Appareils XRF portables pour le secteur de l’agriculture : évaluations de la qualité environnementale sur le terrain

Champs d’intérêt : Sûreté des sources alimentaires Pesticides et métaux lourds Irrigation des eaux usées urbaines Distribution des nutriments et des engrais Agroenvironnements Science des sols périurbains Agriculture de précision Contexte Les appareils XRF portables sont des outils précieux et éprouvés qui permettent l’analyse réglementaire des métaux polluants lourds et prioritaires pouvant se retrouver dans les sols résidentiels. La vitesse d’analyse et les mesures de haute qualité qu’offre cette technologie non destructive en font la méthode idéale pour les examens sur le terrain, surtout lorsqu’il faut couvrir de grandes zones. En fait, selon la méthode 6200, l’agence américaine de protection de l’environnement (EPA) encourage l’utilisation d’appareils XRF portables pour effectuer l’échantillonnage à haute densité et à volume élevé et ainsi caractériser adéquatement un site1. Les appareils XRF portables sont également utilisés pour de nombreuses analyses agronomiques.

Préoccupations

La sûreté des sources alimentaires devient de plus en plus cruciale en raison de l’augmentation constante de la population. En raison du besoin croissant de sources alimentaires, l’agriculture de précision et périurbaine est de plus en plus courante. Cependant, l’agriculture exercée dans des zones adjacentes à des installations industrielles et à d’autres installations urbaines soulève des préoccupations quant à la sécurité des productions vivrières cultivées dans des sols pollués ou irriguées avec une eau polluée.

Aux abords des raffineries pétrochimiques, des fonderies, des usines de munitions, des chantiers navals et des zones industrielles des secteurs de la métallurgie, de la galvanoplastie et de la sidérurgie, on trouve généralement des concentrations élevées d’arsenic (As), de mercure (Hg), de cuivre (Cu), de cadmium (Cd), de chrome (Cr), de zinc (Zn) et de plomb (Pb).

Un appareil XRF portable permet de mesurer les niveaux de métaux polluants dans les sols utilisés pour la culture vivrière

« [...] La spectrométrie XRF portable (PXRF) permet une analyse de sol à haute intensité et fournit directement sur place des résultats modélisés selon le terrain. Les données de haute qualité et les courtes durées d’analyse font de cette technologie portable non destructive la solution idéale pour les analyses de sols et la recherche agroscientifique. » Dr David Weindorf, Louisiana State University Agricultural Center

Ces éléments nuisibles peuvent s’infiltrer dans le sol, la végétation et les eaux souterraines des jardins périurbains. Il en est de même pour le plomb (Pb), le manganèse (Mn) et le zinc (Zn) qui se retrouvent généralement en concentrations élevées sur les routes très achalandées; ces éléments peuvent aussi s’infiltrer dans le sol de ces jardins.

De plus, l’étalement urbain vers d’anciennes zones rurales – qui faisaient autrefois un usage considérable de pesticides non réglementés contenant notamment de l’arsenic (As) et du plomb (Pb) pour les cultures et l’élevage du bétail –, contribue à l’introduction de résidus polluants dans les nouveaux jardins communautaires.

Les concentrations et la mobilité de ces polluants peuvent être influencées par le matériau d’origine du sol, par la faune indigène, ainsi que par les modifications induites par les changements climatiques, les aménagements naturels et l’activité humaine. Ces modifications comprennent les variations du carbone organique dissous, des nutriments, des engrais et du niveau d’acidité du sol et de l’eau souterraine.

Solution

De nombreux chercheurs, notamment ceux de l’équipe de recherche du Louisiana State University Agricultural Center (LSU Ag Center), ont démontré que les appareils XRF portables constituent des outils complets d’analyse de la qualité des sols utilisés pour l’agriculture périurbaine. Ainsi, qu’il s’agisse d’irriguer des cultures ou d’utiliser des pesticides dans les sols pour obtenir une production vivrière saine et rentable, on peut améliorer la gestion de l’agriculture grâce au lien en temps réel que font ces appareils entre les données SIG/GPS et les données XRF, et à la corrélation établie avec les méthodes d’extraction sélective ICP.

Caractéristiques techniques de l’analyseur XRF

L’analyseur XRF à main équipé d’un tube à rayons X de 4 W et d’un détecteur au silicium à diffusion (SDD) est idéal pour les analyses visant à détecter et à quantifier à la fois les métaux polluants (lourds) et les nutriments (éléments légers). Configuré au moyen du mode à trois faisceaux (3 réglages puissance/filtre) pour l’analyse des sols et du mode à deux faisceaux pour l’exploitation minière, cet appareil maximise les algorithmes d’analyse préconfigurés de normalisation Compton et de paramétrage fondamental. Sur le terrain, l’alimentation est assurée par des batteries Li-ion rechargeables, alors que le contrôle de l’appareil et le stockage des données se font au moyen un ordinateur de bord miniaturisé.

Lorsqu’on intègre un système GPS-GIS à l’appareil, celui-ci génère une cartographie instantanée des métaux, idéale dans le cadre de l’agriculture de précision.

Logiciel pour PC du DELTA Premium : Pour réaliser ces lectures répétées, on a utilisé un échantillon de référence enrichi d’environ 500 ppm de plomb (Pb) (échantillon Innov-X 408). La durée d’analyse pour chaque échantillon était fixée à 60 secondes. Erreur approx. : 2 sigma, niveau de fiabilité de 95 %

Logiciel pour PC du DELTA Premium : Les résultats d’analyse (indiqués en ppm) en fonction des normes NIST apparaissent à droite. La durée d’analyse pour chaque échantillon était fixée à 60 secondes. Erreur approx. : 2 sigma, niveau de fiabilité de 95 %

Collecte de données sur une ferme périurbaine – Nanjing, Chine

Références :

1 : Méthode 6200 de l’agence américaine de protection de l’environnement (EPA) : « Field Portable X-ray Fluorescence Spectrometry for the Determination of Elemental Concentrations in Soil and Sediment » Pour obtenir de plus amples renseignements, visitez le http://www.epa.gov/wastes/hazard/testmethods/sw846/pdfs/6200.pdf

2 : Deuxième subvention de recherche Innov-X accordée au Dr David Weindorf, chercheur principal. Ses collègues et lui sont chercheurs au Louisiana State University Agricultural Center de Bâton Rouge (États-Unis) et à l’Académie chinoise des sciences de Nanjing (Chine). Pour obtenir de plus amples renseignements concernant leur recherche sur l’agriculture périurbaine menée à l’aide de l’appareil XRF à main Omega Xpress d’Innov-X et sur d’autres recherches, veuillez vous reporter à la liste des publications scientifiques du Dr Weindorf à la Louisiana State University : http://www.lsuagcenter.com/en/communications/authors/DWeindorf.htm