érosion des sols et traçage des sédiments dans les bassins versants Dynamique sédimentaire et érosion 1. des sols en contexte agricole

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Dynamique sédimentaire et érosion 1. des sols en contexte agricole

L’érosion des sols, processus et facteurs

Les sols sont naturellement soumis à des processus d’érosion. Les sols agricoles sont particulièrement affectés par l’érosion hydrique, qui constitue un phénomène de mise en mouvement des particules sous l’impact des gouttes de pluies et du ruissellement. Une fois détachées, les particules sont transportées de l’amont des versants vers l’aval où elles peuvent se déposer et/ou atteindre le réseau hydrographique. Seul le phénomène d’érosion hydrique est présenté et discuté dans cette synthèse. En effet, même si d’autres formes d’érosion telles que l’érosion éolienne sont capables de mobiliser les particules de sol, celle-ci reste faible dans les bassins versants sélectionnés et est donc considérée comme négligeable.
Le détachement des particules de sol se fait sous l’action directe de la pluie (McIntyre, 1958). Quatre mécanismes dont l’intensité varie selon la nature du sol et l’intensité de l’évènement pluvieux participent à leur désagrégation et à leur transport (Le Bissonnais, 2000; Le Bissonnais and Le Souder, 1995; Le Souder, 1990). (1) L’éclatement intervient suite à l’humectation rapide des agrégats. L’air est piégé au sein des agrégats, la pression interne s’élève et les agrégats se désagrègent.
L’éclatement dépend de la teneur en eau initiale des agrégats et de leur porosité. Les sols argileux, du fait de leur faible porosité et de leur importante capacité de rétention en eau, sont moins affectés par ce phénomène que les sols sableux et limoneux (Le Bissonnais, 1988). (2) La désagrégation mécanique sous l’impact des gouttes de pluie fragmente les agrégats et détache les particules de  leur surface. Ce mécanisme, prédominant à partir du moment où les sols sont saturés, nécessite une pluie d’une certaine énergie, variable selon la nature des sols. L’énergie cinétique des gouttes de pluie n’est plus absorbée par les sols, mais transformée en une force de cisaillement qui génère le détachement des particules de sol (Al-Durrah and Bradford, 1982). (3) La désagrégation par gonflement différentiel résulte de phénomènes de gonflement et de retrait de l’eau présente suite à l’humectation et à la dessiccation des sols (argileux en particulier). Ces phénomènes entrainent la microfissuration des agrégats et participent à la réduction du diamètre moyen de la taille des particules (Le Bissonnais and Le Souder, 1995). (4) La dispersion physico-chimique résulte de la réduction des forces d’attraction entre particules colloïdales lors de l’humectation et dépend de la taille et de la valence des cations présents qui peuvent former des ponts entre les particules chargées négativement.
Une fois désagrégées, les particules se déplacent par effet « splash ». Sous l’action directe des gouttes de pluie, les particules mises en mouvement peuvent être projetées jusqu’à quelques dizaines de centimètres et générer d’importants déplacements de terre à la surface du sol. Le déplacement des particules s’accompagne d’une réorganisation structurale, la surface du sol peut passer d’un état poreux à un état compact, formant une croûte de battance qui diminue la vitesse d’infiltration de l’eau dans le sol et favorise alors la formation de ruissellement (Figure 1.1).
Figure 1.1. Etat fragmentaire des sols après travail (a), effet « splash » avec mise en mouvement des particules sous l’action des gouttes de pluie (b), formation d’une croûte sédimentaire (c), ruissellement en nappe et érosion diffuse (d) (a, b, c, d’après le mémoire d’HDR d’O. Evrard (2014) ; d, photographie A. Foucher).
