Le cycle du carbone dans le bassin anthropisé de la Seine : de la modélisation du dioxyde de carbone à l’évaluation des émissions des gaz à effet de serre

Carbon cycling across the human-impacted Seine River basin : from the modeling of carbon dioxide outgassing to the assessment of greenhouse gas emissions

• Auteur / Autrice : Audrey Marescaux
• Direction : Josette Garnier, Vincent Thieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biogéochimie
• Date : Soutenance le 11/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux environnementaux, transferts et interactions dans les hydrosystèmes et les sols (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Damien Cardinal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandra Coynel, Emmanuel Soyeux, Lauriane Vilmin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Steven Bouillon, Julien Tournebize

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie des eaux

Effets de l'homme

Bilan des émissions de gaz à effet de serre

Seine, Bassin de la (France)

Cycle du carbone

Mots clés libres

Cycle du carbone

CO2

CH4

N2O

Émissions de GES

Modélisation des écosystèmes aquatiques

Bassin de la Seine

Impacts humains

Continuum aquatique

Carbon cycling

CO2

CH4

N2O

GHG emissions

Aquatic ecosystem modeling

Seine River basin

Human impacts

Aquatic Continuum

Résumé

Des études récentes ont souligné l’importance des émissions de dioxyde de carbone (CO2) par les eaux continentales, replaçant ainsi l’hydro-système comme compartiment actif du bilan carbone. Un premier objectif de cette thèse a été de comprendre et quantifier la dynamique du C aquatique le long du continuum aquatique de la Seine, empreint d’une très forte activité anthropique. Pour cela, un module de carbone inorganique (CI) a été développé au sein du modèle de fonctionnement biogéochimique des écosystèmes aquatiques, Riverstrahler, permettant de simuler les variations spatio-temporelles du C. Le second objectif était de quantifier les émissions aquatiques et terrestres afin de proposer une évaluation conjointe des trois principaux gaz à effet de serre (GES: CO2, méthane – CH4, protoxyde d’azote- N2O) à l’échelle du bassin. Les mesures de la pression partielle de CO2 (pCO2) dans des rivières drainant différentes occupations du sol, à différentes saisons, attestent que l’hydro-système Seine est sursaturé et une source d’émission de CO2 vers l’atmosphère. Le principal facteur de contrôle de pCO2 est la concentration en carbone organique dissout (COD) (R2 = 0,56, p < 0,05), modulée par les conditions hydro-climatiques et les contributions d'eaux souterraines. Dans les rivières amont, les concentrations en COD semblent reliées au stock de CO des sols, alors que sur l’axe principal de la Seine, elles dépendent des effluents de stations d’épuration. Sur le long terme (1970-2015) la pCO2 a clairement évolué conjointement à l’amélioration du traitement des eaux usées. Les bilans par modélisation (moyenne 2010-2013) montrent l’importance du CI apporté à l’hydro-système Seine (1138 ktC an-1) et une faible contribution des processus biogéochimiques (27 ktC an-1). Si une grande part du CI est exportée vers l’estuaire (69%), les émissions de CO2 dépassent 360 ktC an-1 (soit 30%). Les apports de carbone organique ne représentent que 104 ktC an-1. La production nette de l’écosystème (NEP) apparait négative, et indique le caractère hétérotrophe de la Seine. Cette nouvelle version du modèle Riverstrahler a été couplée au modèle estuarien C-GEM afin de proposer une description complète de la cascade du carbone dans le continuum rivière-estuaire. L’estuaire représente 34 % de la surface miroir de la Seine et contribue à hauteur de 23% des émissions aquatiques de CO2 du bassin, estimée à 445 kt C (année 2010). Les émissions de CO2 complétées par celles de N2O et CH4 montrent que les émissions aquatiques de GES représentent 3.7% des émissions totales du bassin de la Seine (2,276 kt CO2 équivalent an-1 dont 95,3% de CO2). Les émissions agricoles (14,295 ktCO2 équivalent an-1) et urbaines (44,713 ktCO2 équivalent an-1) contribuent respectivement pour 23.3 et 73.0%. Une reconstruction historique des émissions agricoles en France montre une augmentation par 4 de 1850 à 2014, soit 114,000 kt CO2 équivalent an-1 actuellement (CO2:22%, CH4:49%, N2O: 29%). Un scénario prolongeant la tendance actuelle à la spécialisation et l’intensification à l’horizon 2040, prédit une augmentation par 1.5 des émissions agricoles, alors qu’un second scenario, proposant un changement profond de l’agriculture française, réduirait les émissions actuelles de 50%.

Several recent studies have highlighted significant fluxes of carbon dioxide (CO2) from inland waters in the global carbon cycling. The first main objective of this thesis was to quantify and understand carbon dynamics in the Seine River basin, which is deeply impacted by human activities. For this purpose a new inorganic carbon (IC) module was implemented in the biogeochemical Riverstrahler model, to simulate spatial and temporal variations in carbon forms in the drainage work. A second major objective was to size both aquatic and terrestrial emissions as a part of a joint assessment of three main GHGs (CO2, methane –CH4, and nitrous oxide –N2O). Field campaigns in rivers draining various land uses in different hydrological seasons, showed a supersaturation in CO2 of the Seine hydrosystem leading to CO2.emissions to the atmosphere. The main factor controlling the CO2 partial pressure (pCO2) was the concentration of dissolved organic carbon (DOC) (R2=0.56, n=119, p<0.05), modulated by hydro-climatic conditions and groundwater contribution. In small streams, DOC concentrations were dependent on the soil organic carbon stock. For the main stem, a long-term analysis (1970-2015) showed that pCO2 tracked urban pollution, decreasing from the 2000s after improvement of wastewater treatment. The validation of the IC module newly implemented in Riverstrahler showed that IC inputs to the Seine River dominated the overall carbon budget (1138 ktC yr-1 on average for the period 2010-2013) of which less than 2% was produced from biogeochemical processes (27 ktC yr-1). In addition, CO2 outgassing represented 30% of IC outputs while exports to the estuary represented 69% of IC outputs. OC inputs were comparatively lower, accounting only for 104 ktC yr-1. Analysis of the biogeochemical processes of the Seine River showed a negative net ecosystem production (NEP), the river being mostly heterotrophic. In order to complete the modeling of the fate of carbon in the Seine River, the Riverstrahler model was combined with the estuarine C-GEM model, towards an integrated approach to the Land-to-Ocean Aquatic continuum. Representing 34% of the river mirror area, the estuary thus contributes ~23% of the CO2 emitted from the whole estuary-river aquatic continuum (estimated at 445 kt C for the year 2010). In addition, analyses of available institutional databases and measurements of other GHGs (CH4 and N2O) enabled estimation of aquatic emissions at 3.7% of the Seine basin total emissions (2,276 ktCO2 equivalent yr-1), dominated by CO2 (95.3%), while agricultural (14,295 ktCO2 equivalent yr-1) and urban emissions (44,713 ktCO2 equivalent yr-1) accounted for 23.3% and 73.0%, respectively. A historical reconstruction of agricultural emissions for the whole of France (1850-2014) estimated that, among the 114,000 ktCO2 equivalent yr-1 emitted by the agricultural sector, 22% were represented by CO2, 49% by CH4 and 29% by N2O. Finally, two contrasting scenarios were explored (horizon 2040). The first, characterized by the current trend towards specialization and intensification, predicted an almost 1.5-fold increase in agricultural emissions. While the second, characterized by a transition to organic agriculture and dietary change, would reduce current emissions by about 50%.