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Perspective spatio-temporelle et impacts des contaminants atmosphériques d'origine diffuse sur les forêts périurbaines du sud-est du Canada: Une approche dendrogéochimique.

Doucet, Annick (2011). Perspective spatio-temporelle et impacts des contaminants atmosphériques d'origine diffuse sur les forêts périurbaines du sud-est du Canada: Une approche dendrogéochimique. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 253 p.

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Résumé

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Les registres continus d'émissions de polluants existants pour le nord-est de l'Amérique du Nord couvrent une très courte période (15 à 20 ans) relativement à la durée de l'ère industrielle (depuis 1850). Ainsi, il s'avère pertinent de chercher à développer des approches qui permettent soit de reconstituer les changements relatifs à l'accumulation des polluants dans l'environnement sur les derniers 150 ans, soit de déduire ces changements en reconnaissant leurs effets. Conséquemment, cette étude vise à reconstituer l'historique des effets de la pollution diffuse en milieu périurbain à l'aide de systèmes d'archives naturelles à haute résolution temporelle, c'est-à-dire en combinant la dendrochronologie et la géochimie. L'historique de la pollution atmosphérique diffuse du secteur nord de l'Axe industriel Windsor-Québec a été reconstitué pour l'intervalle 1840 à 2007 grâce à la combinaison unique de plusieurs indicateurs dendrogéochimiques dont les valeurs isotopiques du carbone (δ13C), de l'oxygène (δ180), de l'azote (δ15N) et du plomb (206Pb/207Pb, 204Pb/206Pb, 208Pb/206Pb) ainsi que les concentrations en aluminium, en arsenic, en calcium, en cadmium, en zinc et en plomb. Ces analyses ont été effectuées sur cinq peuplements forestiers présents dans les régions périurbaines des villes de Québec (Qc) et de Montréal (Qc), et de la Baie-Georgienne (On). Le travail de recherche a permis de réviser le protocole de préparation des échantillons de bois pour l'analyse des concentrations et des isotopes de l'azote (Article 1), un domaine de recherche actuellement en pleine expension. Cette étude propose aussi une approche statistique permettant de séparer les effets naturels (conditions climatiques) des impacts dus à la contamination anthropique sur la géochimie et peut être la physiologie de l'arbre (Articles III & IV). L'application de ces avancées scientifiques a permis de porter un nouveau regard sur les séries dendroisotopiques subséquemment produites (Articles Il, III & IV). Les valeurs δ15N élevées dans les cernes de croissance ont permis d'identifier la combustion des charbons comme étant la source principale d'émission d'oxydes d'azote (NOx) de la fin du 1ge siècle aux années 1950. À partir de cette décennie, la diminution des valeurs δ15N dans les cernes indique que les rejets atmosphériques du secteur des transports ont constitué la source dominante d'émissions de NOx. Les valeurs Ca/AI dans les cernes de croissance indiquent qu'une acidification des sols aurait pu se produire conjointement à l'appauvrissement des valeurs δ15N enregistrées dans les peuplements étudiés. La modélisation des valeurs δ13C et des conditions climatiques a révélé que la pollution atmosphérique diffuse a marqué l'assimilation du carbone par les arbres de tous les sites étudiés en augmentant leurs valeurs δ13C. La même approche statistique appliquée aux valeurs δ180 dans les cernes a démontré que la pollution de l'air a influencé l'assimilation de l'oxygène des arbres des sites de Montréal et de la Baie-Georgienne en provoquant un appauvrissement d'une partie de leurs séries de valeurs δ180. Les concentrations et les rapports isotopiques du plomb (rapports 206Pb/207Pb élevés) ont indiqué que la source dominante du plomb pour la période précédent les années 1920 était la combustion des charbons du nord-est Américain. Cette source a ensuite graduellement été dominée par le plomb émanant de la combustion de l'essence avec des additifs au plomb, entre les années 1920 et 1980 (206Pb/207Pb plus faibles). La décroissance des concentrations du plomb dans les cernes entre ~1985 et 2007 est principalement liée au retrait progressif de l'essence avec additifs au plomb dans les années 1980. Depuis cette période, les émissions du plomb anthropique pourraient provenir notamment d'un mélange entre la combustion des charbons du nord-est Américain (rapports 206Pb/207Pb élevés) et des produits recyclés contenant du plomb. Les valeurs isotopiques du plomb dans les arbres ont aussi démontré que la pollution de l'air provenant des États-Unis est présente à la Baie-Georgienne et à Montréal. Les métaux étudiés ne montrant aucun signe particulier de mobilité radiale à travers les cernes ont indiqué que la 'pollution atmosphérique, principalement rejetée par le secteur industriel, a graduellement augmenté depuis le début du 20e siècle. Déjà présente en quantité assez élevée en ~1930 pour avoir une incidence sur les comportements physiologiques des arbres (valeurs δ13C et δ180), la pollution atmosphérique diffuse a atteint des sommets entre ~1960 et ~1985. L'application de lois environnementales plus sévères dans les années 1970 et 1980 a ensuite provoqué une rapide diminution des rejets métalliques émis par le secteur industriel dès le milieu des années 1980. La combinaison de tous les résultats a démontré que la pollution en provenance des États-Unis est plus présente au sud-ouest du Corridor. Ce projet de recherche établit que plusieurs espèces arborescentes sont, de façon contrastée, sensibles à la pollution atmosphérique diffuse émise par de multiples sources. Cette recherche apporte aussi de nouvelles connaissances sur la capacité des espèces étudiées à préserver la distribution originale des métaux dans leurs tiges. Avant tout, il est démontré que les espèces arborescentes sont utiles pour reconstituer l'historique des changements de la qualité de l'air et que la combinaison de multiples indicateurs dendrogéochimiques permet de dresser un portrait réaliste et à long terme des changements du comportement de l'arbre causés par la pollution de l'air, et ce, sur un vaste territoire.

