par Thibault Sterckeman
L’imprégnation des adultes français par le cadmium aurait quasiment doublé en une dizaine d’années, pour atteindre une valeur à peu près deux fois plus élevée que celle observée dans les autres pays européens. La principale source d’exposition au cadmium des non-fumeurs est l’alimentation, en particulier les produits céréaliers, les pommes de terre et les légumes. Comment ce métal toxique arrive-t-il dans nos aliments ? Cette synthèse vous permettra d'en savoir plus sur l'origine et la disponibilité du cadmium dans le sol et son absorption par les cultures…
Le cadmium des aliments végétaux vient du sol
Le cadmium (Cd) n’est pas utile à la vie des végétaux. En excès, cet élément chimique leur est même toxique. Les racines des plantes l’absorbent cependant dans le sol par les mêmes voies que certains éléments nutritifs comme le zinc, le fer, le manganèse, car il leur ressemble d’un point de vue chimique.
Une fois absorbé, le cadmium est distribué dans les différentes parties de la plante, y compris celles consommées en alimentation humaine et animale. Cette contamination des récoltes par le cadmium du sol est d’autant plus importante que le métal est biodisponible pour la plante, c’est-à-dire qu’il est fortement présent dans l’eau du sol sous une forme chimique absorbable par les racines.
Dans le sol, la majeure part du cadmium est fixée sur la phase solide constituée de matière organique (humus), d’oxydes et hydroxydes de fer et de manganèse et d’argiles. Dans les sols acides ou pauvres en matière organique, le cadmium se retrouve plus abondamment en solution et peut ainsi être plus fortement prélevé par les racines.
La capacité à accumuler le cadmium est en outre variable selon l’espèce et la variété végétale. La teneur en cadmium dépend de l’organe de la plante. Il y a généralement plus de cadmium dans les racines que dans les tiges et les feuilles. Sa concentration est encore plus faible dans les fruits et les graines. Dans les grains comme le blé, la teneur en cadmium peut varier d’un facteur de 2 à 3 selon les conditions climatiques.
Le cadmium du sol a plusieurs origines
Dans les sols cultivés, le cadmium est présent à l’état de traces, c’est-à-dire à des teneurs de l’ordre de 0,1 à 1 mg/kg. Il provient du substrat rocheux, des retombées atmosphériques et de la fertilisation. Le cadmium est présent naturellement dans la roche mère à partir de laquelle le sol s’est formé. Lorsque cette roche se dégrade en formant le sol, celui-ci hérite d’une partie du cadmium, qui peut être plus concentré dans le sol que dans la roche initiale. En France, les sols qui se situent sur des roches calcaires comme en Champagne, en Charente ou dans le Jura ont fréquemment des teneurs plus élevées en cadmium que les autres.
Une partie du cadmium du sol provient des retombées atmosphériques : celles-ci peuvent avoir une origine naturelle (volcanisme, incendies de forêt, poussières de sol) ou humaine, due notamment aux émissions industrielles, urbaines ou routières. La pollution atmosphérique était très importante au 20ème siècle et donc les retombées de cadmium sur les sols également. On a estimé, par exemple des dépôts de 8,0 g Cd/ha/an en Île de France (contre 1,7 g/ha/an par l’engrais phosphaté et 0,6 g/ha/an par le fumier) entre 1938 et 1999, conduisant à une augmentation de la teneur du sol de l’ordre de 40 %. Des augmentations de 27 à 55 % ont été observées dans les sols d’une zone semi-rurale du sud-est de l’Angleterre entre les années 1850 et 1980. Aujourd’hui, du fait des réductions des émissions dans l’atmosphère, ce flux est relativement faible en France, de l’ordre de 0,2 à 0,5 g/ha/an. Les dépôts atmosphériques sont susceptibles de contaminer directement certaines récoltes, comme les céréales, mais leur effet est actuellement considéré comme négligeable.
Le cadmium des sols provient aussi des apports de produits fertilisants qui en contiennent, en particulier les engrais phosphatés et les amendements organiques (fumiers, lisiers, compost, boues d’épuration des eaux…) utilisés en agriculture. Les engrais phosphatés sont produits à partir du phosphate naturel de calcium qui contient plus ou moins de cadmium, impureté d’origine géologique qui n’est pas totalement éliminée lors de la fabrication de l’engrais. En France, l’engrais phosphaté est majoritairement fabriqué à partir de phosphates d’Afrique du Nord qui contiennent plus de cadmium que ceux de certains gisements d’autres régions du monde, comme la Russie, l’Afrique du Sud ou la Floride. D’après une dernière étude, les engrais phosphatés utilisés en France contiennent en moyenne 33 mg Cd/kg de phosphate (P2O5), la moyenne européenne étant de 28 mg Cd/kg P2O5 (Figure 1).
