Impact de l’entretien sur le fonctionnement et les rôles des fossés au sein des paysages agricoles

Impact de l’entretien sur le fonctionnement et les rôles des fossés au sein des paysages agricoles – Etat de l’art 

Le travail de recherche bibliographique délimitant l’état des connaissances sur le fonctionnement et les rôles des fossés au sein des paysages agricoles a été initié dans le cadre du projet FIP. En effet, le premier objectif de l’action FIP était de délimiter l’état des connaissances sur le fonctionnement des réseaux de fossés. Ce travail a donné lieu, dans un premier temps, à une synthèse bibliographique sur l’ensemble des fonctions des réseaux de fossés aux échelles du fossé élémentaire et du réseau, diffusée par l’ONEMA (Dollinger et al., 2014). La réflexion sur l’interrelation des différents rôles des fossés et de leur modulation par les pratiques d’entretien a été complétée par la suite et a donné lieu à un article de synthèse dans le numéro spécial « Ingénierie Agro-écologique » de la revue Agronomy for Sustainable Development tel que présenté ci-dessous. Cette revue bibliographique peut sembler dépasser le cadre strict de cette thèse car elle aborde l’ensemble des rôles des fossés au sein des paysages agricoles. Néanmoins, il existe des liens très étroits et des interrelations fortes entre les processus biogéochimiques alimentant les différents rôles ou ‘services écosystémiques’ (ME Assessment, 2005) remplis par les fossés. Ainsi, optimiser un service écosystémique spécifique des fossés agricoles, tel que la purification de l’eau, sans altérer les autres, nécessite une vision d’ensemble du fonctionnement des fossés et de l’impact des différentes pratiques d’entretien sur ce fonctionnement.

Les objectifs de cette revue bibliographique sont i) d’identifier l’ensemble des services écosystémiques que rendent les réseaux de fossés au sein des paysages agricoles, ii) d’identifier les processus biogéochimiques qui les alimentent et iii) de percevoir comment ces processus sont modulés par les propriétés des fossés afin iv) d’évaluer l’impact de différentes stratégies de gestion sur l’ensemble des services écosystémiques qu’ils fournissent. Les fossés sont en effet le siège de nombreux processus biogéochimiques dont l’occurrence et l’intensité varient en fonction des propriétés des fossés telles que leur morphologie (e.g., largeur, profondeur, pente), leur couverture végétale, la nature des sols et des litière etc. Par ailleurs, ces propriétés sont modifiées de manière contrastée par différentes opérations d’entretien telles que la fauche, le curage, le désherbage chimique et le brûlis des fossés. L’entretien des fossés constitue donc un levier d’action efficace et opérationnel pour optimiser les services écosystémiques rendus par les fossés. Ce travail a cependant mis en lumière un certain nombre de limites au développement de stratégies de gestion permettant d’optimiser conjointement l’ensemble des services écosystémiques, liées à l’implication simultanée de certain processus dans plusieurs services avec des effets parfois antagonistes.

Objectifs et démarche scientifique 

Les processus physiques et biogéochimiques clés modulant le pouvoir tampon des fossés vis-à-vis des pesticides sont la sorption et l’infiltration (Section 1.1.3.5). La variabilité de ces processus est étroitement liée aux propriétés des fossés (Section 1.1.3). Or les propriétés des fossés sont a priori modulées de manière contrastée par les différentes opérations d’entretien (Section 1.1.4). L’effet ponctuel des 4 principales opérations d’entretien recensées sur le pouvoir tampon des fossés n’a été que peu caractérisé et leur effet sur l’évolution temporelle du pouvoir tampon des fossés n’a, à notre connaissance, jamais été étudié. L’état actuel des connaissances ne permet donc pas de proposer des stratégies de gestion permettant d’optimiser le pouvoir tampon des fossés afin de limiter les phénomènes de pollutions des eaux de surface et/ou souterraines par les pesticides. L’objectif de ces travaux de thèse est, par conséquent, d’évaluer l’impact des différentes pratiques d’entretien sur l’évolution du pouvoir tampon des fossés vis-à-vis des pollutions diffuses de pesticides.

