Mémoire présenté devantl’Université de Rennes 1

pour l’obtention du

Diplôme d’habilitation àdiriger des recherches

par Catherine Grimaldi

UMR INRA-Agrocampus « Sol Agronomie Spatialisation » Rennes

HydrochimAp

du fonctioet de la q

présenté le 7 décembre 2004 d

Olivier ATTEIA, Professeur àYves LUCAS, Professeur à l’UAnne PROBST, Directeur de RPierre MARMONIER, ProfessRoland POSS, Directeur de Re

ie de petits bassins versports à la connaissancennement géochimique du s

ualité de l’eau des cours d’e

Rapport scientifique

evant le jury composé de

l’Université de Bordeaux 3, rapporteur niversité de Toulon, rapporteurecherches CNRS à l’Université de Toulous

eur à l’Université de Rennes 1, examinateucherches à l’IRD à Montpellier, examinateu

ants

olau

e 3, rapporteur rr

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SommaireAvant-propos 3

Des réactions géochimiques locales à l’hydrochimie de petits bassins versants 5Commentaires préalables sur les objets et les approches

1. Réactions géochimiques locales dans le sol et prise en compte du mouvement de l’eau 7

2. Réactions géochimiques et transfert d’eau dans l’horizon, le profil et la toposéquence 8 pédologiques

3. Fonctionnement géochimique du sol et fonctionnement hydrologique d’un petit 9 bassin versant

Hydrochimie dans des petits bassins versants en milieu tropical 13Apports à l’étude du fonctionnement géochimique des sols tropicaux

1. L’analyse structurale, une approche pédologique en phase avec les études de 14 petits bassins versants

2. Le modèle pédologique étudié en Guyane 16

3. Fonctionnement hydrodynamique et diversité hydrologique 20

4. Fonctionnement géochimique : étude de quelques processus 22

4.1. Erosion chimique et exportation d’éléments nutritifs au cours des crues 22

4.1.1. Erosion chimique au cours des crues, dissolution et néoformation 23 de kaolinite

4.1.2. Exportation des cations nutritifs au cours des crues 24

4.1.3. Effet de la déforestation et d’une couverture de graminées sur les bilans 25 hydrologiques et minéraux au cours des crues

4.2. Acidité minérale et hydrolyses dans la nappe d’altérite en période hors crue 28

4.2.1. Origine des alcalinités négatives des eaux de nappe 29

4.2.2. Origine des faibles pH des eaux de nappe 30

4.2.3. Conséquences sur les hydrolyses minérales dans l’altérite 31

4.3. Conclusion 32

5. Utilisation du modèle pédologique guyanais pour des recherches finalisées 33

5.1. Fond géochimique et mobilité du mercure dans les sols 33

5.2. Effet sur le sol et les eaux des retombées d’acide et d’alumine lors des 35 lancements d’Ariane 5 en Guyane

5.3. Les sols et les hommes des fronts pionniers en Amazonie brésilienne 36

6. Perspectives 37

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Hydrochimie dans des petits bassins versants agricoles en milieu tempéré 39Apports à l’étude de la qualité de l’eau des ruisseaux

1. Organisation fonctionnelle hydrologique du bassin versant 41

2. Intérêt de l’approche expérimentale 42

3. Rôle du domaine proche du ruisseau 43

3.1.La haie de ceinture de fond de vallée 44

3.1.1. Etude du rôle de la haie sur les transferts d’eau et de nitrate 443.1.2. Hypothèses sur le fonctionnement de la zone humide à l’aval de la haie 473.1.3. Prise en compte du rôle de la haie dans la modélisation 47

3.2. La nappe d’altérite 47

3.2.1.Etude de la dynamique de la charge hydraulique de la nappe 48 d’altérite et de son influence sur la teneur en nitrate du ruisseau

3.2.2. Origine des écoulements du ruisseau en été : rôle des sources 48

3.3. La zone hyporhéique 50

3.3.1. Etude du rôle de la zone hyporhéique sur les teneurs en nitrate 52 du ruisseau et repérage de son extension latérale

3.3.2. Importance de la dimension longitudinale de la zone hyporhéique 53

4. Origine et devenir des matières en suspension 54

5. Qualité physico-chimique et qualité biologique des cours d’eau 55

6. Perspectives 57

Conclusions 59

Références bibliographiques 61

Liste des publications 70

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Avant-propos

Ingénieur agronome de formation, spécialisée en science du sol et principalement engéochimie1, je m’intéresse plus particulièrement à la composition chimique des eauxnaturelles à la surface de la terre. J’ai mené mes recherches alternativement au sein de deuxorganismes, l’INRA et l’ORSTOM devenu l’IRD, dans des milieux très différents, tant parleurs sociétés que par leur climat, tempéré ou tropical humide.

Munie d’une boite à outils en géochimie, acquise lors de mon mémoire de DEA puisde ma thèse de doctorat2 (0), je rejoins en 1983 l’équipe de pédologues3 de l’ORSTOM àCayenne. Ma boite à outils contient des connaissances applicables à la chimie des eaux dansles sols acides, concernant la géochimie de l’aluminium, la définition de l’alcalinité ycompris lorsqu’elle est négative, et quelques lois thermodynamiques relatives à des gibbsiteset kaolinites idéales. Je suis d’emblée placée à l’exutoire d’un bassin versant, sans formationparticulière en hydrologie, sous 3,50 m de pluie. La bibliographie sur la compositionchimique des eaux, extrêmement diluées en milieu tropical humide, est quasi inexistante. Parchance, les pédologues et hydrologues de l’ORSTOM ont pris un peu d’avance dans laconnaissance de ce milieu. Je prends conscience grâce à eux de l’importance des conditionsde circulation de l’eau sur les réactions géochimiques qu’elle produit dans le sol. L’eau dansce contexte a beau s’apparenter à de l’eau distillée, elle déplace des éléments chimiques qui,par touches minimalistes, finissent par différencier des volumes pédologiques, dessiner lesmotifs d’une couverture, et parfois s’échappent irréversiblement à l’exutoire des bassinsversants. Par ailleurs, immergée en forêt guyanaise, je ne peux ignorer l’exubérantebiomasse végétale qui s’égoutte durablement sur moi, pendant et après la pluie, lors de mesrécoltes d’eau dans le bassin versant, et les liens souterrains qu’elle doit nécessairemententretenir avec le sol. J’ai donc traduit ces liens en équations, pisté les éléments chimiquesqui circulent, et cherché à comprendre leurs conséquences sur les processus pédogénétiques.

Quelques années plus tard, le cadre de mes recherches en milieu tempéré est biendifférent. La dégradation de la qualité des eaux de ruisseaux et de nappes par l’agriculture etl’élevage est un problème urgent à résoudre, et cette urgence est sans rapport avec la duréedes processus pédogénétiques précédemment étudiés. Les exportations de nutriments, à peineperceptibles en forêt tropicale, et que j’y avais pourtant traquées, sont ici de véritables fléauxqui empoisonnent les écosystèmes aquatiques. L’eau est un bien précieux qui, plus que le sol,va devenir l’objet de toutes mes recherches, dès mon retour à Rennes dans l’Unité INRA deScience du Sol4 en 1994.

1 Formation acquise à la chaire de Science du sol dirigée par A. Ruellan (professeur à l’ENSA de Rennes).2 Thèse réalisée sous la direction de G.Bourrié (chercheur à l’INRA de Rennes).3 Equipe sous la responsabilité de R.Boulet.4 Unité alors dirigée par P. Merot. L’équipe SOLEAU à laquelle je participais était animée par C.Gascuel.Depuis, cette Unité est devenue l’Unité Sol et Agronomie, puis l’UMR Sol – Agronomie – Spatialisation aucours de fusions diverses.

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Ce résumé de mon parcours rapporté à deux affectations principales, Cayenne etRennes, où j’ai vécu mes séjours les plus longs, ne fait pas apparaître mes autres détours parMontpellier, Versailles, puis Belém au Brésil. J’ai essayé de maintenir la barre au gré desaffectations pour faire avancer les connaissances, profitant de cette mobilité pour étancherma curiosité scientifique, alourdir ma boîte à outils initiale, mais laissant à regret danschaque lieu de nombreux collègues et amis, et de nombreuses pistes de recherches inabouties.

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Mercià tous ceux qui m’ont aidée dans ces recherches,

Michel, Max, François, Desmo, Alain, René, Claude, Armand, Yves, Luc, Georges,Wemo, Ginette, André, Castal, Roger, Jean-Louis, Jean-Luc, Marc, Jean-Marie, Fanchon,Gilles, Stéphane, Mireille, Chantal, Philippe, Pierre, Guilhem, Monique, Florence, Virginie,Gilles, François, Yannick, Annick, Laurence, Sylvie, Valérie, Voahirana, Xavier, Julie,Nicolas, Géraldine, Rozenn, Françoise, Gilles, Deurival, Magda, Paulo, Aquiles, Lourdes,Julien, Isabelle, Michel, Tiphaine, Boukari, Elodie, Yannick, Gabrielle, Bernard, Thierry,Antoine, Vincent, Jean,

et ceux que j’oublie momentanément…

et ceux qui n’ont rien fait dans ce travail mais qui m’ont aidée autrement…

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Des réactions géochimiques localesà l’hydrochimie de petits bassins versants

Commentaires préalables sur les objets et les approches

La plus grande partie du cycle de l’eau à la surface de la terre, entre la pluie et les rivières,se déroule dans le sol. Au cours du trajet de l’eau, diverses réactions se produisent entre la phaseaqueuse, la phase gazeuse et les phases solides, minérales et organiques. Ces mêmes réactions, quiinfluencent la composition chimique de la phase aqueuse, sont à l’origine de la formation du solet de son évolution. D’autres compartiments des écosystèmes, en particulier la végétation ou lesorganismes du sol, interviennent dans le cycle de l’eau et des éléments chimiques. Lacomposition chimique de l’eau à la surface de la terre est mon objet d’étude principal. Jeme suis plus particulièrement intéressée à ses interactions avec le sol dans différentsécosystèmes tropicaux et tempérés.

Dans mes recherches menées en milieu tropical humide, la connaissance dufonctionnement géochimique du sol est mon objectif principal. En milieu tropical, laconnaissance du sol est motivée par des enjeux importants liés à l’agriculture. Ses aptitudeschimiques sont souvent faibles et sa mise en valeur, en l’absence d’intrants, peut être tributaire dedifférences de fonctionnement minimes et de pratiques adaptées. Par ailleurs, des problèmes depollution liés à de nouvelles utilisations du sol apparaissent.

En France par contre, comme dans la plupart des pays du Nord, la dégradation de laqualité de l’eau est aujourd’hui un problème préoccupant, qui occulte en partie celui de ladégradation du sol moins perceptible à court terme. Dans mes recherches menées en milieutempéré, la qualité de l’eau et la connaissance des déterminismes qui expliquent sa compositionchimique sont devenues mon objectif prioritaire. Le fonctionnement géochimique du sol estconsidéré comme l’un de ces déterminants.

Qu’il s’agisse de l’un ou l’autre de ces objectifs, la prise en compte des conditions decirculation (chemins et vitesse) de l’eau dans le sol apparaît indispensable, à tous les niveauxd’organisation, depuis les microsites où se produisent les réactions locales, puis dans l’horizonpédologique, la toposéquence, enfin au sein de la couverture pédologique et du paysage :localement, la nature et l’intensité des réactions chimiques dépendent de la vitesse de circulationde l’eau, et de sa composition qui est elle-même l’aboutissement de son histoire associée auxchemins qu’elle a suivis auparavant ; à l’échelle du paysage, l’eau assure une grande partie destransferts, dans le sol et entre les compartiments des écosystèmes, ce qui lie fortement le cycle deséléments chimiques au cycle de l’eau.

Les interactions entre l’eau et le sol peuvent être étudiées aux différents niveauxd’organisation. L’intégration des diverses échelles spatiales, mais aussi temporelles, est un défi

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scientifique classique auquel les recherches sur le milieu naturel sont constamment confrontées.Elles doivent considérer simultanément les dimensions caractéristiques des processusélémentaires, l’échelle pratique des observations et des collectes de données, et l’échelle duproblème à résoudre.

J’ai choisi de privilégier dans ce mémoire, comme je l’ai fait à plusieurs reprises dans montravail, le niveau d’organisation spatiale le plus large, la couverture pédologique, et son unitéfonctionnelle pour les processus de transfert, le bassin versant1. Cette échelle s’imposenaturellement dans les recherches qui s’intéressent à la qualité de l’eau des rivières (échelle duproblème à résoudre), mais beaucoup moins pour la connaissance de l’évolution minéralogique etchimique du sol, produite par des réactions géochimiques locales à l’interface entre le minéral etla solution (dimension des processus géochimiques). Il m’a donc paru nécessaire dans cetteintroduction de rappeler quelques approches menées aux autres niveaux d’organisation spatiale,approches plus classiques lorsqu’on s’intéresse au fonctionnement géochimique du sol, pourdégager ensuite les spécificités de l’approche hydrochimique à l’échelle du bassin versant. Onverra comment, à chaque niveau d’organisation, les recherches essaient d’articuler les réactionsgéochimiques et les conditions de circulation de l’eau. Il s’agit d’une réflexion s’appuyantsur une bibliographie très incomplète, étant donné la multiplicité des recherches sur cettequestion.

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Historiquement, la prise en compte des conditions de circulation de l’eau pour étudier lesinteractions géochimiques entre l’eau et le sol s’est d’abord heurtée à un certain cloisonnementdes disciplines, étudiant les processus géochimiques d’une part, et les processushydrodynamiques ou hydrologiques d’autre part. Mon parcours personnel se superposepartiellement à l’évolution de ces disciplines. J’ai débuté mes recherches à l’INRA à la fin desannées 70 dans le Département de Science du Sol, à une époque où le réductionnisme était larègle. On parlait alors parfois « des sciences » du sol pour bien marquer la pluralité des disciplinesparticipant à la connaissance de cet objet. Parmi celles-ci, la pédologie est la science de laformation, de l'évolution et de la distribution spatiale des sols. La géochimie y contribue parl’étude des constituants minéraux et de leur évolution. La dynamique de l’eau dans le sol, fluides’écoulant dans un milieu poreux, est du domaine de la physique, sans relation évidente àl’époque avec l’hydrologie, discipline d’échelle spatiale plus large et dans laquelle le sol étaitconsidéré comme une « boîte noire ». Chacune de ces disciplines s’intéresse à des niveauxd’organisation du sol spécifiques, auxquels sont associées des structures et des propriétésdifférentes.

