Le Courrier de l'environnement n°46, juin 2002

La pollution atmosphérique sur Pékin
Impact potentiel sur l’agriculture péri-urbaine

Le climat de Pékin
Les sources de pollution atmosphérique
Première cartographie au moyen de végétaux de la pollution atmosphérique particulaire à Pékin
Effets possibles de la pollution atmosphérique sur l’agriculture péri-urbaine

La capitale de la Chine, très active mais aux équipements assez anciens, subit les effets d’une intense pollution. A la suite des traits principaux du climat de cette métropole, nous examinerons les différentes sources de polluants atmosphériques, avant d’exposer nos travaux de cartographie de la pollution par le biais de… peupliers – des bioaccumulateurs aussi tolérants que répandus – et d’envisager les effets nocifs potentiels pour les plantes de l’ozone et d’autres éléments déposés par l’air sur les zones d’agriculture péri-urbaine.

[R] Le climat de Pékin

Si les précipitations sont moyennes, avec environ 650 mm d’eau par an, leurs irrégularités sont en revanche très grandes, avec un hiver très sec (5% des précipitations), un printemps également sec (12% des précipitations), alors qu’à l’inverse l’été est très humide avec 50% des précipitations annuelles.
Le climat est nettement continental : l’hiver est froid, avec des minimums de température en janvier jusqu’à –23°C. L’été est chaud, avec des maximums de température en juillet qui peuvent atteindre +43°C.
Le contraste saisonnier important - étés chauds et humides, hivers froids et secs – est souligné par un changement marqué de la direction des vents. L’hiver, des vents froids N-NW venant de Mongolie sont responsables de la sécheresse, alors qu’à l’inverse, durant l’été, les vents humides SE venant du Pacifique et de l’Océan indien apportent l’humidité, maximum en juillet et en août. Au printemps, notamment en avril, on enregistre des vents forts puis le temps se calme progressivement jusqu’en octobre.
Pékin est souvent balayée par des tempêtes de sable jaune – essentiellement au printemps - dues à sa proximité du désert de Gobi (à 300 km au NW) et au processus de désertification à l’œuvre sur le plateau de loess (à l’ouest de Pékin) touché par l’avancée du sable. Ce phénomène de désertification a été renforcé par la déforestation, des activités agricoles excessives, la surexploitation de l’eau et la sécheresse des dernières décennies. Pékin connaît maintenant une dizaine de tempêtes chaque année, alors qu’elles étaient beaucoup plus rares dans les années 1950. Le centre est de moins en moins souvent touché, ceci en raison du développement de l’urbanisation dans l’ouest de la capitale.
Le brouillard, essentiellement en automne et en hiver, avec un maximum en octobre et un minimum en avril, résulte de l’arrivée d’air froid ; il se dissipe lorsque le vent se lève. Le nombre de jours de brouillard est en augmentation à Pékin : d’environ 130 jours/an dans les années 1950 à plus de 200 au début des années 1990. Responsables : les nombreuses poussières présentes dans l’air qui accélèrent la formation des brouillards.

