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Le nitrate et la rivière : diagnostic multi-isotopique de la saturation en azote au col du Lautaret

Prix Jeunes Chercheurs Alpins 18-19 Octobre 2018

Ilann BOURGEOIS

Thèse soutenue le 8 Décembre 2017 sous la direction de Jean-Christophe CLEMENT et Joël SAVARINO

CONTEXTE

… un service écosystémique

L’eau de montagne…

1

CONTEXTE

Service écosystémiques de montagne:-  Qualité de l’eau-  Contrôle de l’érosion-  Contrôle de la chimie des sols-  Valeur patrimoniale et sociétale

Préservation de la biodiversité

EQUILIBRE

Conditions naturelles

2

CONTEXTE

Préservation de la biodiversité

DESEQUILIBRE

Activités humaines

Service écosystémiques de montagne:-  Qualité de l’eau-  Contrôle de l’érosion-  Contrôle de la chimie des sols-  Valeur patrimoniale et sociétale

2

CONTEXTE

© CNN Affluent de la Romanche, un jour d’été 2016

3

CONTEXTE

D’ici 2100, les dépôts d’azote devraient être la troisième cause de la perte de biodiversité à l’échelle globale…

© Sala et al. Science, 2000 4

CONTEXTE

… et la deuxième cause de la perte de biodiversité à l’échelle des écosystèmes de montagne

© Sala et al. Science, 2000 5

CONTEXTE

© Trump et al. Twitter, 2002 6

N2 atmosphérique

NrNr

NH4+

AmmonificationNO2

-

Assimilation

Fixation biologique

Eclairs

NO3-

Nitrification

5

60

Flux en Tg-N ha-1 yr -1

D’après Fowler et al. (2013)Nr = Azote réactif

Lessivage

Dénitrification

CONTEXTE

7

N2 atmosphérique

NrNr

NH4+

AmmonificationNO2

-

Assimilation

Fixation biologique

Eclairs

NO3-

Nitrification

5

60 + 60

Flux en Tg-N ha-1 yr -1

D’après Fowler et al. (2013)Nr = Azote réactif

Lessivage

Dénitrification NONO2

O3

HNO3

Fertilisation 120

Dépôts atmosphériques

70

CONTEXTE

7

NrNr

NH4+

AmmonificationNO2

- NO3-

NONO2Dénitrification

HNO3

Transport

Dépôtsatmosphériques

Assimilation

Nitrification

Lessivage

Nr = Azote réactif

CONTEXTE

7

Rivières

Neige

8

Quel est le devenir du nitrate atmosphérique en montagne?

?

? DépôtsNO3-atm

CONTEXTE OBJECTIF

9

Isotopes?

NO3-

16O8 protons8 neutrons



+1

+2

14N7 protons7 neutrons

15N7 protons8 neutrons

+1

Isotopes de l’azote:

Isotopes de l’oxygène:

ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE

10

16O 17O 18O14N 15N99.63% 0.37% 99.76% 0.04% 0.20%

δ15N δ17O δ18O

Mesurés en ‰ (n = 17 ou 18)

Isotopes de l’azote: Isotopes de l’oxygène:


10

16O 17O 18O14N 15N99.63% 0.37% 99.76% 0.04% 0.20%

δ15N δ17O δ18O

NH4+ NO3

-

15N 14N



11

δ18O (‰)

δ15N (‰)

Sources de NO3-

Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4

+ du sol

NO3- d’engrais

NO3- atmosphérique

D’après Kendall et al. (2007)


Enrichissement si perte de NO3

-

Nitrification de NH4

+ de rejets d’épuration

11

δ18O (‰)

δ15N (‰)

Sources de NO3-


+ du sol

NO3- d’engrais

NO3- atmosphérique




-

*Nitrification de NH4


11

δ18O (‰)

δ15N (‰)

Sources de NO3-


+ du sol

NO3- d’engrais

NO3- atmosphérique




-

*



11

δ18O (‰)

δ15N (‰)

Sources de NO3-


+ du sol

NO3- d’engrais

NO3- atmosphérique




-* Nitrification de NH4


11

δ18O (‰)

δ15N (‰)

Sources de NO3-


+ du sol

NO3- d’engrais

NO3- atmosphérique




-* Nitrification de NH4


11

δ18O (‰)

δ15N (‰)

Sources de NO3-


+ du sol

NO3- d’engrais

NO3- atmosphérique






-*

12

16O 17O 18O14N 15N99.63% 0.37% 99.76% 0.04% 0.20%

δ15N δ17O δ18O +1

+2

δ17O = 0.52 * δ18O



13

δ17O (‰)

δ18O (‰)

δ17O = 0.52 * δ18O

Δ17O

Δ17O = δ17O - 0.52 * δ18O

Fractionnement


D’après Michalski et al. (2002)

Singularité isotopique

Ligne de mélange

NO3- atmosphérique

NO3- d’engraisNO3

- issu de la nitrification

13

δ17O (‰)

δ18O (‰)

δ17O = 0.52 * δ18O

Δ17O

Δ17O = δ17O - 0.52 * δ18O

Si Δ17O = 0 Pas de NO3- atmosphérique

Si Δ17O > 0 NO3- atmosphérique


Singularité isotopique Fractionnement

Ligne de mélange

NO3- atmosphérique

NO3- d’engraisNO3

- issu de la nitrification

Sources de NO3-

Δ17O (‰)

δ15N (‰)

NO3- atmosphérique

Δ17O ne varie pas suite au fractionnement -

14


*NO3

- terrestre

Sources de NO3-

Δ17O (‰)

δ15N (‰)

NO3- atmosphérique

Δ17O ne varie pas suite au fractionnement -

14


*NO3

- terrestre

Nr

NH4+

AmmonificationNO2

- NO3-

NONO2

O3

HNO3


Nitrification

15

Δ17Oter = 0

Δ17Oatm > 20‰

Δ17Oéch?