1 D’après Pavé (1994), « la compréhension et la maîtrise de ce qui se passe à un niveau d’organisation nenécessite le plus souvent que la compréhension du niveau immédiatement inférieur ». C’est pourquoi, bien quem’intéressant à la couverture pédologique et au bassin versant, j’ai travaillé en fait tout autant au niveau de latoposéquence et du versant.

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1. Réactions géochimiques locales dans le sol et prise en compte dumouvement de l’eau

Lorsque j’ai abordé mes premiers travaux (DEA, thèse), les géochimistes étudiaient lesinteractions entre l’eau et les minéraux du sol en s’intéressant d’abord aux lois de la chimie, enparticulier de la thermodynamique, permettant à l’eau de dissoudre ou de néoformer lesminéraux. Le facteur temps était envisagé de manière relative à travers l’avancement desprocessus d’altération ou d’évaporation. C’était le point de vue adopté dans les modèlesthermodynamiques qui ont été développés activement à cette époque. Fritz (1975) a ainsi simulél’hydrolyse d’un granite et montré qu’à son contact la solution atteint successivement l’équilibreavec différents minéraux, de la gibbsite à la silice amorphe. La simulation se déroule dans unsystème fermé, ce qui correspond par exemple à une eau immobile piégée dans un micropore.

Or dans le sol, les sites où se produisent les réactions sont généralement ouverts,échangeant de la matière avec l’extérieur. Dans ce cas, l’interaction entre l’eau et les minérauxpeut être décrite en deux étapes : une étape de réaction chimique de la phase solide avec lasolution, une étape de transfert des éléments chimiques en solution. En fait les deux étapes sontétroitement liées : la vitesse de renouvellement de la solution contrôle le gradient de sacomposition chimique par rapport aux équilibres avec les minéraux, dont dépendent la vitesse deshydrolyses et la nature des minéraux néoformés. Par ailleurs, la cinétique des réactionschimiques entre ici en compétition avec la vitesse de renouvellement de la solution. Dans dessimulations réalisées par Fritz (1975), le renouvellement de la solution interrompt le déroulementdes dissolutions et néoformations minérales à des stades variables. Certains modèles intégrent desparamètres cinétiques (Helgeson et al., 1984 ; Del Nero, 1992) mais la connaissance de cesparamètres est encore limitée. Dans ces approches, l’échelle spatiale reste locale, et lemouvement de l’eau est pris en compte à travers un temps de contact avec le minéral.

Ces modèles thermodynamiques initialement conçus pour des phases minérales àcomposition fixe et bien cristallisées, ont cherché par la suite à prendre en compte des solutionssolides de composition variable, non idéales, des ions complexes organiques, etc… pour mieuxappréhender la diversité des constituants du sol (Helgeson & Aagaard, 1985).

Quelques travaux ont examiné l’influence de la géométrie du pore où se produisent lesréactions entre l’eau et les minéraux. Bourrié & Pedro (1983), Tardy & Novikoff (1988), Lucas(1989), Del Nero (1992) ont cherché à connaître l’influence de la taille du pore sur l’activité del’eau et par conséquent sur les équilibres thermodynamiques. Helgeson et al. (1984), White &Brantley (2003) ont quant à eux attiré l’attention sur la modification de la surface d’échangeentre la solution et le minéral au cours de l’altération.

Au niveau du minéral ou du microsite, l’utilisation de modèles mathématiques ou lareproduction des réactions chimiques au laboratoire en conditions standardisées sont les seulesapproches possibles, qui pallient la difficulté à expérimenter en conditions naturelles à ce niveaud’organisation, et à prélever la solution.

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2. Réactions géochimiques et transfert d’eau dans l’horizon, le profil et latoposéquence pédologiques

En conditions naturelles et s’intéressant à un niveau d’organisation supérieur, lesgéochimistes ont pu réaliser des prélèvements de la solution du sol (Litaor, 1988) pour déduirede sa composition chimique les réactions se produisant dans l’horizon pédologique. Lesméthodes utilisées - bougies poreuses, lysimètres, plaques à succion, centrifugation, déplacementpar effet piston dans des colonnes de sol… - sont critiquées à cause des modifications qu’ellesentraînent dans les conditions de circulation de la solution (perturbation à l’interface entre le solet le lysimètre, utilisation d’échantillons remaniés pour l’extraction d’eau au laboratoire…) oudans sa composition chimique (bougies poreuses en céramique) (Cheverry, 1983). Par ailleurs, lacomposition chimique de la solution présente une forte hétérogénéité en fonction des modes deprélèvement (Hendershot & Courchense, 1991 ; Parnell, 1993 ; Richards & Kump, 2003),expliquée en grande partie par le type d’eau prélevée, et traduisant donc l’importance desconditions hydrodynamiques sur les réactions géochimiques. Cette importance renvoie biensûr à l’importance des conditions climatiques dont l’effet sur la pédogenèse, à une échelle plusglobale, est largement reconnue (Bourgeon & Pedro, 1992).

Les études basées sur le prélèvement de la solution du sol en milieu naturel distinguentgrossièrement deux types d’eau : l’eau gravitaire (ou libre ou mobile) et l’eau capillaire (ou liéeou immobile) (Ranger et al., 1993), qui à cause de temps de contact différents sont plus ou moinsproches de l’équilibre thermodynamique avec les minéraux (Zabowski & Ugolini, 1992 ;Zabowski et al., 1996). Les réactions d’oxydo-réduction ou impliquant des microrganismes y sontaussi différentes en fonction des possibilités de renouvellement de l’oxygène (Litaor, 1988 ;Marques et al., 1996). L’analyse des eaux gravitaires permet d’évaluer les quantités d’élémentschimiques lixiviés dans chaque horizon pédologique et de reconstituer leur évolution au sein d’unprofil de sol. Elles participent à l’évaluation des cycles biogéochimiques, pour la part qui sedéroule dans le sol (Ranger et al., 1995). Les flux hydriques sont estimés indépendamment desdispositifs de récolte des solutions, considérant les risques d’erreur associés à ces dispositifs(Marques et al., 1997). L’analyse des eaux liées, quant à elles, renseigne sur les équilibresthermodynamiques à l’origine des néoformations minérales (Gerard et al. 2003). La connaissancesimultanée de ces deux types d’eaux dans les différents horizons pédologiques donne une idéeassez complète du fonctionnement d’un profil de sol.

Le même type d’étude peut être mené au niveau de la toposéquence pédologique,lorsque les flux hydriques ont aussi une composante latérale. Mais peu de pédologuesappréhendent l’organisation du sol à l’échelle de la toposéquence, et les mesureshydrodynamiques et hydrochimiques, déjà lourdes à mettre en œuvre à l’échelle du profilpédologique, sont relativement rares. Les études les plus complètes (Nascimento et al., 2003 ; (18,61) ont été réalisées en milieu tropical. L’influence des conditions de circulation de l’eau sur ladifférenciation pédologique y est aussi vérifiée. Mais les conclusions nécessitent plus deformalisme pour sortir du contexte où elles ont été établies.

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L’influence des conditions de circulation de l’eau sur le fonctionnement géochimique dusol a été également largement abordée par modélisation, à l’échelle d’un volume pédologiquesupposé homogène. Pour simuler le transfert de l’eau et des éléments dissous qui interagissentavec le sol, la première étape a été la formalisation mathématique des processus physiquesresponsables du transfert de l’eau et des solutés dans un milieu poreux, auxquels ont été ajoutésdes processus chimiques de transformation des solutés et d’échanges avec le sol. Les travaux dansce domaine sont très nombreux et peuvent être retrouvés dans une revue bibliographique récente(SSSA Special Publication, 2001). Les modèles de transport réactif commencent à êtreappliqués et confrontés aux systèmes naturels avec des avantages certains, que rappellent Steefel& Cappellen (1998). Ils permettent par exemple la prise en compte simultanée de plusieursprocessus, qui démontrent en particulier le contrôle des processus géochimiques par lesprocessus hydrodynamiques (Richards & Kump, 2003) ; ils permettent la quantification des flux,et donc l’accès à la vitesse d’altération et à l’âge des formations (Soler & Lasaga, 1998 ;Stonestrom et al., 1998). Par rapport aux modèles thermodynamiques évoqués précédemment, quireconstituent en un même point la succession de différents minéraux néoformés au cours del’altération, des modèles de transport réactif parviennent à reconstituer la formation d’un profilpédologique et à calculer l’épaisseur des différentes paragenèses (Soler & Lasaga, 1998 ;Stonestrom et al., 1998). Mais de nombreuses lacunes subsistent concernant les donnéesthermodynamiques et cinétiques qu’il est indispensable d’introduire dans ces modèles, et denombreuses hypothèses simplificatrices sont introduites pour pallier la connaissance encoreincomplète des phénomènes.

3. Fonctionnement géochimique du sol et fonctionnement hydrologiqued’un petit bassin versant

Le passage à l’échelle du petit bassin versant devrait réaliser l’intégration de toutes leséchelles précédentes. Mais cette approche d’intégration « ascendante » conduit à un degré decomplexité très important qui est loin d’être résolu déjà aux échelles inférieures. Une approcheglobale lui est donc généralement préférée. La composition chimique de l’eau recueillie àl’exutoire est l’objet que l’on cherche à expliquer par les principaux processus hydrologiques etgéochimiques actifs dans le bassin versant.

Le mot hydrochimie est apparu depuis le milieu des années 70 pour désignergénéralement la discipline qui traite de la composition chimique des eaux continentales à petiteéchelle spatiale, c’est-à-dire dans le paysage. A cette échelle, les modalités de circulation de l’eau(chemins principalement) sont fortement impliquées, à tel point que l’hydrochimie est considéréeparfois comme une partie de l’hydrologie1. D’après Meybeck (1994), les études spécifiques de

1 Dans le glossaire international d’hydrologie (1992), on trouve deux définitions pour l’hydrologie, la premièretrès large, l’autre plus restreinte : 1. Science qui traite des eaux que l'on trouve à la surface de la Terre, ainsiqu'au-dessus et au-dessous, de leur formation, de leur circulation et de leur distribution dans le temps et dansl'espace, de leurs propriétés biologiques, physiques et chimiques et de leur interaction avec leur environnement,y compris avec les êtres vivants. 2. Science qui étudie les processus qui régissent les fluctuations des ressourcesen eau des terres émergées et traite des différentes phases du cycle hydrologique. J’utiliserai le termed’hydrologie dans cette acception plus restreinte.

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qualité des eaux dans les bassins versants sont restées longtemps un domaine secondaire dans desétudes focalisées sur la seule hydrologie. L’hydrochimie est d’ailleurs largement utilisée enhydrologie comme un outil pour le traçage des différents écoulements (Christophersen et al.,1990, 1993). Il est vrai aussi que l’hydrologie est le passage obligé pour appréhender le transfertd’éléments chimiques entre les différents compartiments d’un bassin versant. Au cours de cetransfert, différentes réactions biogéochimiques se produisent. Le couplage des processushydrologiques et biogéochimiques explique la composition chimique de l’eau à l’exutoire.

L’objectif n’est pas de rappeler ici tout l’intérêt d’une approche petit bassin versant enhydrochimie, son historique, ses diverses applications, ses limites parfois, qui ont été déjà décritset commentés par divers auteurs (Moldan & Černý, 1994 ; Church M.R., 1997 ; Durand, 2003). Jepointerai seulement quelques spécificités de cette approche pour l’étude des interactions entrel’eau et le sol, par rapport aux approches évoquées ci-dessus. A chaque niveau d’organisation, lesmesures et les méthodes varient, comme les processus considérés.

• Au niveau du microsite, le type d’eau étudié est une eau liée ; au niveau de l’horizonpédologique, les recherches portent sur l’eau liée et sur l’eau gravitaire ; au niveau du bassinversant, on s’intéresse cette fois surtout aux écoulements en nappe qui alimentent le talwegou la rivière.• Les flux pris en compte sont donc à la fois verticaux et latéraux.• Le cycle de l’eau est a priori bien délimité dans un bassin versant. Il est alors possible dequantifier un bilan pour chaque élément chimique, entre le flux entrant (pluies ou apportsanthropiques) et le flux exporté à l’exutoire. De tels bilans peuvent être utilisés pourquantifier l’érosion chimique et l’altération (Bricker et al., 1994), deux processus participant aufonctionnement géochimique du sol. Ces processus sont quantifiés en conditions naturelles(Velbel, 1985 ; Taylor & Velbel, 1991 ; Wakatsuki & Rasyidin, 1992 ; Oliva et al., 1999 ;Anderson & Dietrich, 2001 ; Tardy et al., 2004). D’autres études ont permis de reconnaîtrel’accélération de ces processus sous l’effet des pluies acides (Christophersen et al., 1990 ;Probst et al., 1991 ; Probst et al., 2000) ou de la déforestation (Likens et al., 1970 ; Lelong et al.,1990). L’interprétation des bilans annuels nécessite une bonne connaissance dufonctionnement hydrologique du bassin versant, en particulier lorsqu’il s’agit de relier leurévolution interannuelle à l’évolution des intrants. D’une part il est pertinent de connaître letemps de réponse du bassin versant, lié en partie aux temps de transfert (Molénat & Gascuel,2002). D’autre part il est nécessaire de tenir compte des variations climatiques interannuelles,influençant le cycle de l’eau et des éléments chimiques, qui ont des conséquences importantessur les variations interannuelles de la qualité de l’eau (Aurousseau et al., 2004 ; Gruau et al.,2004) et des bilans (Probst et al., 1995).• L’échelle du bassin versant permet de lisser une partie de la variabilité et de l’hétérogénéitédu milieu que l’on étudie aux échelles inférieures. Son caractère intégrateur est à la fois sonprincipal intérêt et sa principale limite. Cette approche privilégie la connaissance desprocessus dominants agissant sur la qualité de l’eau à l’exutoire. Ces processus sont étudiés àtravers le comportement des éléments exportés, les plus solubles. Peu d’informations sontobtenues sur la redistribution des éléments moins solubles au sein du bassin versant.

