Sources, production et transfert du carbone organique dissous dans les bassins versants élémentaires sur socle (apports des isotopes stables du carbone)

En dépit de son importance dans les processus contrôlant la qualité des écosystèmes aquatiques, l’origine et les mécanismes de transfert du carbone organique dissous (COD) transporté par les cours d’eau restent sujets à discussion. Les objectifs de cette thèse portent sur i) la localisation précise les sources de COD à l’échelle du bassin versant élémentaire, ii) l’identi?cation de l’origine et des mécanismes à partir desquels il est produit, iii) l’identi?cation des mécanismes de transfert du COD des sols vers les cours d’eau et (iv) une meilleure compréhension du rôle joué par l’hydrologie tant sur les mécanismes de production et la localisation des sources que sur les ?ux et les processus de transfert. Les travaux ont porté sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan), appartenant à l’Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys. Cette thèse se démarque des travaux précédents par 1) l’utilisation des isotopes stables du carbone comme outil de localisation des sources du COD au sein du bassin versant et de traçage des dynamiques de production et de transfert du COD du sol vers la rivière, et 2) un suivi haute-fréquence parallèle de la chimie des eaux du sol et de rivière couplé au suivi hydrologique de la dynamique de la nappe sur la totalité d’un cycle hydrologique.
L’analyse des variations saisonnières de concentration et de composition du COD révèle l’existence d’un relais dans les sources et les mécanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallée en phase avec les changements de régime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la période automnale de remontée de la nappe, le compartiment COD du sol est constitué de composés faiblement aromatiques répartis sur l’ensemble du pro?l de sol. Le caractère faiblement aromatique et la composition isotopique particulière (? 13C enrichi en 13C) de ce réservoir de COD suggèrent qu’il provient très probablement de la solubilisation de débris bactériens. Ce réservoir de très faible taille (5% du ?ux annuel de COD exporté par le cours d’eau) est entièrement épuisé par les premières crues d’automne conduisant à la montée de la nappe dans le domaine de versant. La mise en charge de la nappe conduit à la mobilisation d’un second réservoir de COD caractérisé par une aromaticité élevée et une signature isotopique proche de celle de la matière organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique « ancien » des sols et présente une taille nettement plus important que le premier (90% du ?ux annuel). Cependant,et contrairement au premier, ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matières organiques issues des sols de bas de versant. Le transfert d’un domaine à l’autre se fait par l’établissement d’une connexion hydrologique entre le long du continuum rivière-zones de fond de vallée-zones de bas de versant durant toute la période de hautes eaux (?n de l’automne, hiver et début du printemps). Une autre particularité de ce réservoir est qu’il se limite spatialement aux horizons organo-minéraux super?ciels du sol, le COD des horizons minéraux présentant une concentration faible et une composition isotopique di?érente de celle du COD des horizons super?ciels lors de la période de hautes eaux. En?n, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le début de la période d’assèchement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d’un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire à celui observé en automne. En conséquence directe de ce relais saisonnier des réservoirs sources de COD, la teneur et la composition du COD véhiculé par le cours d’eau varient fortement aux échelles saisonnière (variabilité temporelle des processus de production du COD) et journalière (variabilité verticale de la composition du COD entre les horizons supérieurs et inférieurs des sols des domaines de bas-fond). Les horizons super?ciels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du ?ux de COD exporté lors des évènements de
crues. Sur l’ensemble du cycle hydrologique, l’exportation du COD par les cours d’eau semble être limitée par le transport dans le sens où les écoulements ne su?sent pas à épuiser entièrement la taille du réservoir En dépit de son importance dans les processus contrôlant la qualité des écosystèmes aquatiques, l’origine et les mécanismes de transfert du carbone organique dissous (COD) transporté par les cours d’eau restent sujets à discussion. Les objectifs de cette thèse portent sur i) la localisation précise les sources de COD à l’échelle du bassin versant élémentaire, ii) l’identi?cation de l’origine et des mécanismes à partir desquels il est produit, iii) l’identi?cation des mécanismes de transfert du COD des sols vers les cours d’eau et (iv) une meilleure compréhension du rôle joué par l’hydrologie tant sur les mécanismes de production et la localisation des sources que sur les ?ux et les processus de transfert. Les travaux ont porté sur le bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin (Morbihan), appartenant à l’Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys. Cette thèse se démarque des travaux précédents par 1) l’utilisation des isotopes stables du carbone comme outil de localisation des sources du COD au sein du bassin versant et de traçage des dynamiques de production et de transfert du COD du sol vers la rivière, et 2) un suivi haute-fréquence parallèle de la chimie des eaux du sol et de rivière couplé au suivi hydrologique de la dynamique de la nappe sur la totalité d’un cycle hydrologique.
L’analyse des variations saisonnières de concentration et de composition du COD révèle l’existence d’un relais dans les sources et les mécanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallée en phase avec les changements de régime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la période automnale de remontée de la nappe, le compartiment COD du sol est constitué de composés faiblement aromatiques répartis sur l’ensemble du pro?l de sol. Le caractère faiblement aromatique et la composition isotopique particulière (? 13C enrichi en 13C) de ce réservoir de COD suggèrent qu’il provient très probablement de la solubilisation de débris bactériens. Ce réservoir de très faible taille (5% du ?ux annuel de COD exporté par le cours d’eau) est entièrement épuisé par les premières crues d’automne conduisant à la montée de la nappe dans le domaine de versant. La mise en charge de la nappe conduit à la mobilisation d’un second réservoir de COD caractérisé par une aromaticité élevée et une signature isotopique proche de celle de la matière organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique « ancien » des sols et présente une taille nettement plus important que le premier (90% du ?ux annuel). Cependant, et contrairement au premier, ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matières organiques issues des sols de bas de versant. Le transfert d’un domaine à l’autre se fait par l’établissement d’une connexion hydrologique entre le long du continuum rivière-zones de fond de vallée-zones de bas de versant durant toute la période de hautes eaux (?n de l’automne, hiver et début du printemps). Une autre particularité de ce réservoir est qu’il se limite spatialement aux horizons organo-minéraux super?ciels du sol, le COD des horizons minéraux présentant une concentration faible et une composition isotopique di?érente de celle du COD des horizons super?ciels lors de la période de hautes eaux. En?n, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le début de la période d’assèchement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d’un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire à celui observé en automne. En conséquence directe de ce relais saisonnier des réservoirs sources de COD, la teneur et la composition du COD véhiculé par le cours d’eau varient fortement aux échelles saisonnière (variabilité temporelle des processus de production du COD) et journalière (variabilité verticale de la composition du COD entre les horizons supérieurs et inférieurs des sols des domaines de bas-fond). Les horizons super?ciels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du ?ux de COD exporté lors des événements de
crues. Sur l’ensemble du cycle hydrologique, l’exportation du COD par les cours d’eau semble être limitée
par le transport dans le sens où les écoulements ne su?sent pas à épuiser entièrement la taille du réservoir