Fluorescence tracers of Dissolved Organic Matter in headwater agricultural catchments

• Auteur / Autrice : Muhammad Bilal
• Direction : Christian Walter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Environmental science
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Rennes, Agrocampus Ouest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Épuration -- Élimination des composés organiques

Mots clés libres

Effluents d’élevage

Résumé

La concentration en carbone organique dissout augmente depuis environ vingt ans dans les rivières de nombreux bassins versants en Bretagne et en Europe. Dans les petits bassins versants agricoles, les principales sources sont les sols et les effluents d’élevage. Afin de proposer des actions pour restaurer la qualité de l’eau, la fluorescence tridimensionnelle EEM (Excitation Emission Matrix) est utilisée pour tracer dans les sols et les cours d’eau la matière organique issue des effluents d’élevage. Les traceurs de fluorescence sont mesurés sur les MOD issues de lisiers de porc, fumier de bovin et effluents compostés couramment recyclés sur les sols. Ces traceurs sont ensuite recherchés dans les eaux de ruissellement lors d’une simulation de pluie sur parcelle amendée par du fumier de bovin et du lisier de porc. La persistance des traceurs est évaluée dans une incubation de sol (deux mois) et sur deux dispositifs expérimentaux (Champ Noël, 0. 9% de carbone total et Kerguehennec, 2. 5% de carbone total) comparant des fertilisations minérale et organique (lisier, fumier) respectivement depuis 14 et 7 ans. Enfin, la relation entre les pratiques agricoles dans les zones humides de fond de vallée et la présence de ces traceurs dans les eaux de quinze bassins versants (BV) agricoles est explorée lors de trois crues. Ces zones sont reconnues comme étant les principales zones contributrices en MOD dans les BV bretons. Les pratiques agricoles (rotation, qualité et quantité de fertilisants, paturâge) dans les zones humides potentielles de fonds de vallée sont identifiées par enquête. La fluorescence est intégrée dans deux régions du spectre (biochimique/géochimique, bio/géo), cinq régions détaillant les composés du type protéine, fulvique ou humique (I à V), et trois zones (Tryptophane (TRY), composés fulviques (FL) et humiques (HL)). La MOD issue des lisiers et fumiers possède une empreinte fluorescente biochimique qui les discrimine des effluents compostés présentant une empreinte plus géochimique similaire aux MOD issues des sols. Les traceurs bio :geo, TRY :FL, TRY :HL, et TRY:(HL:FL), TRY permettent de tracer les MOD issues d’effluents d’élevage dans les eaux de ruissellement quelques heures après l’épandage. Les MOD issues d’effluents bovins ne sont pas discriminées des effluents porcins. Un an après le dernier épandage, plusieurs traceurs des effluents sont retrouvés dans le sol à 0. 9% de C, alors que sur le sol à 2. 5% de C, seul le TRY persiste. Les résultats ne permettent de conclure sur l’effet cumulatif ou sur l’influence du dernier épandage. Les traceurs sont identifiés dans les BV les plus impactés par le recyclage d’effluents d’élevage. Certains BV ne sont impactés que par des MOD fortement humifiées issues des sols sans recyclage. La fluorescence tridimensionnelle permet donc de tracer des MOD issues des effluents d’élevage.

Dissolved organic matter (DOM) concentrations are increasing in the streams at agricultural headwater catchments in French Brittany, an intensive agricultural region, and Europe during last twenty years. These increasing DOM concentrations are threat to water quality degradation. At small agricultural catchment scale, soil and farm wastes effluents are principle sources of DOM. To propose management actions and to restore stream water quality, three dimensional EEM (Excitation Emission Matrix) was applied to trace DOM issued from farm wastes in the soil and agricultural catchment stream. Fluorescence tracers were measured on DOM produced from pig slurry, cow manure and composted manures which recycled commonly in cultivated soils. Afterwards, these tracers were analysed in rainfall simulation experiment in the cultivated plots amended with pig slurry and cow manures. The persistence of these fluorescence tracers was evaluated in soil incubation (two months) and in two different experimental dispositives (Champ Noël, 0. 9% total carbon and Kerguehennec, 2. 5% total carbon) as well as these tracers were compared in mineral vs organic (pig slurry and cow manure) fertilized plots with different recycling time of 14 and 7 years respectively. Finally, the relation between agricultural practices in Valley Bottom Wetlands (VBW) and the presence of these fluorescence tracers in 15 agricultural streams were explored during three storm events. VBW were identified as principle source of DOM in French Brittany catchments. The agricultural practices (crop rotation, quality and quantity of fertilizers, grazing meadows) in the VBW were identified by farm survey. The fluorescence intensities were integrated in the two regions of EEM spectra (biochemical/geochemical, bio:geo), five regions composed of proteins like, fulvic and humic (I to V), and three zones (tryptophan (TRY), fulvic like (FL) and humic like (HL)). DOM produced from pig and cow demonstrated biochemical fluorescence signatures and discriminated from composted manures which showed geochemical signatures similar to soil DOM. The tracers bio:geo, TRY:FL, TRY:HL, TRY:(HL:FL), TRY trace the DOM issued from farming wastes in simulated runoff two hours after soil spreading. Cow manure DOM was not differentiated from pig wastes DOM with these fluorescence tracers. One year after last recycling, several tracers were found in soil 0. 9% C while at the soil with 2. 5% C, only TRY persisted. With these results, we are not clear whether the effect is cumulative or it’s the influence of last farm wastes spreading. The fluorescence tracers were identified in the headwater catchments impacted by farm wastes recycling. Some catchments demonstrated highly humified DOM which resembled to soil DOM without recycling. Therefore, fluorescence spectroscopy permits to trace the DOM issued from farming wastes. Fluorescence spectroscopy is found a valuable tool for monitoring farming wastes DOM contamination and understanding the biogeochemistry of DOM in soil and water environment.