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• Pour la même raison, dans la majorité des études s’attachant à l’érosion ou l’altération, lesol est peu ou pas différencié (Smith & Dunn, 1977), parfois même non distingué du « sous-sol » (Likens et al., 1977). Pour relier des flux ou des comportements d’éléments chimiques àdes compartiments pédologiques différenciés, il faut avoir identifié l’origine spatiale desflux sortants, c’est-à-dire connaître les compartiments pédologiques qui contribuent auxécoulements à l’exutoire du bassin versant. Ceci a été réalisé à l’échelle de la crue grâce auxméthodes de séparation des hydrogrammes, graphiques ou par traçage isotopique ouchimique (Christophersen et al. 1993 ; Mulder et al., 1993 ; Elsenbeer & Lack, 1995 ; (29, 6) ;Tardy et al., 2004). • Le bassin versant englobe un écosystème complexe avec des compartiments variés(terrestre/aquatique, minéral/vivant, roche/sol/couverture végétale…). Le sol peut donc yêtre considéré en interaction avec l’eau mais aussi avec les autres compartiments del’écosystème. En particulier, le bilan global entrée-sortie peut être subdivisé en bilans partielsentre les compartiments de l’écosystème par des mesures ou calculs des flux qui participent àl’établissement des cycles biogéochimiques dans l’écosystème. Il est alors possible deconnaître la part des cycles qui se déroule dans le sol (Likens et al., 1977).

Concernant la qualité de l’eau des rivières, l’échelle du bassin versant est généralementchoisie car sa composition chimique est très dépendante du fonctionnement hydrologique, et parl’obligation de raisonner au sein d’un écosystème, ou même d’un anthroposystème. Les étudeshydrochimiques dans les petits bassins versants ont été ainsi utilisées très largement pour diversesproblématiques environnementales (Moldan & Černý, 1994). La nature et la distribution des solsy sont reconnues comme des facteurs importants dans la réponse hydrochimique des bassinsversants : la neutralisation des pluies acides est réalisée par le pouvoir tampon des acidesorganiques faibles du sol ou par l’hydrolyse des minéraux ; l’épuration du milieu en nitrate estréalisée dans les sols hydromorphes via le processus de dénitrification ; le phosphore et lesmétaux lourds s’accumulent dans le sol ou sont à nouveau mobilisés lors de la réduction desoxyhydroxydes de fer… Dans la majorité des études environnementales impliquant le sol,l’objectif n’est pas de mieux connaître son fonctionnement géochimique, mais de comprendreson rôle pour réduire ou transférer la pollution au réseau hydrographique.

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Ce sont principalement mes recherches mises en œuvre dans des petits bassins versantsque je développerai dans ce mémoire.

J’essaierai de montrer comment le choix de cette échelle, ainsi que l’utilisation desméthodes et des connaissances issues de l’hydrologie, ont présenté un intérêt pour laconnaissance de l’évolution géochimique des sols tropicaux, domaine où cette approche a été peuutilisée.

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Pour la qualité de l’eau des rivières en région tempérée d’agriculture intensive, l’échelle dubassin versant est naturellement privilégiée, comme l’échelle où se crée et se gère la ressource eneau. Dans le bassin versant, je traiterai plus particulièrement du rôle du domaine d’interface entrele versant et le cours d’eau et soulignerai l’intérêt de considérer cet interface dans ses deuxdimensions : latérale à l’échelle du versant, longitudinale à l’échelle du cours d’eau.

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Hydrochimie dans des petits bassins versantsen milieu tropical

Apports à l’étude du fonctionnement géochimiquedes sols tropicaux

Les écosystèmes tropicaux, notamment forestiers, ont fait l’objet depuis le 17ème sièclede nombreuses explorations scientifiques. De nouveaux enjeux mondiaux concernant leschangements climatiques ou la diminution de la biodiversité, ainsi que les progrès destechniques et des moyens d’observations, conservent à ces écosystèmes naturels un immenseintérêt scientifique. Les processus élémentaires et la manière dont ils se combinent pourassurer le fonctionnement des écosystèmes ne sont pas encore totalement connus. En outre,les milieux tropicaux naturels s’apparentent souvent à des modèles expérimentaux, par lescontraintes climatiques intenses qu’ils subissent ou par la durée de mise en œuvre desprocessus sans intervention humaine. Concernant le sol, ceci est particulièrement vrai.

La plupart des pays tropicaux sont de plus en plus soumis à des impératifs ou à desintérêts économiques de développement, qui conduisent à la transformation des écosystèmesnaturels. La déforestation rapide de la forêt amazonienne, par exemple, a des conséquencesdéjà largement dénoncées sur le climat local ou planétaire et sur la disparition d’espècesvégétales et animales. Les changements qui affectent le sol après déforestation sont moinsmédiatisés, mais tout aussi cruciaux pour la durabilité des anthroposystèmes. Des problèmesde pollution du sol et de l’eau apparaissent, liés au développement d’activités minièresincontrôlées. Les propriétés du sol vis à vis de ces nouveaux usages, et les conséquences desimpacts anthropiques sur son fonctionnement et sur son évolution doivent alors êtrecaractérisées. Non seulement la mise en déséquilibre des écosystèmes par les actionsanthropiques peut avoir des conséquences très rapides du fait en particulier des conditionsclimatiques, mais de nombreuses situations impliquant des enjeux environnementaux ethumains sont urgentes à prendre en considération.

Les recherches que je présente dans ce chapitre appartiennent à ces deux types derecherches, dites fondamentales ou appliquées1. D’un côté je me suis immergée dans lacomplexité d’un écosystème forestier tropical pour essayer d’en découvrir quelques rouages,en particulier ceux auxquels le sol participe. De l’autre côté, j’ai tenté de répondre àquelques questions urgentes posées par la société, qui s’interroge sur la dégradation du sol etdes cours d’eau par l’orpaillage ou les activités spatiales en Guyane ; au Brésil, c’est lasurvie des agriculteurs familiaux qui est en jeu, même si le rôle du sol semble peser très peu

1 Si tant est que cette dichotomie ait un sens précis : « Les recherches dites fondamentales et appliquées ne sontjamais si fondamentales qu’elles n’aient quelque implication dans l’ordre des applications, ni jamais siétroitement appliquées qu’elles n’aient quelque fondement ou prolongement dans la recherche fondamentale. »(Bourdieu, 1997).

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face à d’autres contraintes politiques, sociales et économiques. Malgré l’affirmation deBourdieu1, et de bien d’autres auteurs, j’ai parfois eu l’impression que l’écart étaitconsidérable entre ces deux types de recherches. Ces expériences ont cependant forgé maconviction qu’une connaissance fondamentale portant autant sur les processus élémentairesque sur le fonctionnement plus global d’un milieu, parfois relativement longue à acquérirpour un enjeu apparemment restreint, devait se poursuivre. Cette connaissance permet eneffet de disposer de bases solides pour comprendre les déséquilibres créés par des actionsanthropiques et pour être en mesure d’y réagir rapidement. La pédologie et l’étude desprocessus de pédogenèse participent à l’élaboration de ces bases.

≈≈≈≈≈

Dans ce chapitre je présenterai en premier lieu mes recherches en milieu tropical portantsur le fonctionnement géochimique du sol à travers ses interactions avec l’eau. J’ai eul’opportunité de travailler en Guyane dans une équipe de pédologues utilisant comme approchel’analyse structurale, qui m’a fourni un cadre pertinent pour aborder de manière couplée lesprocessus géochimiques et les conditions de circulation de l’eau. Le dispositif de recherches déjàen place, constitué de petits bassins versants m’a orientée vers cette échelle spatiale qui m’apermis de relier le fonctionnement du sol à celui de l’écosystème forestier, et a montré l’intérêt dedisposer d’informations d’ordre hydrologique pour enrichir les connaissances pédologiques.J’exposerai dans une deuxième partie comment ces connaissances ont été utilisées pour desrecherches ou expertises plus finalisées.

1. L’analyse structurale, une approche pédologique en phase avec les étudesde bassin versant

Depuis les cours de pédologie reçus d’Alain Ruellan (Ruellan & Dosso, 1993), complétéspar mon initiation en Guyane à l’analyse structurale, approche originale développée par lespédologues de l’ORSTOM (Boulet et al., 1982 a, b, c ), j’appréhende le sol comme un objetorganisé dans ses trois dimensions spatiales. La prise en compte de chacune de ces troisdimensions est également importante pour étudier le rôle de l’eau dans la pédogenèse :

• La dimension verticale rend compte de la partition du profil de sol en horizons, enfonction de la profondeur. Cette dimension, à laquelle se réfèrent toutes les classifications dessols, a été longtemps considérée quasi exclusivement par les pédologues. Bien sûr, l’eau,moteur essentiel de la pédogenèse, s’écoule verticalement sous l’action de la gravité. Parailleurs, en géochimie, les séquences d’évolution minéralogique sont le résultat de l’altérationprogressive des minéraux primaires de la roche profonde, sous l’effet de facteurs d’originesuperficielle, comme la pluie, les acides organiques.

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• La dimension latérale traduit la variation continue ou discontinue des profilspédologiques le long d’un versant. Certains horizons apparaissent et se développent le longde la pente, d’autres disparaissent. La différenciation latérale du sol en fonction de latopographie a d’abord été représentée par la notion de catena et expliquée par des conditionsde drainage variables entre l’amont et l’aval (Buschnell, 1942 in Boulet et al. 1984). Jusqu’auxannées 70, cette dimension a été peu considérée par les pédologues pour étudier lapédogenèse (Boulet et al., 1984).

Paraissent alors un certain nombre de travaux (Ruellan, 1970 ; Bocquier, 1971 ; Boulet,1974 ; Turenne, 1975 ; Chauvel, 1976 ; pour ne citer que les tout premiers) qui révèlentl’existence de relations génétiques entre les volumes qui se succèdent le long des versants,relations similaires à celles reconnues classiquement entre les horizons d’un profil. Latoposéquence est considérée comme un système où les interactions entre volumespédologiques sont déterminées par les transferts d’eau, tant verticaux que latéraux, quiconditionnent le transport des éléments chimiques et la nature des réactions. Pourcomprendre la variation des sols le long d’un versant, l’analyse structurale cherche à identifierces relations, à établir le fonctionnement hydrique et géochimique du système, pourfinalement connaître la dynamique1 de la couverture pédologique.

L’analyse structurale a pour finalité de construire un modèle pédologique, qui estconstitué d’une représentation simplifiée de la structure du sol, assortie d’hypothèsesde fonctionnement hydrique et géochimique, élaborées à partir des caractèresmorphologiques du sol, et qui expliquent sa dynamique (Fritsch & Fitzpatrick, 1994). Pourvalider ce modèle pédologique, les hypothèses de fonctionnement hydrique et géochimiquedoivent être vérifiées. La connaissance de la distribution spatiale du sol guide dans cet objectifla localisation des dispositifs de mesures. Notons qu’en accordant autant d’importance auxtransferts latéraux qu’aux transferts verticaux, les hypothèses de fonctionnement hydrique dela toposéquence s’apparentent à un modèle conceptuel d’hydrologie de versant (Kirkby,1978).

• Enfin l’extension spatiale des toposéquences dans le paysage forme la couverturepédologique. Cette dimension apporte d’autres informations pour comprendre la dynamiquedes couvertures pédologiques et leur relation avec le relief (Boulet, 1990). Elle est aussinécessaire pour réaliser une cartographie des sols qui sert de base à des études spatialiséesvisant des objectifs variés.

Dans les recherches visant à expliquer la composition chimique de l’eau des rivières,l’unité spatiale à considérer est le bassin versant. Le modèle pédologique, en regroupantéventuellement les volumes qui possèdent des propriétés physiques ou biogéochimiquessemblables, peut être utilisé dans une modélisation hydrochimique d’un bassin versant. C’estcette idée que Curmi et al. (1998) ont mise en application en Bretagne pour prendre encompte le rôle du sol dans le fonctionnement hydrologique du bassin et le devenir de l’azote,dans un modèle numérique semi-distribué.

1 « La dynamique est, par définition, l’étude du changement (…) en relation avec les forces qui le causent et lesformes d’énergie correspondantes : elle tend ainsi à en fournir une explication et non pas une simpledescription. » (Ambroise, 1999).

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En Guyane, j’ai contribué à vérifier les hypothèses de fonctionnement géochimiqueet donc la pertinence d’un modèle pédologique issu d’une analyse structurale. Dans le mêmetemps, j’ai utilisé ce modèle pour étudier plus précisément les processus géochimiquesassociés à son fonctionnement.

2. Le modèle pédologique étudié en Guyane

En Guyane, le «Plan vert » a débuté dans les années 1975. Il devait promouvoir desproductions agricoles et sylvicoles sur de larges surfaces après déforestation de la forêt primaire.Conjointement un programme de recherche pluridisciplinaire était initié pour identifier lesconséquences à court ou moyen terme de la déforestation, définir des techniques pourl’implantation d’écosystèmes simplifiés, agricoles ou sylvicoles, estimer leur productivité et lesconditions de leur pérennité. Un dispositif expérimental de dix petits bassins versants forestiersde surface équivalente (1 à 2 ha) fut mis en place en 1978, le dispositif ECEREX1 (Fig.1)(Sarrailh, 1990). Les deux premières années furent consacrées à la connaissance dufonctionnement, surtout hydrologique, de l’écosystème forestier, puis divers aménagements,agricoles ou sylvicoles, en vraie grandeur ont été étudiés pendant plusieurs années. Un objectifétait d’utiliser le dispositif pour comparer les conséquences des aménagements sur les bilanshydriques et sur les exportations de matières dissoutes et particulaires aux exutoires. Ce type decomparaison est un objectif classique des études de petits bassins versants. Or les travaux despédologues et hydrologues sur les bassins avant le défrichement allaient très vite révéler la non-légitimité de cette approche comparative.

1 ECologie ERosion EXpérimentation

Figure 1 : Le dispositif ECEREX et ses dix bassins versants aménagés

1 km

17

Figure 2 : Modèle pédologique en toposéquences correspondant à différents stades de transformation de lacouverture pédologique sur le socle guyanais (d’après Boulet et al., 1993), hypothèses de fonctionnement hydrique etd’évolution pédogénétique (cf encadré 1). 1- horizon microagrégé brun rougeâtre argileux ; 2- horizon de transition ; 3- altérite rouge argileuse ; 4- isaltériterouge violacé argilo-limoneuse ; 5- ensemble d’horizons brun jaunâtre sablo-argileux à argilo-sableux ; 6- horizonjaune verdâtre et sablo-argileux au sommet, jaune vif et argilo-sableux à la base ; 7- altérite rouge pâle avec tachesjaunes et blanches ; 8- altérite jaune pâle avec des taches blanches et rouges ; 9- altérite jaune pâle à blanche avec desalignements lithorelictuels subverticaux rouges ; 10- horizon gris pâle sableux.

