Dans le cadre de la réalisation des plans d’épandage des boues de stations d’épuration urbaines, de très nombreuses analyses de huit éléments traces métalliques (Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se et Zn) ont été effectuées sur des échantillons d’horizons de surface de sols avant l'épandage de boues résiduaires, et ce sur l’ensemble du territoire national depuis 1985 (date à laquelle la norme NFU 44-041 a été adoptée) et surtout à partir de 1994.

En 1997 à la demande de l’ADEME et dans le but d’exploiter toutes ces données, l’INRA d’Orléans a engagé un travail de collecte, d'informatisation et de traitement des données disponibles au plan national. Les différents détenteurs de résultats d’analyses ont été sollicités afin qu'ils fournissent des données si possible géoréférencées, sous couvert de confidentialité (les parcelles analysées ne devant pas être identifiables lors de la restitution finale). La base de données ainsi constituée initialement pour l'ADEME est désormais mise à la disposition du Groupement d’Intérêt Scientifique Sol (GIS Sol, www.gissol.fr).

Dans le cadre de la mise en place d’une politique Européenne de protection des sols, cette base et cet ouvrage sont une contribution majeure pour la connaissance de la qualité des sols cultivés français et notamment des niveaux de contamination diffuse.

Chapitre 1 - Données et informations collectées

Conformément aux prescriptions de la norme AFNOR NF U 44.041 (alors en vigueur), les teneurs en huit éléments traces ont été déterminées (Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, Zn) sur des échantillons prélevés dans les horizons de surface des terrains agricoles devant recevoir des épandages de boues d'épuration urbaines. Toutes les teneurs en éléments traces ainsi collectées (dosées sur la "terre fine" < 2 mm séchée à l'air) sont exprimées en mg.kg-1. La collecte a également rassemblé les analyses de caractérisation agro-pédologique courantes réalisées sur les mêmes échantillons : granulométrie 5 fractions ; pH eau ; CEC ; carbone organique ; calcaire total.

Outre ces données numériques, des informations complémentaires ont été recherchées. Les unes relatives aux prélèvements, telles que le nom de la commune, les coordonnées géographiques précises du lieu de prélèvement (selon le carroyage kilométrique Lambert), l'organisme ayant réalisé l'étude préalable à l'épandage, le type d'agriculture pratiqué sur la parcelle, le type de sol ou la nature du matériau parental. Les autres relatives aux analyses elles-mêmes, telles que la méthode de mise en solution utilisée avant dosage des ETM, l'identité du laboratoire ayant réalisé les analyses, la date des analyses, etc.

Cette base de données rassemble :

• des horizons de surface labourés uniquement (horizons L des pédologues français), exclusivement des sols cultivés susceptibles de recevoir des épandages de boues d'épuration ;

• des prélèvements tous antérieurs à mai 1998, effectués pour pratiquer des analyses obligatoires dans le cadre de la réglementation française pour préparer des plans d'épandage de boues d'épuration ;

• réalisés avant l'épandage éventuel des boues (il est probable cependant que certains prélèvements ont été effectués dans des parcelles ayant déjà reçu des boues d'épuration à une époque plus ou moins ancienne où ces pratiques n'étaient pas encadrées) ;

• des analyses réalisées dans au moins 28 laboratoires différents, selon au moins deux protocoles de mise en solution préalable aux dosages ;

• au total, les analyses de 11 396 échantillons ont pu être collectées.