Estimer l’influence des différentes pratiques d’entretien sur l’évolution du pouvoir tampon des fossés nécessite dans un premier temps, de connaitre l’impact de ces pratiques sur l’évolution des propriétés des fossés telles que la proportion des différents matériaux contribuant à la sorption des pesticides (sol, litières, cendres et végétation) et les propriétés des sols de fond de fossés conditionnant les flux d’infiltration. Ces aspects n’ont été que très peu documentés notamment pour le brûlis (Section 1.1.4). Dans un second temps, il est nécessaire de connaitre les propriétés de sorption des différents matériaux des fossés ainsi que les propriétés hydrodynamiques des sols et leurs déterminants afin de pouvoir estimer l’influence de l’évolution des propriétés des fossés sur les processus de sorption et d’infiltration. Ces aspects n’ont, là encore, été que peu documentés en particulier pour l’infiltration (Section 1.1.4). Enfin, estimer l’influence de chacune des pratiques d’entretien sur l’évolution temporelle du pouvoir tampon des fossés requiert des méthodes permettant d’estimer les transferts et la rétention des pesticides en fonction des propriétés des fossés et des conditions hydrologiques. Plusieurs méthodes existent mais aucune n’a, à ce jour, été validée pour le cas spécifique des fossés infiltrant c.à.d. les fossés dans lesquels des flux d’infiltration vers les eaux souterraines ont lieu au moins pendant une certaine période de l’année.

En conséquent, les objectifs spécifiques de ces travaux de thèse sont :

1. de caractériser l’évolution des propriétés des fossés suite aux différentes pratiques d’entretien,
2. d’identifier les déterminants de la variabilité des processus de sorption et d’infiltration lors des transferts en surface et étudier leur modulation en lien avec les propriétés des fossés et le contexte pédoclimatique,
3. de développer et comparer des méthodes d’estimation du pouvoir tampon des fossés infiltrants.

La caractérisation du système fossé et de son évolution suite aux différentes pratiques d’entretien. Pour caractériser l’évolution, à l’échelle du bief, des propriétés des fossés induites par chaque pratique d’entretien, des expérimentations d’entretien de tronçons d’un fossé, selon le calendrier généralement suivi par les gestionnaires, et des mesures régulières des propriétés des fossés sur un cycle annuel complet ont été mises en place. Ces expérimentations permettent i) de définir la variabilité des propriétés des fossés à prendre en compte pour l’étude des processus de sorption et d’infiltration et ii) de construire des scénarios d’évolution temporelle des propriétés des fossés à tester lors de la modélisation de l’évolution du pouvoir tampon de fossés entretenus de manière contrastée (Fig. 1.4).

La caractérisation de l’influence des propriétés des fossés sur la variabilité des processus de sorption et d’infiltration. Afin de caractériser la variabilité des processus de sorption et d’infiltration pour une large gamme de propriétés des fossés, une combinaison d’expérimentations au laboratoire, sur le terrain et d’expérimentations numériques a été mise en œuvre. Les processus de sorption (adsorption, désorption, cinétique) ont été quantifiés en batch pour la diversité des substrats de fonds de fossés i.e., sols, végétation, litières et cendres, sélectionnés sur la base des campagnes d’observation des états de surface. Afin de pouvoir appréhender la variabilité des coefficients de sorption (Kd) pour les sols, des fonctions de pédotransfert permettant de prédire les Kd sur la base de certaines propriétés clé des sols ont été développées par méta-analyse de données bibliographiques et validées pour la diversité des sols de fond de fossés. Par ailleurs, afin d’appréhender la capacité de sorption globale d’un bief lors d’un évènement de crue, un indicateur, SPRI (Sorption Induced Pesticide Retention), a été développé. Les processus d’infiltration ont, eux, été caractérisés à l’aide de colonnes prélevées dans les horizons spécifiques de sol d’un fossé de Roujan. La détermination des paramètres hydrodynamiques et de transfert de solutés a ensuite été réalisée par modélisation. Ces expérimentations permettent i) de paramétrer les coefficients de sorption pour la modélisation de l’évolution du pouvoir tampon des fossés entretenus de manière contrastée pour chaque scénario d’évolution des propriétés des fossés et ii) de construire des scenarios de paramètres hydrodynamiques en fonction de l’évolution des propriétés des sols (Fig. 1.4) .

