Transfert de carbone organique des tourbières vers les eaux de surfaces : quantification, identification des mécanismes de contrôles et détermination de l'influence des activités anthropiques locales

Exports of organic carbon from peatlands into the inland waters : quantification, identification of control processes and assesment of the influence of local anthropogenic activities

• Auteur / Autrice : Thomas Rosset
• Direction : Gaël Le Roux, Laure Gandois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie Fonctionnelle
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Ribolzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Le Roux, Laure Gandois, Jérôme Poulenard, Christelle Batiot-Guilhe, Sébastien Gogo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Poulenard, Christelle Batiot-Guilhe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Principe anthropique

Montagnes

Tourbières

Mots clés libres

Transfert de carbone organique

Tourbière

Pyrénées

Montagne

Anthropique

Organic carbon export

Peatland

Pyrenees

Mountain

Anthropogenic

Résumé

Les tourbières sont des zones humides qui ne couvrent que 3% des surfaces émergées mais qui sont très riches en matière organique. A la croisée des cycles du carbone et de l’eau, elles stockeraient près de 20 % du carbone organique des sols de la planète et par conséquent elles sont considérées comme des sources importantes dans le transfert de carbone organique vers les eaux de surface. Dans les bassins versants de montagne, les tourbières ne représentent qu’une faible proportion de la couverture paysagère et sont sujettes à l’influence d’activités anthropiques locales. Jusqu’à présent les conditions climatiques et d’accessibilité des zones montagneuses ont limité les études biogéochimiques dans les tourbières de montagne, mais de récentes avancées technologiques optiques permettent dorénavant de mesurer les concentrations de carbone organique in situ et à haute fréquence dans les ruisseaux drainant ces écosystèmes. Cette thèse a pour objectif de quantifier et d’identifier les mécanismes qui régissent le transfert de matière organique des tourbières vers les eaux de surface dans des bassins versants de montagne faisant l’objet d’activités anthropiques contemporaines. Pour cela deux tourbières situées dans les Pyrénées françaises ont été instrumentées et ont fait l’objet d’un suivi haute fréquence (30 min) sur plus de deux cycles hydrologiques. En premier lieu, ces travaux ont permis d’isoler le contrôle prédominant des crues dans les exports de matière organique des tourbières ainsi que la proportion majoritaire de la forme dissoute du carbone organique (COD) dans les exports. En fonction des cycles hydrologiques, les flux spécifiques de COD des tourbières de montagne sont très variables [16.1 ; 35.9] g.m².an-1 mais correspondent aux gammes observées pour les tourbières des plaines septentrionales. Ces mêmes flux placent les tourbières comme sources majoritaires de COD (>63%) en tête de bassin versant. Dans un second temps, l’analyse des pics observés sur les séries temporelles de concentration de COD a montré que, contrairement aux exports, la variabilité des concentrations aux exutoires des tourbières n’est pas contrôlée par le débit, mais par la température du sol et les battements de nappe phréatique. Calculés à partir des relevés piézométriques, des temps de récession hydrologiques permettent d’appréhender plus justement ces variabilités dans les modèles de concentration de COD ainsi que d’apprécier l’hétérogénéité hydrologique des tourbières. La troisième phase illustre la difficulté de séparer influence climatique et anthropique dans les exports de carbone organique des tourbières suite à deux évènements anthropiques, intervenus sur les sites d’études pyrénéens : un brulis et une coupe forestière. En complément une revue bibliographique à l’échelle mondiale rapporte cependant des flux de COD 30% plus importants à l’exutoire de tourbières influencées par des pratiques anthropiques. Ces travaux soulignent le besoin de disperser l’instrumentation haute fréquence sur davantage de tourbières afin de déterminer plus justement leur rôle dans le cycle du carbone global. L’ensemble des résultats confirme l’importance des exports de carbone organique dans le bilan carbone des tourbières mais également l’importance des tourbières dans l’hydrochimie des eaux de surface, notamment dans les zones anthropisées

Peatlands are a type of wetlands covering 3% of the continental areas. They store approximately 20% of the global soil organic carbon and therefore they are considered as a major source of organic carbon for inland waters. In mountainous areas, peatlands are relatively small, scattered and they may be under the influence of local anthropogenic activities. Until now, harsh mountainous climatic conditions have limited biogeochemical investigations in these remote areas but recent improvements in optical technologies make high frequency monitoring of stream organic concentration possible. This thesis aimed at quantifying the exports of organic matter and identifying the parameters that control these exports at the outlet of peatlands in mountainous watersheds influenced by local anthropogenic activities. To investigate these parameters, two peatlands in the French Pyrenees were monitored on several hydrological cycles at a high frequency (30 min). Quantification work showed that floods controls the export of organic carbon from peatlands and that dissolved organic carbon (DOC) was the main form exported. Depending on annual discharge, peatland DOC specific fluxes varied drastically [16.1 ; 35.9] g.m².yr-1 but they remained consistent with the fluxes measured in Northern lowland peatlands. Moreover, peatlands appeared as the main source of DOC (>63%) of these headwaters. In contrast with the exports, DOC concentration variability was not driven by discharge. Peaks in the times series revealed that peat soil temperature and water table fluctuations were the main drivers of the DOC concentration variability. Water recession times were calculated from water table time series and helped to improve stream DOC concentration models. In addition, the water recession times seemed to be a useful quantitative parameter to describe the hydrological heterogeneity of peatland complexes. Anthropogenic influence (prescribed burning and forest clearing) was difficult to disentangle from climatic influence driving stream organic exports from peatlands at the two Pyrenean experimental sites. However, these observations were completed by a global literature review reporting that DOC specific fluxes were 30% stronger in peatlands impacted by anthropogenic activities. This thesis has underlined the need to monitor more peatlands at a high frequency in order to determine more accurately their role in the global carbon cycle. All of the results confirmed that organic carbon exports are a crucial parameter in the carbon balance of peatlands. They also confirmed the influence of peatlands on the chemistry of inland waters, especially in areas subject to local anthropogenic disturbances