Abstract

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Continuous records of atmospheric pollutants for northeastern America only cover periods of time between 15 to 20 years that are short relatively to the industrial period, which covers the last 150 years. Therefore, it is pertinent to develop approaches that could allow to reconstruct the changes caused by the accumulation of pollutants in the environment for the last centuries or to infer those changes by identifying their effects. In consequence, this study addresses the historical reconstruction of diffuse pollution effects of peri-urban areas with natural archive systems of high temporal resolution, more precisely by combining dendrochronology and geochemistry. The scientific approach of the project aimed at reconstructing the past changes in diffuse atmospheric pollution of the northern part of the Windsor-Québec City Corridor from 1840 to 2007. The methodology integrated multiple tree-ring geochemical indicators including isotopic values of carbon (δ13C) , oxygen (δ180), nitrogen (δ15N) and lead (206Pb/207Pb, 204Pb/206Pb, 208Pb/206Pb) and concentrations of aluminum, arsenic, calcium, cadmium, zinc and lead. Those analyses were performed on five tree stands growing in the peri-urban area of Québec, Montréal (Qc) and the Georgian Bay (On). This research project has revised the protocol of wood pretreatment required to analyze the nitrogen concentrations and isotope values (Paper 1), an expanding field in environmental research. But most importantly, this research suggests a statistical approach to separate the natural effects (climatic conditions) from the impacts of anthropogenic contamination on the geochemistry and possibly the physiology of trees (Papers III & IV). Applying these scientific advances allows to look at the subsequently produced dendroisotopic series from a new angle (Papers Il, III & IV). The relatively high tree-ring δ15N values between 1880 and 1950s identified the intense production and consumption of coal in northeastern America as the main source of nitrogen oxides (NOx). Then, the depleted tree-ring δ15N values of the post-1950s proposed that NOx emitted by car exhausts became the main source of nitrogen. The tree-ring Ca/AI ratios reveal that soil acidification may have occurred simultaneously to the depletion of the δ15N values of the studied stands. Modelling the δ13C values with climatic parameters showed that diffuse atmospheric pollution affected the foliar assimilation of carbon by ail studied trees, increasing their tree-ring δ13C values. Applying the same statistical approach to the tree-ring δ180 values showed that air pollution affected the assimilation of oxygen by trees at the Montréal and Georgian Bay sites, depleting their δ180 values in a portion of the isotopic series. Tree-ring lead concentrations and isotope ratios (high (206Pb/207Pb ratios) indicated that the primary anthropogenic source of lead along the Windsor-Québec City Corridor first originated from the combustion of northeastem American coal. This lead source was progressively replaced by combustion of leaded gasoline (Iow (206Pb/207Pb ratios) between the 1920s and 1980s. The decrease of lead concentrations from ~1985 to 2007 was mainly caused by the progressive phasing out of leaded gasoline in the 1980s. Then, the lead sources of those later years could derive mainly from northeasten coal combustion (high 206Pb/207Pb ratios) and buming of lead coming from recycled material. Tree-ring metal concentrations that do not show evidence of radial mobility revealed that air pollution, mainly emitted by the industrial sector, gradually increased since the beginning of the 20th century. The concentration of air pollution was high enough in the ~1930 to have influenced the physiological behavior of trees (δ13C and δ180 values), but reached the highest concentrations between ~1960 and ~1985. As a result of the application of new regulations on pollution emissions between the 1970s and 1980s, atmospheric pollution emitted by the industrial sector rapidly decreased since the mid 1980s. Combining ail results showed that atmospheric pollution along the Windsor-Québec City Corridor is transported by the dominant wind from the southwest to the northeast. Consequently, tree-ring indicators showed that air pollution from United States is more important in the south-west part of the Corridor. This study confirms that several tree species, in a distinct way, are sensitive to diffuse atmospheric pollution emitted by multiple sources. This research project also provides new insights into the performance of the studied trees for recording the original metal distribution in their stems. Above all, this study shows that trees can serve to reconstruct the past air quality changes and it underlines the fact that the combination of several geochemical indicators is essential to provide a realistic picture of the long-term changes in the tree behavior induced by air pollution, and this, on a large territory.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Savard, Martine M.
Co-directeurs de mémoire/thèse: Bégin, Christian
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: pollution atmosphérique; dendrogéochimie; contaminant; forêt périurbaine; spatio-temporel; Windsor; Québec
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 août 2013 14:54
Dernière modification: 17 nov. 2015 19:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1490

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