Caractérisation du devenir des produits phytosanitaires dans les sols volcaniques antillais : application à l'évaluation du risque de contamination des eaux

Pesticide fate characterization in French West Indies volcanic soils : application to the assessment of water contamination risks

• Auteur / Autrice : Pauline Campan
• Direction : Marc Voltz, Anatja Samouëlian, David Crevoisier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Eau
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'étude des interactions sols-agrosystèmes-hydrosystèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Lachassagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Voltz, Anatja Samouëlian, David Crevoisier, Patrick Lachassagne, Pierre Benoit, Céline Duwig, Antoine Richard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Benoit, Céline Duwig

Mots clés

Mots clés libres

Pesticide

Sorption

Dégradation

Sol volcanique tropical

Modélisation

Scénario agropédoclimatique

Pesticide

Sorption

Degradation

Tropical volcanic soil

Modelling

Agropedoclimatic scenario

Résumé

Les Départements et Régions d'Outre-Mer, et plus particulièrement les Antilles françaises, sont aujourd'hui grandement touchés par la pollution des eaux de surface et souterraines par l'usage agricole des produits phytosanitaires (PP). Les agropédosystèmes volcaniques tropicaux sont des situations à risque du fait de cultures intensives (banane et canne à sucre), et des conditions du milieu favorisant la dispersion des PP après épandage (sols très perméables, pluviométrie élevée). L'évaluation des risques de contamination des eaux par les PP aux Antilles souffre de deux limites importantes : i) l'impact de la pédologie spécifique (forte teneur en matière organique et cortège minéralogique particulier) des sols volcaniques antillais sur les propriétés de sorption et de dégradation des PP est peu connu, ii) les procédures d'évaluation du risque en cours aux plans européen et national se basent sur des démarches calibrées exclusivement sur des situations agropédoclimatiques d'Europe continentale, très différentes de celles présentes aux Antilles.Le travail mené durant cette thèse a visé i) à l'acquisition de connaissances sur les processus de dégradation et de rétention des pesticides dans les sols volcaniques tropicaux, et ii) à l'évaluation d'un outil d'évaluation des risques de contamination des eaux, TROPHY, développé par l'UMR LISAH, afin de considérer de manière ad hoc les mécanismes de transfert d'eaux et de solutés et les situations agropédoclimatiques typiques du milieu antillais. Pour répondre à ces objectifs, des expérimentations ont été menées au laboratoire sur la climatoséquence andosol/nitisol/ferralsol, des données, issues de la littérature et d'études de flux de pesticides menées dans des travaux antérieurs sur le site d'étude, ont été mobilisées. Les principaux résultats sont triples. Premièrement, une étude de la littérature tropicale la plus exhaustive possible a montré que le formalisme de dépendance des durées de demi-vie des PP à la température, actuellement utilisé dans les outils d'évaluation du risque au niveau européen et établi pour une gamme de températures caractéristiques du contexte tempéré, n'est pas adapté aux températures supérieures à 20 °C prévalant sous climat tropical. La diminution des DT50 au-dessus de 20 °C est plus faible que celle prédite par le formalisme classique. Deuxièmement, des expérimentations en batch ont confirmé que les sols volcaniques, à charges variables et à la minéralogie spécifique, présentent une sorption des PP plus élevée que les situations tempérées. Selon les molécules concernées, la teneur en carbone organique et le pH du sol sont des facteurs explicatifs de la variabilité de rétention entre sols. Le chaulage, fréquent sur les sols volcaniques acides, diminue nettement la rétention des molécules ioniques et devrait être considéré pour l'analyse du devenir des PP dans ces sols. Enfin, l'évaluation de l'outil d'estimation du risque TROPHY a conduit à apporter des améliorations à l'outil et à cerner ses capacités. La période de simulation a été rallongée à 50 ans afin de considérer la variabilité du climat tropical se produisant lors des cycles culturaux et la représentation du ruissellement a été améliorée. Le caractère protecteur des estimations du risque menées avec TROPHY a été confirmé à l'échelle parcellaire et des pistes d'ajustement ont été identifiées pour l'estimation du risque à l'échelle des eaux de rivière. Le scénario nitisol est à privilégier pour une première évaluation du risque de contamination par les PP car il s'est avéré protecteur pour l'ensemble des compartiments aquatiques considérés. Les travaux conduits au cours de cette thèse ont donc permis d'améliorer les connaissances sur le devenir des PP en milieu volcanique tropical, confirmant la nécessité d'adapter la procédure d'évaluation du risque de contamination des eaux dans ce contexte, et de valider un nouvel outil, TROPHY, dédié à l'évaluation du risque en milieu volcanique tropical.

The Overseas Departments and Regions of France (DROM), and more particularly the French West Indies, are now greatly affected by surface and groundwater pollution by the agricultural use of plant protection products (PP). Tropical volcanic agropedosystems are at risk due to intensive crops (banana and sugarcane), and environmental conditions that favour the dispersion of PP after spreading (very permeable soils, high rainfall). The assessment of the risks of water contamination by PP in the French West Indies suffers from two majors limitations : i) the impact of the specific pedology (high organic matter content and particular mineralogical procession) of West Indian volcanic soils on the sorption and degradation properties of PP is not well known, ii) the risk assessment procedures underway at the European and national levels are based on approaches calibrated exclusively on continental European agropedoclimatic situations, which are very different from the ones present in the French West Indies.The work carried out during this thesis aimed i) at acquiring knowledge on pesticide degradation and retention processes in tropical volcanic soils, and ii) at evaluating a water contamination risk assessment tool, TROPHY, developed by the UMR LISAH, in order to consider, in an ad hoc manner, water and solute transfer mechanisms and agropedoclimatic situations typical of the West Indian environment. To meet these objectives, experiments were conducted in the laboratory on the climatosequence andosol/nitisol/ferralsol, data from the literature and from pesticide flux studies conducted in previous work on the study site were mobilised.The main results are threefold. Firstly, a study of the most exhaustive tropical literature possible showed that the formalism for the dependence of PP half-lives on soil temperature, currently used in European contamination risk assessment tools and established for a range of temperatures characteristic of the temperate context, is not adapted to the temperatures above 20 °C prevailing in tropical climates. The decrease of DT50 above 20 °C is lower than predicted by the classical formalism. Secondly, batch experiments confirmed that volcanic soils, with variable charges and specific mineralogy, show a higher sorption of PP than temperate situations. Depending on the molecules concerned, the organic carbon content and the soil pH are explanatory factors for the variability of retention between soils. Liming, which is common in acidic volcanic soils, clearly decreases the retention of ionic molecules and should be considered for the analysis of the fate of PP in these soils. Finally, the evaluation of the TROPHY risk estimation tool led to improvements in the tool and to the identification of its capabilities. The simulation period was extended to 50 years in order to take into account the variability of the tropical climate occurring during crop cycles and the representation of runoff was improved. The protective character of the risk estimates carried out with TROPHY was confirmed at the plot scale and adjustment paths were identified for the estimation of risk at the river water scale. The nitisol scenario is to be preferred for an initial assessment of the risk of CP contamination, as it proved to be protective for all the aquatic compartments considered. Works carried out during this thesis had therefore improve knowledge of the fate of PP in tropical volcanic environment, confirming the need to adapt the procedure for assessing the risk of water contamination in this particular context, and to validate a new tool, TROPHY, dedicated to assessing the risk in tropical volcanic environment.