Ultisols

Sols hydromorphesamont / aval

2

Stade 1

1

3

4

Stade 2

43

1

2

Stade 3

45

3

Stade 4

4

57 8

6

9 10

20 m20 m

1 m

Flux d ’eau

Stagnationd ’eau

Topographie

Profondeurdu sol

2. Hydromorphie

1. Erosion chimiqueet particulaire

Processus detransformation :

Oxisols

18

Encadré 1 : La couverture ferrallitique initiale au stade 1 est constituée d’un ensemble d’horizonsmicroagrégés, brun rougeâtre, de plus d’1 m de profondeur, perméables, argileux et riches ennodules ferrugineux et gibbsitiques. Le caractère microagrégé s’estompe en profondeur où unealtérite du schiste, rouge, argilo-limoneuse, plus compacte, surmonte une altérite violette, pluslimoneuse. Cette couverture formée sous d’anciennes conditions pédoclimatiques a évolué sousl’effet de deux processus, l’érosion et l’hydromorphie. Sur le versant au stade 2, la transformationse traduit par un rapprochement de la surface de l’altérite rouge. Les horizons microagrégés sontremplacés par un ensemble d’horizons moins épais, brun jaunâtre, sablo-argileux à argilo-sableux,macroporeux, riches en nodules, avec des traits d’hydromorphie. Au stade 3, l’amincissement dela couverture pédologique se poursuit faisant apparaître l’altérite violette à faible profondeur enbas de versant. Au stade 4, plus bas encore dans le paysage, la nappe phréatique baigne l’aval duversant et le drainage latéral est ralenti, créant des conditions d’hydromorphie en milieu confiné àl’amont et en milieu ouvert vers le réseau hydrographique à l’aval. La composition minéralogique de ces sols est extrêmement simple : les minéraux primaires ontdisparu, hormis le quartz. La muscovite et la tourmaline sont encore présents dans les altérites etdans des volumes ou nodules lithorelictuels préservés de l’altération par l’hématite. La matriceargileuse est constituée par la kaolinite et les oxyhydroxydes de fer de type hématite ou goethite.

Figure 3 : Evolution de différents caractères et volumes pédologiques d’un bassin à l’autre

Figure 4 pourcenta

Figure 5 Courbes d

50

19

: Ecoulements annuels des dix bassins versants sous forêt du dispositif ECEREX, enge de la pluie annuelle. Valeurs moyennes 1978 – 1979. D’après Fritsch (1992)

: Carte topographique du bassin B. Localisation de la toposéquence de la figure 6.élimitant l’apparition des principaux caractères de différenciation pédologique.

Pegmatite

0 10 50m

Exutoire

IIII

II

II

Apparition de l’altérite rouge (d) du schiste à moins d’1mde profondeur

Apparition de l’altérite rouge sombre (e) à faible profondeur

Apparition de caractèresd’hydromorphie au-dessus del’altérite rouge du schiste

II

IIII

III

Prélèvement de la nappe (1 to 5)

Toposéquence de la figure 6

1, 2

5

3, 4

Bassins versants et pourcentage de sols microagrégés épais

Ecou

lem

ent /

plu

ie a

nnue

lle

%

0

10

20

30

40rapidedifféréhors crue

C I E D B A J G F H 100% 60% 57% 60% 10% 0% 2% 0% 0% 0%

20

Les pédologues de l’ORSTOM ont réalisé dans la zone à déforester une analysestructurale détaillée de la couverture pédologique qui a mis en évidence des variations« organisées » du sol le long des versants (Boulet et al., 1979). Cette organisation a été interprétéecomme le résultat d’une transformation plus ou moins avancée selon les bassins versants (stades1 à 4, Fig.2) d’une couverture ferrallitique, actuellement en déséquilibre, dont on retrouve encorela présence essentiellement dans les parties hautes du paysage. Boulet et al. (1979) avancentplusieurs hypothèses quant à l’origine de la transformation, qui font appel à un changement deconditions externes au sol (augmentation de la pluviosité, ou baisse du niveau de la mer, ousoulèvement lent du socle guyanais) ayant favorisé l’érosion et l’hydromorphie. Puis l’un oul’autre de ces processus peut être entretenu par les changements de fonctionnement du sol,jouant alors comme des facteurs internes.

3. Fonctionnement hydrodynamique et diversité hydrologique

La distribution des sols est reconnue unanimement comme un facteur important dans laréponse hydrologique des bassins versants. Mais dans les études hydrologiques, son poidsexplicatif reste souvent très limité 1. Les recherches dans les petits bassins versants guyanais meparaissent un exemple peu fréquent d’interdisciplinarité entre les pédologues et les hydrologues.Boulet (1990) a fourni une représentation de la couverture pédologique à l’échelle du versant etdu bassin versant associée à des hypothèses de fonctionnement hydrique (Fig.2 et 3). Lacouverture microagrégée du stade initial est perméable et l’eau des pluies s’infiltre verticalementjusqu’en profondeur. Dès lors que l’altérite, compacte, apparaît à moins d’1 m de profondeur, ellelimite l’infiltration verticale de l’eau qui forme en période de pluie une nappe perchée. Celle-cicircule latéralement à la faveur de la pente dans l’horizon supérieur macroporeux. Dans les zonesbasses du paysage, une nappe fluctue à l’aval de la toposéquence. Ces hypothèses ont d’abord étéconfrontées aux mesures de l’écoulement à l’exutoire des dix petits bassins versants, dont leshydrogrammes ont été décomposés par une méthode graphique en écoulement rapide de crue,écoulement différé de crue, écoulement de base hors crue (Roche, 1982 ; Fritsch, 1992).L’écoulement total annuel varie dans un rapport de 1 à 5 entre les 10 bassins. Une relationsatisfaisante à l’échelle de l’année est apparue entre l’importance de l’écoulement rapide de crue etl’avancement de la transformation pédologique, c’est-à-dire la disparition de la couverturemicroagrégée à drainage vertical (Fig.4). Guehl (1984), puis Grimaldi & Boulet (1990) ont ensuitevérifié et précisé ces hypothèses par la caractérisation de l’espace poral, des propriétés et dufonctionnement hydrodynamiques du sol.

Nous disposions ainsi en Guyane d’un modèle de distribution des sols le long desversants, associé à des hypothèses de circulation de l’eau et d’évolution pédogénétique(Fig.2). Ce modèle est représentatif de larges zones du bouclier guyanais. Depuis, d’autres 1 « Si le chapitre sur la pédologie est une tradition incontournable dans une étude d’hydrologie analytique, lacompilation d’études de ce type laisse le sentiment que les données pédologiques des bassins versants sontamenées là à titre illustratif, et que ces informations ont été rarement déterminantes dans le choix du site desbassins représentatifs, ni décisives pour étayer les conclusions de l’étude. Dans certains cas, la reconnaissancepédologique a été commandée a posteriori comme pour constituer une pièce réglementaire au dossier. »(Fritsch, 1992)

analyses structurales de couvertures pédologiques ont montré que la transformation de solsmicroagrégés épais en sols plus minces, appauvris en argile, et diversement hydromorphes existeaussi en Amazonie brésilienne (Lucas, 1989 ; Dubroeucq & Volkoff, 1998 ; Mafra et al.,2002 ; 88). De même, l’importance des flux hydriques de subsurface peu profonds a été reconnuepar de nombreux hydrologues dans des bassins forestiers des tropiques humides (Moniz & Buol,1982 ; Elsenbeer, 2001).

Figure 6 : To

A l'amont du bassin versant, le sol est microagrégé sur un à deux mètres microagrégation s'estompe (c) puis disdépourvu de nodules, limono-argileux versants, cet horizon rouge apparaît àmicroagrégé est aminci ou est remplasuperficiel (f), brun jaunâtre, riche macroporeux, l’autre sous-jacent (g), brrouge sombre (e), encore moins altérénodules des horizons supérieurs dispara

%0 20 40 60 80

Prof

onde

ur (

m)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

%

Granulométrie Argile % terre fineLimons Fins % terre fineEléments Grossiers % total

21

poséquence type sur le bassin B.

un oxisol, brun, riche en nodules ferrugineux, argileux etd'épaisseur (b) (Boulet, 1990). Plus en profondeur, laparaît dans un horizon altéritique du schiste (d), rouge,et à structure polyédrique anguleuse puis massive. Sur les moins d’un mètre de profondeur. Au-dessus, l’horizoncé vers l’aval, par un ensemble de deux horizons : l’unen nodules, sablo-argileux, à structure polyédrique etun vif, argileux et compact. En bas de versant, une altéritee que l’horizon rouge, apparaît à faible profondeur. Lesissent.

0 20 40 60 80Pr

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3,0

22

4. Fonctionnement géochimique : étude de quelques processus

La diversité du fonctionnement hydrologique des bassins versants a donc été expliquéepar les variations spatiales du sol. En retour mon travail a plutôt consisté à profiter desconnaissances apportées par l’hydrologie pour préciser les processus géochimiques actifs dans ladifférenciation spatiale du sol.

La différenciation morphologique du sol est le résultat de processus se déroulant sur destemps très longs. Mais l’évolution d’un sol est plus diversifiée, en fonction en particulier desvariations climatiques, saisonnières et événementielles. Les études en hydrochimie apportent unevision dynamique du déroulement des processus aux courtes échelles de temps. J’ai tiré icicertains enseignements d’études réalisées en période pluvieuse et d’autres en période sans pluie.En période pluvieuse, j’ai mis l’accent sur l’érosion chimique et l’exportation des élémentschimiques, qui se manifestent au cours de la crue. En période non pluvieuse, j’ai mis enévidence l’importance de l’absorption racinaire de la forêt et de l’acidification quil’accompagne, comme moteur des hydrolyses minérales.

4.1. Erosion chimique et exportation d’éléments nutritifs au cours des crues

Cette étude a été menée sur le bassin versant B, sous forêt, du dispositif ECEREX (Fig.1,5, 6). Les sols sont à un stade relativement peu avancé de leur transformation (stade 2, Fig.2). Cebassin versant ne présente pas d’écoulement à l’exutoire en dehors des épisodes pluvieux. Aucours des pluies, l’eau commence généralement à s’écouler à la surface du sol dans la litière ou lemat racinaire, tandis qu’une nappe perchée subsuperficielle se forme à mi-versant au-dessus del’altérite rouge puis s’écoule latéralement dans l’horizon nodulaire.

Les résultats présentés sont issus des campagnes de terrain réalisées dans le cadre duprogramme PEGI, Programme d’Etude de la Géosphère Intertropicale1 mais d’autres suivis decrues en confortent le caractère représentatif (1). La connaissance de l’organisation de lacouverture pédologique du bassin versant, ainsi que des mesures tensiométriques au cours desaverses, ont permis l’identification des compartiments hydrologiques contribuant auxécoulements (ici la surface du sol et la nappe perchée de subsurface), ainsi que leur extension etleur pérennité. Les eaux de surface et de subsurface, ainsi que les eaux à l’exutoire, ont étéprélevées et analysées tout au long de la crue. A l’exutoire, un modèle de mélange par traçage

isotopique (δ18O) et chimique (Cl-) a permis de quantifier la contribution respective des deuxtypes d’écoulement, en distinguant de plus pour la nappe de subsurface un écoulement rapide etun écoulement retardé (Fig.7) (29). Les flux d’éléments chimiques correspondant à cesécoulements ont donc pu être également quantifiés.

Le chlorure est généralement conservatif, et concentré dans l’eau du sol sous l’effet del’évapotranspiration. Prolongeant son utilisation classique de traceur en hydrologie, j’ai considéréà mon tour (Cl-) comme un indicateur de l’âge moyen de l’eau. La comparaison desconcentrations des autres éléments chimiques avec (Cl-), dans les nappes et à l’exutoire, m’a

1 Responsable du projet en Guyane : T. Bariac (UMR 162 CNRS-INRA-UPMC, Biogéochimie isotopique, Paris)

23

permis de reconnaître la mise en solution ou l’immobilisation de ces éléments (dissolution ounéoformation de kaolinite, libération ou absorption de nutriments par la végétation) dans lesdifférents compartiments pédologiques, et de préciser leur comportement au cours de la crue,en fonction de l’âge moyen de l’eau.

4.1.1. Erosion chimique au cours des crues, dissolution et néoformation de kaolinite

La décomposition de l’hydrogramme de crue à l’exutoire, associée à l’analyse de la silice etde l’aluminium1 dans les nappes, montre que l’érosion chimique est plus importante dans lanappe perchée de subsurface qu’à la surface même du sol (18) (flux de H4SiO4 ou Al, Tab.1).Cependant l’érosion particulaire est nettement plus élevée, 190 kg/ha/an en 1978 sur le mêmebassin d’après les données de Fritsch & Sarrailh (1986), contre environ 20 à 25 kg/ha/and’érosion chimique la même année selon mon estimation (31). L’érosion particulaire en surfaceserait donc le plus fort facteur d’amincissement des sols. Par contre une fois les conditions dedrainage latéral installées (lorsque l’altérite rouge est présente à moins d’un mètre de profondeur),l’érosion chimique dans la nappe de subsurface est responsable de la transformationinterne du sol. Cette nappe s’écoule dans un horizon macroporeux et riche en nodules, où la

1 Réaction et équation d’équilibre de la kaolinite :Si2Al2O5(OH)4 + 6 H+ ⇔ 2 H4SiO4 + 2 Al+++ + H2Olog [H4SiO4] + log [Al+++] + 3 pH = log K

Figure 7 : Décomposition de l’hydrogramme de la crue du 24 mai 1992 sur le bassin versant B(d’après Millet, 1996)

24

dissolution de kaolinite contribue à accentuer la disparition de l’argile et la concentration relativedes éléments grossiers, nodules ferrugineux et sables quartzeux (Fig.6).

Cependant, l’érosion chimique dans la nappe perchée de subsurface ne se déroule pas demanière monotone au cours de la crue, en relation avec la proportion variable d’eau nouvelle etd’eau ancienne. Celle-ci est paramétrée par la teneur en Cl-, marqueur de l’« âge » moyen de l’eau(ou du temps de résidence). Au moment du pic de crue ce sont des eaux nouvelles qui circulentdans la macroporosité de l’horizon nodulaire. En fin de crue, les eaux de la nappe sontconstituées d’un mélange d’eau nouvelle et d’eau plus ancienne, correspondant à unralentissement de la circulation dans la macroporosité, qui favorise les échanges avec l’eaucontenue dans des pores plus fins. L’évolution des rapports (H4SiO4)/(Cl-) et (Al)/(Cl-) depuis lespluviolessivats jusqu’aux eaux les plus anciennes permet de préciser le comportement de la siliceet de l’aluminium au cours de la crue. Dans la nappe perchée de subsurface, la dissolution dekaolinite se produit surtout au pic de crue, alors que l’eau de nappe en fin de crue porte lamarque des néoformations minérales. La néoformation de kaolinite se produit alors à la foisdans l’horizon nodulaire et au sommet de l’altérite gagnée plus tardivement par la saturationd’après les données tensiométriques. Il en résulte un colmatage par l’argile des pores au sommetde l’altérite (Fig.6) qui accentue la différenciation verticale du profil et favorise ainsi la formationde la nappe perchée de subsurface.

