Variations saisonnières des activités respiratoire aérobie et dénitrifiante dans la zone non saturée du sol : expérimentation sur une parcelle agricole du Comtat Venaissin et modélisation

par Patrice Cannavo

Thèse de doctorat en Sciences et agronomie. Hydrogéologie

Sous la direction de Yves Travi.

Soutenue en 2003

à Avignon .


  • Résumé

    La contamination des nappes par le nitrate (NO3-), ainsi que les émissions de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxyde nitreux (N2O) sont des problèmes environnementaux et agronomiques cruciaux pour un développement durable. L'objectif de ce travail était de caractériser durant 7 mois la dynamique des éléments carbone et azote couplée aux activités microbiennes dans la zone non saturée du sol et de souligner, entre autre, l'intérêt de ne pas négliger les processus biologiques existants dans la zone non saturée profonde. Pour cela, un profil de sol situé dans une parcelle agricole du Comtat Venaissin (Velleron, 84) a été étudié. La zone non saturée du sol (environ 2. 50 m d'épaisseur) a été instrumentée pour le suivi des flux hydrique, de gaz, de chaleur et de soluté durant la période inter-culturale, après récolte du mai͏̈s et enfouissement des résidus (fin octobre 2001) jusqu'au semis suivant (début mai 2002). Des analyses microbiologiques ont permis d'une part de suivre les activités respiratoire aérobie et dénitrifiante potentielles, et d'autre part de dénombrer les bactéries hétérotrophes et dénitrifiantes. Les résultats ont souligné la forte dépendance des activités microbiennes aux facteurs environnementaux tels que les précipitations, la température du sol, la teneur en NO3-, et la qualité du carbone organique dissous (COD). Dans la zone non saturée profonde, la teneur en NO3- a été le facteur limitant de l'activité dénitrifiante, et la qualité du COD était en partie responsable des variations saisonnières de l'activité respiratoire aérobie. La modélisation avec le modèle PASTIS des processus biogéochimiques qui se sont produits lors de l'expérimentation a permis de simuler de façon satisfaisante les différents mécanismes. L'ajout d'un module de transport des gaz basé sur la loi de gaz poussières a permis d'estimer correctement les concentrations de CO2 et de N2O dans le sol. La modélisation a souligné l'importance de prendre en compte les activités microbiennes non négligeables dans la zone non saturée profonde. La comparaison modèle-expérience suggère de regarder les points suivants : (1) prendre en compte l'analyse structurale du sol et travailler à l'échelle de l'agrégat, (2) étudier l'effet du gel du sol sur le devenir de la biomasse zymogène, et (3) prendre en compte l'activité enzymatique, dont celle de la N2O réductase. Ces différents points sont primordiaux dans le but d'améliorer les prédictions des quantités de C et N pouvant atteindre la nappe


  • Résumé

    Nitrate (NO3-) groundwater contamination, in addition to greenhouse gases emissions such as carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) are crucial environmental and agronomic problems. The goal of this work was to characterize during a 7-months period C and N dynamics coupled to microbial activities in the vadose zone, emphasizing notably the interest in taking into account the existing biological processes in the deep vadose zone. Thus, a soil profile situated in an arable field in the Comtat Venaissin (Velleron, 84) was studied. The vadose zone (almost 2. 5 m thick) was equipped for water, heat, solute and gas fluxes measurements, during an inter-cropping period, from corn harvesting and tillage with incorporation of maize residues (end of October 2001), to the next sowing (beginning of May 2002). Microbial analysis were performed in order to follow (1) the aerobic respiratory and denitrifying potential activities, and (2) heterotrophic and denitrifying micro-organisms. Results showed the strong environmental factors influence (rainfall, soil temperature, NO3- content, and dissolved organic carbon (DOC) quality) on microbial activities. In the deep vadose zone, the NO3- content was a limiting factor for the denitrifying activity, and the DOC quality was in part responsible of the aerobic respiratory activity seasonal variations. The biogeochemical processes, which occurred during the field experiment, were satisfactorily simulated by the PASTIS model. The addition of a new module for gas transport using the dusty gas theory allowed us to estimate correctly CO2 and N2O concentrations in the soil. The comparison model-experiment suggests to study the following elements: (1) to take into account the soil structure and to work at the aggregate scale, (2) to study the soil freezing effect on zymogenous biomass behaviour, and (3) to take into account the enzymatic activity, notably the N2O reductase enzymatic activity. These elements are really important in order to perform C and N amounts reaching the groundwater

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  • Détails : 223 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 179-205

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