L’identification de méthodes permettant d’estimer la rétention des pesticides en condition d’écoulement dans les fossés infiltrants. Pour tester et valider les différentes méthodes (indicateurs et modèles) d’estimation des transferts et de la rétention des pesticides dans les fossés, des expérimentations de transfert de traceurs hydrologiques ont été réalisées dans deux fossés aux propriétés contrastées (Domaine du Merle). Ces expérimentations ont servi de références pour la comparaison des méthodes d’estimation de la rétention de pesticides dans les fossés. Cette comparaison permet d’identifier une ou plusieurs méthode(s) adaptée(s) à l’estimation du pouvoir tampon de fossés infiltrants (Fig. 1.4).

La caractérisation de l’impact des différentes pratiques d’entretien sur l’évolution temporelle du pouvoir tampon des fossés. L’évolution temporelle du pouvoir tampon de fossés entretenus respectivement par fauche, curage, désherbage chimique et brûlis est caractérisée dans ces travaux de thèse par modélisation, basée sur des données expérimentales d’évolution des propriétés des fossés en termes d’état de surface et de propriétés des sols mises en regard avec une gamme d’évènements de crues ainsi que les paramètres de sorption, d’infiltration et de transfert définis lors de la quantification des processus (Fig. 1.4).

Influence des pratiques d’entretien sur l’évolution des propriétés des fossés

Les propriétés des fossés relatives à leur morphologie (pente, longueur, largeur, profondeur) et à leur composantes biotiques (végétation) et abiotique (sol de surface, litières, cendres) sont regroupées dans la notion d’ « état de surface ». Les états de surface des fossés sont fortement influencés par les différentes opérations d’entretien réalisées pour maintenir la performance hydraulique des fossés (Chapitre 1). Les réseaux de fossés sont en effet régulièrement entretenus par les agriculteurs et les collectivités territoriales afin d’optimiser la fonction principale ayant motivé leur implantation c.à.d. limiter l’érosion hydrique pour les bassins versants de Roujan et de la Morcille et optimiser l’assainissement agricole pour le bassin versant du Ruiné (Bailly et al., 2015).