[R] Les sources de pollution atmosphérique

Les principales sources sont les automobiles et les usines proches de la ville. En hiver, s’y ajoute la pollution engendrée par les fourneaux individuels à charbon, surtout présents dans le centre ville, et celle des centrales thermiques assurant le chauffage collectif.
Un million et demi de voitures circulent dans Pékin et ce chiffre augmente de 15% par an. Le trafic automobile, avec ses embouteillages et ses flux de circulation mal gérés, est à l’origine d’une importante pollution de l’air par des hydrocarbures (et d’autres composés organiques volatils - COV) et des oxydes d’azote (NOx). 73,5% des hydrocarbures, 63,4% des COV et 46% du NOx présents dans l’air proviennent des gaz d’échappement.
La pollution par les différents COV
D’autres sources d’informations indiquent que les émissions de COV sur Pékin, en moyenne annuelle, proviennent pour 22% de l’industrie, 3% des sources domestiques, 38% du trafic automobile et 37% de sources biotiques.
Il est intéressant de remarquer l’influence des sources biogéniques constituées essentiellement par les arbres présents sur Pékin qui émettent des COV comme des monoterpènes et de l’isoprène. Les principaux arbres à l’origine de cette " pollution naturelle " par les COV sont les pins, les cyprès, les peupliers et les sophoras.
Les émissions de COV biogéniques sont fortement dépendantes de la température et de l’énergie lumineuse, et elles sont donc particulièrement importantes durant la journée et pendant l’été.
La pollution par l’utilisation du charbon
Vingt huit millions de tonnes de charbon sont brûlées chaque année à Pékin, dont 8 millions pour le chauffage durant les mois d’hiver. Durant la période hivernale, 90% du SO2, 50% des NOx et 40% des particules présentes dans l’air, proviennent de la combustion du charbon. Cette forte pollution a pour origine aussi bien la mauvaise qualité du charbon que la vétusté des centrales thermiques assurant le chauffage collectif, caractérisées par un faible rendement énergétique (de l’ordre de 30%), et l’absence, en général, d’équipement de dépollution.
La pollution par la proximité d’usines polluantes
Une trentaine d’industries importantes émettrices de polluants atmosphériques sont répertoriées dans Pékin et sur sa grande banlieue, et la moitié de celles-ci, environ, sont fortement polluantes. Ces usines se rencontrent surtout à l’ouest de la ville et, dans une moindre mesure, à l’est.
Pratiquement tous les secteurs d’activité sont représentés par ces usines : chimie, métallurgie (ferreux et non ferreux), ciment, construction mécanique, agro-alimentaire, etc.
Si de très nombreux polluants différents sont émis dans l’air par toutes ces usines, celles-ci sont avant tout d’importantes sources de SO2, de NOx, de COV, de métaux lourds, mais aussi de poussières.
Toutes ces activités industrielles plus les transports, le chauffage, etc. ont répandu sur Pékin, durant les années 1990, des oxydes de soufre et des oxydes d’azote aux concentrations annuelles de 100 µg/m3et 60 µg/m3, respectivement.
Rappelons qu’en France, pour le SO2, la valeur limite annuelle à respecter, pour la protection des écosystèmes, est de 20 µg/m3, et de 40 à 60 µg/m3 pour les objectifs de qualité de l’air (protection des personnes). Pour les NOx, la valeur limite annuelle pour la protection de la santé humaine est de 40 µg/m3, et de 30 µg/m3 pour la protection des écosystèmes.
Il ne faut pas oublier qu’en parallèle, toutes ces activités, grosses consommatrices de charbon et de fuel, émettent de grandes quantités de CO2, gaz à effet de serre.
La pollution par les chantiers de construction
On estime que les chantiers de construction, dont le nombre est supérieur à 5 000, sont responsables d’environ la moitié des particules présentes dans l’air de Pékin. En ville, le taux de particules en suspension (TPS, particules telluriques + particules anthropiques) a atteint des concentrations annuelles oscillant autour de 400 µg/m3 durant les années 1990. Rappelons qu’en France, pour les poussières en suspension de diamètre inférieur à 10 µm (PM 10), l’objectif de qualité pour la protection des personnes est de 30 µg/m3 sur 1 an.
La pollution par les polluants secondaires : dépôts acides et ozone
Les différents polluants primaires présents favorisent la formation de nouveaux polluants - ou polluants secondaires - dont les deux plus importants sont les dépôts acides et l’ozone.
Les principaux précurseurs des dépôts acides sont le dioxyde de soufre et les oxydes d’azote. Les catalyseurs qui permettent l’oxydation du SO2 et du NO2 et leurs transformations en acides sulfurique et nitrique dans la phase aqueuse (pluie ou brouillards acides) et en sulfates et nitrates dans la phase sèche (dépôts secs) sont, en particulier, le radical hydroxyle (OH-), l’ozone (O3) et l’eau oxygénée (H2O2). Ces catalyseurs résultent essentiellement de l’augmentation du pouvoir oxydant de l’atmosphère (réactions photochimiques) et des concentrations en COV dues à la pollution atmosphérique. Les dépôts acides affectent avant tout les zones fortement industrielles, grandes émettrices des précurseurs SO2 et NO2, et de nombreux travaux ont montré qu’en Chine, les pluies acides sont surtout présentes dans le sud du pays. De plus, dans la région de Pékin, la présence dans l’air de fortes concentrations de poussières naturelles alcalines (riches en carbonate de calcium - CaCO3) neutralise les dépôts acides, et l’on observe, par exemple, des pluies dont le pH est voisin de 6,5. Rappelons que dans une région sans pollution, le pH de la pluie serait de 5,6 (le gaz carbonique présent dans l’air agit en effet comme un acide faible).
Les principaux précurseurs de l’ozone sont les oxydes d’azote, l’oxyde de carbone et les COV (anthropiques ou naturels). Les réactions photochimiques à l’origine de l’ozone sont déclenchées par un fort ensoleillement dans des conditions de vents faibles. Les plus fortes concentrations d’ozone dans l’air s’observent donc vers le milieu de la journée et durant les mois d’été (de juin à août, généralement). Dans le centre des villes, zone sous l’influence directe des émissions des véhicules (principaux émetteurs d’oxydes d’azote et de COV), les proportions des polluants primaires à l’origine de l’ozone favorisent la destruction de ce polluant (fortes concentrations en NO, en particulier). De ce fait, la concentration d’ozone en centre ville est relativement faible, alors que celles des polluants primaires, oxydes d’azote et COV, sont au contraire très élevées. À l’inverse, dans les zones péri-urbaines où les masses d’air pollué transportées par le vent sont éloignées des zones d’émissions consommatrices d’ozone, de fortes concentrations d’ozone sont observées, les précurseurs et les destructeurs de l’ozone étant présents en des proportions favorables aux réactions de sa formation. Cette répartition particulière, très marquée à Paris, se retrouve très probablement à Pékin. Mais les mesures y sont rares. La ville vient de s’équiper d’un nouveau réseau de 17 stations de surveillance de la qualité de l’air, de fabrication française. Actuellement les moyennes mensuelles des concentrations d’ozone sur Pékin oscillent durant les mois d’été autour de 130 µg/m3, avec 300 heures au cours desquelles les concentrations d’ozone sont supérieures à 160 µg/m3 et des pointes horaires à plus de 400 µg/m3, en constante augmentation. Rappelons qu’en France, on recommande (objectifs de qualité) de ne pas dépasser, pour la protection de la végétation, une moyenne horaire de 200 µg/m3 ou une moyenne journalière de 65 µg/m3 et, pour la protection de la santé, une moyenne sur 8 heures de 110 µg/m3.