L’eau, en ruisselant à la surface du sol, exerce une force de cisaillement et arrache des particules qui sont transportées par la lame d’eau. Le ruissellement dépend de la nature du sol et de son état de surface et se forme généralement lorsque l’intensité de la pluie est supérieure à la capacité d’infiltration du sol (ruissellement hortonien) ou lorsqu’il pleut sur un sol déjà saturé (ruissellement par saturation) (Fournier, 1972; Horton, 1945; Morgan et al., 1986). L’écoulement des particules le long des versants est d’autant plus intense que la pente est forte. Cet écoulement peut engendrer la formation de rigoles (quelques centimètres de profondeur), et lorsqu’il se concentre, la formation de ravines (d’une dizaine de centimètres à plusieurs mètres). Les particules de sol ainsi détachées et transportées ou non via le réseau hydrographique peuvent s’accumuler et sédimenter en aval. L’érosion hydrique dépend de facteurs naturels tels que les conditions climatiques, topographiques,
les propriétés physico-chimiques des sols, le degré de couverture végétale mais aussi de facteurs anthropiques et notamment des pratiques agricoles. L’ensemble de ces facteurs sont pris en compte dans l’équation universelle des pertes en sol (Universal Soil Loss Equation – USLE) (Wischmeier and Smith, 1978) qui permet d’estimer les pertes en terre annuelles moyennes à long terme pour des placettes de sol de dimensions données.
L’importance du facteur climat se traduit par l’intensité, le cumul et la fréquence des précipitations. Le potentiel érosif d’une pluie se traduit par sa capacité à éroder les particules du sol et il dépend majoritairement de l’intensité des précipitations qui influe directement sur la formation du ruissellement et donc sur le détachement des particules du sol par effet « splash ». Plus le cumul des précipitations est important, plus les quantités de sédiments érodés et exportés sont élevées. Enfin, la fréquence des précipitations (répartition saisonnière) est également importante. A titre d’exemple, des pluies hivernales fréquentes et de faible intensité n’auront pas le même impact que des orages de printemps, ou que de fortes pluies survenant après une longue période de sécheresse.
La topographie des bassins versants constitue un facteur majeur de l’érosion des sols. L’inclinaison, la longueur et la forme de la pente d’un bassin influent en effet directement sur l’érosion. Plus l’inclinaison d’une pente est forte (>5%), plus l’énergie cinétique du ruissellement est élevée et plus celui-ci est à même d’éroder les particules du sol (Kirby, 1969; Zingg, 1940). Ce phénomène est d’autant plus intense que la pente est longue. En effet, le ruissellement est susceptible de prendre de la vitesse le long de la pente pour se concentrer en aval et engendrer une érosion sous forme de rigoles et de ravines (Valentin et al., 2005). En revanche, sur des pentes faibles (1 à 2%), l’écoulement aura plutôt tendance à s’infiltrer dans le sol et à favoriser le dépôt et la sédimentation des particules transportées. Cependant, lorsque l’intensité des pluies est supérieure à la capacité d’infiltration des sols, l’excédent d’eau s’accumule en surface, et engendre un ruissellement.
La lithologie et le couvert pédologique des bassins versants impactent également l’érosion des sols.
L’érodabilité d’un sol correspond à sa capacité à résister aux processus d’érosion et dépend de sa
composition et de sa structure. Les propriétés physico-chimiques du sol (texture, cations échangeables, cohésion entre particules) sont des paramètres majeurs pour caractériser l’érodabilité d’un sol.
Les sols d’un bassin offrent une résistance à l’érosion qui varie selon leurs caractéristiques. En effet, leur stabilité structurale dépend de divers facteurs. Les plus souvent évoqués dans la littérature sont la texture (teneur en argiles), la minéralogie des argiles, les teneurs en matière organique, en cations, en oxydes de fer et d’aluminium et en carbonates des sols (Le Bissonnais & Le Souder, 1995).
A titre d’exemple, des sols riches en limons et en sables sont particulièrement sensibles à l’érosion. La faible cohésion des particules de sol qui les constituent facilite leur désagrégation sous l’action des gouttes de pluie (Kwaad, 1977). Ce phénomène, surtout observé en domaine agricole, engendre une diminution de la porosité du sol et réduit considérablement l’infiltration de l’eau dans le sol. De plus, certains éléments chimiques interviennent également pour déterminer la stabilité et la sensibilité des sols face à l’érosion. Le calcium est par exemple connu pour favoriser la formation d’agrégats et donc stabiliser les sols. Le sodium en revanche joue plutôt le rôle de dispersant et contribue à la désagrégation des particules de sol (Wuddivira & Camps-Roach, 2007).