J’ai tenté de confirmer cette interprétation en utilisant les calculs d’équilibrethermodynamique qui permettent théoriquement de savoir si l’eau est en conditions de dissoudreou de néoformer la kaolinite. Il apparaît que la composition chimique de toutes les eaux de nappeprélevées est en équilibre avec la kaolinite (18, 61) alors que les arguments précédentsmontrent la succession de dissolution puis de néoformation. Une hypothèse vraisemblable estque la kaolinite se redistribue dans le sol, par dissolution et néoformation, au gré des processusqui font varier l’un ou l’autre des trois paramètres, (H4SiO4), (Al), pH, tout en retrouvantrapidement les conditions géochimiques de son équilibre. Ces processus sont multiples : dilution,évapotranspiration, excrétion de protons par les racines, consommation de protons pardissolution des oxyhydroxydes de fer en conditions réductrices... Ceci rejoint les résultats deLucas et al. (1996) qui interprètent la modification progressive avec la profondeur de la structurecristalline de la kaolinite, et sa concentration en δ18O similaire à celle des eaux de pluie actuelles,comme la mise à l’équilibre permanente de la kaolinite avec la solution par le jeu des dissolutionset néoformations. Notons toutefois que les calculs d’équilibre sont basés sur des données malconnues dans le milieu naturel, concernant la spéciation organique et minérale de l’aluminium ensolution, et concernant les constantes de solubilité de la kaolinite variables en fonction de sacristallinité.

4.1.2. Exportation des cations nutritifs au cours des crues

Ce bassin forestier se prête particulièrement bien à un calcul de bilan d’éléments nutritifsdu fait de l’absence de perte vers la profondeur, si l’on exclut la partie amont où le sol estmicroagrégé et perméable. A l’échelle de la crue, les teneurs mesurées à l’exutoire et les fluxexportés présentent des valeurs très faibles (Tab.1), mais classiques en milieu tropical humide

25

(encadré 2). Pour permettre ici une comparaison rapide entre les éléments exportés par les eauxde surface et de subsurface, j’ai calculé pour la crue étudiée leur concentration moyenne1 à partirdes flux chimiques et hydriques totaux. Dans l’article (18), j’ai interprété plus finement lecomportement de ces éléments au cours de la crue, en comparant l’évolution temporelle de leursteneurs à (Cl-), marqueur du temps de résidence de l’eau dans le sol.

Les concentrations en chlorure moyennées sur toute la crue (Tab.1) montrent quel’essentiel de l’écoulement à l’exutoire est constitué d’eaux récentes (issues de l’événementpluvieux), y compris dans la nappe de subsurface. Le potassium, fortement mobilisé dans lespluviolessivats (11), est exporté par le ruissellement de surface ou absorbé par la végétation àpartir de la nappe de subsurface. Cette absorption se produit au cours même de la crue dans leseaux récentes. Le calcium et le magnésium sont plutôt mobilisés à partir de la litière et exportésvers l’exutoire par les deux types d’écoulement de surface et de subsurface. Leur recyclage par lavégétation est plus lent que pour le potassium (Tab.1). J’ai montré (18) que (K+) devientnégligeable dès que le temps de résidence de l’eau dans le sol augmente alors que (Ca++) et (Mg++)commencent par augmenter avec (Cl-) sous l’effet d’une absorption d’eau importante par lavégétation. Les concentrations de ces deux cations baissent plus tardivement dans les eaux pourdevenir négligeables dans les nappes entre les périodes pluvieuses (7).

Cette étude montre que les exportations de nutriments varient fortement selon lerégime hydrologique des bassins versants, en fonction de l’origine plus ou moins superficielledes écoulements mais aussi en fonction de l’âge moyen de l’eau. Ceci peut contribuer àexpliquer la variabilité spatiale et temporelle des bilans annuels des nutriments en forêtamazonienne (encadré 2). Sur le site même d’ECEREX la variabilité hydrologique entre lesbassins versants conduirait à des estimations de nutriments exportés très variables.

La portée de cette étude réalisée sur l’érosion chimique et les exportations d’élémentsnutritifs, sur un site et à partir de l’analyse de quelques crues, est bien sûr limitée. Il existe peu detravaux comparables en milieu tropical qui pourraient lui être confrontés. Elle peut participercependant à la compréhension des changements affectant les cycles biogéochimiques, sous l’effetdes modifications du climat et du cycle de l’eau en surface. Le cycle de l’eau comme ceux deséléments chimiques peuvent aussi varier sous l’effet des modifications climatiques ouanthropiques affectant la couverture végétale. L’exemple ci-dessous en est une illustration.

4.1.3. Effet de la déforestation et d’une couverture de graminées sur les bilans hydrologiques etminéraux au cours des crues

Les hydrologues de l’ORSTOM ont étudié les effets de la déforestation et des différentsaménagements sur les bilans hydrologiques et sur les caractéristiques des crues dans les bassinsversants du dispositif ECEREX (Roche, 1982 ; Fritsch, 1992). Fritsch (1992) a souligné lesdifficultés de cette étude dès lors que, déjà sous forêt, les écoulements varient dans un rapport de1 à 5, du fait de la seule hétérogénéité des sols entre les bassins. Le nombre de bassins versantsexpérimentaux n’était pas suffisant pour croiser tous les facteurs de variation, naturels etanthropiques. 1 Il s’agit d’une moyenne des concentrations pondérées par les débits.

26

Tableau 1 : Bilan des flux d’eau et de solutés à l’entrée (pluviolessivats) et à la sortie du bassinversant (exutoire) au cours d’une crue. Répartition entre les deux principaux compartimentshydrologiques (surface et subsurface). Concentrations moyennes (flux de solutés pondérés par lesflux hydriques)

Flux Eau Cl- Ca++ Mg++ K+ Na+ H4SiO4 Al

m3 moles

Pluviolessivats 840 21,0 2,3 3,6 11,8 17,4 1,8 10,8

Exutoire 240 6,3 1,9 2,0 2,4 13,9 3,6 1,7

Eau de surface 80 1,4 0,5 0,6 0,9 3,6 0,9 0,5

Eau de subsurface 160 4,9 1,4 1,4 1,5 10,3 2,7 1,2

Concentrationsmoyennes

Cl- Ca++ Mg++ K+ Na+ H4SiO4 Al

µmol L-1

Pluviolessivats 25 3 4 14 21 2 13

Exutoire 26 8 8 10 58 15 7

Eau de surface 28 7 8 13 53 7 4

Eau de subsurface 25 9 9 8 61 20 9

Encadré 2 : Le recyclage efficace des cations nutritifs en forêt tropicale humide a été traité dansla littérature comme un phénomène exemplaire d’adaptation d’une végétation à des sols trèspauvres (Schubart et al., 1984). Dans les années 70, des études en Amazonie (Réserve Duke,région de Manaus) (Stark, 1971) s’intéressent à l’évolution de la composition chimique des eauxde pluie, à travers la forêt jusqu’à la rivière, et confirment les hypothèses énoncées déjà par Sioli1(1964) d’un recyclage très rapide des nutriments par la forêt à partir de la matière organique et despluviolessivats. Dans la Réserve Duke, Schubart et al. (1984) mesurent même des apports par lapluie supérieurs aux exportations dans les rivières. Les auteurs émettent l’hypothèse d’uneaugmentation lente de la biomasse forestière ou d’une variabilité interannuelle de cette croissanceliée à des variations climatiques autour d’un état d’équilibre. La notion de cycle « fermé », appuyéepar des arguments expérimentaux (suivi de calcium et phosphore marqués (Stark & Jordan,1978)) et par les très basses concentrations des eaux du sol et des rivières, persiste jusqu’au débutdes années 1990 (Forti & Neal, 1992). Certains sites montrent cependant des exportationsd’éléments nutritifs non négligeables, qui sont attribuées à des sols plus fertiles (Bruijnzeel, 1991ou Vitousek & Sanford, 1986). Lesack (1993) conclut quant à lui à des risques d’erreur importantedu fait des méthodologies utilisées et souligne le manque d’études précises et fiables. MaisElsenbeer et al. (1995) puis Stoorvogel et al. (1997) nuancent la notion de cycle fermé sur solspauvres en montrant que des exportations de cations nutritifs se produisent, essentiellement lorsdes fortes pluies, dans les eaux superficielles ou par des voies préférentielles. Nos résultats enGuyane vont dans ce sens et apportent des informations sur les comportements différents dechaque cation au cours de la crue (6).

1 Sioli compara l’eau du Rio Negro à « de l’eau distillée contenant des impuretés » (Schubart et al., 1984)

27

J’étudie ici un bassin versant forestier et un bassin sous graminée1. Le bassin forestier estcelui étudié précédemment (bassin B). Le bassin sous graminée est voisin du premier (bassin A,Fig.1). Ils présentaient sensiblement la même distribution des sols et le même bilan hydrologiquelorsqu’ils étaient tous les deux sous forêt (Fig.4).

Fritsch (1992) a montré, par comparaison des deux bassins, qu’après déforestation dubassin A les écoulements annuels ont augmenté de 45 % tandis que les débits pour les cruesmoyennes et fortes ont plus que doublé. Nous avons repris cette comparaison en décomposantles hydrogrammes de crue sur les deux bassins par traçage isotopique et géochimique. Notreétude précise que ce n’est pas l’écoulement de surface qui augmente pendant les crues, maisl’écoulement de subsurface dans la nappe perchée au-dessus de l’altérite qui est plus durableaprès l’averse (9). Ceci peut être dû à la couverture végétale de graminée très couvrante et trèsdéveloppée lors de l’étude, qui ne laisse pas de sol nu entre les touffes et qui dispose d’un systèmeracinaire dense, amortissant l’intensité de la pluie et favorisant son infiltration. Par ailleursl’interception et la transpiration des graminées sont inférieures à celles de la forêt (Hodnett et al.,1995) ce qui augmente le flux hydrique exporté par la nappe.

En hydrochimie, je n’ai pas mené pour ce bassin une étude aussi détaillée que pour lebassin sous forêt. Il apparaît que les exportations de cations nutritifs et d’alcalinité àl’exutoire sont plus élevées sous graminée que sous forêt, liées en partie seulement àl’augmentation des flux hydriques. Lors des crues la silice est plus fortement mobilisée sur cebassin mais pas l’aluminium : il s’agit surtout de silice d’origine biologique libérée par la graminée.Le pH de l’eau est ici supérieur à 6 (contre 4,6 à 4,8 dans le bassin sous forêt). Des expériencesen laboratoire de lixiviation de feuilles et de litière de cette graminée montrent une mobilité deséléments chimiques bien différente de celle du matériel forestier (72), qui est cohérente avec nosobservations de terrain : les lixiviats de graminée présentent des rapports (H4SiO4)/(Al)extrêmement élevés (jusqu’à plus de 1000) et des pH compris entre 6 et 9.

Cet exemple confirme un fait bien connu que l’évolution géochimique du sol dépend duclimat et de la couverture végétale, les deux déterminants étant souvent liés. En milieu tropical,des changements de pédogenèse peuvent être ainsi associés à des périodes plus sèches où la forêtest remplacée par la savane (Anderson, 1981). A côté du rôle notoire de l’humification et desacides organiques, nous mettons ici l’accent sur les modifications, induites par le changement devégétation, du cycle de l’eau et des cycles biogéochimiques. Lucas et al. (1993) ont montrél’importance du recyclage biologique de la silice sous forêt tropicale. Sous graminée ce recyclageexiste aussi, avec un déséquilibre important des rapports (H4SiO4)/(Al). La modification descycles de la silice et de l’aluminium, l’augmentation du pH des eaux qui s’infiltrent, l’augmentationdes flux latéraux d’eaux d’alcalinité positive (on en verra les conséquences dans le § suivant), toutceci doit être confirmé et pris en compte pour comprendre comment le passage d’une forêt à unesavane modifie le fonctionnement géochimique du sol.

1 La déforestation de ce bassin a été réalisée en 1978, soit plus de 14 ans avant l’étude présentée ici : abattage desgros arbres, puis défrichement mécanique avec exportation de la biomasse sans brûlis, enfin plantation d’unegraminée fourragère Digitaria Swazilandensis.

4.2. Acidité minérale et hydrolyses dans la nappe d’altérite en période hors crue

En dehors des périodes pluvieuses, j’ai réalisé des prélèvements de la nappe d’altérite àl’aide de piézomètres, dans l’objectif de mieux connaître les processus géochimiques seproduisant dans l’altérite, à l’aval des toposéquences où la nappe fluctue (stade 4, Fig.2, encadré3). Une autre raison était de profiter de la simplicité minéralogique de l’altérite blanche, constituéede quartz et de kaolinite, pour établir in situ la constante de solubilité de ce dernier minéral,nécessaire aux calculs d’équilibres thermodynamiques.

Encadré 3 : L’étude a été menée sur un autre bassin versant sous forêt du dispositif ECEREX(bassin F) où les sols sont à un stade d’évolution plus avancé (aval stade 4, Fig.2). Les eaux de lanappe de subsurface s’écoulant latéralement lors des crues alimentent en bas de versant unenappe plus profonde, en lien avec le réseau hydrographique, qui baigne en permanence l’altérite.Celle-ci est fortement transformée par hydromorphie. Sa morphologie est variable selon lesformes et les teneurs en fer, associées à la durée des conditions réductrices et à la rapiditéd’exportation du fer, depuis une altérite bariolée jusqu’à une altérite blanche et rouge, puisblanche totalement déferrifiée où subsistent seulement quartz et kaolinite (Fritsch, 1984).