[R]  Première cartographie au moyen de végétaux de la pollution atmosphérique particulaire à Pékin

Pour estimer les niveaux de particules présents dans l’atmosphère, les bio-accumulateurs végétaux sont des outils particulièrement performants. En effet, les surfaces foliaires, grâce à la présence de cires et aux trichomes (1), retiennent fortement les particules. Avec les nouvelles méthodes de bio-détection végétale de la pollution de l’air mises au point au laboratoire Pollution atmosphérique de l’INRA à Nancy, dans le cadre du programme franco-chinois de recherches avancées, nous avons dressé les premières cartes de la pollution particulaire à Pékin, indiquant l’emplacement des zones touchées par le pollution atmosphérique, leurs étendues et les différents niveaux de cette pollution.
Dans un premier temps, nous avons réalisé un quadrillage de l’ensemble de la ville (qui correspond à un carré de plus de 20 km de côté), constitué de 211 mailles : 120 petites mailles de 750 m de côté dans le centre de la ville et 91 de 1,5 km dans le reste de l’agglomération.
Dans chaque carreau, au cours du printemps 1998, nos partenaires pékinois ont sélectionné des peupliers (Populus tomentosa). C’est en effet l’arbre le mieux représenté et le mieux réparti dans la ville et il ne semble pas trop souffrir de la pollution atmosphérique ambiante. Puis, durant l’été 1998, sur ces arbres, des prélèvements foliaires ont été effectués (2) à l’échenilloir à environ 2,5 m du sol, Tous les prélèvements effectués ont été par la suite envoyés à Nancy pour analyse.
Les dépôts de particules et les cires sont récupérés au moyen d’un solvant, puis collectés sur un filtre. L’étude des particules (forme, taille, quantité, composition chimique) est réalisée au moyen d’un microscope électronique à balayage équipé d’une microsonde électronique. On s’est particulièrement intéressé aux concentrations des particules en fer, élément " traceur " caractéristique de la pollution liée aux transports routiers ou ferroviaires, et en soufre, élément " traceur " caractéristique de la pollution liée aux chauffages domestiques et industriels (utilisation du charbon ou du fuel).
Pour chaque type de pollution, il a été défini trois classes de concentration, qui ont servi à établir les cartes (fig. 1 et 2, ci-contre).

