Le protoxyde d'azote (N2O) est un puissant gaz à effet de serre avec un potentiel de réchauffement climatique environ 273 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone (CO2). Ce gaz est émis dans l'atmosphère par divers processus de transformation de l'azote, y compris la dénitrification, qui se produit dans des conditions anaérobies dans les zones humides entre autres. Les milieux humides riverains contribuent de manière significative à la dénitrification lors d'inondations qui créent l'environnement anaérobi nécessaire. L'émission de N2O liée à la dénitrification fluctue considérablement dans le temps et dans l'espace en raison de l'interaction de facteurs abiotiques et biotiques et reste encore difficile à mesurer et à quantifier. Cette thèse vise à améliorer la compréhension des émissions de N2O liées à la dénitrification dans les zones humides riveraines en utilisant des approches combinées de terrain et de laboratoire.
Ce travail s'est concentré sur la teneur en eau et la diversité bactérienne pour comprendre leur relation avec les émissions de N2O dans les écosystèmes riverains. Le processus de dénitrification a été étudié au confluent de la Garonne, en amont de Toulouse, France. Bien qu'insignifiant en raison de l'hétérogénéité spatiale, le couvert forestier atténuait mieux les émissions de N2O que les sites non forestiers, avec une émission moyenne de 0,23±0,29 μmol/m²/h. Les zones riveraines proches des plans d’eau présentent un flux moyen de N2O plus élevé et plus variable que les sites éloignés, avec des émissions moyennes de 5,6±14,4 μmol/m2/h et 0,60±0,99 μmol/m2/h, respectivement. Sur 3 jours, la surveillance continue a révélé une source importante de N2O dans la zone la moins inondée, avec un pic de 27 μmol/m2/h, coïncidant avec un «hot spot » de nitrate (16,9 mgN/L) dans l’eau interstitielle.
En simulant des conditions d’inondation, GHG-Aquacosme évalue les dynamiques de N2O et les facteurs de contrôle dans des carottes de sols riverain non perturbés provenant d’un site confluant et de deux sites ripicoles situés à Tordera et Cànoves, en Espagne. Les expériences ont révélé une corrélation inverse entre l'humidité initiale du sol et les niveaux de nitrate dans l’eau interstitielle avec les émissions totales de N2O et le temps nécessaire pour atteindre les moments de pointe du N2O. Pour les sites secs rarement inondés, les échantillons de sol avec une humidité initiale de 20,75±3,99% ont présenté des émissions maximales de N2O de 35,53±13,05 µmol/m2/h dans un délai de 58 heures après l'inondation. Les sites secs fréquemment inondés, avec une humidité initiale de 35,24±4,95%, ont montré des émissions maximales plus faibles de 4,18±3,38 µmol/m2/h dans un délai de 8 heures. Les sites humides fréquemment inondés présentent une plus grande diversité bactérienne, corrélée négativement avec le ratio N2O/(N2O+N2) et l'abondance estimée des dénitrifiants. Les résultats de GHG-Aquacosme ont montré de faibles corrélations entre les émissions de N2O et l’abondance des gènes fonctionnels (NirS, NirK, NosZI, and NosZII), suggérant une régulation principalement par l'activité enzymatique plutôt que par l’abondance des gènes.
En conclusion, cette thèse souligne que l'utilisation d'approches multiples et holistiques du procédé de dénitrification et ses paramètres de contrôle a mieux contribué à notre compréhension du processus et de sa contribution à l'émission de N2O dans les zones riveraines humides. La principale constatation indique que les niveaux d'humidité du sol antérieurs jouent un rôle important pour déterminer les emplacements et les moments des émissions maximales de N2O lors des inondations dans les sites riverains. À un niveau plus large, la restauration les zones humides riveraines est encouragée à réduire les émissions de N2O et à améliorer la diversité bactérienne à long terme. |
Nitrous oxide (N2O) is a powerful greenhouse gas (GHG) with a global warming potential approximately 273 times greater than Carbon dioxide (CO2). This gas is emitted into the atmosphere through various Nitrogen transformation processes, including denitrification, which occurs under anaerobic conditions in wetlands. Riparian wetlands significantly contribute to denitrification during flooding events that create the necessary anaerobic environment. The emission of N2O related to denitrification fluctuates considerably across time and space due to the interaction of abiotic and biotic factors that is difficult to measure and quantify. This thesis aimed to enhance the understanding of denitrification-related N2O emissions in riparian wetlands through utilizing multiple combined field and laboratory approaches.
In this work, water content and bacterial diversity were the center of attention and we aimed to understand their relation, in time and space, to N2O emission in riparian ecosystems. For this objective, denitrification process was investigated at the confluent of the Garonne River, upstream of Toulouse, France. Although unsignificant due to spatial heterogeneity, forest cover showed that is better mitigating N2O emission than unforested riparian sites with a mean emission of 0.23±0.29 µmol/m2/hr. The riparian areas with higher proximity to water bodies showed a higher mean N2O flux with a very high variability when compared to sites with lower proximity to water bodies who have an average emission of 5.6± 14.4 µmol/m2/hr and 0.60 ± 0.99 µmol/m2/hr, respectively. Over a 3-day period, continuous N2O emission monitoring identified a significant source of N2O release in the less frequently flooded area with a peak of 27 µmol/m2/hr, coinciding with a nitrate hotspot of 16.9 mgN/L in the pore water of the soil.
Through simulating flood conditions, GHG-Aquacosme evaluates N2O dynamics and controlling factors in undisturbed riparian soil cores from a confluent site and two riparian sites in Tordera and Cànoves, Spain. The experiments revealed an inverse correlation between initial soil moisture and nitrate levels in pore water with total N2O emissions and the time to reach N2O hot moments. For infrequently flooded dry sites, soil samples with 20.75±3.99% initial moisture showed peak N2O emissions of 35.53±13.05 µmol/m2/hr within 58 hrs of flooding. Frequently flooded dry sites, with 35.24±4.95% initial moisture, had lower peak emissions of 4.18±3.38 µmol/m2/hr within 8 hrs. Frequently flooded wet sites exhibited higher bacterial diversity, which negatively correlated with the N2O/(N2O+N2) ratio and denitrifier abundance. GHG-Aquacosme findings indicated weak correlations between N2O emissions and functional gene abundance (NirS, NirK, NosZI, and NosZII), suggesting regulation by enzymatic activity rather than gene abundance.
In conclusion, this thesis highlights that utilizing multiple approaches and a holistic evaluation of denitrification process and its controller better contributed to our understanding of the process and its contribution to N2O emission at the riparian site. The key finding indicates that prior soil moisture levels play significant role in determining the locations and times of peak N2O emissions upon flooding in riparian sites. At a broader level, the proposed restoration of riparian wetlands is encouraged to reduce N2O emissions and enhance long-term bacterial diversity. |