Facteurs déterminants de l'accumulation de cadmium, de plomb, de cuivre et de zinc dans les sols agricoles et les produits de la plaine de Chine du Nord

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7429 (2023) Citer cet article

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L'accumulation de métaux lourds dans les sols agricoles concerne la sécurité alimentaire. En utilisant le détecteur géographique, cette étude a étudié l'influence de six types de facteurs (onze facteurs) sur l'accumulation de Cd, Pb, Cu, Zn dans les sols agricoles et les produits de la plaine de Chine du Nord et a confirmé le facteur dominant. Les résultats ont montré que les métaux lourds s'étaient accumulés dans les sols agricoles régionaux et que l'accumulation de Cd était importante. L'accumulation de métaux lourds a été fortement influencée par des facteurs politiques (la gestion et la réduction de l'utilisation d'engrais et de pesticides), des facteurs de fertilisation (application d'engrais organiques et chimiques), des facteurs de pesticides (application d'herbicides et d'insecticides) et des facteurs de dépôt atmosphérique concentration de métaux dans les dépôts atmosphériques). Le facteur politique dominait les trois autres types de facteurs. Les dépôts atmosphériques et l'application excessive d'engrais et de pesticides entraînent directement l'accumulation de métaux lourds. En raison des fortes concentrations de métaux lourds et des quantités abondantes d'applications, les engrais organiques ont contribué à des niveaux élevés de métaux lourds dans les sols agricoles. Cette étude suggère que la fertilisation formulée et les plans d'action pour la réduction des pesticides pourraient réduire efficacement l'accumulation de métaux lourds dans les sols et les produits agricoles de la zone d'étude.

Impliquant la sécurité des produits agricoles, la pollution par les métaux lourds dans les sols agricoles a reçu beaucoup d'attention en Chine. Un communiqué basé sur la première enquête nationale sur l'état de la pollution des sols de 2005 à 2013 a été publié par le ministère de la Protection de l'environnement et le ministère des Terres et des Ressources de Chine1. Le communiqué a montré que 13,3% des sols nationaux étaient contaminés par des métaux lourds, et les métaux lourds typiques des terres arables contaminées étaient Cd, Ni, Cu, As, Hg et Pb. L'étude2 a passé en revue les recherches sur la pollution des sols des terres agricoles en Chine de 2000 à 2018, révélant que la concentration moyenne de Cd dans les terres agricoles était de 0,86 mg kg−1. La valeur moyenne a dépassé le seuil de dépistage des risques (0,6 mg kg−1) pour la contamination des sols dans les terres agricoles chinoises3. Une étude distincte4 a indiqué que les terres agricoles situées dans le périmètre du centre-ville dans la région nord de la plaine de Chine du Nord servaient de zone primaire d'enrichissement en métaux lourds. Les métaux lourds pourraient inhiber la croissance des cultures5, réduisant ainsi les rendements des cultures. De plus, les métaux lourds présents dans les produits agricoles s'accumuleraient dans le corps humain, induisant des effets toxiques. Le dépassement des limites de métaux lourds dans les cultures vivrières était plus courant dans le sud de la Chine que dans les autres régions6. Cela s'explique en partie par la forte phytodisponibilité des métaux lourds causée par l'acidification des sols7. La Chine ne possède que 8,2 % des terres arables du monde, mais compte environ 18,1 % de la population mondiale. La pollution par les métaux lourds dans les terres arables est un problème important pour la survie du peuple chinois.

Les métaux lourds dans les sols agricoles proviennent de deux types de sources : naturelles et anthropiques. Les sources naturelles sont associées aux types de sol et au matériau d'origine du sol8. Par exemple, le Cr et le Ni dans le sol étaient principalement affectés par les matériaux d'origine de Weifang, en Chine9, et le Cu et le Zn étaient d'origine géogénique dans les sols agricoles de Sialkot, au Pakistan10. Les sources anthropiques, plutôt que les sources naturelles, contribuent à la plupart des métaux lourds dans les sols agricoles. La fusion des métaux a fortement affecté le Cu, le Pb, le Zn et l'As dans le sol agricole de la vallée de Shangdan, au nord-ouest de la Chine11. Les gaz d'échappement des véhicules sont l'une des principales sources anthropiques de métaux lourds dans les sols des routes agricoles en Jordanie12. Les dépôts atmosphériques étaient la principale source d'éléments de métaux lourds, notamment Cd, Hg, As, Cu, Pb, Zn, Cr et Ni, dans les sols agricoles du Heilongjiang et du Zhejiang, en Chine13,14. Les activités de production agricole ont également eu de grands effets sur l'apport de métaux lourds dans les sols agricoles. L'accumulation de métaux lourds dans le sol agricole de Shouguang, en Chine, était liée à l'application d'engrais organiques, d'engrais phosphatés et d'engrais composés15. Les pesticides ont été suggérés comme l'une des sources anthropiques importantes de métaux lourds dans les sols agricoles16. Il a été démontré que le retour de paille conduisait directement à une accumulation notable de Cd dans les sols agricoles de la plaine de Jianghan dans le centre de la Chine17. L'eau d'irrigation était la principale source de métaux lourds (As, Cd, Cu et Hg), contribuant de 60 à 71 % des apports totaux aux sols agricoles dans le delta du fleuve Yangtze, en Chine18. De plus, l'épandage de biosolides, l'irrigation des eaux usées et l'élimination des déchets ont également influencé l'accumulation de métaux lourds dans les sols agricoles8.