Le couvert végétal joue un rôle protecteur face à l’érosion des sols. En effet, la végétation protège la surface du sol et forme un obstacle aux gouttes de pluie. Le détachement des particules par effet
« splash » est ainsi limité et la vitesse du ruissellement, réduite (Le Bissonnais et al., 2005). En particulier, les racines jouent un rôle de stabilisation en maintenant les particules du sol en place et en limitant leur arrachement (Patin et al., 2012). Le couvert végétal évolue au cours de l’année, la sensibilité des sols agricoles face à l’érosion est dès lors plus élevée avant la mise en culture des parcelles, lorsque le sol est dépourvu de couvert végétal et, ce, jusqu’à ce que les cultures soient suffisamment denses pour protéger le sol de l’impact des gouttes de pluie (Evrard et al., 2008; Zhongming et al., 2010). Il est également important de noter que la teneur en matière organique d’un sol influe aussi sur sa stabilité. En effet, de fortes teneurs en matière organique issue de la décomposition des végétaux améliorent la stabilité des agrégats du sol face à l’érosion (Annabi et al., 2011; Six et al., 2002).
L’érosion des sols est, enfin, directement liée aux activités humaines. En effet, l’occupation des sols
et les modifications des paysages agricoles, avec la mise en place de bandes enherbées ou de haies, ont tendance à réduire l’érosion des sols (Verheijen et al., 2009). Cependant, certaines pratiques peuvent aussi induire une érosion accélérée des sols. C’est notamment le cas lorsque les sols sont cultivés dans le sens de la plus forte pente ou lorsque les pratiques agricoles impliquent le recours à un travail mécanique intense des sols (labour) (Lindstrom et al., 1992; Van Oost et al., 2009).

Transport et transfert des sédiments en rivière

Les particules de sols érodées sont redistribuées au sein des bassins versants sur de plus ou moins longues distances et peuvent être transportées par le réseau hydrographique lors de phases
successives de transport, de dépôt et de remobilisation.
La mobilisation et le transport des sédiments dans les cours d’eau dépendent de la connectivité des versants avec l’hydrosystème, mais aussi de l’intensité et la durée des évènements pluvieux, et donc des conditions hydro-climatiques (Koiter et al., 2013a; Smith et al., 2014). Le transport des particules dépend de la vitesse d’écoulement de l’eau et de la taille des particules (Govers, 1995). Une sélectivité granulométrique s’opère lors de leur transport, les particules fines (<63 μm) sont préférentiellement érodées et transportées en suspension au sein de la colonne d’eau sur de plus longues distances que les particules plus grossières (<2 mm), plus difficiles à éroder et transportées par saltation et charriage au bas de la colonne d’eau (Figure 1.2).
Figure 1.2. Transport des particules par suspension, saltation et charriage (MOOC « Des rivières et des Hommes »).
Les particules transportées finissent par se déposer et sédimenter en aval d’une parcelle agricole, dans un fossé, sur une route ou au sein du réseau hydrographique selon l’environnement considéré.
Elles se déposent successivement selon leur granulométrie et la vitesse d’écoulement de l’eau. Les particules les plus grossières sont les plus rapides à sédimenter alors que les plus particules plus fines parcourent de plus grandes distances (Issa et al., 2006). Ce phénomène est particulièrement bien décrit par le diagramme de Hjulström qui illustre le comportement des particules au sein d’un
écoulement liquide selon leur taille et leur vitesse (Hjulström, 1935) (Figure 1.3).

Quantification de l’érosion des sols

La quantification et la modélisation de l’érosion des sols ont pour but d’estimer les pertes de terre pour guider la mise en place de mesures de conservation du sol et limiter les départs de sol sur les versants. De nombreux modèles d’érosion existent et permettent d’estimer différents risques, qu’il s’agisse d’un aléa érosion (probabilité d’occurrence de l’érosion des sols) (Hessel et al., 2014; Le Bissonnais et al., 2002), de quantifier des flux de particules (Evrard et al., 2010b; Gay et al., 2014; Sogon et al., 1999) ou encore de spatialiser les taux d’érosion et d’accumulation des sols et d’évaluer l’impact de certaines mesures pour lutter contre l’érosion, comme l’installation de bandes enherbées (Blake et al., 1999; Lacoste et al., 2014; Minella et al., 2014; Walling et al., 2002).
