6s chacune des trois applications ~34Cs. La profondeur du travail du sol suite aux retomb6es contr61e la dilution du c6sium appliqu6 et l'activit6 r6sultante du sol en place. Un enfouissement plus superficiel se traduit par une activit6 plus importante du sol en place et du mat6riel 6rod6. Une perte de sol donn6e se traduit alors par une perte de c6sium beaucoup plus importante. Enfin, en raison de la s61ectivit6 du processus 6rosifen faveur des particules fines, l'enrichissement du sol 6rod6 en argile et en particules organiques, porteuses du c6sium, varie selon la texture du sol et l'intensit6 de l'6rosion. L'activit6 r6sultante du sol 6rod6 et par cons6quent la perte de c6sium par kilogramme de sol 6rod6 sont donc aussi influenc6es par ces param6tres. Un kilogramme de sol 6rod6 peut donc entra~ner des quantit6s tr6s variables de c6sium, comme le sugg6re le mod61e propos6 par Kachanoski et DeJong (1984). Dans le cadre d'6tudes au champ, l'interpr6tation des mesures de variation de l'activit6 sp6cifique des sols en ~37Cs en termes de pertes de sol demande donc h &re faite en fonction des divers facteurs qui peuvent influencer la relation entre la perte de sol 6rod6 et la perte de c6sium. Une certaine connaissance de l'historique des champs 6tudi6s (cultures et pratiques culturales) apparait donc n6cessaire afin de pouvoir reconna]tre les principaux facteurs ayant pu influencer la perte de c6sium. Dans l'6ventualit6 o~ ces renseignements ne sont pas disponibles, on peut envisager proc6der par 6chantillonnages successifs, espac6s de quelques ann6es. Le premier 6chantillonnage sert alors h 6tablir le niveau d'activit6 e n 1 3 7 C s du sol de la parcelle 6tudi6e et les subs6quents permettent de quantifier l'6rosion survenue dans l'intervalle. REMERCIEMENTS
Cette 6tude a 6t6 r6alis6e grhce h une contribution financi6re en provenance de l'Entente auxiliaire Canada-Qu6bec sur le d6veloppement agro-alimentaire (recherche en conservation du sol et de l'eau). Projet # 3E 1-40190260019.
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