Les principales sources de métaux lourds étaient différentes des sols agricoles dans différentes régions. Les dépôts atmosphériques étaient la source la plus importante de métaux lourds dans les sols agricoles de la Chine, mais les engrais organiques et chimiques et les pesticides étaient les sources prédominantes dans les pays européens19. Pour le Cd, les principales sources étaient les dépôts atmosphériques, l'irrigation et l'épandage de fumier de bétail en Chine et les dépôts atmosphériques, l'épandage d'engrais chimiques et l'irrigation en Europe20. Dans le nord de la Chine, les dépôts atmosphériques ont apporté la plupart des métaux lourds aux sols agricoles en raison d'une industrie lourde très développée et d'une plus grande combustion du charbon, et dans le sud de la Chine, la contribution des fumiers de bétail était évidemment plus élevée en raison de la production agricole et de l'élevage florissants21. Les taux de contribution des poussières de route et des déchets solides étaient plus élevés pour le Pb que pour les autres métaux lourds dans les sols agricoles périurbains sous la forte influence des activités humaines22. De plus, les principales sources des différents métaux lourds étaient également différentes. Les dépôts atmosphériques ont contribué à la plus grande proportion de Cd, Cr et Hg dans les rizières, mais les sources secondaires étaient l'eau d'irrigation pour le Cd et les engrais pour le Cr et le Hg23.

L'arrêt des sources de métaux lourds a été suggéré comme principale stratégie de contrôle de la pollution des sols agricoles6. Certaines politiques typiques menées par le gouvernement chinois étaient propices à la réduction des sources de métaux lourds. En 2013, le plan d'action de prévention et de contrôle de la pollution de l'air a été publié et mis en œuvre24. Le plan d'action était axé sur la réduction des particules atmosphériques grâce à la réduction de l'utilisation du charbon et au contrôle de la poussière. En 2017, l'objectif du plan d'action a été complètement atteint. Les dépôts atmosphériques dans les sols agricoles à l'échelle nationale ont également été efficacement réduits grâce à la mise en œuvre du plan d'action. En Chine, la réduction de l'utilisation d'engrais se fait principalement par le biais d'analyses de sol et de fertilisation formulée (STFF). Le STFF est déployé dans tout le pays depuis 200525. Le STFF comprenait la mesure des éléments nutritifs du sol, l'élaboration d'un calendrier de fertilisation et l'application d'engrais sur le terrain. L'application de STFF pourrait augmenter la fertilité des sols ainsi que le rendement et la qualité des cultures grâce à l'application rationnelle d'engrais. La quantité d'engrais appliquée a diminué grâce à l'application de STFF. Depuis 2015, en plus du STFF, une augmentation raisonnable de l'application d'engrais organiques et de paille a été couramment suggérée pour remplacer l'application d'engrais chimique afin de réduire les quantités d'application d'engrais chimique. Depuis la même année, une série de mesures ont été prises pour réduire l'utilisation des pesticides dans la production agricole26. Le plan d'action de réduction des pesticides (APPR) jusqu'en 2025 a également été annoncé par le ministère de l'Agriculture et des Affaires rurales de Chine en 202227. Les mesures comprenaient l'adaptation du remède au cas, la prévision précise des maladies des plantes et des insectes nuisibles, la culture de plantes résistantes aux maladies et variétés résistantes aux insectes, utilisation de dispositifs de pulvérisation efficaces de pesticides, promotion de technologies vertes de prévention et de contrôle, etc. Ces mesures étaient couramment menées avec l'application de STFF.

À ce jour, de nombreuses études ont été menées sur la répartition des sources de métaux lourds dans les sols agricoles. Cependant, les sources différaient d'une région à l'autre en raison d'un développement régional déséquilibré de l'agriculture, de l'industrie et de la société. En outre, la force exécutive politique du gouvernement local a largement affecté la réduction à la source des métaux lourds dans les sols agricoles. Il était donc essentiel de mener une étude dans une région représentative. Dans cette étude, une région agricole traditionnelle de la plaine de Chine du Nord a été choisie comme zone d'étude. Les facteurs déterminants de l'accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans le sol et les produits agricoles ont été confirmés à l'aide du détecteur géographique. L'interaction et la différence entre les facteurs déterminants ont également été étudiées pour déterminer le facteur dominant. Les résultats de cette étude fournissent une base scientifique pour la gestion des sources de métaux lourds afin de prévenir l'accumulation de métaux lourds dans les sols et les produits agricoles régionaux.

La zone d'étude est située au milieu de la plaine de Chine du Nord (Fig. 1). L'élévation de la zone d'étude est passée de 44,8 m à 66,8 m. En 2018, la température moyenne et les précipitations étaient respectivement de 15,4 °C et 697,4 mm. Cette région est la principale région productrice de céréales et de légumes depuis l'Antiquité. Le principal système de culture est la double culture par an, et la superficie des terres agricoles avec triple culture par an a augmenté ces dernières années. Le principal groupe de sols agricoles est le sol fluvo-aquique. Les engrais chimiques, les engrais organiques et les pesticides sont largement utilisés dans la production agricole depuis 1980. L'engrais chimique est principalement un engrais composé NPK, et l'engrais organique est principalement autoproduit à partir d'excréments de bétail. Les pesticides étaient principalement des herbicides et des insecticides. L'eau d'irrigation provient du sous-sol. L'industrie principale est la transformation du bois et l'habillement, et il n'y a pas d'entreprises fortement polluantes dans la zone d'étude.