La quantification et la modélisation de l’érosion des sols s’inscrivent dans une démarche pluridisciplinaire. En effet, l’étude des processus d’érosion se situe à l’interface de diverses disciplines : l’hydrologie (précipitations, écoulements de surface), la pédologie (états de surface des sols, propriétés physico-chimiques des sols) et l’agronomie (pratiques agricoles). Leur variabilité spatio-temporelle constitue une difficulté majeure dans la modélisation de l’érosion des sols. Les phénomènes érosifs ne sont en effet pas uniformes dans le temps et dépendent des saisons, des évènements extrêmes ou encore des cycles des cultures. De même, une variabilité spatiale s’opère selon les types de culture, la nature des sols ou encore la topographie. De nombreux modèles ont été développés mais ils diffèrent selon la complexité de l’objectif à atteindre, la disponibilité des données d’entrée du modèle et les processus décrits par ce dernier. Le choix du modèle le plus approprié dépendra de l’objectif fixé, des données disponibles et des caractéristiques du site étudié.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Synthèse bibliographique : érosion des sols et traçage des sédiments dans les bassins versants Dynamique sédimentaire et érosion 1. des sols en contexte agricole
1.1 L’érosion des sols, processus et facteurs
1.2 Transport et transfert des sédiments en rivière
1.3 Quantification de l’érosion des sols
1.4 Enjeux et conséquences de l’érosion et du transport sédimentaire
1.4.1. Les plaines agricoles du Nord-Ouest de l’Europe, cas du bassin versant du Louroux (Indre-et-Loire, France)
1.4.2. Les zones agricoles subtropicales du sud du Brésil, cas du bassin de Guaporé (Rio Grande do Sul, Brésil)
1.4.3. Les conséquences de l’érosion des sols
2. Le traçage des sédiments
2.1 Approche
2.2 Sources de particules et sédiments
2.3 Natures et propriétés des sources de particules et des sédiments
2.4 Utilisation de modèles de mélange pour quantifier les sources de sédiments
L’isotopie du strontium (87Sr/86Sr) et les radionucléides émetteurs gamma (137Cs, 7Be, 2103. Pbxs) comme traceurs des sources de particules
3.1 L’isotopie du strontium (87Sr/86Sr), traceur lithologique de l’origine des particules
3.2 Les retombées atmosphériques de radionucléides émetteurs gamma (137Cs, 210Pb, 7Be),
traceurs spatio-temporels des particules
3.2.1. Le césium-137 comme traceur spatial de l’origine des particules
3.2.2. Le béryllium-7 et le plomb-210, traceurs temporels des particules
4. Références bibliographiques Chapitre 1
Chapitre 2. Présentation des sites d’étude – Matériels et Méthodes
1. Le bassin du Louroux (Indre-et-Loire, France), caractéristiques et échantillonnage
1.1 Localisation, description et historique du site
1.1.1. Topographie et climat
1.1.2. Réseau hydrographique
1.1.3. Occupation des sols, évolution du paysage
1.2 Méthodes d’échantillonnage
Le bassin de Guaporé (Rio Grande do Sul, Brésil), caractéristiques e 2. t échantillonnage
2.1 Localisation, description et historique du site
2.1.1. Topographie et climat
2.1.2. Géologie et pédologie
2.2 Méthodes d’échantillonnage
3. Géochimie des éléments majeurs et traces et rapport isotopique du strontium
3.1 Géochimie des éléments majeurs et traces
3.1.1. Minéralisation des échantillons
3.1.2. Mesure de concentrations élémentaires par ICP-QMS
3.2 Géochimie isotopique du strontium
3.2.1. Séparation chimique du strontium
3.2.2. Mesures isotopiques par MC-ICP-MS
4. Mesure d’activités par spectrométrie gamma
4.1 Principe de la spectrométrie gamma
4.2 Fonctionnement du détecteur et comptage en spectrométrie gamma
4.3 Préparation des échantillons
5. Références bibliographiques Chapitre 2
Chapitre 3. Sources et dynamiques spatiales et temporelles des matières en suspension dans le bassin du Louroux, apports du rapport 87Sr/86Sr et des radionucléides 7Be et 210Pbxs
1. Examining suspended sediment sources and dynamics during flood events in a drained catchment using radiogenic strontium isotope ratios (87Sr/86Sr ratios)
1.1 Introduction
1.2 Material and methods
1.2.1. Study site
1.2.2. Sampling
1.2.3. Sample processing and analysis
1.3 Results
1.3.1. Spatial variations of 87Sr/86Sr ratios in sources (bedrock and soil samples)
1.3.2. Hydrological and geochemical characterizations of suspended sediment samples
1.3.3. Relationship between 87Sr/86Sr and elemental ratios in source and suspended sediment samples – end-member selection
1.3.4. Preliminary quantification of source contributions to suspended sediment
1.4 Discussion
1.4.1. Temporal variability of suspended sediment characteristics and source effect
1.4.2. Variations in source contributions to suspended sediment and modelling implications
1.4.3. Sediment transfer through the drainage network
1.5 Conclusions
Références bibliographiques 2.
