Des versants à l'exutoire d'une rivière : comment les nutriments sont-ils transformés dans le réseau hydrographique ?



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Modulation dans le réseau hydrographique des dynamiques des exports de C-N-P dans un bassin versant agricole de méso-échelle

Antoine Casquin, Rémi Dupas, Patrick Durand (INRAE, SAS) et Sen Gu, Patrice Petitjean, Gérard Gruau (Université de Rennes 1, CNRS, Géosciences Rennes) publient en décembre 2020 dans la revue STOTEN un article sur la modulation dans le réseau hydrographique des dynamiques des exports de C-N-P dans un bassin versant agricole de méso-échelle.

La majorité des écosystèmes aquatiques terrestres mondiaux sont touchés par l’eutrophisation, c’est-à-dire par l’enrichissement en nutriments – carbone (C), azote (N) et phosphore (P) – des milieux. Dans les paysages agricoles, l’essentiel de ces nutriments provient de la fertilisation des cultures. Ils sont transférés via des écoulements superficiels (surtout le P), subsuperficiels (surtout le C et le P) ou la nappe (surtout le N) des versants aux cours d’eau. Ces transferts sont généralement étudiés dans des bassins versants dits « de recherche », qui sont des sous-bassins versant élémentaires de quelques kilomètres carrés. Cette échelle ne correspond pas à l’échelle « opérationnelle », ou méso-échelle à laquelle s’effectue la surveillance de la qualité de l’eau dans Union Européenne (50-500 km2).



Antoine Casquin STOTEN Fig1 2020

Figure 1. Résumé graphique de l’étude




L'objectif principal de ce travail était de quantifier comment les processus « rivière » modifiaient la dynamique des exports hydriques de C-N-P dans différentes conditions de débit, de concentration et de température à l’exutoire d’un bassin versant de taille « opérationnelle ». Étant donné que les processus dans les versants et les rivières ont des facteurs hydro-climatiques communs, leurs influences relatives sur les exports sont difficiles à distinguer. Une innovation méthodologique basée sur un échantillonnage synoptique répété (30 dates de Mars 2018 à Avril 2019) de 18 têtes de bassin versant dans un bassin versant agricole intensif de 300 km2 (Yvel, centre Bretagne) et une modélisation stochastique spatialisée (Figure 2) a permis de calculer un signal « source » issus des versants. Nous avons ensuite calculé les rétentions et créations apparentes de C-N-P dans le réseau hydrographique (Figure 3) par différence avec les concentrations mesurées à l’exutoire du bassin versant de méso échelle.




Antoine Casquin STOTEN Fig2 2020
Figure 2. Étapes de calcul de la composante diffuse du signal source et de l'intervalle de prédiction de 90 % qui lui est associé pour un élément à une date donnée. L'exemple est basé sur les concentrations de nitrate (NO3-) mesurées le 24 avril 2018. Sur la carte en bas au milieu  « P01 à P29 » identifie les sous-bassins versants échantillonnés. Les points blancs sur les cartes représentent l’exutoire du bassin versant de méso-échelle. Les traits épais délimitent les sous-bassins versants échantillonnés et le bassin versant de méso-échelle.



Le résultat majeur de cette étude a été de montrer que le débit était le principal facteur de contrôle des modulations des exports de C-N-P dans le réseau hydrographique (Figure 3), tandis que la température et la concentration des sources n'avaient que peu ou pas d'influence.



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Figure3. Modulation dans le réseau hydrographique (RN) des exports de Carbone Organique Dissout (DOC), Nitrate (NO3-) et Phosphore Total (TP) en fonction de la date d'échantillonnage (A, C et E) et de la ravine carrée du débit journalier moyen (Q) (B, D et E). Les barres d'erreur représentent 90 % de l'intervalle de prédiction à partir de 10 000 simulations. Les lignes bleues sont des régressions linéaires de l'altération médiane pour Q inférieur ou supérieur à la médiane long-terme du débit (Q50). La forme des symboles indique la proportion de « quickflow » au moment de l'échantillonnage et leur couleur la température moyenne de l'air des 15 jours précédents.



Le rôle du réseau hydrographique sur les flux de DOC, de NO3- et de TP est faible en moyenne sur l’année, il peut être important en été lorsque les processus de rétention dans la rivière sont à leur maximum. Le DOC est soit produit dans le réseau hydrographique, soit transporté de manière conservative mais il n’apparait pas de période rétention apparente. Le NO3- est consommé dans le réseau hydrographique en basses eaux tandis que le P est temporairement stocké dans le sédiment et est relargué dès les premières crues d’automne/hiver. La période estivale étant la plus à risque pour l’eutrophisation, il peut être intéressant de prendre en compte ces effets rivière pour réduire les flux de NO3- et de P à cette période de l’année, en relocalisant à l’amont les cultures les plus exportatrices de nutriments par exemple.

En raison des différences des taux de modulations du carbone et des nutriments dans le réseau hydrographique, les rapports stoechiométriques varient considérablement entre les têtes de bassin versant et l'exutoire du bassin versant de méso-échelle, en particulier pendant la saison d'étiage, sensible à l'eutrophisation


Référence
Antoine Casquin, Sen Gu, Rémi Dupas, Patrice Petitjean, Gérard Gruau, Partrick Durand. River network alteration of C-N-P dynamics in a mesoscale agricultural catchment. Science of the Total Environment, Elsevier, 2020, 749, pp.141551. ⟨10.1016/j.scitotenv.2020.141551⟩.




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