Ce jeu de données n'a pas bénéficié d'une véritable stratégie d'échantillonnage unifiée car il résulte d'une collecte de résultats d'analyses correspondant à des échantillons prélevés par des dizaines d'opérateurs différents. En outre, il est clair que cet échantillonnage ne représente pas fidèlement l'ensemble des sols du territoire français. En effet, de nombreuses parcelles ont été d'emblée écartées d'un éventuel épandage pour des raisons de situation (pentes trop fortes, vallées) ou d'occupation des sols (forêts, prairies) ou bien pour des raisons pédologiques (sols jugés inaptes à l'épandage de boues). Mais les échantillons ainsi collectés représentent probablement assez bien les sols de grandes cultures des régions où ils ont été prélevés

Aucun tri n'a été opéré par rapport au caractère "habituel" ou au contraire "anomalique" ou nettement contaminé des teneurs mesurées.
Cette base de données rassemble donc certainement :

• des échantillons dont la concentration en ETM est demeurée très proche des "concentrations pédogéochimiques naturelles locales" (CPGN) – c'est sans doute le cas des prairies non ou peu fertilisées ;

• un grand nombre d'échantillons correspondant à des "teneurs agricoles habituelles" (TAH) = CPGN + apports d'origine agricole et retombées atmosphériques diffuses;

• et un certain nombre d'échantillons de sols notablement ou très fortement pollués.

La réalisation de cette étude s'est heurtée à de nombreuses difficultés pratiques, les unes liées au collectage lui-même, les autres liées à l’insuffisance ou à l’hétérogénéité des données et informations recueillies.

• Les données recherchées étaient disséminées parmi diverses institutions et dans divers documents. Il n'a pas été facile de les retrouver et d'éviter les doublons.

• Dans plus de 80 % des cas, le repérage géographique en coordonnées Lambert était manquant. Les seuls documents permettant de géoréférencer les échantillons étaient le plus souvent une photocopie du fond topographique de l’IGN à 1/25 000 ou à 1/50 000 qui accompagnait le rapport d'étude. Il a donc fallu rechercher les coordonnées des points de prélèvements ou des parcelles sur des cartes topographiques. Cette saisie manuelle des coordonnées géographiques (qu'elle ait été faite par les organismes départementaux avant de nous être envoyés ou par nous ultérieurement), est une opération très lourde et une source d'erreurs. Rien de plus facile que de se tromper sur un chiffre avec pour conséquence une erreur de 10 - 80 ou 200 km.

Un certain nombre d'erreurs techniques ont pu être décelées : erreurs de saisie, erreurs de colonnes ou d'unité, quantité de métal extrait à l'EDTA confondue avec la teneur totale, etc. Certaines ont ainsi pu être corrigées (car les valeurs étaient "hors normes" et avaient attiré notre attention) mais beaucoup d'autres, de mêmes natures mais moins "voyantes", sont probablement passées inaperçues.

• Dans beaucoup de cas, les informations se sont avérées incomplètes ou inutilisables. Ainsi, par exemple, la granulométrie de la terre fine est assez souvent absente, c'est pourtant un renseignement bien utile. En outre, les informations relatives au contexte pédologique et géologique, se sont avérées faiblement informatives, hétérogènes et peu fiables.

• Certaines analyses d'ETM anciennes (période 1984-1993) présentent des teneurs très élevées qui ont paru suspectes. Il est difficile de juger avec certitude de leur fiabilité. Il semble cependant que les laboratoires qui se sont lancés progressivement dans le dosage des ETM ont rencontré des difficultés pendant les premiers mois.

• De nombreux résultats figurent dans les divers documents sous la forme "inférieur à un certain seuil de détermination", par exemple :

Cd < 0,50 mg.kg-1          ou         Hg < 0,30 mg.kg-1         ou         Se < 1,0 mg.kg-1

Une information comme "Cd < 0,50 mg.kg-1" s'avère inexploitable compte tenu que la médiane des teneurs en cadmium, calculée sur l’ensemble des 10 634 valeurs disponibles au plan national, vaut 0,26 mg.kg-1.

• Une autre hétérogénéité concerne les méthodes analytiques employées par les différents laboratoires pour la détermination des teneurs en ETM et principalement le mode de mise en solution préalable avant dosages. La plupart des laboratoires ont employé l'eau régale (ER) tandis qu'un autre a utilisé l'association de deux acides forts : HF + HClO4.