Les emplacements de la zone d'étude et des sites d'échantillonnage. La frontière a été déterminée en fonction de la situation actuelle de l'utilisation des terres. La carte a été obtenue à partir de la plate-forme nationale pour les services communs d'information géospatiale (https://www.tianditu.gov.cn/) et créée dans ArcGIS 10.4 (ESRI, Redlands, CA, USA).

Les sites d'échantillonnage étaient situés dans des terres agricoles avec un puits d'irrigation. L'échantillonnage s'est référé aux méthodes recommandées par le Ministère de l'agriculture et des affaires rurales de Chine et le Ministère de l'écologie et de l'environnement de Chine3,28,29. En octobre 2018, des échantillons de pakchoi ont été prélevés sur 20 sites et des échantillons de maïs ont été prélevés sur 45 sites (Fig. 1). Les échantillons de sol et d'irrigation ont été prélevés avec des échantillons de plantes. La portée de chaque zone d'échantillonnage était de 200 m × 200 m. Selon la méthode stochastique, neuf échantillons de sol (0–20 cm) ont été prélevés, et neuf échantillons de plantes entières ont également été prélevés. Les neuf échantillons de sol et les neuf échantillons de plantes ont été mélangés en un échantillon de sol et un échantillon de plantes, respectivement. Une bouteille en verre de 2 L avec un bouchon en caoutchouc a été utilisée pour recueillir l'eau d'irrigation. Avant utilisation, la bouteille en verre et le bouchon en caoutchouc ont été lavés trois fois avec l'eau d'irrigation correspondante. La pompe a été mise en marche pour drainer l'eau pendant au moins 5 min, puis l'eau d'irrigation a été recueillie avec une bouteille en verre. La bouteille était recouverte d'un bouchon en caoutchouc lorsqu'elle était remplie. Le puits d'irrigation se trouvait dans une petite maison de 2 m de long, 1 m de large et 2 m de haut. Les dépôts atmosphériques ont été recueillis sur le toit du puits d'irrigation à l'aide d'une brosse en nylon. Le dépôt atmosphérique a été placé dans un sac en papier propre et le sac a été scellé avec du scotch. Des échantillons d'engrais organiques et chimiques et de pesticides ont également été recueillis auprès des agriculteurs et des entreprises de matériel agricole de la zone d'étude. Les échantillons de sol, de plantes, d'eau d'irrigation, de dépôts atmosphériques, d'engrais et de pesticides collectés ont été placés dans une boîte de rétention de chaleur en utilisant un sac de glace pour maintenir 4 ° C. Les boîtes ont été transportées au laboratoire dans les plus brefs délais. Au laboratoire, les échantillons de sol, les échantillons de dépôt et les échantillons d'engrais ont été séchés à l'air et broyés, les pierres et les débris d'herbe ont été enlevés, puis les échantillons ont été stockés dans des bouteilles d'échantillons. Les échantillons de plantes ont été soigneusement lavés dans de l'eau déionisée pour éliminer toutes les particules de sol et autres impuretés. Les racines et les parties comestibles (grain de maïs, feuilles de pakchoi) ont été séchées à l'étuve à 105 °C pendant 40 min puis conservées à 75 °C jusqu'à obtention d'un poids constant. Les échantillons de plantes sèches ont été broyés puis distribués dans les bouteilles d'échantillons. Tous les échantillons ont été conservés au réfrigérateur à 4 °C.

Les échantillons de sol et les échantillons de dépôt ont été digérés en utilisant un mélange de digestion acide (HCl, HNO3, HF et HClO4) sur une plaque chauffante électrique pour déterminer les concentrations de Cd, Pb, Cu et Zn30. Le DTPA a été utilisé pour extraire la fraction labile des métaux lourds du sol31. Les échantillons d'eau d'irrigation ont été digérés avec HNO3 sur une plaque chauffante électrique pour déterminer les concentrations de métaux lourds32. Les échantillons de plantes ont été digérés avec un mélange de digestion acide (HNO3 et HClO4) sur une plaque chauffante électrique pour déterminer les concentrations de métaux lourds33. Les échantillons d'engrais ont été digérés avec HCl et HNO3 sur une plaque chauffante électrique pour déterminer les concentrations de métaux lourds34. Les échantillons de pesticides ont été placés dans de l'eau régale dans un système à micro-ondes de laboratoire pour déterminer les concentrations de métaux lourds35. Les concentrations de métaux lourds dans les échantillons ont été déterminées par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP‒MS : PerkinElmer NexION 300X ; iCAP6300). Les taux de récupération standard étaient de 93,5 à 104,2 % et les écarts-types relatifs (RSD) étaient inférieurs à 5 %. Cela a montré une grande exactitude et précision de la méthode de test. La limite de détection (LOD) et la limite de quantification (LOQ) étaient respectivement de 1,1 à 12,3 ng L-1 et de 3,5 à 38,9 ng L-1.

