Cadmium variability in leaves of a Salix fragilis: Simulation and implications for leaf sampling

Abstract: Plant analysis is a valuable tool to evaluate the pollution level. However, leaf sampling is complicated because of the high variability within the crown. To investigate the variability of cadmium (Cd) in the leaves of a tree, we sampled one Salix fragilis L. at 292 locations, each with a volume of 0.3 × 0.3 × 0.3 m. The Cd concentration was found to be normally distributed within a range from 2.4 to 10.6 mg·kg–1 dry mass (DM), with an average of 6.3 mg·kg–1 DM. A trend was found with high values in the lower parts of the crown and low Cd concentrations at the top. After removal of this trend the residuals showed a clear spatial structure modelled by a variogram. The Cd distribution in the leaves of the entire tree was predicted by sequential indicator simulation. These results were used to evaluate the current sampling strategy for tree leaves, i.e., sampling sun leaves of the upper third of the tree crown. The latter procedure was found to yield biased estimates of the average Cd concentration as well as the risk of exceeding a contamination threshold. An alternative sampling procedure is proposed. This procedure investigates whether a trend is present. Once the height where sampling will result in a correct statement of the tree’s pollution is located, the rest of the stand could be sampled at this height. Résumé : L’analyse des tissus végétaux est un outil intéressant pour évaluer le niveau de pollution. Cependant, l’échantillonnage des feuilles est compliqué par la grande variabilité qui caractérise la cime. Les auteurs ont échantillonné un Salix fragilis L. à 292 endroits correspondant à des cubes de 0,3 m. La concentration de Cd suivait une distribution normale à l’intérieur de limites allant de 2,4 à 10,6 mg·kg–1 de poids sec, avec une moyenne de 6,3 mgMkg–1 de poids sec. Les concentrations élevées de Cd avaient tendance à se retrouver dans la partie inférieure de la cime alors que les concentrations faibles se retrouvaient dans le haut de la cime. Après avoir éliminé cette tendance, les résidus indiquaient une structure spatiale évidente qui pouvait être modélisée à l’aide d’un variogramme. La distribution de Cd dans toutes les feuilles de l’arbre a été prédite par la simulation séquentielle d’un indicateur. Les résultats ont été utilisés pour évaluer la stratégie courante d’échantillonnage des feuilles des arbres, i.e. l’échantillonnage des feuilles de lumière dans le tiers supérieur de la cime des arbres. Cette procédure a produit des estimés biaisés de la concentration moyenne de Cd aussi bien que du risque d’excéder un seuil de contamination. Une procédure alternative d’échantillonnage est proposée. Cette nouvelle procédure évalue si une tendance est présente. Une fois déterminée la hauteur à laquelle l’échantillonnage va donner une estimation correcte de la pollution de l’arbre, le reste du peuplement peut être échantillonné à cette hauteur.