Chapitre 2 - Méthodes analytiques et Conséquences

Ce chapitre présente les deux méthodes de mise en solution avant dosages employées par les laboratoires d'analyse et insiste sur la différence de résultats obtenus entre la méthode fournissant des teneurs véritablement "totales" (utilisation de HF) et la méthode donnant des teneurs "pseudo-totales" (utilisation de l'eau régale). En outre, ces différences varient largement selon la composition des sols et selon le métal considéré.

Chapitre 3 - Traitements statistiques sur les ETM

Ce chapitre présente différents traitements statistiques opérés sur les concentrations en ETM. Il débute par une définition des techniques et notions utilisées, notamment de la notion d'outlier. Sont ensuite présentés :

• des premiers traitements bruts sur les ETM et les données agro-pédologiques portant sur l'ensemble de la collecte (France entière) ;

• des informations à l'échelon national comme le nombre d'outliers ou le nombre de valeurs supérieures aux seuils "sols" de la réglementation) ;

• la localisation par départements des outliers supérieurs nationaux et des valeurs excédentaires (sous la forme de petites cartes) ;

• des statistiques portant sur l'ensemble de la collecte (France entière) mais en distinguant la population HF et la population ER ;

• la matrice des corrélations impliquant les ETM à l'échelon national (généralement mauvaises, car les matériaux parentaux et les sols sont très variés), quelques exemples à l'échelon départemental (corrélations généralement meilleures).

Chapitre 4 - Traitements statistiques par classes granulométriques

La population "France entière" a été stratifiée en 5 classes granulométriques présentant des teneurs croissantes en argile (particules < 2 µm). Une relation statistique forte apparaît clairement entre les teneurs en ETM (sauf Hg) et les teneurs en argile. La méthode de recherche de contaminations par approche granulométrique est appliquée au cas particulier des échantillons de texture sableuse.

Chapitre 5 - Traitements statistiques par matériaux parentaux

Malgré l'absence d'informations fiables sur les matériaux parentaux et les types de sols nous avons essayé de rassembler des analyses provenant de mêmes matériaux parentaux ou "familles pédo-géologiques" (FPG) afin de pouvoir opérer des traitements statistiques et d'en dégager leurs principaux traits pédo-géochimiques. Comme il s'agit uniquement d'horizons de surface de sols cultivés, tous ces échantillons portent la marque de contaminations diffuses (apports agricoles, retombées atmosphériques) d'importance variable. Seulement cinq FPG suffisamment typées ont pu être isolées et étudiées :

• les "limons des plateaux" du Bassin parisien (n = 1089) ;

• les sols issus de craies (n = 253) ;

• les sols podzoliques sableux des Landes de Gascogne (n = 24) ;

• les sols développés dans les moraines alpines (n = 189) ;

• des "boulbènes" un peu sableuses de l'Ariège (n = 20).

Les concentrations mesurées sont très contrastées, montrant ainsi que l'héritage pédo-géochimique reste très apparent dans les horizons de surface malgré les contaminations diffuses. Les grands types de matériaux parentaux sont une excellente base de stratification des données mais certaines informations, nécessaires pour classer les échantillons selon ce critère, font souvent défaut.

Chapitre 6 - Statistiques par départements

Ce chapitre présente essentiellement des tableaux statistiques établis pour les 8 ETM et pour les 31 départements pour lesquels on disposait d'au moins 100 mesures. Il n'a pas été possible de séparer les sous-populations ER et les sous-populations HF.