On y voit que le soufre est abondant dans le centre ville (zone d’habitat ancien où le charbon est largement utilisé comme source d’énergie), d’une part, et, d’autre part, dans certaines zones en périphérie, qui se trouvent dans le vent des nombreuses industries entourant la ville. La répartition des dépôts de fer
– présents sur toute la ville, mais plus abondants entre les deux grands boulevards concentriques de ceinture - montre l’omniprésence de la pollution atmosphérique liée au trafic automobile (Pékin ne diffère plus des autres métropoles de la Planète).
L’étude des particules collectées par les végétaux se révèle une méthode simple et peu onéreuse pour avoir rapidement une très bonne estimation des niveaux relatifs de différentes pollutions atmosphériques présentent en zones urbaine et péri-urbaine. C’est une méthode avant tout complémentaire des méthodes physico-chimiques classiques de mesure de la qualité de l’air.
Au travers de cette étude préliminaire, nous avons montré qu’elle est particulièrement bien adaptée aux pays émergents et aux pré-études de la répartition de polluants sur de grandes surfaces. Rapide et peu onéreuse (possibilité d’un grand nombre de point de mesure), elle ne nécessite ni haute technicité, ni alimentation électrique des points de mesure.
Par la suite, de telles cartographies serviront à déterminer l’emplacement de nouvelles stations de mesure, à étudier les risques encourus par les populations urbaines fragiles, à suivre l’évolution de la pollution engendrée par de nouvelles routes (de nouveaux quartiers, de nouvelles industries, de nouveaux plans de circulation, etc.), à guider une politique de protection, d’orientation ou d’amélioration des espaces verts et des parcs urbains, et à vérifier l’efficacité de nouvelles législations sur la qualité de l’air.

[R]  Effets possibles de la pollution atmosphérique sur l’agriculture péri-urbaine

