Comprendre le fonctionnement hydrochimique de la Zone Critique reste un enjeu fort de ces décennies, notamment en ce qui concerne les interactions entre les cycles de l’eau, du carbone et de l’azote. Le bassin versant agricole du Montoussé à Auradé (Gers) soumis à des fortes pressions anthropiques et climatiques sur ces cycles, est l’un des dispositifs pérennes d’observation à long terme de l’infrastructure de recherche OZCAR, en charge de surveiller la zone critiques en milieu agricole. Ce bassin versant carbonaté est soumis à une climat semi-aride marqué par une forte évapotranspiration et des périodes de hautes eaux en hiver et au printemps, caractéristiques confirmées par les signatures isotopiques de l’eau.
Une analyse des variations temporelles des eaux des précipitations atmosphériques et des eaux du ruisseau, à long- (sur 15 et 30 ans), moyen- (annuel et saisonnier) et court-terme (journalier et nycthéméral), et à haute fréquence (10mn) a mis en évidence : (i) l’origine des éléments dans les précipitations ; (ii) l’effet de l’augmentation des débits et de la fréquence des crues sur la diminution des concentrations en éléments majeurs, (iii) K et COD comme indicateurs de l’érosion des matières organiques des sols, favorisées par une amélioration des pratiques agricoles et une augmentation des températures; (iv) les processus de précipitation de la calcite, de nitrification, d’évapotranspiration et de prélèvement par la végétation. Une analyse spatiale de la composition chimique des eaux des ruisseaux du bassin versant, couplée aux signatures isotopiques de C et N, a permis de préciser les sources d’éléments, les processus en jeu tant hydrologiques que géochimiques associés aux perturbations de l’altération.
Le découpage des hydrogrammes de crue, les relations concentration-débit et l’analyse des isotopes stables (δ15N, δ17O et δ18O) ont permis de mettre en évidence un contrôle des nitrates par des processus de dénitrification, une voie préférentielle de transfert des ions dans l’écoulement hypodermique, alors que les matières en suspensions (MES) sont transportées par le ruissellement. La contribution des crues aux flux exportés représente 93% pour les MES et 30-47% pour les éléments majeurs dissous.
Les bilans nets (entrée-sortie) des éléments majeurs exportés sont très dépendants des quantité d’eau drainées. L’export des éléments majeurs se situe dans la moyenne des bassins versants du Sud-Ouest de la France tandis que les flux de MES sont similaires à ceux de bassins versants semi-arides du Maghreb.
Enfin, l’apport de fertilisants azotés contribue à acidifier les sols, modifie la dissolution naturelle des carbonates et augmente l’altération chimique, induisant une perte de CO2 consommé de l’ordre de 15% au regard d’une dissolution naturelle des carbonates. Les sols du bassin versant du Montoussé ne sont pas en équilibre, puisque l’érosion mécanique est en moyenne deux fois supérieure à l’altération chimique.
Le changement climatique et les pratiques agricoles auront donc des implications fortes sur la dynamique des cycles de l’azote et du carbone dans les années à venir. Les observatoires de la Zone Critique ont donc un rôle essentiel de surveillance et de compréhension de ces perturbations dans les prochaines décennies, et ils jouent aussi un rôle majeur dans l’aide à la gestion de ces bassins agricoles. |
Understanding the hydrochemical functioning of the Critical Zone is a major issue of these decades, especially for water, nitrogen and carbon cycles interactions. The Montoussé agricultural catchment at Auradé (Gers) is subjected to strong anthropic and climatic pressure on these cycles, and is one of the long-term perennial observatory of the OZCAR research facility in charge of monitoring agricultural Critical Zone. This carbonate catchment is subject to semi-arid climate marked by strong evapotranspiration and high water level period during spring, confirmed by water isotopic values.
The analyse of the temporal variation of atmospheric rainfall and stream water at long- (15 and 30 years), middle (annual and seasonal) and short-term (daily and nycthemeral), and at high frequency (10 minutes) bring out: (i) the origin of rainfall elements; (ii) the effect of discharge and flood frequency rise on major element concentration diminution; (iii) K and DOC, as indicators of soil organic matter erosion, favoured by better agricultural practices and the air temperature rising; (iv) calcite precipitation, nitrification, evapotranspiration and vegetation uptake processes. Catchment stream water chemical composition spatial analyse coupled with carbon and nitrogen isotopic signature, allow to precise the elements sources and the hydrological and geochemical processes associated to weathering perturbations.
Flood event hydrograph separation, discharge-concentration relations and stables isotopes analyses (δ15N, δ17O and δ18O) highlight the nitrate control by denitrification, an ion transfer preferential way in hypodermic flow, whereas suspended particulate matter (SPM) are transported by runoff. The flood event contribution to exported fluxes represent 93% of SPM fluxes and 30-47% dissolved major elements fluxes.
The exported major elements balance (inputs-outputs) are dependant of drained water quantity. The major elements export is in the middle South-West of France catchment while SPM fluxes are close to Maghreb semi-arid catchment.
Nitrogen fertilizers inputs contribute to soil acidification, modify the natural carbonate dissolution and rise the chemical weathering inducing a loss of consumed CO2 of 15% compared to the natural carbonate dissolution. The Montoussé agricultural catchment soils are not in balance due to a mechanical erosion two times stronger than chemical weathering.
Climate Change and agricultural practices will have strong implication on carbon and nitrogen cycle dynamic in the next years. The Critical Zone observatories have an essential part in the monitoring and the understanding of these perturbations in the next decades and play a major role in the agricultural catchment management aid. |