Modélisation de l’effet des interactions haies-cultures sur les transferts d’eau et d’azote à l’échelle d’un petit bassin versant agricole

par Cyril Benhamou

Thèse de doctorat en Sciences de l’environnement

Sous la direction de Philippe Mérot.

Soutenue en 2012

à Rennes, Agrocampus Ouest .


  • Résumé

    Un des effets négatifs de l’intensification de l’agriculture depuis cinquante ans est la pollution des eaux par les nitrates. Cette pollution a des conséquences environnementales, économiques et en termes d’aménités notamment dans le cas de l’eutrophisation. Dans ce contexte, les agro-écosystèmes doivent évoluer par la mise en place de systèmes innovants combinant l’utilisation et la préservation des ressources naturelles. Les zones tampons tels que les réseaux bocagers pourraient être un outil permettant en partie la régulation des flux d’azote vers l’exutoire des bassins versants. La question se pose particulièrement en Bretagne où près de 60 % du linéaire de haies a disparu entre 1960 et 1980. La question traitée ici est la quantification de l’impact de ces zones tampons à l’échelle du bassin versant pour permettre le choix de stratégies de gestion du paysage permettant de maximiser leurs valeurs apportées. L’hypothèse est que l’effet de la haie peut être variable en fonction de sa position sur le versant. L’originalité de ce travail par rapport aux études précédentes a été de s’intéresser à la position dans le paysage et donc aux relations avec la nappe, aux interactions avec les cultures ou les prairies connexes, ainsi qu’aux modalités d’entretien. Cette thèse s’est déroulée en deux parties. La première a eu pour objectif d’évaluer l’impact de la haie sur les variations locales d’humidité du sol et sur le fonctionnement hydrologique d’un versant en fonction de sa position. Pour cela un site de mesure a été instrumenté au nord de l’Ille et Vilaine (Bretagne). Ce site a été suivi durant un an entre septembre 2009 et septembre 2010. La seconde a eu pour objectif d’introduire un nouveau module de fonctionnement de la haie dans le modèle spatialisé TNT2 en développant le concept de maille double couvert, qui a permis de prendre en compte de manière fine le réseau bocager d’un bassin versant et ses interactions avec les cultures, ainsi que l’effet de son entretien. Les résultats expérimentaux montrent que les arbres de la haie se distinguent des autres types de végétation par des prélèvements plus importants dans les couches profondes du sol et que ces prélèvements sont affectés par l’entretien (taille) de la haie. L’apport par remontées capillaires lorsque la nappe est peu profonde tamponne les variations d’humidité du sol à proximité de la haie. La diminution locale d’humidité du sol et l’interception des précipitations par la canopée de la haie semblerait avoir une influence sur les écoulements de nappe lors de la reprise des écoulements. Le module réalisé lors du travail de modélisation a été testé de manière approfondie et son comportement est globalement conforme aux attentes. Les phénomènes identifiés comme importants par les études de terrain et l’analyse de la littérature sont globalement simulés et leurs variations en fonction des conditions climatiques et topographiques sont cohérentes. Les résultats de simulation montrent que l’effet de la haie sur le bilan d’eau et d’azote est fonction de sa position sur le bassin versant et du type de culture qui lui est associé. La compétition entre la haie et la culture associée est de plus en plus importante avec l’augmentation de la profondeur de la nappe, dépendant de la position dans le versant. Cette compétition est en partie atténuée par la taille d’entretien. D’autre part, la présence de la haie tend à augmenter la profondeur du toit de la nappe et le déficit en eau du sol. Cela a pour conséquence de réduire la dénitrification et la minéralisation. Les simulations effectuées sur le bassin versant de Kervidy-Naizin, estiment que la présence d’un réseau bocager entraîne une diminution annuelle du débit et des flux d’azote à l’exutoire. A une échelle temporelle plus courte, l’effet de la haie est plus marqué lors de la reprise des écoulements et lors du tarissement de la nappe. Ainsi ce travail confirme la nécessité de prendre en compte les haies comme une structure en interaction fonctionnelle avec les autres éléments du paysage, avec lesquelles elles forment le complexe du bassin versant.


  • Résumé

    One negative effect of agricultural intensification for more than fifty years has been water pollution by nitrates, which has environmental and economic consequences. In this context, the agro-ecosystem must develop into innovative systems through a combination of use and preservation of natural resources. Buffers zones, such as hedgerow networks, could be a tool to partially regulate nitrogen flow at the watershed outlet. In Britany (western France), where nearly 60% of hedgerows disappeared from 1960-1980, the issue is particularly important. The problem dealt with here is to quantify, at the watershed scale, the impact of these buffer zones to maximize their value with management-landscape strategies. The assumption is that the hedgerow impact varies depending on its position on the hillslope. Compared to previous studies, the originality of this work has been to focus on hedgerow position in the landscape and therefore its relations with groundwater, associated crops or pastures, as well as the influence of pruning. This work is divided into two parts. The first was to assess the impact of the hedgerow on local variations in soil moisture and hydrological functioning of a hillslope depending on hedgerow position. An experimental site was instrumented in the north of the Ille-et-Vilaine department (Brittany) and monitored for a year (September 2009-September 2010). The second part was to develop a new submodel for hedgerows in the spatially explicit model TNT2. We developed the concept of double-cover cell, which takes into account impact of interactions with crops and pruning. Experimental results showed that hedgerow can be distinguished from other vegetation by its water uptake in deeper soil layers, and that this uptake is affected by management (pruning) of the hedgerow. Close to the hedgerow, when the water table is deep, capillary rise contributes to soil water variations. Local reduction in soil water content and rainfall interception by the hedgerow canopy seems to have an influence on groundwater flow in autumn. The hedgerow submodel was thoroughly tested, and its behavior generally met expectations. The processes identified as important in field studies and the literature review were broadly represented, and their variations due to climatic and topographic conditions were consistent. Model predictions indicated that hedgerow impact on water and nitrogen balances depends on its position in the watershed and the crop associated with it. Competition between the hedgerow and the associated crop increased as water table depth increased, as a function of hedgerow location in the watershed. This competition was partially mitigated by pruning. In contrast, hedgerow presence tended to increase water table depth and soil water deficit, which reduced denitrification and mineralization. Simulations of the-Kervidy Naizin watershed predicted that presence of a hedgerow network reduces annual water and nitrogen flow at the outlet. At shorter time scales, the effect of hedgerows is more pronounced in spring and autumn, when discharge is low.

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  • Détails : 1 vol. 194 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. (189-194 p.)

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : D 64
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