Figure 1 : Teneur en Cd des engrais par pays : les graphiques indiquent la valeur minimale, le premier quartile, la médiane, le troisième quartile et le maximum (en lignes), ainsi que les valeurs exceptionnelles (points) (Verbeeck et al. 2020).
Les amendements et déchets organiques appliqués au sol apportent également du cadmium aux sols, mais en quantités moindres, de l’ordre de cinq fois moins que les engrais phosphatés. Ils ont en outre l’avantage de simultanément augmenter le pH et la teneur en matière organique du sol, réduisant la biodisponibilité du métal et son prélèvement par les racines.
Le cadmium n’est pas réparti de façon homogène dans le sol : il y en a de l’ordre de deux à trois fois plus dans la couche de surface labourée que dans la partie plus profonde à proximité de la roche mère. Cette distribution résulte des apports extérieurs, mais aussi de la formation du sol et des cycles biogéochimiques sur le long terme, notamment des végétaux qui ramèneraient en surface avec le dépôt de leur organes morts le cadmium qu’ils ont prélevé plus en profondeur.
Le cadmium dans les sols français ne fait pas exception en Europe
La teneur moyenne dans la couche supérieure des sols (0-20 cm) de l’Union Européenne est de 0,20 mg/kg. Avec 0,25 mg/kg, la France se situe donc au-dessus de cette moyenne, certains pays ayant des teneurs beaucoup plus élevées, jusqu’à 1,0 mg/kg en Irlande. La cartographie des teneurs en cadmium dans la couche profonde des sols européens donne une estimation spatialisée du fond pédo-géochimique, c’est à dire la teneur originelle dans la roche dont dérive le sol (Figure 2). On y retrouve certaines parties de la France caractérisées par un fond pédo-géochimique relativement élevé (Champagne, Charente, Jura) qui expliquent en partie pourquoi la teneur moyenne française est supérieure à celle d’autres pays (Tableau 1 - en bas de page).
Figure 2 : Carte des teneurs en cadmium dans l’horizon C (de 50 à 200 cm de profondeur) des sols européens produite par le programme FOREGS (http://weppi.gtk.fi/publ/foregsatlas/index.php).
La part du cadmium des engrais dans les sols est plutôt minoritaire
Nous avons évalué la contribution des engrais phosphatés à la teneur en cadmium des sols cultivés français. Notre approche est basée sur des statistiques de livraison d’engrais phosphatés en France depuis le début du 20ème siècle et un scénario moyen de teneur en cadmium dans les engrais (60 mg Cd/kg P2O5). Nous avons ainsi estimé que la contribution des apports historiques d’engrais à la teneur moyenne actuelle des sols fertilisables (prairies et cultures annuelles) est de l’ordre de 17 %, pour l’essentiel (88 %) apporté avant l’an 2000. Ces chiffres sont des premières approximations qui donnent un ordre de grandeur de la contamination historique des sols par le cadmium des engrais.
Par ailleurs, les flux moyens de cadmium entrant en grande culture avec les engrais, les amendements et les dépôts atmosphériques ont pu être estimés en 2018 à de 1,42 g Cd/ha/an, 0,27 g/ha/an et 0,20 g/ha/an, respectivement. La contribution des amendements organiques (0,25 g/ha/an) et de l’atmosphère est faible et celle des amendements minéraux (chaulage, 0,02 g/ha/an) négligeable. De ce fait, la quantité de cadmium qui entre chaque année dans les sols français provient pour 55 à 75 % environ des engrais phosphatés, bien que leurs apports aient été divisés par quatre environ depuis le maximum des années 1970 et par près de deux depuis 2000.
Ce flux annuel entrant ne représente cependant en moyenne qu’environ 0,1 % du stock total actuel des 30 premiers centimètres de sol. C’est dans la totalité de ce stock que les plantes prélèvent, et pas uniquement dans le cadmium fraîchement apporté avec l’engrais. Un calcul plus complet, tenant compte des différents types d’apports de cadmium et des sorties du métal du sol avec les récoltes et les eaux percolant, a abouti à une augmentation de la teneur en cadmium du sol de l’ordre de 3 % à 5 % en un siècle en moyenne. On peut estimer par la modélisation qu’une application de la réglementation initialement proposée par la Commission Européenne, proche de la loi proposée par le député Benoît Biteau devrait conduire à une baisse de la teneur moyenne des sols de l’ordre de 5 % dans 100 ans.