Toutes les méthodes utilisées pour collecter et analyser les échantillons ont été recommandées par le ministère de l'Agriculture et des Affaires rurales et le ministère de l'Ecologie et de l'Environnement de Chine. Avant utilisation, toute la verrerie et les récipients en plastique ont été trempés dans du HNO3 à 20 % (v/v) pendant au moins 24 h et soigneusement rincés initialement avec de l'eau distillée, puis avec de l'eau déminéralisée. De plus, des échantillons de référence certifiés, comprenant du matériel de feuilles de brousse (GBW-07603) et du matériel de sol jaune (GBW-07408), ont été utilisés pour le contrôle de la qualité. La différence entre les concentrations d'éléments mesurées et certifiées n'était pas supérieure à 10 %.

Toutes les méthodes utilisées pour collecter et analyser les échantillons ont été réalisées conformément aux méthodes recommandées par le ministère de l'Agriculture et des Affaires rurales de Chine et le ministère de l'Ecologie et de l'Environnement de Chine. La collecte d'échantillons de sol, d'eau d'irrigation et de maïs a été autorisée par le service agricole local.

En utilisant la fonction de variation, le modèle de distribution spatiale et la corrélativité des variables régionalisées ont été étudiés dans l'analyse géostatistique36. L'interpolation par krigeage ordinaire était l'une des méthodes efficaces. Dans cette étude, une interpolation par krigeage ordinaire a été utilisée pour étudier la distribution spatiale des concentrations totales et l'extraction de DTPA des métaux lourds dans le sol et les concentrations de métaux lourds dans les racines et les parties comestibles dans ArcGIS 10.4 (ESRI, Redlands, CA, USA). Le test de normalité a été effectué via Normal QQPlot dans ArcGIS 10.4. Le test a montré que les données obéissaient à une distribution normale. La validation croisée a indiqué que les valeurs prédites étaient proches des valeurs mesurées.

La méthode du détecteur géographique pourrait être utilisée pour explorer l'hétérogénéité spatialement stratifiée des facteurs (facteurs de réponse) et déterminer les facteurs déterminants dominants (facteurs explicatifs)37,38. Cette méthode statistique reposait sur l'hypothèse que si une variable indépendante avait une influence importante sur une variable dépendante, leur distribution spatiale était comparable. Cette méthode sans hypothèse linéaire avait une forme élégante et une signification physique précise. Les données des facteurs de réponse étaient numériques, et les données des facteurs explicatifs devraient être discrétisées selon certaines classifications. L'avantage unique de la méthode était d'explorer l'interaction de deux facteurs explicatifs sur les facteurs de réponse. En comparant la valeur q de chaque facteur explicatif et la valeur q interactive de deux facteurs explicatifs, l'existence, l'intensité, la direction et la linéarité de l'interaction pourraient être déterminées.

La méthode comprenait quatre fonctions : détecteur de facteur, détecteur d'interaction, détecteur écologique et détecteur de risque. Le détecteur de facteur a mesuré l'influence des facteurs explicatifs sur le facteur de réponse. Une valeur de q plus élevée indique une influence plus élevée. Le détecteur d'interaction a révélé si deux facteurs explicatifs avaient une influence interactive sur le facteur de réponse. Les types d'interaction sont présentés dans le tableau 1. Le détecteur écologique a identifié la différence dans les impacts de deux facteurs explicatifs, qui a été évaluée par la statistique F. Le détecteur de risque a indiqué l'importance de la différence entre les valeurs moyennes du facteur de réponse dans chaque strate du facteur explicatif. Les calculs pertinents ont été effectués à l'aide du logiciel GeoDetector basé sur Microsoft Excel (http://geodetector.cn/).

Le système de facteurs comprenait des facteurs de réponse et des facteurs explicatifs. L'objectif principal de cette recherche était d'étudier les effets des facteurs explicatifs sur les facteurs de réponse et de déterminer les facteurs explicatifs dominants. Les quatre facteurs de réponse comprenaient la concentration totale et l'extraction DTPA de Cd, Pb, Cu et Zn dans le sol et les concentrations de métaux lourds dans les racines et les parties comestibles. Onze facteurs explicatifs sont présentés dans le tableau 2. Le type de sol (ST) concerne les sources naturelles de métaux lourds. De plus, ST était la propriété qui décidait de la capacité de maintien et d'approvisionnement de la fertilité du sol et affectait donc la pratique agricole39. Le degré de fertilité du sol (SFG) était la principale base pour l'application de STFF, influençant l'utilisation d'engrais et de pesticides. La fréquence d'irrigation (IF) et la concentration de métaux lourds dans l'eau d'irrigation (HMCIW) ont été sélectionnées comme facteurs d'irrigation considérés comme affectant l'apport de métaux lourds dans les sols agricoles18. La gestion de la réduction de l'utilisation des engrais et des pesticides (MRUFP) a été choisie comme facteur politique, y compris les mesures de mise en œuvre du STFF et de la réduction des pesticides. Les projets STFF et APPR ont été menés dans la zone d'étude en 2007 et 2015, respectivement. Dans la zone d'étude, le MRUFP comprenait des valeurs standard et non standard. Le MRUFP standard faisait référence à l'application d'engrais et de pesticides en suivant strictement les recommandations du STFF et de l'APPR, et l'application excessive d'engrais et de pesticides s'est produite dans le cadre du MRUFP non standard. L'application de la quantité d'engrais organique (AQOF), l'application de la quantité d'engrais chimique (AQCF) et l'application de la quantité de paille (AQS) ont été sélectionnées comme facteurs de fertilisation dont il a été démontré qu'ils affectent les concentrations de métaux lourds dans les terres agricoles21,40. De plus, la quantité d'herbicide appliquée (AQH) et la quantité d'insecticide appliquée (AQI) ont été sélectionnées comme facteurs de pesticides. Il a été démontré que la principale source de métaux lourds dans les sols agricoles de la plaine de Chine du Nord était le dépôt atmosphérique ces dernières années. La concentration en métaux lourds dans les dépôts atmosphériques (HMCAD) a été choisie comme facteur explicatif. En résumé, les facteurs explicatifs comprenaient six types : facteurs de sol (ST, SFG), facteurs d'irrigation (IF, HMCIW), facteurs de politique (MRUFP), facteurs de fertilisation (AQOF, AQCF, AQS), facteurs de pesticides (AQH, AQI) et facteurs atmosphériques. facteur de dépôt (HMCAD).