Les teneurs en chlorure (en moyenne 220 µmol L-1 et jusqu’à 300 µmol L-1) dans ces eauxde nappe témoignent de temps de résidence plus élevés que pour les eaux précédemmentétudiées en période pluvieuse (à l’exutoire, de 10 à 70 µmol L-1) (Fig.8). Ce sont par ailleurs deseaux très appauvries en cations nutritifs K+, Ca++, Mg++. La composition chimique de ces eaux denappe est apparue suffisamment originale - avec des pH très bas, de 4 à 4,5, et des alcalinitésnégatives rarement observées en milieu naturel - pour que je cherche à comprendre leur origine(7).

Figure 8

28

: Représentation en box-plots de la composition chimique des eaux de nappes prélevéesen période sèche (n = 30)

µmol

e . l

-1

0

100

200

300

400

Alc

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

pHAl Ca++ Mg++ K+ Na+Cl- NO3-SO4

-- H4SiO4

29

4.2.1. Origine des alcalinités négatives des eaux de nappe

L’alcalinité de l’eau est, plus directement que le pH, influencé par l’addition ou laconsommation des protons1 (Bourrié, 1976 ; Ulrich, 1986). Pour expliquer les alcalinités négativesmesurées dans les eaux de nappe, j’ai considéré le cycle de l’alcalinité dans le bassin versant,et plus particulièrement les flux entre les différents compartiments, Alcn , qui transitent parl’hydrosphère (Fig.9). Il existe d’autres raisonnements sur les bilans de protons qui s’intéressentdirectement aux flux d’H+ entrant et sortant de l’écosystème (Poss et al., 1995).

La forêt tropicale constitue, de manière classique pour la végétation, un stock d’alcalinitépositive. Une partie se retrouve dans les eaux de lessivage de la canopée, Alc2, et de la litière, Alc3,au cours des pluies. Si la forêt est en équilibre, c’est-à-dire ni en expansion ni en régression, cettealcalinité positive soutirée au compartiment épigé est récupérée par les racines dans le sol,approximativement à l’échelle de l’année. Par ailleurs, les hydrolyses minérales correspondent àun flux émis en solution d’alcalinité positive, Alc5, de même que les pluies que nous avonsanalysées2 et les aérosols, Alc1 (Talbot et al., 1990).

L’alcalinité mesurée dans les eaux de nappe, Alc6 , correspond donc à la différence entreles flux d’alcalinité positive apportés par les pluies et par les hydrolyses minérales, et les fluxd’alcalinité également positive exportés hors du bassin versant, lors des crues, par les eaux plussuperficielles (Fig.9) (7). L’alcalinité négative mesurée dans les eaux de nappe s’explique par lafaible alcalinité des pluies et la faible intensité des hydrolyses minérales qui ne compensent pas laperte pour l’hydrosystème du flux d’alcalinité positive à l’exutoire du bassin versant. Notonsque la perte d’un flux d’alcalinité positive équivaut pour l’hydrosystème à une production deprotons.

La pluviométrie et la biomasse importantes conduisent à des flux qui peuvent produireune acidification intense. Il est possible de quantifier dans le bassin versant étudié l’exportationannuelle d’alcalinité par les eaux de circulation latérale. La perte d’alcalinité positive estéquivalente à une production de protons qui a été estimée ici à 0,2 kmol ha-1 an-1 pour 3,5 m depluie3. Ce chiffre est faible par comparaison avec les apports intenses des pluies acides surl’Europe Centrale, estimés entre 2,2 et 6,3 kmol ha-1 an-1 (Van Breemen et al., 1984). Mais cesderniers apports sont extrêmement récents alors que nous pouvons extrapoler l’effet del’acidification naturelle en Guyane sur des périodes très longues.

1 Ce qui correspond bien à sa définition analytique. L’alcalinité est mesurée à l’aide d’une titration par un acidefort. (Alc) = � (A-) - (H+), où A- est un terme générique pour désigner les équivalents-anions d’acides faibles.L’alcalinité est égale à la différence entre les équivalents cations et les équivalents anions d’acides fortsminéraux (Alc) = (Na+) + (K+) + (NH4

+) + 2 (Ca++) + 2 (Mg++) + 3 (Al) + 2 (Fe) – (Cl-) – (NO3-) – 2 (SO4

=)2 Ceci ne serait pas le cas pour des pluies acides pouvant être liées à des feux de forêt ou savane.3 Cette production de protons correspond à la dissolution potentielle d’environ 8 kg ha-1 an-1 de kaolinite.

30

Figure 9 : Cycle de l’alcalinité en forêt tropicale dans un bassin versant.

4.2.2. Origine des faibles pH des eaux de nappe

L’acidification de l’eau du sol ou de la nappe par la végétation se produit dans tous lesmilieux climatiques, dès lors qu’un flux d’alcalinité positive est exporté ou stocké ailleurs : commeici lorsque des eaux superficielles ayant lessivé la biomasse quittent le bassin versant ; ou bienlorsque la biomasse est en expansion et stocke les éléments nutritifs (Nilsson et al., 1982) ; oubien lorsqu’elle est exportée sous forme de débris organiques (Taylor & Velbel, 1991) ou lors deson exploitation par l’homme. Dans le sol moins altéré des milieux tempérés, les protons produitssont neutralisés par l’hydrolyse des minéraux primaires ou fixés par le complexe adsorbant. Dansce dernier cas, l’acidité de l’eau du sol est transférée en partie au sol dont le complexe s’acidifie.

En milieu tropical, plusieurs facteurs s’additionnent pour expliquer les pH très bas deseaux de nappe :

• les minéraux primaires facilement altérables ont disparu. La solution du sol reste donc acideet son alcalinité négative ;• lorsque le pH est inférieur à 4,5, ni les acides organiques ni l’acide carbonique ne sontdissociés. Ils ne jouent donc aucun rôle tampon pour limiter l’acidité de la solution ;• le phénomène est ensuite accentué par la forte transpiration de la forêt qui accroît le caractèrenégatif de l’alcalinité et diminue donc encore le pH (Bourrié, 1976)1.

1 Reprenant aujourd’hui ces données, je peux confirmer par un rapide calcul la vraisemblance de cesconclusions. Dans le bassin versant considéré, les bilans hydriques annuels établis par les hydrologues del’ORSTOM donnaient environ 30 % de la pluie exportée en écoulement rapide de crue (Fig.4). Les eaux decirculation superficielle ont en moyenne une alcalinité de 20 µmol L-1, ce qui correspond à une exportation de0,21 kmol ha-1 an-1 pour 3,5 m ou 35 106 L ha-1 an-1 de pluie. Cette exportation correspond à une productionéquivalente de protons qui se répartissent dans les 24,5 106 L d’eau qui s’infiltre dans le sol, soit 8,6 µmol L-1

(Alc1 + Alc2 + Alc3)aeau de surface

Atmosphère

Biomasse

Litière

Sol Nappe

Alc1 pluies

Alc1 + Alc2 pluviolessivats

(Alc1 + Alc2 + Alc3)b infiltration

Alc5hydrolyses minérales

Alc4 = Alc2+Alc3absorption racinaireAlc6

4.2.3. Conséquences sur les hydrolyses minérales dans l’altérite

Un pH faible entraîne une agressivité de la solution vis à vis de la kaolinite, agressivité quipeut aussi être entretenue par le soutirage de silice (Lucas et al., 1993) et peut-être d’aluminium,par la végétation (Rose et al, 1993). Il empêche par ailleurs la reprécipitation de l’aluminium, c’est-à-dire la voie de la bauxitisation. Ce processus d’« hydrolyse acide » est donc ici à l’origine de latransformation des magasins de nappes en matériaux sableux. En effet le quartz, qui sedissout très lentement sans influence du pH de l’eau, reste alors le seul minéral résiduel. EnAmazonie brésilienne, comme en Guyane, les couvertures de « sables blancs » sont parfoisobservées sur des épaisseurs et des surfaces considérables. Les géologues ou les sédimentologuesles expliquent par des dépôts fluviatiles ou marins, liés à des paléoclimats ou à des fluctuationsimportantes du niveau de la mer. Les pédologues les attribuent à la podzolisation sous l’actiond’acides organiques à fort pouvoir complexant (Melfi et al., 1999), favorisée par la nature desroches mères de type grès ou granite et par la forte pluviosité (Tardy, 1993) Tous les matériaux desables blancs n’ont sans doute pas la même origine (Anderson, 1981 ; Lucas et al., 1986 ; TaitsonBueno G., 2001). Mais nous montrons ici que l’hydrolyse acide, dont l’origine est la perted’alcalinité positive lors du turn over de la végétation par les eaux de circulation latérale et rapide,est l’une des voies conduisant à l’accumulation résiduelle de quartz.

Photo 1 :

Les mêmd’observations, en kaolinite (5)extrapolant des r700 000 ans à

d’H+. Entre les eauaugmenté en moyekaolinite, on peut avaleurs réelles mes1 Expérience réalis« suffisamment » s

31

Muscovite se transformant en kaolinite dans le magasin de nappe d’altérite

es analyses d’eau de nappe dans l’altérite sont intéressantes à rapprocherréalisées à une toute autre échelle, concernant la transformation de muscovite (Photo 1). La muscovite est l’un des minéraux primaires les plus résistants. Enésultats obtenus au laboratoire1, à 25 °C et pH 5, 1 mm de cristal mettrait 2

se dissoudre (Lasaga, 1984). Or c’est dans l’altérite le seul minéral capable de

x de circulation superficielle et les eaux de nappes acides, la concentration en chlorure anne d’un facteur 10 par transpiration. Sans apport d’alcalinité par la pluie ou par hydrolyse deinsi expliquer des valeurs d’alcalinité dans les nappes de l’ordre de – 86 µmol L-1 . Lesurées sont un peu supérieures du fait de ces deux sources d’alcalinité positive.ée avec un temps de contact continu entre la solution et le minéral, et une solutionous-saturée (Lasaga, 1984).

32

représenter une source de potassium pour la végétation. Scott & Smith (1966), cités par Dixon &Weed (1977) montrent que la muscovite ne devient instable qu’au dessous de très faibles teneursen K+ et d’autant plus que le rapport (K+)/(H+) en solution est faible. Ce qui est particulièrementle cas dans ces eaux de nappe, acides et appauvries en K+. Lorsque la végétation absorbe certainséléments chimiques libérés par les hydrolyses minérales, le déséquilibre de la solution accroît lavitesse de l’altération (Hinsinger, 1990). Cet effet végétation explique vraisemblablement lanéoformation massive de kaolinite à partir de la muscovite, néoformation observée dans l’altériteaprès le départ du fer (5). A l’échelle du bassin versant, Taylor & Velbel (1991) ont montré queles exportations par la végétation augmentaient significativement les vitesses d’altérationcalculées, par rapport aux vitesses prédites par un modèle purement géochimique.

4.3. Conclusion

Notre travail à l’échelle du bassin versant, s’appuyant sur des méthodes et desinformations hydrologiques associées à cette échelle, a apporté un éclairage particulier sur lefonctionnement géochimique du modèle pédologique considéré, plus précisément sur l’érosionchimique, l’un des processus jouant un rôle essentiel dans la transformation de la couverturepédologique en Guyane.

Ce processus joue à deux stades de la transformation. Au stade 2 (Fig.2), il participe àl’amincissement du sol sur le versant, conduisant à l’apparition d’une altérite peu perméable àfaible profondeur. Il transforme les horizons sus-jacents en horizons à texture grossière etmacroporeux, dans laquelle une nappe perchée s’écoule latéralement au cours des averses. Austade 4 (Fig.2), il explique l’évolution de l’altérite, déjà modifiée par l’hydromorphie, en unmagasin de nappe essentiellement constitué de sable quartzeux.

La décomposition de l’hydrogramme de crue, associée au suivi de la compositionchimique des écoulements sur le bassin versant, permet de quantifier l’érosion chimique liée auxdissolutions minérales et l’exportation des éléments nutritifs dans les différents écoulements.L’utilisation du chlorure comme indicateur de l’âge moyen de l’eau permet de préciser lecomportement des éléments chimiques (issus des dissolutions minérales et éléments nutritifs) enfonction des conditions de circulation de l’eau au cours de la crue et en fonction du temps entreles crues.

Nous avons ainsi montré que sur le versant au stade 2, l’érosion chimique se manifeste leplus intensément en plein cœur de la crue. En bas de versant au stade 4, elle se produit en dehorsdes périodes de crue, sous l’effet de l’absorption racinaire de la forêt et du drainage progressif dela nappe par le réseau hydrographique. Dans ce dernier cas cependant, l’explication du processusest aussi à rechercher dans le fonctionnement hydrologique du sol au cours des crues. Lecouplage du cycle de l’alcalinité avec le cycle de l’eau a permis de mieux comprendre l’origine del’acidification de la nappe d’altérite, qui est le moteur de l’érosion chimique.

33

5. Utilisation du modèle pédologique guyanais pour des recherchesfinalisées

Différents programmes plus finalisés ont bénéficié des connaissances acquises en Guyanesur le modèle pédologique et sur son fonctionnement hydrodynamique, hydrologique etgéochimique.

5.1. Fond géochimique et mobilité du mercure dans les sols

En Guyane, la pollution mercurielle de l’environnement est un problème préoccupant, setraduisant par la contamination, via la chaîne alimentaire, des populations amérindiennes vivantsur les fleuves, et par des déséquilibres importants des écosystèmes aquatiques (encadré 4).

Encadré 4 : Le mercure est utilisé pour amalgamer l’or au cours des activités d’orpaillage, et seretrouve partiellement dans les sédiments des rivières (HgII fixé sur les particules minérales etorganiques) ou dans l’atmosphère (Hg°). Ce mercure anthropique s’ajoute au fond géochimiquenaturellement élevé dans les sols d’Amazonie et de Guyane, lié au résidu de l’altération des rocheset aux apports atmosphériques sur de longues périodes issus du dégazage de l'écorce terrestre etdes océans : Hg s’accumule au cours de l’altération et à partir des apports atmosphériques, du faitde sa forte affinité avec les oxyhydroxydes de fer et d’aluminium. L’orpaillage, mais aussi touteautre activité qui accroît l’érosion (déforestation, pratiques agricoles, construction de routes, etc.),favorise l’exportation des particules de sol vers les écosystèmes aquatiques (Roulet et al., 1998) oùse trouvent des conditions réductrices favorables à la production de monométhylmercure, formedu mercure la plus toxique accumulable au long des chaînes trophiques.

J’ai contribué d’une part à une expertise coordonnée par l’IRD sur la présence du mercureen Amazonie et ses effets sur l’environnement et la santé (96), d’autre part au ProgrammeMercure en Guyane du CNRS-PEVS1. Ce programme interdisciplinaire de recherche étudie lesdifférentes composantes du cycle du mercure en Guyane jusqu’à la contamination despopulations humaines.