N2 atmosphérique

ƒatm = (Δ17Oéch / Δ17Oatm)

After Baptist (2007) 16

600 mm -7°C 14°C2100 m

Col duLautaret

Alpes du Nord

Alpes du Sud

Alpes internes

Alpes externes

ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret

Atmosphère

NeigeRivières

Sols

Plantes

17


Atmosphère

Sols

NeigePlantes

18

LAUTARET PASS

© F. Delbart

© S. Hattori

© F. Delbart

© C. Nesti

96

231

320164

566


Atmosphère

Δ17O = 24.0 ± 5.1 ‰

Δ17O = 26.4 ± 3.2 ‰

Δ17O = 24.7 ± 3.5 ‰

Δ17O (‰)

NO3- terrestre

NO3- atmosphérique

19

ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un

voyage inattendu

ƒatm = (Δ17Oéch / Δ17Oatm) ?Aérosols

Dépôts humides

Dépôts secs

Atmosphère

Δ17O = 24.0 ± 5.1 ‰

Δ17O = 26.4 ± 3.2 ‰

Δ17O = 24.7 ± 3.5 ‰

Δ17O (‰)

NO3- terrestre

Δ17Oatm ≈ 25‰

19


voyage inattendu

ƒatm = (Δ17Oéch / Δ17Oatm) ?Aérosols

Dépôts humides

Dépôts secs

AtmosphereSnow

20

Δ17O (‰) [NO3-] (mg L-1)

δ15N (‰)

100% NO3-atm

Δ17O = 29.3 ± 1.6 ‰

Peu de perte de NO3-


voyage inattenduPr

ofon

deur

(cm

) Pr

ofon

deur

(cm

)

LaurichardTufière

Les Cours Romanche

Lac de Chambon

DracIsère

Grenoble

200m

1000m

2000m

Rivers Altitude


voyage inattendu

Col du Lautaret

Tufière

Romanche

Drac

Grenoble

Col du Lautaret

200m

1000m

2000m

Rivers Altitude


voyage inattendu

22

Tufièreƒatm (%)Neige Neige Neige


voyage inattendu

ƒatm = (Δ17Oéch / 29.3) Δ1

7 O (‰

)

22

ƒatm (%)

ƒatm = (Δ17Oéch / 29.3)

Neige Neige Neige

Romanche


voyage inattenduΔ1

7 O (‰

)

22

ƒatm (%)

Neige Neige Neige

Romanche


voyage inattendu

ƒatm = (Δ17Oéch / 29.3) Δ1

7 O (‰

)

22

ƒatm (%)

Drac

Δ17 O

& δ

15N

(‰)


voyage inattendu

ƒatm = (Δ17Oéch / 25.6)

23

δ15N (‰) [Cl-] (mg L-1)

δ15N & Cl- : eaux usées

y=-0.2x + 31.8R2=0.3 p<10-4

y=-0.1x + 9.7R2=0.2 p<0.05

Débit (m3 s-1)

ƒatm (%)

Drac

Δ17 O

& δ

15N

(‰)


voyage inattendu

1-2 kg N-NO3- ha-1 yr-1

0.3-0.4 kg N-NO3-atm ha-1 yr-1

2-4 kg N-NO3- ha-1 yr-1

0.1-0.2 kg N-NO3-atm ha-1 yr-1


voyage inattendu

DracRomanche

Flux de NO3- et de NO3

-atm

24

δ15N (‰)

δ15N (‰)

Δ17 O

(‰)

25

Sources

Δ17 O

(‰)


voyage inattendu


+ du sol

NO3- atmosphérique Tufière

Romanche Drac

δ15N (‰)

δ15N (‰)

Δ17 O

(‰)

25

Sources

Δ17 O

(‰)


voyage inattendu


+ atmosphérique


+ du sol

Tufière Romanche Drac

NO3- atmosphérique

δ15N (‰)

δ15N (‰)

Δ17 O

(‰)

26

Sources

Δ17 O

(‰)


voyage inattendu



Tufière Romanche Drac

NO3- atmosphérique

27

CONCLUSION

Δ17O

Rivières 0 - 39%FL = 0.3-0.4

NO3-atmNeige 100%

DépôtsFA = 3-5

Ecosystème non saturé en N

Flux enkg N-NO3

-atm ha-1 yr-1Romanche

28© S. Aubert

Seuil critique : 1-4 kg N ha-1 yr-1D’après Baron et al. (2011)

Transport

Dépôts au col du Lautaret: 3-5 kg N-NO3

- ha-1 yr-1

CONCLUSION


Perte de la biodiversité

Qualité de l’eau

CONCLUSION

500

200

100

75

50

25

10

5

2.5

0.5

kg N ha-1 yr-1

2050 (270 Tg N yr-1 )

D’aprèsGallowayetal.(2004)

Dépôts atmosphériques de Nr liés aux activités humaines

1993 (156 Tg N yr-1)1860 (15 Tg N yr-1)

29

REMERCIEMENTS

IGE (isotopie): Nicolas, Albane, Elsa, Joseph, Erwann, Baptiste

IGE (hydrologie): Julien, Guillaume, Cédric

IGE (atmosphère): Didier, Aurélie, Jean-Luc, Vincent, Fanny

LECA (écologie): Cindy, Arnaud, Lionel, Julien, Karl, Bello,Rolland

Stagiaires:Sarah, Cristiano, Nicolas, Solange

30

SAJF (logistique): Franck, Pascal,

Christophe, Camille,

Et tout les gens qui sont venus sur le terrain…

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