Il n’existe encore aucune étude sur le sujet à Pékin et on ne connaît pas les niveaux des pollutions dans les zones rurales adjacentes. Mais, à partir des informations sur les polluants présents sur la ville, on peut estimer sans beaucoup d’erreurs ceux qui vont avoir un impact sur cette agriculture. C’est, d’une part et avant tout, l’ozone avec des effets phytotoxiques directs sur les productions agricoles et, d’autre part et dans une moindre mesure, les poussières qui, en limitant le flux d’énergie solaire arrivant au sol, ont un effet indirect sur les végétaux.
Ces zones péri-urbaines possèdent leurs propres sources de pollution, comme des usines, des voies à grande circulation, qui pourront également entraîner des attaques locales et non négligeables sur la végétation.
L’ozone et les plantes
L’ozone est un polluant fortement phytotoxique qui entraîne chez les végétaux de nombreuses perturbations physiologiques, du fait de son caractère de puissant oxydant.
Des doses importantes provoquent des dommages irréversibles : des cellules meurent et des tissus se nécrosent. Avec des doses faibles, on observe des perturbations métaboliques. Même sans symptômes visibles, elles auront un " coût physiologique " pour la plante qui se traduira par une baisse de rendement.
On estime que pour les plantes, la dose d’ozone reçue durant une saison de végétation qui est la mieux corrélée avec l’impact sur les rendements observé est celle dite AOT40 (cumul des doses horaires au dessus du seuil de 40 ppb (parties par milliard), de début mai à fin juillet). Tant que l’AOT40 est inférieur à 3 000 ppb.h, les cultures restent relativement protégées (les pertes de rendements restent inférieures à 5 à 10%).
Dans la région de Rambouillet (au sud-ouest de Paris), par exemple, les doses d’ozone AOT40 au niveau de la végétation ont été de 32 000 ppb.h en 1992, de 14 700 ppb.h en 1993 et de 16 000 ppb.h en 1994. Ce qui a conduit à estimer les pertes de rendement du blé tendre à 22 à 29%, 5 à 13% et 8 à 15%, respectivement. Autre exemple : selon des recherches anglaises effectuées dans les zones rurales autour de grandes métropoles du Pakistan, de l’Inde et de l’Égypte, les forts niveaux d’ozone présents peuvent entraîner des chutes de rendement des grandes productions agricoles de 20 à 60% (J.N.B. Bell, comm. pers.).
Si on ne connaît aucune valeur de l’AOT40 pour l’ozone dans les environs de Pékin, on dispose en revanche d’un certain nombre de mesures de la concentration en ozone dans l’atmosphère de zones rurales de l’Est de la Chine proches de grands centres urbains : région de Chongqing, estuaire du fleuve Yantzé, sud-est de l’estuaire du Fleuve jaune et est de l’estuaire de la Rivière des perles. La concentration en ozone y dépasse souvent, pendant la période estivale (juin à août), les objectifs de qualité pour la protection de la végétation, et doit déjà avoir un impact négatif sur les rendements agricoles.
Pour ce qui est de Pékin, à partir des conditions météorologiques qui règnent sur la ville durant la période estivale, on peut estimer que les plus fortes concentrations d’ozone doivent se rencontrer dans les zones péri-urbaines du N-NW de la ville et peuvent s’étendre sur plusieurs centaines de kilomètres. C’est donc là qu’il faudra installer les premières stations de mesure en zone rurale et installer des dispositifs expérimentaux permettant d’estimer l’impact de l’ozone sur le rendement des productions agricoles locales. Ceux-ci pourraient être soit des " chambres à ciel ouvert " dans lesquelles des végétaux sont cultivés dans un air filtré sans ozone, soit des parcelles cultivées de manière traditionnelle, mais traitées au moyen d’un anti-oxydant comme l’éthylène-diruée (EDU).
Les poussières et les plantes
Les aérosols atmosphériques, très nombreux sur Pékin et dont le diamètre est généralement compris entre 0,1 µm et quelques µm, peuvent être par la suite transportés par les vents sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres et toucher de cette manière toutes les zones rurales péri-urbaines.
Les principales conséquences de la présence de ces particules dans l’atmosphère sont de réduire la visibilité, mais surtout de diminuer le flux d’énergie solaire atteignant le sol, soit directement par effet d’écran, soit indirectement en favorisant la formation de nuages. On a estimé récemment que, dans la région de Pékin, la présence de particules dans l’air réduisait l’énergie solaire atteignant le sol de 5 à 10%, voire même de 30%. Et on sait que 1% en moins d’énergie solaire reçue entraîne une perte de rendement égale en proportion.
Dans les zones rurales des environs de Pékin, la pollution atmosphérique particulaire a également un effet non négligeable sur les productions agricoles.
L’augmentation de la productivité agricole est actuellement un facteur clé du développement de la Chine, pays fortement peuplé qui ne pourra poursuivre sa forte croissance économique que s’il assure la sécurité alimentaire de sa population toujours croissante. On admet généralement que la demande alimentaire augmentera d’environ 1% par an au cours des 2 à 3 prochaines décennies. La question est alors de savoir si, pour nourrir sa population, la Chine sera capable d’autosuffisance ou si elle devra au contraire avoir recours à des importations massives. C’est dans ce contexte que se pose d’une façon cruciale le problème de l’impact négatif sur les rendements des productions agricoles des forts niveaux de pollution atmosphérique rencontrés dans les zones rurales du pays.
Ce problème ne sera pas facile à résoudre car, d’une part, le charbon, source d’énergie particulièrement polluante, restera pendant de nombreuses années la source principale d’énergie de la Chine et, d’autre part, la croissance économique du pays s’accompagne d’un fort développement du parc automobile, autre source de pollution atmosphérique.
Actuellement il est surtout important d’étudier rapidement ce problème et il convient de mesurer tout de suite les niveaux de pollution de l’air dans les zones rurales péri-urbaines, les baisses de rendement des différentes productions agricoles qui en découlent et les surfaces touchées. Ceci afin de bien faire comprendre aux politiques la réalité et la gravité de la situation, et l’urgence des mesures à prendre pour améliorer la qualité de l’air. En soulignant que celles-ci auront immédiatement des répercussions bénéfiques sur la santé des habitants, qui subissent aussi les effets néfastes de cette pollution atmosphérique.

Dessins de Claire Brenot, d’après photos.

[R]  Notes
(1) Trichome : ensemble des poils tapissant la surface d'un organe végétal [VU]
(2) En collaboration avec une équipe de l'Institut de recherche en écologie forestière et en environnement de l'Académie forestière de Chine (Shang He) [VU]