Chapitre 3, article Chemical Geology Investigating temporal dynamics of suspended sediment during flood events with 73. Be and 210Pbxs measurements in a drained lowland catchment
3.1 Introduction
3.2 Results
3.2.1. Flood characteristics
3.2.2. Evolution of radionuclide activities (7Be and 210Pbxs) in suspended sediment
3.2.3. Evolution of the fraction of recently eroded particles during the five flood events
3.2.4. Intra-event variations of the fraction of recently eroded particles during the 2016 flood events
3.3 Discussion
3.3.1. Hydro-sedimentary processes and sediment sources
3.3.2. Temporal dynamics of suspended sediment within floods and during successive flood events
3.3.3. Spatial variations of suspended sediment during a flood event
3.3.4. The use of 7Be and 210Pbxs to investigate suspended sediment dynamics
3.3.5. Sediment transport in drained catchments and management implications
Références bibliographiques Chapitre 4. 3, article Scientific Reports
Chapitre 4. Traçage des sources de particules dans l’étang du Louroux, utilisation du 137Cs et du rapport 87Sr/86Sr
1. Quantifying sediment sources in a lowland agricultural catchment pond using 137Cs activites and radiogenic 87Sr/86Sr ratios
1.1 Introduction
1.2 Material and methods
1.2.1. Study site
1.2.2. Sample processing and laboratory analysis
1.2.3. Mineralogical characterization (SEM-EDS and X-ray diffraction)
1.2.4. Source discrimination
1.2.5. Distribution modeling
1.3 Results
1.3.1. 137Cs concentrations in source and sediment samples
1.3.2. Geochemical discrimination of potential sediment sources
1.3.3. Temporal variations of 87Sr/86Sr ratios in core sediment samples
1.3.4. Mineralogical characterization and selective extraction performed on selected core and pond sediment samples
1.3.5. Modeling results
1.4 Discussion
1.4.1. Surface and channel bank source contributions
1.4.2. Tributary contributions to pond sediment
1.4.3. Implications for sediment tracing, catchment management and future studies
1.5 Conclusions
Références bibliographiques 2.
Chapitre 5. Traçage des sources de particules dans le bassin de Guaporé (Brésil) : utilisation de la géochimie élémentaire et du rapport 87Sr/86Sr
1. Tracing sediment sources in a subtropical agricultural catchment of Southern Brazil cultivated with conventional and conservation farming practices
1.1 Introduction
1.2 Material and methods
1.2.1. Study site
1.2.2. Sampling
1.2.3. Hydrological characteristics
1.2.4. Sample processing and laboratory analysis
1.2.5. Source discrimination and modelling
1.3 Results
1.3.1. Geochemical discrimination of sediment sources
1.3.2. Modelling results
1.4 Discussion
1.4.1. Spatial and temporal variations of sediment sources
1.4.2. Management implications
1.5 Conclusions
2. Discussion complémentaire sur les paramètres utilisés pour discriminer les différents types de
sols
3. Références bibliographiques Chapitre 5
Chapitre 6. Discussion, conclusions générales et perspectives
1. Bassin du Louroux
2. Bassin de Guaporé
3. Perspectives générales
4. Références bibliographiques Chapitre 6
ANNEXE A – Chapitre 3 – Supplementary Material Chemical Geology
ANNEXE B – Chapitre 3 – Supplementary Material Scientific Reports
ANNEXE C – Chapitre 4 – Supplementary Material Science of the Total Environment
ANNEXE D – Chapitre 5 – Supplementary Material Land Degradation and Development
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX

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