Les données de tous les facteurs de réponse et de certains facteurs explicatifs (HMCIW, HMCAD) ont été obtenues par analyse en laboratoire. Les données pour ST, SFG, IF, ASTFF, AQOF, AQCF, AQH, AQI et AQS ont été fournies par le département de l'administration agricole locale et ont été vérifiées par notre enquête auprès des agriculteurs locaux. La discrétisation des facteurs explicatifs a été réalisée en utilisant les méthodes d'une étude précédente41.

Selon la méthode de discrétisation, chaque facteur explicatif a été classé en différents niveaux (tableau 2). Les résultats du détecteur de risque ont montré que les valeurs moyennes du facteur de réponse à différents niveaux de chaque facteur explicatif étaient significativement différentes (p < 0,05 ; les données détaillées ne sont pas entièrement présentées pour une grande quantité de données). Cela indique que la méthode de discrétisation choisie est optimale. Le grand groupe de sols des échantillons de sol collectés était le sol fluvo-aquique, comprenant huit genres de sol. Près des deux tiers des échantillons de sol étaient des sols limoneux fluvo-aquiques, qui avaient une grande arabilité. La fertilité du sol de plus de 60 % des échantillons de sol était modérée (degrés de fertilité du sol 2, 3 et 4), et seulement trois échantillons de sol étaient élevés (degré de fertilité du sol 1). Les proportions de chaque degré de fertilité du sol entre le sol de maïs et le sol de pakchoi étaient presque les mêmes. Plus de la moitié des sites d'échantillonnage de maïs ou de pakchoi étaient irrigués plus d'une fois par an, et les concentrations de métaux lourds dans près de la moitié des échantillons d'eau d'irrigation pour le maïs ou le pakchoi appartenaient à un niveau élevé (niveau 3). Les concentrations de Cd, Pb, Cu et Zn étaient bien inférieures à la limitation des métaux lourds dans l'eau d'irrigation (Cd : 10 μg L−1, Pb : 200 μg L−1, Cu : 1000 μg L−1, Zn : 2000 μg L−1) en Chine29. Plus de 70% des sites d'échantillonnage de maïs ou de pakchoi étaient sous MRUFP standard, avec une faible quantité d'application d'engrais (niveaux 1, 2 et 3) et de pesticides (niveaux 1 et 2). Dans ces sites d'échantillonnage sous MRUFP non standard (moins de 30%), des engrais et des pesticides en excès ont été appliqués pour assurer la production de cultures et de légumes. De même, le HMCAD de la plupart des sites d'échantillonnage avec MRUFP standard appartenait au niveau bas (niveaux 1, 2 et 3), et le HMCAD des sites d'échantillonnage avec MRUFP non standard appartenait au niveau 4. Les sites d'échantillonnage de chaque niveau d'AQS étaient presque les même.

Les concentrations de Cd et de Pb dans le sol et les plantes étaient plus élevées dans la partie centre-nord-ouest de la région d'étude que dans les autres parties (Fig. 2). Les concentrations de Cu et de Zn dans le sol et les plantes étaient plus élevées dans les parties ouest et nord de la région d'étude que dans les autres parties. Les valeurs moyennes des métaux lourds dans le sol et les plantes étaient plus élevées dans les sites d'échantillonnage de pakchoi que dans les sites d'échantillonnage de maïs (tableau 3). À l'exception des concentrations totales de Pb dans 23 sites d'échantillonnage de maïs et des concentrations totales de Zn dans 20 sites d'échantillonnage de maïs, les concentrations totales de métaux lourds dans le sol des autres sites d'échantillonnage étaient supérieures aux valeurs de fond dans le sol régional (Tableau 3). Cela indique l'accumulation de métaux lourds dans le sol des terres agricoles de la région d'étude. À l'exception des concentrations totales de Cd dans 4 sites d'échantillonnage de maïs et 6 sites d'échantillonnage de pakchoi, les concentrations totales de métaux lourds dans le sol d'autres sites d'échantillonnage étaient inférieures aux valeurs de dépistage du risque de contamination du sol des terres agricoles en Chine (tableau 3). À l'exception des concentrations de Cd dans les parties comestibles de 3 sites d'échantillonnage de maïs et de 3 sites d'échantillonnage de pakchoi, les concentrations de métaux lourds dans les parties comestibles d'autres sites d'échantillonnage étaient inférieures aux limites de l'alimentation en Chine (tableau 3). Ceci indique une pollution lumineuse au Cd dans les sols agricoles de la zone d'étude.

