Biogeochemical recycling of K and Cs isotopes in deciduous forest stands on the long term after deposition

Abstract

International audienceDue to atmospheric releases from the Chernobyl and Fukushima accidents, Cs-137 long half-live (30y) and its incorporation into the biogeochemical cycle of elements lead to its persistence within forest ecosystems, affecting forest ecosystem services even more since their decontamination is hardly possible. Predicting its behavior and transfer dynamics over time is of key importance to help recovering benefit from forest products. Such assessment studies require the transfer processes to be documented with numerous data to encompass the variability of environmental factors (e.g. species, age, climate, deposit). To date, the root-uptake which is known to be the major process of Cs-137 intake in trees after the transition phase (>10y) couldn’t be robustly assessed due to the remaining contribution of initial foliar uptake. More, data remain scarce for deciduous trees as most post-Chernobyl and post-Fukushima field studies mainly focused on evergreen species.Relying on stands monitoring data collected during the post-accident long-term phase (>30y) in 4 various deciduous forest stands (France, Ukraine), we compared their Cs-137 concentrations and inventories distributions in trees as well as those of stable chemical analogues (Cs-133, K). To differentiate annual root-uptake from internal translocations fluxes in trees, we assessed their biogeochemical cycling fluxes (mass balance approach).On the long-term, the Cs-137 initial foliar uptake contribution was no more visible at our sites due to biomass dilution and Tag (aggregated transfer factor) values were one order of magnitude lower than reference ones (IAEA, 2009) likely indicating a long-term decrease of Cs-137 bioavailability in soil. The concentrations of Cs-133 and Cs-137 normalized by the exchangeable inventories in soil were linearly correlated (r>0.7, p<0.05) and differences between isotopes were explained by the soil depth root density. The Cs isotopes were more sequestered than K in roots. Compared to evergreen coniferous forests, uptake rates (y-1) were up to twice higher for K but up to 10 times lower for Cs isotopes, consequently exhibiting a stronger Cs/K discrimination. In a Q. serrata stand sampled in 2014-2018 (Japan, early-medium stage) where dynamics were slower than for coniferous, use of Cs-133 and K to assess the magnitude of Cs-137 root uptake rate is underway.2 376 / 5 000En raison des rejets atmosphériques des accidents de Tchernobyl et de Fukushima, la longue demi-vie (30 ans) du Cs-137 et son incorporation dans le cycle biogéochimique des éléments conduisent à sa persistance au sein des écosystèmes forestiers, affectant d'autant plus les services écosystémiques forestiers puisque leur décontamination est difficilement possible. . Prédire son comportement et sa dynamique de transfert dans le temps est d’une importance capitale pour aider à récupérer les bénéfices des produits forestiers. De telles études d'évaluation nécessitent que les processus de transfert soient documentés avec de nombreuses données pour englober la variabilité des facteurs environnementaux (par exemple, espèces, âge, climat, gisement). À ce jour, l’absorption racinaire, connue pour être le processus majeur d’absorption du Cs-137 dans les arbres après la phase de transition (> 10 ans), n’a pas pu être évaluée de manière robuste en raison de la contribution restante de l’absorption foliaire initiale. De plus, les données restent rares pour les arbres à feuilles caduques, car la plupart des études de terrain post-Tchernobyl et post-Fukushima se sont principalement concentrées sur les espèces à feuilles persistantes.En nous appuyant sur les données de suivi des peuplements collectées pendant la phase post-accidentelle à long terme (>30 ans) dans 4 peuplements forestiers feuillus différents (France, Ukraine), nous avons comparé leurs concentrations et répartitions des stocks de Cs-137 dans les arbres ainsi que celles des composés chimiques stables. analogues (Cs-133, K). Pour différencier l'absorption racinaire annuelle des flux de translocations internes dans les arbres, nous avons évalué leurs flux de cycles biogéochimiques (approche bilan de masse).À long terme, la contribution initiale de l'absorption foliaire du Cs-137 n'était plus visible sur nos sites en raison de la dilution de la biomasse et les valeurs du Tag (facteur de transfert agrégé) étaient d'un ordre de grandeur inférieures à celles du Cs-137. ceux de référence (AIEA, 2009) indiquant probablement une diminution à long terme de la biodisponibilité du Cs-137 dans le sol. Les concentrations de Cs-133 et de Cs-137 normalisées par les inventaires échangeables dans le sol étaient linéairement corrélées (r>0,7, p<0,05) et les différences entre les isotopes étaient expliquées par la densité des racines en profondeur du sol. Les isotopes Cs étaient plus séquestrés que K dans les racines. Comparés aux forêts de conifères à feuilles persistantes, les taux d'absorption (y-1) étaient jusqu'à deux fois plus élevés pour le K mais jusqu'à 10 fois plus faibles pour les isotopes du Cs, présentant par conséquent une discrimination Cs/K plus forte. Dans un peuplement de Q. serrata échantillonné en 2014-2018 (Japon, stade précoce-moyen) où la dynamique était plus lente que celle des conifères, l'utilisation du Cs-133 et du K pour évaluer l'ampleur du taux d'absorption racinaire du Cs-137 est en cours