Un travail d’enquêtes réalisé dans le cadre du travail de thèse de F. Levavasseur sur le bassin versant du Bourdic, dont Roujan est un sous bassin, a permis de définir le calendrier et les modalités d’entretien des fossés (Levavasseur, 2012). Ce travail révèle que les fréquences d’entretien des fossés varient selon les différentes pratiques. Ainsi, si le curage n’est réalisé en moyenne qu’une fois tous les 10 ans, la fauche, le désherbage chimique et le brûlis sont, quant à eux, réalisés à une fréquence médiane d’une fois par an. La fréquence globale d’entretien des fossés est de 1,3 ce qui signifie qu’une combinaison de plusieurs pratiques peut être réalisée sur un même fossé au cours d’une année. Le calendrier d’entretien varie également selon les pratiques. Les périodes pendant lesquelles les modalités d’entretien sont le plus souvent réalisées sont : de juillet à octobre pour le curage, de mars à juin pour le désherbage chimique, d’avril à septembre pour la fauche et d’octobre à mars pour le brûlis. Des enquêtes similaires menées dans le cadre du projet FIP sur les bassins versants de Roujan, du Ruiné et de la Morcille, auprès des agriculteurs et collectivités territoriales impliqués dans la gestion des réseaux, révèlent que le brûlis, régulièrement réalisé dans les fossés de Roujan, n’est pas une pratique réalisée sur les deux autres bassins (Bailly et al., 2015). Par ailleurs, le curage et la fauche sont réalisés plus fréquemment sur les bassins versant de la Morcille et du Ruiné que sur celui de Roujan. Les périodes d’entretien sont cependant globalement similaires sur les 3 bassins.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Etat de l’art – Enjeux et positionnement scientifique
1.1 Impact de l’entretien sur le fonctionnement et les rôles des fossés au sein des paysages agricoles – Etat de l’art
1.1.1 Introduction
1.1.2 Methodology
1.1.3 Ecosystem services performed by ditches: mechanisms and optimization conditions
1.1.3.1. Waterlogging control
1.1.3.2. Soil erosion prevention
1.1.3.3. Groundwater recharge
1.1.3.4. Flood regulation
1.1.3.5. Water purification
1.1.3.6. Biodiversity conservation
1.1.3.7. Intricacy and control factors of the ecosystem services provided by ditches
1.1.4 Ditch maintenance: lever for the optimization of ecosystem services
1.1.4.1. Impact of maintenance operations on ditch characteristics
1.1.4.2. Maintenance effect on the processes and services
1.1.4.3. Designing maintenance toward an optimization of ecosystem services
1.1.5 Conclusion
1.2 Objectifs et démarche scientifique
Chapitre 2 : Caractérisation de l’évolution des propriétés des fossés suivant les différentes pratiques d’entretien
2.1 Introduction
2.2 Matériel et méthodes
2.2.1 Site d’étude
2.2.2 Méthodes de suivis des propriétés des fossés
2.2.2.1. Suivi des états de surface
2.2.2.2. Suivi des propriétés des sols
2.3 Résultats et discussion
2.3.1 Evolution des états de surface
2.3.2 Evolution des propriétés des sols
2.3.2.1. Evolution des propriétés physico-chimiques des sols
2.3.2.2. Conductivité hydraulique et voies d’écoulement de l’eau
2.4 Conclusion
Chapitre 3 : Variabilité et déterminants de la capacité de sorption de pesticides des fonds de fossés
3.1 Sorption du glyphosate et diuron sur les matériaux des fonds de fossés
3.1.1 Introduction
3.1.2 Materials and Methods
3.1.2.1. Physico-chemical properties of studied pesticides
3.1.2.2. Sampling and measurement methods used to determine the properties of the ditch-bed materials
3.1.2.3. Estimation of the pesticide sorption capacities of the ditch beds from in situ observations of ditch properties
3.1.2.4. Case studies of ditch bed sorption capacity
3.1.3 Results and discussion
3.1.3.1. Ditch-bed material properties
3.1.3.2. Variability of the ditch bed sorption capacity
3.1.3.3. Estimation of ditch beds sorption capacity: potential and limitations
3.1.4 Conclusion
3.2 Cinétiques d’adsorption du glyphosate et diuron sur les matériaux de fonds de fossés
3.2.1 Introduction
3.2.2 Matériel et méthodes
3.2.3 Résultats et discussion
3.2.4 Conclusion
3.3 Utilisation de fonctions de pédotransfert pour l’estimation des coefficients de sorption des pesticides pour les sols de fonds de fossés
3.3.1 Introduction
3.3.2 Matériel et Méthodes
3.3.2.1. Fonctions de pédotransfert
3.3.2.2. Validation des fonctions de pédotransfert
3.3.3 Résultats et discussion
3.3.3.1. Estimation des Kd avec les fonctions de pédotransfert
3.3.3.2. Validation des fonctions de pédotransfert pour les sols de fonds de fossés
3.3.4 Conclusion
3.4 Conclusion
Conclusion générale

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