Transferts d'eau et de carbone entre les tourbières, l'atmosphère et les aquifères : Modèles hydrologiques, géochimiques et de flux de gaz à effet de serre de la tourbière active de Frasne (Massif du Jura, France)

Water and carbon transfers between peatlands, atmosphere and aquifers : Hydrological, geochemical and greenhouse gas flux models of the active peatland of Frasne (Jura Massif, France)

• Auteur / Autrice : Alexandre Lhosmot
• Direction : Marc Steinmann, Guillaume Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrogéologie Géochimie
• Date : Soutenance le 21/03/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire chrono-environnement (Besançon) - Laboratoire Chrono-environnement (UMR 6249) / LCE
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Gaillardet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure Gandois, Anne Probst, Daniel Gilbert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Poulenard, Nico Goldscheider

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

Jura (France ; massif)

Tourbières

Mots clés libres

Zone critique

Eddy-Covariance

Méthane

Sphaigne

Interactions eau-Roche

Critical zone

Eddy-Covariance

Methane

Sphagnum

Water-Rock interaction

Climate change

Résumé

Les tourbières sont des zones humides à l’origine de nombreux services écosystémiques (stockage decarbone, stockage/filtration d’eau, biodiversité spécifique, archives climatiques). Alors que ces services ont un rôle clé pour faire face aux enjeux du XXIème siècle, - climat, biodiversité, et ressource en eau-, ils sont directement menacés par les activités anthropiques (drainage) et le changement climatique. La compréhension des mécanismes hydrologiques, biogéochimiques et écologiques associés au fonctionnement des tourbières à différentes échelles spatio-temporelles est donc fondamentale pour atténuer ces impacts (gestion, restauration) et évaluer les dynamiques d’eau et du carbone des tourbières d’ici les prochaines décennies. C’est dans ce contexte que ce travail s’intéresse au fonctionnement de la tourbière active du Forbonnet (commune de Frasne, Doubs 25). Cette tourbière dominée par des sphaignes est caractéristique des milieux tempérés de moyenne montagne et est localisée dans un synclinal d’une région plissée et karstifiée : le massif du Jura. Trois axes sont développés :(1) Caractériser le fonctionnement hydrogéologique de la tourbière du Forbonnet avec l’usage detraceurs géochimiques (δ18O, δ2H, 87Sr/86Sr, ions majeurs);(2) Evaluer les liens entre les fonctions hydrologiques et biogéochimiques et leur impact sur laspéciation du carbone inorganique (δ13CDIC) ;(3) Intégrer la dynamique des flux de gaz à effets de serre (GES ; CO2, CH4) à l’échelle de l’écosystème et des placettes selon des gradients écohydrologiques inhérents à ces écosystèmes.Ce travail a montré que la tourbière active est un système alimenté en eau par plusieurs composantes: les précipitations directes; des flux latéraux provenant des tourbières boisées alentours ; et des flux d’eaux carbonatées alimentant les niveaux plus profonds de tourbe. Ces eaux carbonatées ont transité dans le synclinal, impliquant des transferts d’eau et/ou de pressions depuis une aire de recharge localisée sur l’anticlinal adjacent. Cet apport d’eau carbonatée semble favoriser la production de CH4 au sein de la tourbière active alors que la partie avale du système (bas marais et exutoire) n’est pas affectée par ce processus. L’échange net de CH4 entre la tourbière active et l’atmosphère (mesuré par eddy-covariance) est contrôlé par la combinaison de facteurs hydrologiques (niveau d’eau contrôlant la taille des réservoirs aérobie et anaérobie), physiques (température contrôlant l’ampleur de la méthanogenèse et de la méthanotrophie) et physiologiques via l’activité photosynthétique qui peut favoriser l’oxydation du CH4 en journée. Les flux de GES mesurés selon le gradient écohydrologique typique des tourbières sont cohérents avec le cycle saisonnier observé avec la méthode eddy-covariance. Cependant, la réponse de ce gradient écohydrologique à différentes conditions hydrométéorologiques est contrastée en fonction des flux. Les flux de CH4 sont plus importants dans la zone humide dominée par les sphaignes pour toutes les conditions. La réponse de la photosynthèse aux conditions hydrologiques dans cette zone montre que les événements extrêmes (périodes de sécheresse sèches ou d’inondations plus marquées) réduisent fortement l’activité photosynthétique. Par ailleurs, la respiration de l’écosystème est la plus faible dans la zone humide, hormis lors de la période estivale sèche où il n’y a plus de différence le long du gradient.Sur la base de ces résultats, cette thèse permet donc de proposer un ensemble de schémas conceptuels du fonctionnement hydrogéologique, hydrogéochimique et biogéochimique potentiellement transférables et adaptables à de nombreuses tourbières de moyenne latitude/altitude. Ces modèles participent à la compréhension des processus contrôlant les échanges de GES carbonés à l’interface tourbière atmosphère et peuvent contribuer à clarifier le rôle local et global des tourbières face aux enjeux environnementaux actuels.

