Fonctionnement et services écosystémiques rendus par les cours d'eau intermittents – casdes hydrosystèmes de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement (Meuse - Haute Marne)

Functioning and ecosystem services provided by intermittent rivers and ephemeral streams– case of the hydrosystems of the Perennial Environmental Observatory (Meuse – Haute Marne).

• Auteur / Autrice : Philippine Morlot
• Direction : Michaël Danger, Vincent Felten
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ecotoxicologie, Biodiversité, Ecosystèmes
• Date : Inscription en doctorat le 07/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIEC - Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements

Mots clés

Mots clés libres

Cours d'eau intermittents (CEI)

Typologie d'intermittence

Processus fonctionnels

Acteurs biologiques

Dynamique de recolonisation

Changement climatique

Intermittent rivers and ephemeral streams (IRES)

Intermittence typology

Functional processes

Biological actors

Recolonization dynamics

Climate change

Résumé

Les cours d'eau intermittents (CEI) sont définis comme les cours d'eau qui cessent périodiquement de s'écouler sur une partie ou la totalité de leur parcours (Pelte et al., 2014). Face au dérèglement climatique et à une intensification des usages de l'eau, les CEI deviennent de plus en plus fréquents tandis que les cours d'eau présentement intermittents voient la durée de leur période d'assec s'allonger (Sauquet et al., 2021). Une question essentielle qui se pose alors est de savoir de quelle manière ces milieux vont pouvoir continuer à assurer leurs fonctions écologiques. En effet, en dehors d'assurer la production de biomasse (animale, végétale et microbienne), ces écosystèmes contribuent notamment à dégrader la matière organique allochtone (c.a.d. provenant du bassin versant, par exemple feuilles et bois morts, matières organiques dissoutes). Par ailleurs, les processus écosystémiques permettent d'améliorer la qualité des eaux de surface en immobilisant les substances dissoutes circulant dans l'eau (par exemple les nitrates, l'ammonium, les phosphates ou encore la matière organique dissoute). Comprendre et anticiper comment les CEI et les services écologiques rendus par les écosystèmes aquatiques vont répondre aux changements climatiques apparaît donc comme un enjeu environnemental majeur. En l'état actuel de nos connaissances, tous les acteurs biologiques du fonctionnement des CEI sont susceptibles d'être impactés par des modifications du régime hydrologique. Ces impacts risquent d'être d'autant plus marqués dans les milieux ne reposant que sur des voies de recolonisation post-assec situées dans des zones d'écoulement permanent localisées à l'aval. Dans le Nord-Est de la France, l'Observatoire Pérenne de l'Environnement (OPE) comprend plusieurs CEI avec des typologies et des modes de fonctionnement différents (Ormançon : gradient d'assec amont- aval, Orge et Saulx : zone intermédiaire à écoulement permanent, Ornain : écoulement permanent). Cela fait de l'OPE une zone particulièrement pertinente pour comprendre les impacts des assecs sur les acteurs et les fonctions écologiques prenant place dans ces milieux. Contrairement aux systèmes méditerranéens, le fonctionnement des CEI du Nord de la France est encore peu compris car ces systèmes sont encore très peu étudiés (Allen et al., 2020). Toutefois, une étude préliminaire a permis de mettre en évidence une différence de fonctionnement entre ces deux types de systèmes, ce qui montre l'intérêt des études qui seront menées au cours de la thèse. Les objectifs de ce projet sont, premièrement, de réaliser un état initial du fonctionnement écologique des CEI de l'OPE, grâce au déploiement d'indicateurs fonctionnels pertinents (Tixier et al., 2012) et à l'exploitation des bases de données physico-chimiques déjà acquises par l'OPE. Une attention particulière sera portée aux mécanismes en jeu dans l'autoépuration des eaux. Le second objectif est d'identifier les mécanismes de recolonisation biologique post-assec afin d'évaluer et comprendre la cinétique de remise en place des fonctions écologiques dans des cours d'eau présentant des typologies d'intermittence très différentes. L'atteinte de ces deux objectifs permettra à terme i) de réaliser des prédictions quant à l'impact attendu de l'augmentation de la durée des assecs sur le fonctionnement de ces cours d'eau en fonction de leur typologie, et, ii) le cas échéant, de définir des stratégies de soutien à l'étiage pour optimiser leur fonctionnement.

Intermittent rivers and ephemeral streams (IRES) are defined as streams that periodically stop flowing along parts or all of their course (Pelte et al., 2014). Faced to climate change and to intensification of water uses, IRES are becoming more and more frequent, while actual IRES experience longer dry periods (Sauquet et al., 2021). A key question is then to study how these environments will be able to ensure their ecological functions in the future. Indeed, apart from ensuring the production of biomass (animal, plant and microbial), these ecosystems especially contribute to the degradation of allochthonous organic matter (i.e. coming from the watershed) such as leaves and dead wood, dissolved organic matter. Moreover, ecosystem processes permit to improve the quality of water surface by capturing dissolved substances circulating in water (for example nitrates, ammonium, phosphates or even dissolved organic matter). Understanding and anticipating how the IRES and the ecological services provide by aquatic ecosystems will respond to climate change is therefore a major environmental issue. To our knowledge, all the biological actors in the functioning of IRES are likely to be impacted by changes in the hydrological regime. These impacts should be even more pronounced in environments depending on post-dry recolonization pathways located in downstream areas of permanent flow. In the North-East of France, the Perennial Environmental Observatory (OPE) includes several IRES with different typologies and operating modes (Ormançon: upstream-downstream dryness gradient, Orge and Saulx: intermediate flow zone permanent, Ornain: permanent flow). OPE is thus a particularly relevant area to evaluate and to understand the impacts of droughts on the biological actors and the ecological functions taking place along IRES. In contrast to Mediterranean systems, the functioning of IRES in northern France is still poorly understood, as these systems are still under-researched (Allen et al., 2020). However, a preliminary study has highlighted a difference in functioning between these two types of systems, which shows the interest of the studies that will be carried out during the thesis. The first aim of the thesis is to quantify the current state of ecological functioning in the OPE's IRES through the deployment of relevant functional indicators (Tixier et al., 2012) and the analysis of the physico-chemical databases already available at the OPE. A particular attention will be brought to the mechanisms involved in the self-purification of water. The second objective is to identify the mechanisms of post-dry biological recolonization to assess and understand the restoration kinetics of river functions in different intermittency contexts. Ultimately, on these bases, this will allow i) to predict the impact of drought extents on IRES functioning according to their typology and, ii) if applicable, to define low-flow support strategies to optimize the functioning of IRES.