Mouvement de l'azote à travers une forêt riveraine en milieu agricole tropical

Movement of nitrogen through a riparian forest in a tropical, agricultural landscape

• Auteur / Autrice : Sarah Connor
• Direction : Catherine Hénault, Paul N. Nelson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 27/11/2012
• Etablissement(s) : Dijon en cotutelle avec James Cook university of North Queensland
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Agroécologie (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Steven Turton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Amiotte-Suchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mariet Hefting, Heather Hunter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protoxyde d'azote

Hydrologie forestière

Eaux souterraines -- Qualité

Forêts ripicoles

Mots clés libres

Forêts ripicoles

Eaux souterraines

Hydrologie forestière

Protoxyde d'azote

No english keyword

Résumé

Les zones riveraines sont connues pour fonctionner comme des tampons efficaces, capable d’éliminer les nitrates des eaux souterraines avant leur rejet dans les ruisseaux adjacents. Ce rôle de tampon est particulièrement important dans les bassins versants agricoles où, l’azote supplémentaire, provenant des engrais, peut être lessivé dans les eaux souterraines. Sur les plaines côtières, les nitrates présents dans les eaux souterraines puis déchargés dans les ruisseaux peuvent potentiellement enrichir les eaux côtières. La transformation des nitrates par le processus de dénitrification permet d’améliorer la qualité de l'eau, cependant, la dénitrification incomplète produit du protoxyde d’azote (N2O), un gaz à effet de serre. Bien qu’un grand nombre de recherches aient été menées dans les régions tempérées, peu d'études ont été conduites dans les régions tropicales sur la capacité des zones riveraines à éliminer les nitrates des eaux souterraines. Dans les zones agricoles de la région tropicale humide en Australie, les précipitations annuelles sont élevées, autour de 3000 mm, et les saisons humides et sèches sont clairement définies. La saison humide se caractérise par des précipitations de forte intensité et de longue durée, suivie par une saison sèche définie par de faibles précipitations sporadiques. Les questions fondamentales de cette thèse sont les suivantes: dans un paysage agricole tropical humide, les nitrates contenus par les eaux souterraines, sont-ils éliminés lors de leur passage dans une zone boisée riveraine avant d’être transportés vers le ruisseau ? Observe- t-on des différences temporelles et spatiales des flux de N2O émis par les sols de la forêt riveraine ?Cette étude se focalise sur une zone riveraine boisée, d’une largeur de 150 m, située au milieu des champs de canne à sucre, sur la plaine côtière adjacente à la lagune de la Grande Barrière de corail (inscrite au patrimoine mondial), localisée dans la région tropicale humide d'Australie.Pour acquérir une compréhension du mouvement des eaux souterraines sur le site riverain, l'hydrologie de la zone a été caractérisée par des mesures de la teneur en eau du sol et par la profondeur de la nappe phréatique (13 piézomètres). Durant la saison humide, le système était très dynamique, avec de grandes fluctuations des niveaux de la nappe phréatique et, à long terme, l’inondation des zones basses. Les rapides hausses de la nappe phréatique ont été attribuées à une recharge in situ élevée, au faible volume d’air contenu dans les pores (zone non saturée), au piégeage de l'air et à la recharge occasionnelle de la crique. Les baisses rapides de la nappe phréatique ont été attribuées aux importantes différences de hauteur au sein de la zone riveraine, différences dues, partiellement, à la topographie vallonnée du site. La saison sèche a été caractérisée par un système lent, avec une profondeur de nappe phréatique pouvant atteindre 4 mètres dans certains endroits. Les eaux souterraines arrivant dans la zone riveraine contenaient de faibles concentrations de nitrates (moyenne <0.03 mg NO3- N L-1 durant les deux saisons). Cependant, les concentrations ont augmenté (jusqu'à 50 fois) lors de la progression des eaux souterraines à travers la zone riveraine, suggérant que la zone riveraine était une source de nitrates pour le ruisseau adjacent. L'augmentation de nitrates a été attribuée à la nitrification ayant lieu dans les sols riverains de surface, processus favorisé par une importante productivité primaire nette, notamment de grandes quantités de litière (12.19 Mg ha-1 an-1). Par la suite, les nitrates générés par le sol riverain ont été lessivés dans les eaux souterraines par les précipitations, durant la saison humide. Ainsi, les nitrates dans les eaux souterraines proviennent de la nitrification et, potentiellement, du mélange avec des eaux souterraines profondes ayant des concentrations supérieures en nitrates. [...]

Riparian zones have been widely reported to function as effective buffers, removing nitrate (NO3-) from groundwater before it is discharged into adjacent streams. This is particularly important in agricultural catchments where additional nitrogen (N) from fertilisers may be leached into groundwater. On coastal plains, NO3- in groundwater discharged into streams can potentially enrich coastal waters. The permanent removal of NO3- through denitrification can improve water quality, however incomplete denitrification produces nitrous oxide (N2O), a greenhouse gas.Despite copious research in temperate regions, little study has been conducted on the capacity of riparian zones to remove NO3- from groundwater in the tropics. In agricultural areas of the Australian humid tropics, annual rainfall is high, around 3000 mm, and wet and dry seasons are clearly defined. Wet seasons are characterised by rainfall of high intensity and duration, followed by a dry season producing sporadic small amounts of rainfall. The overarching questions of this thesis are: in an agricultural landscape in the humid tropics, is NO3- in groundwater removed as it enters a forested riparian zone and is transported towards the stream? And, are there temporal and spatial differences in patterns of N2O emissions produced from the riparian forest?This research is focused on a forested riparian zone 150 m wide, located amongst sugarcane fields, on the coastal plain adjoining the World-Heritage listed Great Barrier Reef lagoon, in the Australian humid tropics. To gain an understanding of the movement of groundwater through the riparian site, the hydrology of the riparian zone was characterized using measurements of soil water content and water table depth (13 piezometers). In the wet season the system was highly dynamic with large fluctuations in water table levels and long-term inundation of low lying areas. Rapid water table rises were attributed to high in-situ recharge, low air-filled pore space (unsaturated zone), air entrapment and occasional recharge from the creek, and the rapid falls to the steep local hydraulic gradients. The dry season was characterised by a slow moving system with depth to watertable up to 4 m at high locations.Groundwater entering the riparian zone was found to have low concentrations of NO3- (mean <0.03 mg NO3-N L-1 over both seasons), however, concentrations increased (by up to 50 fold) as groundwater progressed through the riparian zone, suggesting the riparian zone was a potential source of NO3- to the adjacent creek. The addition of NO3- was attributed to nitrification in riparian surface soils, driven by large net primary productivity, including large amounts of litterfall (12.19 Mg ha-1 y-1). Nitrate generated in riparian soil was subsequently leached into groundwater in the wet season during rainfall events. Nitrate was also derived from nitrification in groundwater and, potentially, from the mixing of deeper groundwater of higher NO3- concentrations [...]