Chapitre 7 - Statistiques par régions agricoles (RA)

Les mesures disponibles ont été rassemblées et traitées sur la base territoriale des régions agricoles (RA). Celles-ci résultent d'un découpage du territoire national réalisé par des géographes, peu après la dernière guerre mondiale. Elles sont censées constituer des zones homogènes tant par la "nature des sols" que pour les conditions climatiques et la vocation dominante des exploitations agricoles. Huit cartes présentent le nombre de valeurs "outliers supérieurs" à l'échelle nationale par RA. Huit autres cartes présentent les médianes calculées pour les RA (celles pour lesquelles au moins 21 mesures sont utilisables). Certaines régions agricoles montrent un grand nombre de valeurs outliers ou des valeurs de médianes beaucoup plus élevées que dans le reste de la France. Ceci résulte le plus souvent d'anomalies naturelles pédo-géologiques, parfois cela reflète l'impact des activités humaines. La stratification de l'échantillonnage par RA est bien plus pertinente que celle par départements.

Chapitre 8 - Spatialisation des teneurs en ETM

Plusieurs centaines de valeurs disponibles dans un département, c'est encore relativement peu et ces analyses sont souvent mal réparties. De plus, on ne dispose d'aucune base logique d'extrapolation de ces valeurs dans l'espace. La répartition spatiale des mesures a donc été représentée sous la forme de cartogrammes par groupes de départements (8 groupes x 8 ETM = 64 cartogrammes).

En outre des essais de cartographies géostatistiques ont été tentés pour le plomb et le nickel à l'échelle régionale. Ces essais ont porté sur un groupe de 9 départements [Ile de France – Picardie – Haute Normandie] pour lequel des données relativement abondantes et assez bien réparties étaient disponibles. Le krigeage ordinaire a été utilisé comme méthode d'interpolation et trois modes de présentation (nombre et découpage des classes) ont été comparés. Appliquée à une telle base de données, l'interpolation par krigeage a fourni des "cartes" d'estimation qui semblent peu pertinentes.

Chapitre 9 - Travail approfondi sur un département (l'Yonne)

L'objectif était de compléter au maximum la collecte réalisée en 1998 afin de travailler sur un plus grand nombre d'échantillons mais surtout de voir ce qu’il est possible de réaliser lorsque le contexte géologique et pédologique d'un département est bien connu. Le département de l'Yonne a été choisi car il avait été très étudié. Il a ainsi été possible de stratifier l’échantillonnage par "petites régions naturelles" (PRN) et par matériaux parentaux et de faire ainsi apparaître de grandes différences de concentrations en métaux d'une PRN à une autre ou d'un matériau parental à un autre.

Chapitre 10 - Perspectives

Depuis 1998, la situation a changé en France, car il existe désormais d'autres bases de données analytiques relatives aux teneurs totales en ETM dans les sols. La question se pose de savoir s'il faut lancer une nouvelle collecte des analyses d'ETM non prises en compte dans la première, donc de toutes celles réalisées entre 1998 et 2007 (sans oublier, éventuellement, celles omises lors de la première collecte).

Si la réponse est OUI, il faudra prendre en compte les imperfections de la première collecte et tenter d'y remédier. Ou bien faut-il opérer autrement ? Par exemple, abandonner la voie de récolte des données par les "clients" (bureaux d'études, SATESE, MISE, services spécialisés des chambres d'agriculture) et procéder désormais en s'adressant directement aux laboratoires d'analyses, selon la même procédure que pour la Base de Données des Analyses de Terre ?

En ce qui concerne les traitements statistiques ultérieurs, deux méthodes de stratification des données peuvent être envisagées :

• par matériaux parentaux (MP) à condition de disposer des informations ad-hoc pour affecter de manière fiable chaque analyse à tel ou tel matériau parental (ce qui est rarement le cas) ;

• ou par régions agricoles (RA) ou petites régions agricoles (PRA) puisqu'un géoréférencement communal suffit pour savoir automatiquement dans quelle RA ou PRA un échantillon se situe.

L'idéal serait de pouvoir stratifier l'échantillonnage par petites régions naturelles car c'est le découpage territorial qui prend le mieux en compte la nature des roches et des matériaux parentaux, du relief et des sols). Malheureusement, il n'existe toujours pas de cartographie complète des PRN à l'échelle nationale. La stratification par Régions Agricoles semble la plus (opé)rationnelle pour réaliser les traitements futurs.