Libération du phosphore dissous et colloïdal des zones humides riveraines : une évaluation sur le terrain et en laboratoire des mécanismes et des facteurs de contrôle

Release of dissolved and colloidal phosphorus from riparian wetlands : a field and laboratory assessment of the mechanisms and controlling factors

• Auteur / Autrice : Sen Gu
• Direction : Gérard Gruau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 24/10/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bassins hydrographiques

Zones humides

Sols -- Teneur en phosphore

Mots clés libres

Phosphore dissous et colloïdal

Pollutions diffuses agricoles

Bassin versant

Zones humides

Sols

Processus d’oxydoréduction

Mécanismes biogéochimiques

Eaux souterraines

Dissolved phosphorus

Groundwater

Riparian wetland

Biogeochemical processes

Drying-Rewetting

Redox processes

Hydroclimate

Topography

Soil properties

Colloidal phosphorus

Résumé

Le phosphore (P) est un nutriment essentiel dans le contrôle de l'eutrophisation des eaux de surface. La majorité du P causant cette eutrophisation dans les pays occidentaux est aujourd'hui issu des sols agricoles, ce qui explique pourquoi les recherches actuelles sur l'eutrophisation se focalisent sur la compréhension des mécanismes par lequel le P est relargué de ces sols. Dans cette thèse, nous étudions ces mécanismes en nous focalisant sur la fraction dissoute (DP) du P, fraction la plus menaçante du point de vue de l'eutrophisation. Une double approche a été utilisée, combinant le suivi de la composition d'eaux du sol et d'eaux de ruisseau dans un petit bassin versant (BV) agricole représentatif (BV de Kervidy-Naizin, France) et des simulations expérimentales au laboratoire. Les suivis de terrain ont révélé que les zones humides ripariennes (RW) étaient les principales zones de relargage de DP dans le BV étudié, via deux mécanismes essentiellement déclenchée par les fluctuations des hauteurs de nappe, i) la réhumectation des sols (DRW) et ii) la dissolution réductrice des oxydes de fer du sol dans de périodes d'anoxie. Ces mêmes suivis ont révélé la présence de fortes variations spatiales de la nature chimique (inorganique et organique/colloïdale) du DP relargué. Les variations saisonnières et interannuelles de l'hydroclimat, combinées aux variations locales de topographie ont été démontrées être les deux facteurs principaux contrôlant i) la fréquence des épisodes DRW, et ii) la durée des périodes anoxiques, entraînant au final de fortes variations saisonnières et interannuelles de la dynamique de relargage du DP. Comme indiqué dans un modèle conceptuel général, la topographie est sans doute le facteur clé de contrôle des variations observées, en raison de son rôle sur i) le transfert de P à partir des parcelles agricoles amont, ii) le taux de minéralisation du P organique du sol P et iii), le déclenchement des deux mécanismes de relargage précités. Les expériences en laboratoire ont confirmé le rôle des événements DRW comme processus clé causant le relargage de DP dans les RWs. Les résultats ont démontré que le DP relargué consistait non seulement de "vrai" DP inorganique et organique, mais aussi de P colloïdal, le P colloïdal et le DP organique étant les plus réactifs aux événements DRW. Les données ont aussi révélées que ces différentes formes de P provenaient de différentes sources dans le sol (méso et macroporosité pour P colloïdal et le DP organique; microporosité pour DP inorganique), et que la quantité de P colloïdal relargué était positivement corrélée avec la teneur en matière organique et la taille de biomasse microbienne du sol. Ces mêmes expériences ont confirmé le rôle des conditions anoxiques comme conditions favorisant la libération de DP dans les RWs. La dissolution réductive de sol Fe-oxyhydroxydes n'est cependant pas le seul processus impliqué, un autre processus étant la hausse du pH causée par des réactions de réduction. Les résultats obtenus démontrent que l'augmentation de pH contrôle la libération de DP dans les sols riches en matière organique, alors que ce relargage est contrôlé principalement par la réduction des oxydes de fer dans les sols pauvres en matière organique. Les données expérimentales démontrent également que l'apport de sédiments issus des sols agricoles amont accroit le relargage de DP dans les RW, probablement en raison de la dissolution des oxydes de fer de ces mêmes sédiments par les bactéries ferroréductrices des Rws. Au final, cette thèse permet de mieux contraindre les mécanismes et facteurs responsables du relargage de DP dans les bassins versants agricoles. Une conséquence très pratique de ce travail est que la conception de stratégies pour limiter les fuites de DP dans ces bassins ne peut se faire sans une prise en compte des rôles de l'hydroclimat, de la topographie locale et des propriétés du sol sur ce relargage.

Phosphorus (P) is a key nutrient in controlling surface water eutrophication. Because of the decrease of urban and industrial P emissions, most of the P nowadays causing surface water eutrophication in western countries consists of P transferred from agricultural soils, explaining why current eutrophication research focused on understanding the mechanisms by which P is released from soils. In this thesis, we studied these release mechanisms for dissolved P (DP) – i.e. the most bioavailable P component for algae - using an approach combining field monitoring of soil and stream water compositions in a small, headwater catchment typical of western countries agricultural catchments (the Kervidy-Naizn catchment, France), and laboratory experimental simulations. Field monitoring data revealed that riparian wetlands (RW) are the main zones of DP release and DP production in the studied catchment, through essentially two mechanisms triggered by groundwater table fluctuations, namely i) rewetting of dry soils (DRW), and ii) reductive dissolution of soil Fe (hydr)oxides during anaerobic periods. Field monitoring data also revealed the presence of strong spatial variations in the chemical nature (inorganic vs. organic/colloidal) of the released DP, which was in relation to differences in soil properties and local topography. Seasonal and inter-annual hydroclimate variations, combined with variations in local topography were found to control the frequency of soil DRW events and duration of anaerobic periods, resulting in strong seasonal and inter-annual variations of DP release dynamics. As shown in a conceptual model, topography is likely to be the key driver of the observed spatial and temporal variations, because of its combined control on i) the transfer of P from upland fields to RW zones, ii) the mineralization rates of soil organic P and iii) the triggering of the above two release mechanisms. Laboratory leaching experiments on the same soils confirmed the role of DRW events as a major process causing DP release pulses in RWs. The data demonstrated that the released DP consisted not only of true dissolved inorganic and organic P but also of colloidal P, the latter phase being the most reactive to DRW events. The data also revealed that the different P forms came from different P sources in the soil (soil macro/mesopores for colloidal P and organic DP; soil micropores for inorganic DP) and that the amount of released colloidal P correlated positively with the organic matter contents and soil microbial biomass size of the soil. Anaerobic incubation experiments, on their hand, confirmed the role of anoxic conditions as conditions favoring the release of DP in RW. Reductive dissolution of soil Fe-oxyhydroxide was, however, not the sole process involved in that release, another process being the rise in pH caused by reduction reactions. Experimental data showed that the pH rise controlled the DP release in organic-rich soils, this release being on the contrary mainly controlled by soil Fe-oxyhydroxides reductive dissolution in organic-poor soils. Experimental data also showed that the input of soil sediments from upland fields enhanced the release of DP in RW, most likely due to the enhanced dissolution of sediment Fe-oxyhydroxides by RW Fe-reducing bacteria. Overall, this thesis allowed new constraints to be placed on the release mechanisms of DP in headwater agricultural catchments. One very practical output is that great care should be taken of hydroclimate variability, local topography, and soil property when designing and implementing management options to reduce DP release and transfer in agricultural catchments.