La distribution spatiale de Cd, Pb, Cu et Zn dans le sol et la plante. L'unité était le mg kg−1.

Les résultats du détecteur de facteur ont montré une influence significative de MRUFP, AQOF, AQCF, AQH, AQI et HMCAD sur les métaux lourds dans le sol et les plantes (Fig. 3). Les résultats du détecteur de risque ont montré que les facteurs de réponse augmentaient significativement avec l'augmentation des niveaux de ces facteurs explicatifs (Fig. 4, p < 0,05). Les concentrations plus élevées de métaux lourds dans le sol et les plantes comprenaient les sites d'échantillonnage avec des MRUFP non standard, des HMCAD élevés et des quantités élevées d'application d'engrais et de pesticides, et vice versa. Les résultats du détecteur écologique ont montré que les influences de MRUFP, AQOF, AQCF, AQH, AQI et HMCAD présentaient des différences significatives par rapport à celles d'autres facteurs explicatifs sur les concentrations de métaux lourds du sol et des plantes dans les sites d'échantillonnage de maïs ou de pakchoi, et la les influences n'étaient pas significativement différentes entre MRUFP, AQOF, AQCF, AQH, AQI et HMCAD (Fig. 5, p < 0,05). Cela indique que ces facteurs explicatifs ont eu une influence significative sur les facteurs de réponse. Les résultats du détecteur d'interaction ont montré que les interactions entre MRUFP et AQOF, AQCF, AQH et AQI et entre HMCAD et MRUFP, AQOF, AQCF, AQH et AQI étaient améliorées de manière non linéaire et que les interactions entre les autres facteurs explicatifs étaient améliorées de manière bivariée ( Fig. 5, p < 0,05). Cela a indiqué que le MRUFP a considérablement amélioré les influences de l'AQOF, de l'AQCF, de l'AQH et de l'AQI sur les concentrations de métaux lourds du sol et des plantes sur les sites d'échantillonnage du maïs et du pakchoi, et l'influence de l'HMCAD a été considérablement renforcée par le MRUFP, l'AQOF, l'AQCF, AQH et IQA.

Les résultats du détecteur de facteur. * : la statistique q est significative au seuil de 0,01 ; # : la statistique q est significative au niveau de 0,05.

Les résultats partiels du détecteur de risque. Chaque colonne indiquait la valeur moyenne du facteur de réponse connexe des sites d'échantillonnage au niveau correspondant du facteur explicatif. Différentes lettres minuscules sur les colonnes indiquent des différences significatives à p < 0,05 sur la base de l'analyse de variance unidirectionnelle (ANOVA).

Les résultats du détecteur écologique (a) et du détecteur d'interaction (b).

Des études antérieures dans le sud de la Chine ont montré que l'eau d'irrigation était la principale source de métaux lourds dans les sols agricoles18,44. Cependant, nous avons constaté que les influences des facteurs d'irrigation (IF et HMCIW) sur les métaux lourds dans le sol et les plantes n'étaient pas significatives. Cela pourrait être attribué aux faibles concentrations de métaux lourds dans l'eau d'irrigation et à la fréquence d'irrigation limitée dans cette étude. Jusqu'à présent, les effets moteurs du retour de la paille sur l'accumulation et la biodisponibilité des métaux lourds dans les sols agricoles sont restés controversés17,45. La décomposition de la paille dans le sol est un processus complexe, induisant différentes interactions entre les produits de décomposition et les métaux lourds. Nous avons constaté que l'effet du retour de la paille sur l'accumulation de métaux lourds dans le sol et les plantes n'était pas significatif. Cela pourrait être attribué aux pratiques de production agricole. Dans la zone d'étude, le brûlage de la paille était interdit. Les déchets de paille étaient préférentiellement vendus aux élevages et avicultures comme fourrage, le reste étant épandu sur les terres agricoles. Depuis 2015, une augmentation raisonnable de l'apport de paille est encouragée pour augmenter la matière organique des sols agricoles et réduire les apports d'engrais chimiques. Le rendement de la paille n'était pas complètement basé sur la demande de fertilité du sol et était très aléatoire. De plus, la concentration en métaux lourds dans la paille était faible. Ces facteurs ont induit l'influence inapparente du retour de paille.