La teneur dans la plante est difficile à prévoir à partir de celle du sol
De manière générale, de nombreuses études ont montré qu’il n’y a pas de lien direct entre la teneur totale en cadmium du sol et la concentration dans les végétaux. Cependant, divers essais de plein champ montrent bien que la teneur en cadmium dans les sols augmente progressivement avec les apports répétés d’engrais phosphatés et les concentrations de cadmium dans les plantes cultivées augmentent parallèlement. Cependant, l’augmentation dans la culture n’est pas toujours proportionnelle et peut même être inexistante, car le cadmium ajouté peut être rendu non biodisponible, notamment si le sol a un pH relativement élevé. Les essais montrent également que la teneur en cadmium des récoltes n’est pas affectée par celle de l’engrais dans l’année de l’application. Des cultures avec de l’engrais phosphaté dont le cadmium a été marqué isotopiquement ne montrent pas une biodisponibilité particulièrement plus élevée du cadmium issu de l’engrais et indiquent que celui-ci se retrouve dans la plante à peu près en proportion de ce qu’il représente dans le stock total de cadmium du sol.
Des effets indirects de la fertilisation phosphatée
En dehors de l’apport de cadmium, l’engrais phosphaté peut avoir des effets indirects positifs ou négatifs sur le prélèvement du cadmium du sol. Certains engrais phosphatés (mais aussi azotés) conduisent à une acidification locale du sol qui peut favoriser la biodisponibilité du cadmium pour les racines. Les engrais apportent également du zinc qui peut d’un côté favoriser la solubilisation du cadmium mais d’un autre ralentir son absorption par les racines par compétition avec le cadmium. La fertilisation peut également augmenter la production de matière organique du sol, qui aura tendance à fixer le cadmium et réduire son prélèvement. L’apport de phosphore est soupçonné dans certains cas de réduire la colonisation de racines par les champignons symbiotiques (mycorhizes) qui eux réduiraient le prélèvement de cadmium. Notons que la culture de colza est également soupçonnée de réduire la mycorhization et de laisser des résidus riches en Cd qui augmenteraient le prélèvement de cadmium par la culture suivante.
Un problème complexe qui n’a pas de solution simple
L’origine du cadmium des sols est multiple et son transfert aux récoltes et à notre alimentation résulte de processus complexes. La dose et la teneur en cadmium des engrais phosphatés sont des facteurs qui peuvent affecter l’exposition alimentaire sur le long terme, à l’échelle du siècle, mais pas expliquer le doublement de l’imprégnation des Français par le métal en une décennie. Il est nécessaire de réduire la contamination des sols par le cadmium, notamment en limitant au maximum ses flux avec les matières fertilisantes. Même si on peut encore réduire la fertilisation phosphatée, on ne pourra cependant pas éviter totalement les entrées de cadmium dans les sols, ne serait-ce que par la nécessité de recycler certains de nos déchets organiques utiles à la production végétale.
On peut cependant réduire son transfert aux plantes en maintenant au maximum la capacité de rétention du sol. Cela passe par le maintien d’un pH du sol proche de la neutralité quand c’est possible et l’apport de matières organiques. L’application d’engrais acidifiants ou favorisant la dissolution du cadmium par échange ou complexation est à éviter dans les sols trop chargés en cadmium ou pour des cultures qui ont tendance à l’accumuler. La lutte contre les carences en zinc, fer ou soufre peut réduire l’accumulation de cadmium par la plante, de même que la promotion de la mycorhization. La sélection de variétés cultivées qui accumulent moins le métal est une voie qui semble prometteuse pour réduire l’exposition alimentaire. Des recherches récentes suggèrent que l’application de certains composés sur les feuilles y favorisaient la séquestration du cadmium tout en réduisant sa concentration dans les grains : de tels résultats invitent à poursuivre les recherches sur la dynamique du cadmium dans les agro-écosystèmes.
Tableau 1 : Teneur moyenne en cadmium dans la couche 0 – 20 cm des sols des pays de l’Union Européenne, d’après Ballabio et al (2024).