L’objectif des recherches auxquelles j’ai participé plus précisément dans le cadre duprogramme Mercure en Guyane (99 à 102), était de comprendre le déterminisme de la variabilitédes teneurs en mercure dans le sol, afin de distinguer le fond géochimique (encadré 4) desapports anthropiques. Cette variabilité est en effet remarquable (3 ordres de grandeur) parfois surde très courtes distances (101). Pour l’expliquer, nous nous sommes basés sur le modèlepédologique reconnu en Guyane, et nous avons mis à profit notre connaissance des sols, de leurfonctionnement hydrodynamique, des processus qui ont conduit à leur différenciation. Ce travaila été mené sur diverses roches-mères sur des sites plus ou moins proches des chantiersd’orpaillage. Par ailleurs des informations sur la mobilité du mercure au cours d’une crue ont étéobtenues dans l’un des bassins versants forestiers du dispositif ECEREX déjà présenté dans cemémoire.

1 Direction collégiale : A.Boudou, L.Charlet, M.Cossa, M.Grimaldi.

34

Nous avons montré par une approche originale, basée sur l’utilisation d’éléments tracespour paramétrer l’altération des roches (Nb comme élément réfractaire, U et Zn dont lecomportement approche celui du mercure dans certaines conditions géochimiques), que la partatmosphérique du mercure domine largement la part du mercure issu de l’altération(Fig.10) (81, 42). Cette information est un préalable pour expliquer les profils des teneurs enmercure dans les sols.

- Les sols profonds microagrégés, reliques de la couverture pédologique initiale (Fig.2),sont les plus fortement concentrés sur toutes les roches-mères, sur des profondeursimportantes (Fig.10). Ceci s’explique par la conjonction favorable de plusieurs facteurs : leur« âge » important sans rajeunissement par érosion, permettant l’accumulation du mercure issu del’altération et surtout issu des apports atmosphériques sur de longues périodes ; leur perméabilité,permettant le drainage vertical des eaux de pluie chargées en mercure ; l’abondance et la taille fine(argile) des oxyhydroxydes de fer qui retiennent le mercure ; enfin les conditions oxydantes dansces profils, qui limitent sa mobilité .

- Les sols rajeunis par l’érosion et présentant une altérite imperméable proche de lasurface, correspondant à des stades ultérieurs de la transformation de la couverture pédologique(stades 2 et 3, Fig.2), sont beaucoup moins concentrés en mercure apporté par l’atmosphère(Fig.10). Dans l’altérite ceci s’explique par une faible pénétration des pluies. Dans les horizonssupérieurs ceci s’explique par leur appauvrissement en argile et en fer par la nappe de subsurface,qui diminue leur capacité de rétention du mercure. Les analyses de la nappe à mi-versant lorsd’une crue montrent en effet que la teneur en mercure dissous est corrélée aux teneurs en fer etaluminium exportés par la nappe (102).

- Les sols les plus pauvres en mercure sont les sols hydromorphes (Fig.10). Ce sontaussi les sols les plus pauvres en oxyhydroxydes de fer. Mais des pertes atmosphériques élevéesde mercure gazeux ont été mesurées (43, 102) à la surface de ces sols, hors événement pluvieux,qui pourraient expliquer, plus que l’exportation de mercure sous forme dissoute au moment descrues, les faibles teneurs de ces sols.

Au cours de la crue étudiée sur le bassin B, le mercure semble surtout exporté enassociation avec les particules érodées du sol dans les eaux superficielles, même s’il est aussiexporté sous forme dissoute par la nappe de subsurface (43). Ceci confirme l’importance d’évitertoute activité produisant de l’érosion particulaire, en particulier celle qui toucherait les solsmicroagrégés les plus concentrés en mercure (96).

Bien sûr les teneurs en mercure sont considérablement augmentées, dès lors que les solsreçoivent, en plus des apports atmosphériques naturels, les apports liés à l’orpaillage. Ceux-ci,plus concentrés en surface (Fig.10), se redistribuent de manière variable avec la profondeur dansles différents types de sol.

35

Figure 10 : Estimation des origines du mercure, liées à l’altération et aux apports atmosphériques,sur trois profils le long d’une toposéquence éloignée d’un site d’orpaillage (sol microagrégé àl’amont, sol mince de versant sur altérite, sol hydromorphe à l’aval) et sur un profil situé prèsd’un site d’orpaillage, sur le bouclier guyanais.

5.2. Effet sur le sol et les eaux des retombées d’acide et d’alumine lors des lancementsd’Ariane 5 en Guyane

J’ai de même utilisé des résultats des études hydrochimiques réalisées en milieu naturel,pour comprendre l’impact sur les eaux de rivières des rejets intenses d’acide chlorhydrique etd’alumine par les moteurs au propergol lors du décollage d’Ariane 5 (90 à 95, 97, 98). Ce travailétait commandité par le Centre Spatial Guyanais auprès de l’ORSTOM-IRD en Guyane. Lespremières études ont concerné une zone en champ proche située « sous le vent » du banc d’essaides moteurs. Une cartographie pédologique de la zone forestière à fort risque d’impact y amontré la présence majoritaire de sols à drainage latéral superficiel (stade 2 ou 3, Fig.2) (95). Enconditions naturelles, j’avais mis en évidence par l’étude des pluviolessivats et des eaux de litièreun pouvoir tampon élevé de la biomasse forestière, vivante et morte (mesure de l’alcalinité).J’ai vérifié ici que la biomasse forestière limite l’acidité de l’eau de pluie après les tirs par le biaisd’un lessivage accru des cations nutritifs dans la canopée. Le passage des eaux sur la litière assureun pouvoir tampon complémentaire, par mobilisation des cations de la matière organique et parla présence des acides organiques qui tamponnent sous forêt le pH autour de 4,6-4,8 (1, 18). Lepouvoir tampon de la biomasse forestière est beaucoup plus élevé que celui du sol, lié à lakaolinite (Van Breemen & Wielemaker, 1974). Ce pouvoir tampon explique le fait que, malgré lefonctionnement hydrologique des bassins versants, aucune diminution de pH n’a été observéedans les rivières drainant la zone, pour quasiment tous les essais.

Hg altération

µg kg-1

0 5 10 15 20 25 30

Prof

onde

ur (

m)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Hg atmosphère

-100 0 100 200 300 400 500 600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

S1S3S7C2

µg kg-1

sol microagrégésol mince sur altéritesol hydromorphesol près d'un chantier

36

5.3. Les sols et les hommes des fronts pionniers en Amazonie brésilienne

Ce dernier volet de mes recherches en milieu tropical s’éloigne fortement de l’approchehydrochimique en petits bassins versants. Je le mentionne cependant comme une ouvertureimportante pluridisciplinaire, en particulier vers les sciences humaines, dimension nonimmédiatement associée à mes premières recherches menées en Guyane. Le contexte estd’ailleurs très différent. Ces études ont pour cadre les fronts pionniers d’Amazonie brésilienne(encadré 5).

Depuis 1998 sous forme de missions et d’encadrement d’étudiants (78, 83), puis lors dema mise à disposition de l’IRD en 2002-2003, je participe avec d’autres pédologues1 aux étudessur le sol dont l’objectif est de préciser l’importance de la couverture pédologique sur lesstratégies d’occupation et de gestion des sols par les agriculteurs, en particulier sur la rapidité del’évolution vers les pâturages (41). L’approche est double : la prise en compte du sol est analyséed’une part à travers les savoirs des agriculteurs, révélés par des enquêtes, d’autre part à partird’une connaissance plus « scientifique » des pédologues et des agronomes.

Encadré 5 : Sur la plupart de ces fronts pionniers, De Reynal et al. (1995) ont mis enévidence une même trajectoire d’évolution : une phase d’installation où l’agriculteurpratique l’extractivisme et commence à déforester pour installer des cultures annuelles,suivie d’une phase de diversification où l’élevage se développe progressivement, jusqu’à laphase de spécialisation où l’élevage devient l’activité principale. Cependant les pâturagesapparaissent dans la plupart des cas une utilisation du sol non durable, du fait d’unedégradation rapide du couvert végétal (Chauvel et al., 1997 ; Topall, 2001). Aussi,l’agriculture familiale, importante dans la première décennie de colonisation, a-t-elletendance à migrer avec l’avancée du front pionnier, laissant rapidement place en arrière dufront à de grandes exploitations d’élevage extensif. La conséquence est une spectaculairerégression du massif forestier (plus de 20 000 km2 chaque année). Cependant, il existe enmilieu amazonien une grande diversité des milieux, des pratiques agricoles, des conditionssocio-économiques. La trajectoire d’évolution évoquée ci-dessus, et la migration des petitsagriculteurs qui en découle, rencontre des exceptions. Il s’agit donc d’en rechercher lesraisons, afin de découvrir les conditions d’une agriculture familiale durable et sédentaire. Cetravail est mené en coopération avec des chercheurs brésiliens en pédologie, agronomie etsciences humaines (accords entre le CNPq et l’IRD ou le CNRS, dans le cadre duprogramme Najac2 et la Zone Atelier Amazonie du CNRS-INSU3).

Les sols d’Amazonie ont généralement subi une longue altération en co-évolution avec lerelief. Nous cherchons à comprendre par l’étude de toposéquences, la diversité des sols dans lepaysage. Nous avons retrouvé sur plusieurs roches-mères des systèmes pédologiquess’apparentant au modèle guyanais : sols profonds et perméables en haut de versant, sols minces età drainage latéral sur le versant, sols hydromorphes en bas de versant (88). Comme en Guyane,

1 M.Grimaldi, P.Curmi, M.Dosso, A.Ruellan et des pédologues brésiliens2 Responsable M. Dosso (CNEARC) associant des chercheurs de l’INRA, de l’IRD et du CNEARC (P.Curmi, C.Grimaldi, M.Grimaldi, P.Jouve, A.Ruellan)3 Responsable M. Grimaldi (UMR137 IRD), associant des chercheurs du CNRS, de l’INRA, de l’IRD et desenseignants-chercheurs du CNEARC, de l’Université Fédérale du Pará et de l’Université Antilles-Guyane

37

les hypothèses de fonctionnement hydrique sont précisées par des mesures in situ (Grimaldi &Martins, 2003 ; Martins & Grimaldi, 2004). Sur ces sites où la forêt est détruite puis brûlée pourêtre remplacée par une végétation de pâturages, nous étudions non plus les processuspédogénétiques mais l’évolution de la fertilité chimique du sol (pH, aluminium et phosphorebiodisponibles, cations nutritifs), en fonction de la position sur la toposéquence et dufonctionnement hydrique. Ce travail est actuellement réalisé par des étudiants brésiliens que je co-encadre.

6. Perspectives

Mes recherches présentées dans ce chapitre ont été axées sur un modèle pédologiqueidentifié en Guyane par une analyse structurale. J’ai précisé quelques aspects du déroulement etdu déterminisme de processus géochimiques, actifs dans ce modèle pédologique, et quiparticipent à sa dynamique.

Peu de travaux, dont l’objectif est la connaissance de la pédogenèse, se situent à l’échelledu petit bassin versant. J’ai montré l’intérêt de cette échelle pour certains raisonnements etacquisitions de données concernant le couplage du cycle de l’eau et des cycles biogéochimiques, laquantification des flux hydrochimiques, et l’étude des interactions sol-eau-végétation. Ces troisaspects n’ont pas toujours été pris en compte de manière approfondie pour la compréhension desprocessus pédogénétiques.

Je n’ai fait moi-même qu’illustrer leur importance, sans pouvoir toujours confirmer meshypothèses ni généraliser mes conclusions par des études plus fouillées. Prendre en compte lefonctionnement en système des volumes pédologiques le long de la toposéquence, et leurinteraction avec la couverture végétale, considérer ensemble les processus hydrologiques etgéochimiques participant à ce fonctionnement, l’extrapoler sur le long terme pour comprendre ladynamique de la couverture pédologique, tout ceci constitue une perspective très ambitieuse,mais qui pourrait apporter un nouvel éclairage aux études de pédogenèse. La nécessitéd’approches plus quantitatives implique de faire appel à une modélisation à une échelle plus largeque celle où sont développés actuellement les modèles de transport réactifs qui reproduisentl’altération des silicates. En effet, ces modèles ne prennent pas en compte l’effet végétation1, ni ladimension latérale des écoulements.

Les modèles de transport réactif sont déjà très complexes, même en étant mono-dimensionnels. Il s’agirait plutôt ici d’utiliser les avancées de la modélisation numérique distribuéeou semi-distribuée, développée pour les recherches finalisées sur le devenir de substancespolluantes, et permettant le couplage spatialisé des processus hydrologiques et des processusbiogéochimiques. La pédologie pourrait adapter ces modèles à des questions qui lui sont propres.Ces modèles hydrochimiques devraient être associés aux modèles pédologiques fournis par

1 Par exemple, Soler & Lasaga (1998) simulent la formation d’un profil bauxitique, en incluant de nombreusescontraintes cinétiques, géométriques et thermodynamiques, mais sans évoquer un éventuel effet de la végétation.De manière surprenante, ils sont satisfaits de trouver un bon accord pour le rapport Si / (Na + K) entre l’eau delessivage du profil simulé et les rivières de Guyana, alors que K, sinon Si, est fortement recyclé par la végétation.

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l’analyse structurale, qui donnent une représentation de l’organisation du sol assortied’hypothèses sur les circulations de l’eau dans un bassin versant. Fritsch & Fitzpatrick (1994)considèrent d’ailleurs de tels modèles pédologiques comme un préalable au développement demodèles mathématiques sol-eau-paysage.

De manière complémentaire à cette modélisation, il est bien sûr nécessaire de poursuivredes études in situ de modèles pédologiques, à l’échelle du bassin versant, où s’impliquentsimultanément des pédologues, hydrodynamiciens, géochimistes, hydrologues, etc… Quelquesefforts de pluridisciplinarité se manifestent actuellement sur les grands bassins versants autour dela problématique des changements globaux. L’objectif est de prévoir les changements de lacomposition chimique des rivières et des bilans biogéochimiques en fonction des changementsclimatiques, mais aussi des activités humaines1. Pour parvenir à cet objectif, il sera sans doute utiled’approfondir pour des petits sous-bassins le rôle du sol sur les cycles biogéochimiques, c’est-à-dire son fonctionnement géochimique actuel, et sa dynamique en fonction des changementsglobaux.

