Rôle des zones humides alluviales dans la régulation des flux de nitrates et de carbone organique vers les eaux de surface à l'échelle des bassins versants

par Clément Fabre

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers de l'Environnement et de l'Espace

Sous la direction de José Miguel Sanchez-Pérez et de Magali Gerino.

Le président du jury était Jean-Luc Probst.

Le jury était composé de José Miguel Sanchez-Pérez, Magali Gerino, Olivier Atteia, Josette Garnier.

Les rapporteurs étaient Olivier Atteia, Josette Garnier.


  • Résumé

    La pollution des eaux de surface par les nitrates sous la pression de l’intensification des activités agricoles et des rejets urbains et industriels reste encore aujourd’hui une problématique mondiale. La dénitrification est le seul processus d’élimination des nitrates qui se produit majoritairement dans les zones humides et favorise une diminution de la concentration en nitrates depuis les zones agricoles vers les rivières et les fleuves. Le processus de dénitrification nécessite du carbone organique qui peut venir à la fois des sols et de la matière organique produite in-situ dans ces zones humides alluviales ainsi que de la rivière. Les zones humides alluviales sont des zones humides très actives du point de vue de la dénitrification. La dénitrification dans ces zones humides alluviales fluctue dans le temps en fonction du cycle hydrologique et de la disponibilité en carbone organique et en nitrate. Alors que le processus de dénitrification dans les zones humides alluviales est bien connu et détaillé, l’impact de ce processus d’élimination sur les flux exportés aux océans à l’échelle des bassins versants est difficile à appréhender car hautement variable dans le temps et l’espace. De meilleures compréhensions et estimations du rôle de la dénitrification dans les zones humides alluviales au pas de temps journalier sont nécessaires afin de faire ressortir son effet prépondérant dans la régulation des nitrates à l’échelle d'un bassin versant. Ainsi, les objectifs de ce travail sont 1) de mieux comprendre et d’estimer les flux de carbone organique au pas de temps journalier, un des moteurs essentiels de la dénitrification, 2) d’estimer le rôle de la dénitrification dans les zones humides alluviales sur des bassins versants contrastés d’un point de vue de la disponibilité de carbone organique et de nitrate, 3) d’ouvrir vers une généralisation de cette méthode pour quantifier les flux de nitrate aux océans à l'échelle globale et le rôle des zones humides alluviales sur ces derniers. A l'aide de données éparses à travers le monde provenant de différentes bases de données, nous avons pu mettre en évidence des équations simples permettant de simuler les flux de carbone organique transportés par les fleuves. Puis, avec un modèle intégrant les échanges nappes-rivière, adapté du modèle SWAT ainsi que des données de télédétection, nous nous sommes concentrés sur les interactions entre cycles de l'azote et du carbone dans les zones humides alluviales via la dénitrification sur trois bassins versants contrastés : l’Amazone pour les zones tropicales, la Garonne pour les zones tempérées et l’Ienisseï en Sibérie pour les zones froides. Ce travail démontre l’hétérogénéité de la dénitrification à l’échelle de bassins versants contrastés. Nous avons pu démontrer que la dénitrification par les zones humides alluviales s’élève à hauteur de 73,0 kgN/ha/an pour l’Amazone, 4,5 kgN/ha/an pour la Garonne et 0,7 kgN/ha/an pour l’Ienissei. Ainsi, nous pouvons démontrer que les bassins versants pour des conditions pédo-climatiques et d’anthropisation différentes renvoient des dénitrifications très différentes dues à la température ou à la disponibilité des réactifs. Enfin, dans le but de généraliser cette méthode à l’échelle globale, nous avons établi une approche de prédiction des flux de nitrates transportés par les fleuves à l’aide d’une équation simple et de paramètres environnementaux faciles à obtenir afin d’exporter nos résultats sur l’ensemble des fleuves de la planète

  • Titre traduit

    Alluvial wetlands role in the regulation of nitrate and organic carbon fluxes to surface waters at watershed scale


  • Résumé

    Nitrate pollution in surface waters under anthropogenic pressures such as the intensification of the agriculture and the urban and industrial discharges is still a main concern at global scale. Denitrification is the only one process able to remove nitrate from the system. This process is mainly happening in wetlands and induces a reduction of the nitrate concentration to the rivers and coming from agricultural lands. For its functioning, the denitrification process needs organic carbon which partly comes from in-situ organic carbon in soils or in field produced organic matter but also from the river. Alluvial wetlands are really efficient concerning denitrification. The latter fluctuates in time according to the hydrological cycle and to the availability of organic carbon and nitrate. While the process in alluvial wetlands is known and detailed for a long time, the impact of organic carbon availability on nitrate fluxes exported to the oceans at the watershed scale is difficult to estimate as it is highly variable in time and space. Better understanding and estimations of the alluvial wetlands denitrification role at daily time step are required to highlight its main effect on the regulation of nitrate fluxes at the watershed scale. In this way, the objectives of this work are 1) to better understand and estimate the fluxes of organic carbon flowing in rivers at a daily time step, as it is a main reagent in the denitrification process, 2) to estimate the denitrification role in alluvial wetlands on different contrasted watersheds regarding the availability of organic carbon and nitrate, 3) to look towards a generalization of the proposed methods in order to quantify the nitrate fluxes going to the oceans at global scale and the role of the alluvial wetlands on them. Using scarce data from various databases, we have pointed out simple equations allowing the simulations of organic carbon exported by rivers to the oceans. Then, with a model integrating exchanges between the river and the aquifer, adapted from SWAT and with remote sensing data, we have focused on the interactions of nitrogen and organic carbon cycles in alluvial wetlands by denitrification on three contrasted watersheds: the Amazon River for tropical areas, the Garonne River for temperate basins and the Yenisei River for cold zones. This work demonstrates the heterogeneity of denitrification in these three watersheds. We have estimated that the denitrification in alluvial wetlands raises 73.0 ± 6.2 kgN.ha-1.yr-1 for the Amazon River, 4.5 ± 1.4 kgN.ha-1.yr-1 for the Garonne River and 0.7 ± 0.2 kgN.ha-1.yr-1 for the Yenisei River. Hence, we have shown that watersheds with different pedo-climatic conditions or anthropogenic pressures return different denitrification rates due to temperature or to reagents availability. Finally, to generalize this method at global scale, we have proposed an approach to predict nitrate fluxes transported by rivers with a simple equation and easy-to-obtain environmental parameters


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut national polytechnique. Service commun de la documentation.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.