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Soutenance de thèse de Laurent Strohmenger

Influence du climat sur les transferts de carbone organique dissous, nitrates et phosphates dans une tête de bassin versant agricole

Thèse dirigée par Chantal Gascuel-Odoux, UMR Sol Agro et Hydrosystème Spatialisation (SAS)

Résumé

Au XXe siècle, l’agriculture a perturbé les écosystèmes et notamment la qualité des masses d’eau de surface. Ces dégradations sont liées à des perturbations des cycles des éléments majeurs tels que le carbone, l’azote, et le phosphore induisant des concentrations excessives en nitrate (NO3) et phosphate (PO4). Outre les systèmes agricoles, le climat influence également les processus biogéochimiques qui contrôlent la réactivité, et la temporalité des transferts de ces éléments au sein des bassins versants, depuis les sols vers la rivière. La compréhension des processus de transferts en solutés est cruciale pour en permettre la gestion à l’échelle du paysage dans un objectif de reconquête de la qualité des eaux.
L’objectif de la thèse est d’identifier les relations entre le climat et les transferts de carbone organique dissous (DOC), NO3 et PO4, dans une tête de bassin versant agricole, où ils constituent les formes dissoutes dominantes de carbone, azote et phosphore. Ces trois éléments sont complémentaires par leurs origines (horizons de sols organiques pour DOC, apports agricoles pour NO3 et PO4), les distributions spatiales de leur source ou de leur stocks hérités (en surface pour DOC et PO4, en profondeur pour le NO3), et la sensibilité présumée du DOC par rapport au climat (notamment à la température). Cette étude s’appuie sur un jeu de données climatiques, hydrologique, et chimiques acquises à haute fréquence entre 2002 et 2017 sur le bassin versant agricole de Kervidy Naizin, Observatoire de la Zone Critique français situé dans le Morbihan (Bretagne, France).
Le premier volet de recherche porte sur l’analyse de ce jeu de données pour identifier les conditions hydro-climatiques qui contrôlent les concentrations en solutés à l’exutoire du bassin versant pour plusieurs échelles temporelles. Cette analyse s’appuie sur des outils statistiques et fréquentielles adaptées aux différentes temporalités des chroniques: les tests de Mann Kendall et Theil Sen pour le long terme, la transformée de Fourier pour la saisonnalité et l’analyse fréquentielle pour les relations journalières. Le second volet de recherche porte sur le développement d’un modèle conceptuel des compartiments du bassin versant pour reproduire des dynamiques annuelles et évènementielles du débit et des concentrations en DOC et NO3 à l’exutoire. L’objectif de cet exercice de modélisation est de mieux contraindre et renforcer nos connaissances sur les sources et chemins d’écoulement de l’eau et des solutés jusqu’à la rivière.
Les résultats montrent que l’agriculture et le climat contrôlent les dynamiques des concentrations en solutés sur le long terme, alors que les conditions hydrologiques (humidité du bassin versant et précipitations) contrôlent davantage les dynamiques saisonnières et évènementielles. Le climat influence indirectement les dynamiques des concentrations en DOC, PO4 et NO3 dans la rivière par son effet sur les chemins d’écoulement de l’eau dans le bassin versant. En effet, ces derniers dépendent de l’état hydrologique du bassin versant (humidité des sols, niveaux de nappes) qui à leur tour, contrôlent les contributions relatives des compartiments souterrain et riparien au débit et aux concentrations dans la rivière. De plus, les concentrations en DOC et NO3 montrent des dynamiques opposées pour les trois échelles temporelles. La modélisation a mis en évidence que ces oppositions entre DOC et NO3 peuvent être représentées de manière très simple par la distribution spatiale de leurs concentrations dans deux compartiments dont les coefficients de vidange sont contrastés. Une des pistes d’amélioration de ce modèle vise à représenter explicitement les temps de transit de l’eau dans les différents compartiments et l’historique des apports agricoles afin de mieux reproduire la tendance à long terme affichée par la chronique de NO3.