Peatlands are wetlands furnishing many ecosystem services (carbon storage; water storage/filtration,specific biodiversity, climate archives). While these services have a key role to address the challenges of the 21st century - climate, biodiversity, and water resources - they are directly threatened by human activities (drainage) and climate change. Understanding the hydrological, biogeochemical, and ecological mechanisms of peatlands functioning at different spatio-temporal scales is therefore fundamental to mitigate these impacts (management, restoration) and assess the water and carbon dynamics of peatlands over the next decades. It is in this context that this work focuses on the functioning of the “active peatland” of the Forbonnet (municipality of Frasne, Doubs). This sphagnum-dominated peatland is characteristic of mid-mountain temperate environments and is located in a syncline of a folded and karstic area: the Jura Mountains. Three axes are developed:(1) Characterize the hydrogeological functioning of the Forbonnet peatland using geochemical tracers(δ18O, δ2H, 87Sr/86Sr, major ions);(2) Assess the links between hydrological and biogeochemical dynamics and their impact on inorganic carbon speciation (δ13CDIC);(3) Integrate the dynamics of greenhouse gas (GHG; CO2, CH4) fluxes at the scale of the ecosystem and at a finer scale (plot) according to the ecohydrological gradients inherent in these ecosystems.This work showed that the active peatland is a system fed in water by several components: directrainfall; lateral inflows from the surrounding wooded peatlands; and carbonated water fluxes supplying the deeper levels of peat. These carbonated waters flowed in the syncline, implying water and/or pressure transfers from the upstream anticline. This supply of carbonated water seems to favor the production of CH4 within the active peatland, while the downstream part of the system (rich fen and outlet) is not affected by this process. The net exchange of CH4 between the active peatland and the atmosphere (measured by eddy-covariance) is controlled by the combination of hydrological factors (water level controlling the size of aerobic and anaerobic reservoirs), physical (temperature controlling the extent of methanogenesis and methanotrophy) and physiological via photosynthetic activity promoting CH4 oxidation during the day. The GHG fluxes measured according to the typical peatland ecohydrological gradient are consistent with the seasonal cycle observed with the eddy-covariance method. However, the response of this ecohydrological gradient to different hydrometeorological conditions is contrasted and depends on the type of flux. CH4 fluxes are most important in the wettest and sphagnum-dominated area for all conditions. The response of photosynthesis to hydrological conditions in this area shows that extreme events (drought and inundation periods) strongly reduce photosynthetic activity. Moreover, ecosystem respiration is lowest in the wettest area except during the dry summer period when there is no difference along the gradient.Based on these results, this thesis allows to propose a set of conceptual schemes of hydrogeological,hydrogeochemical, and biogeochemical functioning potentially transferable and adaptable to many midlatitude/altitude peatlands. These models contribute to the understanding of the processes controlling carbon GHG exchanges at the peatland-atmosphere interface and can help to clarify the local and global role of peatlands in the face of current environmental issues.