Les dépôts atmosphériques, plutôt que la fertilisation et l'application de pesticides, ont été suggérés comme étant la principale source d'éléments de métaux lourds dans les sols agricoles, et les métaux lourds dans les dépôts atmosphériques provenaient principalement de l'industrie lourde et de la combustion du charbon21. Cependant, il a été démontré que l'accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans les terres agricoles de la plaine de Chine du Nord était principalement due à des pratiques agricoles à long terme, telles que l'application d'engrais et de pesticides, et que les dépôts atmosphériques étaient la source exogène secondaire de métaux lourds46. . Une autre étude menée dans la plaine de Chine du Nord a indiqué que l'accumulation de métaux lourds dans le sol était liée à l'application d'engrais organiques, d'engrais phosphatés et d'engrais composés15. Dans cette étude, les résultats du détecteur géographique ont également indiqué les effets moteurs dominants des dépôts atmosphériques et de l'application d'engrais et de pesticides sur l'accumulation de métaux lourds dans le sol et les plantes. Dans le nord de la Chine, les métaux lourds en suspension dans l'air sont abondants en particules grossières et se déposent principalement dans les régions autour des sources de pollution47. Par conséquent, certaines sources de pollution par les métaux lourds étaient réparties autour du sol agricole avec l'accumulation de métaux lourds associés. Grâce à l'enquête, il n'y avait pas d'autres sources de pollution par les métaux lourds dans ou autour de la région d'étude. Les émissions de suie des industries concernées ont été fortement réduites grâce à la mise en œuvre de plans régionaux de prévention et de contrôle de la pollution de l'air de 2013 à 2018. À la fin de 2017, les chaudières à charbon avec ou moins de vapeurs de 100 kilotonnes ont été démantelées, et le polluant les émissions des chaudières à charbon de plus de 100 kilotonnes de vapeurs étaient strictement contrôlées. Les métaux lourds dans les dépôts atmosphériques pourraient provenir de la poussière soulevée par le vent des terres agricoles environnantes. De plus, les résultats du détecteur d'interaction ont montré que la gestion de la réduction de l'utilisation d'engrais et de pesticides et les quantités d'application d'engrais et de pesticides augmentaient considérablement l'influence des dépôts atmosphériques sur les concentrations de métaux lourds du sol et des plantes. Ainsi, les influences des dépôts atmosphériques et d'autres facteurs explicatifs significatifs sur l'accumulation de métaux lourds dans le sol et les plantes étaient tout aussi importantes.

Dans la zone d'étude, des métaux lourds ont été retrouvés dans les engrais organiques et chimiques (tableau 4). Les concentrations de métaux lourds dans les engrais organiques étaient bien supérieures à celles des engrais chimiques. Les quantités d'engrais organiques appliquées dans tous les sites d'échantillonnage étaient supérieures aux valeurs moyennes (2,25 t hm−2) du pays48. Les quantités d'engrais organiques appliquées dans la plupart des sites d'échantillonnage étaient supérieures aux valeurs moyennes du pays (369,58 kg hm−2, données de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, https://www.fao.org/faostat). L'application d'engrais organiques et chimiques induit l'accumulation de métaux lourds dans les terres agricoles. L'application de pesticides pourrait induire une accumulation de métaux lourds dans les sols agricoles49,50. Différentes concentrations de Cd, Pb, Cu et Zn ont été détectées dans les pesticides collectés (herbicide et insecticide, tableau 4). De plus, les quantités d'épandage d'herbicides et d'insecticides étaient bien supérieures à celles de pesticides (total) pour la Chine en 2018 (2,17 kg(L) hm−2, données de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture, https://www .fao.org/faostat). L'application d'herbicides et d'insecticides augmenterait les métaux lourds dans les terres agricoles. En bref, les dépôts atmosphériques et l'application excessive d'engrais et de pesticides et les dépôts atmosphériques ont causé directement l'accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans les sols agricoles de la zone d'étude.

Le détecteur de facteur a indiqué les influences significatives de la politique de gestion de réduction de l'utilisation d'engrais et de pesticides et des dépôts atmosphériques sur l'accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans le sol et les plantes. De plus, le détecteur d'interaction a indiqué les influences grandement accrues de la fertilisation, de l'utilisation de pesticides et des dépôts atmosphériques par le MRUFP. Parmi les quatre types de facteurs déterminants, le MRUFP était le facteur dominant. En fait, le niveau élevé d'application d'engrais et de pesticides et le niveau élevé de concentration de métaux lourds dans les dépôts atmosphériques ont été distribués dans la région avec des MRUFP non standard. La région avec une application non standard de MRUFP comprenait environ la moitié des niveaux de fertilité des sols élevés et faibles des terres agricoles dans la zone d'étude. Dans les terres agricoles à haute fertilité du sol, la superficie des terres agricoles avec une triple culture par an a augmenté d'année en année. Les activités de production agricole à haute intensité nécessitent l'application abondante d'engrais et de pesticides pour assurer le rendement et la qualité des produits agricoles. Dans les terres agricoles à faible fertilité des sols, d'énormes engrais ont été appliqués pour améliorer la fertilité des sols, et des pesticides abondants ont également été utilisés pour assurer le rendement et la qualité des produits agricoles. Malgré l'application de STFF et l'utilisation réduite de pesticides dans toute la zone d'étude, la gestion s'est progressivement relâchée depuis 2011. Dans ces régions, l'application d'engrais et de pesticides a augmenté depuis 2011 en raison des besoins de la production agricole, induisant l'accumulation des métaux lourds dans le sol et les plantes. Comme aucune autre source de pollution par les métaux lourds n'a été distribuée dans ou autour de la zone d'étude, les métaux lourds dans les dépôts atmosphériques dans la poussière ont été soulevés par le vent des terres agricoles environnantes. Ce dépôt atmosphérique induit avec de fortes concentrations de métaux lourds devait être distribué dans les régions à MRUFP non standard, et vice versa. Dans ce contexte, la réduction de l'utilisation d'engrais et de pesticides nécessite des mesures de gestion strictes pour éviter l'accumulation de métaux lourds dans les sols et les produits agricoles.

Grâce à l'analyse des concentrations de métaux lourds dans les échantillons d'engrais organiques et chimiques collectés, il a été constaté que les concentrations de métaux lourds dans les engrais organiques étaient bien supérieures à celles des engrais chimiques, et que les concentrations de Cd et de Pb dans certains échantillons d'engrais organiques dépassaient la limites des engrais en Chine (tableau 4). Cela était conforme aux résultats de l'analyse de la teneur en métaux lourds des engrais courants dans les champs de légumes typiques du nord de la Chine44 et en contradiction avec les résultats de la recherche étrangère50. Des recherches étrangères ont montré que les concentrations de Cd, Pb, Cu et Zn dans les engrais chimiques sont bien supérieures à celles des engrais de fumier. Cela a été attribué au contrôle de qualité strict des engrais chimiques en Chine. Dans la zone d'étude, la plupart des engrais organiques étaient autoproduits à partir de fumier de bétail acheté dans des fermes d'élevage et de volaille par les agriculteurs, et les engrais organiques commerciaux n'étaient pas largement utilisés en raison de leur prix élevé. La qualité des engrais organiques autoproduits ne pouvait être garantie. De plus, depuis 2015, l'augmentation des engrais organiques a été suggérée pour se substituer à l'application d'engrais chimiques. Ainsi, les quantités d'engrais organiques appliquées dans la région d'étude étaient bien supérieures à celles des engrais chimiques (tableau 2). Par conséquent, les engrais organiques ont apporté plus de métaux lourds au sol agricole que les engrais chimiques. Une étude antérieure a également montré que la substitution d'engrais chimiques par des engrais organiques induisait l'accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans le sol52. Pour éviter l'accumulation de métaux lourds dans les sols et les produits agricoles, l'application d'engrais organiques devait suivre les recommandations de STFF. Dans le cadre du contrôle des prix, le remplacement des engrais organiques autoproduits par des engrais organiques commerciaux standardisés était une méthode efficace. La surveillance normative des métaux lourds dans les engrais organiques commerciaux est essentielle pour garantir la qualité.

Dans cette étude, une importante zone de production de céréales et de légumes avec une accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans le sol de la plaine de Chine du Nord a été sélectionnée comme zone d'étude. La méthode du détecteur géographique a été utilisée pour déterminer les facteurs déterminants de l'accumulation de Cd, Pb, Cu et Zn dans les sols et les produits agricoles. Les facteurs politiques (gestion de la réduction de l'utilisation d'engrais et de pesticides), les facteurs de fertilisation (application d'engrais organiques et chimiques), les facteurs de pesticides (application d'herbicides et d'insecticides) et les facteurs de dépôt atmosphérique (concentration de métaux lourds dans les dépôts atmosphériques) ont eu des influences significatives sur l'accumulation de métaux lourds dans le sol et les plantes. Parmi ces facteurs, le facteur politique était le facteur moteur dominant qui a considérablement renforcé les influences des trois autres types de facteurs. Les dépôts atmosphériques et l'application excessive d'engrais et de pesticides induisent directement l'accumulation de métaux lourds dans le sol et les plantes. Les engrais organiques contribuent à des niveaux élevés de métaux lourds dans les sols agricoles en raison de leurs fortes concentrations de métaux lourds et des quantités d'application abondantes. L'application de plans d'action et de fertilisation formulés pour la réduction des pesticides a permis de réduire efficacement l'accumulation de métaux lourds dans le sol et les plantes. L'application standard d'engrais organiques et le suivi normatif des métaux lourds dans les engrais organiques ont été suggérés pour prévenir l'accumulation de métaux lourds dans les sols agricoles de la zone d'étude.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la Gansu Education Department Young Doctor Foundation (2022QB-172) et la Gansu Natural Science Foundation (20JR10RA288, 21JR7RA693, 21JR1RA319). Les auteurs sont reconnaissants de l'aide de Maoquan Liang, Yifei Xue, Yixin Zhang, Rongye Li, Liqi Fan et Ping Zhang de l'Université de la ville de Lanzhou pour l'échantillonnage sur le terrain et les tests en laboratoire. Les auteurs sont également reconnaissants de l'aide du Bureau de l'agriculture et des affaires rurales de Caoxian de la province du Shandong.

École de génie chimique, Université de la ville de Lanzhou, Lanzhou, 730070, Chine

Zheng Liu et Jun Li

Centre de recherche pour le contrôle de la pollution environnementale des villes du bassin du fleuve Jaune, Université de la ville de Lanzhou, Lanzhou, 730070, Chine

Zheng Liu

Académie des sciences éco-environnementales du Gansu, district de Chengguan, Lanzhou, 730000, Chine

Ying Bai

Centre de surveillance de l'environnement écologique de Baiyin de la province de Gansu, Baiyin, 730900, Chine

Junhong Gao

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ZL a conçu l'expérience, analysé les données, préparé toutes les figures et tous les tableaux, rédigé le manuscrit. YB a supervisé la recherche, révisé le manuscrit, maintenu les données de recherche. JG et JL ont effectué un échantillonnage, une enquête et un test en intérieur, collecté d'autres matériaux.

Correspondance à Ying Bai.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Liu, Z., Bai, Y., Gao, J. et al. Facteurs déterminants de l'accumulation de cadmium, plomb, cuivre, zinc dans les sols agricoles et les produits de la plaine de Chine du Nord. Sci Rep 13, 7429 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34688-6

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Reçu : 08 février 2023

Accepté : 05 mai 2023

Publié: 08 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34688-6

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