1 On peut citer par exemple les recherches menées dans l’ORE BVET (Observatoire de Recherche enEnvironnement – Bassins Versants Expérimentaux Tropicaux) qui étudient et modélisent l’altération dans desbassins versants d’Amazonie et d’Inde, dans cet objectif.

39

Hydrochimie dans des petits bassins versantsagricoles en milieu tempéré

Apports à l’étude de la qualité de l’eau des ruisseaux

La qualité de l’eau est au cœur des préoccupations environnementales dans de trèsnombreux pays, en particulier en France et de manière aiguë en Bretagne. La recherche surla qualité de l’eau est essentiellement une recherche finalisée qui répond aux préoccupationsde la société. A ce titre elle fournit des connaissances qui doivent rapidement s’insérer dansun débat public et aider aux décisions. Pour reprendre le fil historique de mes recherches,j’aborde ici une nouvelle étape : loin du réductionnisme qui sous-tendait le début de monexpérience professionnelle, puis des recherches naturalistes en forêt guyanaise qui pouvaients’abstraire des pressions sociales externes, après ma courte expérience brésilienne où se sontaffirmées l’importance et parfois la violence des rapports humains dans l’occupation dumilieu, ce dernier type de recherche me place plus directement en situation de responsabilitéet de dialogue avec la société. D’après Bourdieu (1997) et al., l’environnement est unphénomène social, où le chercheur est un acteur parmi d’autres, qui participe à construire lademande sociale, c’est-à-dire ici « le problème de l’eau » (Steyaert, 2004)1.

Même si la présentation de mes activités ne fait pas directement référence auxspécificités de la recherche finalisée, on y retrouve l’obligation de concilier un objectif deconnaissances scientifiques approfondies avec un besoin de réponses pratiques et demessages relativement simples à transmettre à la société. Une autre conséquence est lanécessité de travailler sur des objets complexes qui imposent des recherchespluridisciplinaires.

≈≈≈≈≈

En Bretagne, comme dans toutes les régions d’agriculture intensive avec une fortecomposante de productions animales, les pratiques de fertilisation et d’élevage entraînent unafflux de nutriments en excès (azote, phosphore) et de substances potentiellement toxiques(pesticides, métaux lourds…) dans les nappes et les cours d’eau, où ces substances limitent lesressources en eau potable et modifient les équilibres écologiques. Dans mes recherches destinées 1 Pour illustrer un aspect de la non-neutralité de la recherche dans la demande sociale, on peut analyser le cas dunitrate et s’étonner de la place privilégiée accordée à cet anion à la fois dans la recherche et la politique del’environnement sur la qualité de l’eau. L’étude du nitrate présente un grand intérêt scientifique. C’est un anionfacilement détectable dans l’eau et relativement sensible aux changements de pratiques agricoles sur le bassinversant. A ce titre, son étude peut renseigner de façon plus générale sur les modes de transfert et les conditionsbiogéochimiques dans les bassins versants, responsables éventuellement d’autres composantes de la compositionchimique des eaux. Mais il est indéniable que d’autres substances dont l’effet toxique est plus certain, devraientconcentrer plus d’effort de recherche, moyennant des reconversions thématiques et des coûts sans doute plusimportants.

40

à mieux appréhender les processus de dégradation ou de possible restauration de la qualitéphysico-chimique des eaux de rivière, je me suis intéressée à deux paramètres de cette qualité :essentiellement la charge en nitrate et plus récemment la charge en matières en suspension(MES) (encadré 6).

Encadré 6 . L'azote est un nutriment indispensable à la croissance végétale.L’augmentation de la production végétale agricole passe par une fertilisation azotée, minérale ouorganique. Les effluents d’élevage, riches en azote, sont utilisés en partie comme fertilisants et enpartie épandus sur le sol pour en écouler les excédents. L'azote est absorbé par la majorité desplantes sous sa forme NO3

-. Or dans le sol, s’il n’est pas rapidement prélevé par les racines, NO3-

est facilement lixivié par les eaux qui s’infiltrent, d’où des pertes importantes de cet anion entraînévers les eaux de nappe et le réseau hydrographique.

Depuis une bonne vingtaine d’années, les concentrations en nitrate ont fortementaugmenté dans la majorité des eaux superficielles ou souterraines des pays développés. Unenorme de 50 mg L-1 de NO3

- a été retenue en France comme critère de potabilité. Elle est baséesur un principe de précaution vis à vis de l’effet toxique de NO3

- dans l’alimentation, ou plutôt deses dérivés, l’ion nitrite ou les composés N-nitrosés, sur la santé humaine (méthémoglobinémiechez le nourrisson, cancers chez l’adulte) et sur la santé des ruminants. Les difficultés à avérer ceteffet sont liées à l’impossibilité de mesurer l’exposition au nitrate dont les origines sont diverses(eau, aliments végétaux, source endogène), ainsi qu’à la multiplicité des facteurs qui influencent latransformation du nitrate en ses dérivés toxiques (bactéries réductrices, autres substancescatalysant ou inhibant ces réactions) (Pignatelli, 2000).

Au-delà du problème de potabilité, le nitrate, lorsqu’il est associé au phosphore dissous,favorise l'eutrophisation des milieux aquatiques, c’est-à-dire un développement accéléré d’algueset de végétaux qui perturbe les autres organismes présents dans l’eau. L’eutrophisation entraîne ladiminution de l'oxygène et de la lumière, la prolifération d'algues toxiques (cyanophycées),l'augmentation des sédiments liée à la présence de végétaux qui piègent les particules etralentissent la vitesse de l’eau, la décomposition de matière organique pouvant produire en milieuhypoxique NH4

+ et NO2- toxiques pour la faune, et enfin des marées vertes dans les estuaires.

Alors que NO3- est soluble dans l’eau, P est essentiellement transféré avec les particules.

Dans les milieux aquatiques, il peut être solubilisé à la faveur du brassage des sédiments, desréactions d’équilibre avec l’eau interstitielle ou de la réduction des oxy-hydroxydes de fer auxquelsil est associé. S’intéresser à l’origine et à la dynamique des matières en suspension permetd’apporter des informations sur le devenir des substances dont le transfert est associé auxparticules de sol, comme le phosphore mais aussi les pesticides, les métaux lourds.

Les matières en suspension ont de plus des effets directs sur la qualité physico-chimiqueet biologique des cours d’eau. La turbidité des eaux réduit la lumière. Le colmatage des habitatsde la faune benthique et l’envasement des milieux aquatiques dégradent leur qualité biologique.Dans le Massif armoricain peu d’études ont été consacrées à ce problème. Bien que les facteursdu milieu physique naturel soient peu favorables à l'érosion (pluviométrie et intensité des aversesrelativement modérées, pentes faibles, texture limoneuse), les facteurs anthropiques (arasementdes talus et des haies, augmentation des surfaces de maïs et de cultures légumières, diminution dela matière organique des sols, rectification des cours d’eau) accroissent significativement lesrisques de ruissellement et de particules de MES, en particulier lors de la succession d'averses enhiver ou lors des pluies orageuses en été.

41

Dans ce chapitre je présenterai mes recherches en milieu tempéré portant sur lacomposition chimique de l’eau des ruisseaux dans des petits bassins versants agricoles. Parmiles déterminants de cette composition chimique, je traiterai plus particulièrement du rôle decertains compartiments du bassin versant ou structures du paysage dans le domaineproche du ruisseau, qui modifient le transfert de l’eau et le devenir des substances transportées.J’attirerai l’attention sur la nécessité d’articuler les études réalisées à l’échelle du bassin versant etcelles réalisées sur le cours d’eau lui-même, qui pour certaines substances chimiques, les matièresen suspension et substances associées est encore le lieu de transformations importantes. Ceci estaussi un préalable nécessaire aux recherches pluridisciplinaires qui devront intégrer la qualitéphysico-chimique et la qualité biologique des rivières.

1. Organisation fonctionnelle hydrologique du bassin versant

Mes recherches s’ajoutent aux très nombreuses études en hydrochimie qui s’intéressent àla dynamique du nitrate dans les bassins versants agricoles (Haygarth & Jarvis, 2002). Il s’agit decoupler les processus hydrologiques et les processus biogéochimiques qui participent au transfertde l’eau vers la rivière et aux transformations de l’azote au cours de ce transfert. Une étapenécessaire est de disposer d’une représentation du bassin versant, fonctionnelle vis à vis destransferts d’eau.

De la même manière qu’en Guyane l’analyse structurale avait permis cette représentationfonctionnelle de la couverture pédologique, Curmi et al. (1998) ont montré que la majorité desversants, sur plusieurs roches-mères du Massif armoricain, étaient constitués de deux grandsdomaines pédologiques caractérisés par des conditions de drainage contrastées, avec des solsbien drainés en haut de versant et des sols hydromorphes de bas de versant. Entre ces deux pôlespeut exister un troisième domaine de sols à drainage intermédiaire, d’extension variable. Lesconditions de drainage déterminent l’origine des écoulements à l’exutoire du bassin versant, maisaussi la transformation du nitrate, particulièrement sensible aux conditions d’oxydoréduction(production par nitrification dans les sols bien drainés, consommation par dénitrification dans lessols hydromorphes).

Dans le Massif armoricain, outre la couverture pédologique, d’autres magasins denappe plus profonds, les altérites et parfois la roche fracturée, doivent être pris en compte pourexpliquer l’hydrologie du bassin versant. On verra que ces compartiments plus profonds peuventaussi être le lieu d’une dénitrification.

La représentation conceptuelle d’un bassin versant en réservoirs hydrologiques,classiquement admise pour le Massif armoricain, fait appel à une nappe générale qui baignedifférents aquifères superposés (roche fracturée, altérite, couverture pédologique) et dont letoit varie en fonction des conditions climatiques et des saisons (Fig.11). Le toit de cette nappe esttoujours profond sur le versant et atteint la surface une bonne partie de l’année dans les solshydromorphes de bas de versant. Un ruissellement sur surface saturée peut alors se produire lorsdes pluies. Dans un bassin versant sur schiste (ruisseau du Coët-Dan, Morbihan), Molénat et al.(1999) montrent que l’écoulement de nappe représente 95% de l’écoulement annuel, ce qui

semble un ordre de grandeur assez général pour le Massif armoricain. En période de crue, jusqu’à30% du débit peut être dû au ruissellement (Durand & Juan Torres, 1996). Ce schémad’organisation pédologique et de fonctionnement hydrologique sert de base à différentesmodéli tions numériques hydrochimiques à l’échelle du bassin versant (Curmi et al., 1998).

le Masdu sol,fossés)de surdans le

2. Int

approcmon aespéran

de l’eareprésebassin l’hydrocompleinconnconnusde ce

sa

42

Figure 11 : Schéma du fonctionnement hydrologique du versant

Alors qu’en Guyane la couverture végétale était homogène sur chaque bassin étudié, danssif armoricain la surface du sol correspond à une mosaïque de végétation ou d’occupation avec des éléments surfaciques (parcelles cultivées) et des éléments linéaires (haies, routes,, sans parler de l’hétérogénéité spatiale des intrants d’origine agricole. Cette organisationface s’ajoute à celle du sol et du sous-sol pour expliquer la dynamique de l’eau et de l’azotes bassins versants.

érêt de l’approche expérimentale

Je travaille dans une équipe de recherches qui mène deux types d’approches, unehe de recherche expérimentale et une approche de modélisation numérique. Lors derrivée dans cette équipe, j’ai choisi de me consacrer d’abord à des études de terrain ent contribuer au nécessaire dialogue entre les deux approches.

Dans un bassin versant, les processus et les facteurs déterminant la composition chimiqueu du ruisseau sont multiples. Un objectif de la modélisation est de parvenir à lantation et à la quantification du fonctionnement du système complexe que constitue unversant. Cependant Oreskes et al. (1994), à partir précisément d’exemples issus delogie et de la géochimie, soulignent les limites de la modélisation dans les systèmesxes « naturels », que ces auteurs qualifient d’open systems, c’est-à-dire avec de nombreusesues ou imprécisions sur les paramètres d’entrée, avec des processus incomplètement, et par conséquent avec de nombreuses hypothèses simplificatrices. De tels modèles sontfait impossibles à vérifier (Oreskes et al., 1994), et ne peuvent en particulier servir à

43

confirmer ou infirmer le schéma conceptuel de fonctionnement qui constitue pourtant leurfondement même. Les études expérimentales doivent par contre y participer.

Les études expérimentales que je mène s’attachent à connaître le rôle de certainscompartiments du bassin versant ou structures du paysage sur la dynamique du nitrate dans l’eaudu ruisseau. On verra qu’elles contribuent à préciser ou à contredire, puis à modifier lareprésentation simplifiée de l’organisation du milieu et de son fonctionnement hydrologique ougéochimique, utilisée par les modèles hydrochimiques actuellement développés. En retour, leurintégration dans ces modèles devrait permettre de quantifier leur rôle, localement ou à l’échelle dubassin versant, et de tester ce rôle au cours de scénarios éloignés de la réalité observée.

Parmi ces compartiments ou structures, j’ai privilégié ceux qui sont localisés à proximitédu cours d’eau, domaine où la nappe générale se rapproche de la surface. En effet ce domaineprésente souvent des conditions biogéochimiques bien différentes du reste du bassin et, par salocalisation, peut contrôler fortement les flux entre le versant et la rivière. Les zones humidesde fond de vallée occupent la plus grande partie du domaine riparien et ont déjà fait l’objet denombreuses études. J’ai abordé l’étude de la haie de ceinture de fond de vallée qui constitueleur interface avec le versant à l’amont. Côté ruisseau, je me suis intéressée aux échanges entre lanappe de subsurface et l’eau de surface. Il s’agit d’abord de la nappe d’altérite qui à certainespériodes alimente le fond du ruisseau. Il s’agit aussi des échanges bidirectionnels entre la nappede subsurface et le ruisseau, au sein de la zone hyporhéique. Nous verrons que tous cescompartiments influencent les teneurs en nitrate du ruisseau, sous contrôle hydrologique oubiogéochimique.

3. Rôle du domaine proche du cours d’eau

Dans le Massif armoricain, même à l’amont des paysages, le réseau hydrographique estbordé de manière plus ou moins continue par des zones humides qui s’élargissent en raquettedans les têtes de vallon. Elles correspondent aux sols hydromorphes de bas de versant,précédemment évoqués, où la nappe affleure une grande partie de l’année. Insérées au sein dupaysage agricole, elles sont occupées le plus souvent par des prairies permanentes et couvrent 15à 20 % de la surface du sol (Merot, 2000). Les zones humides de fond de vallée ont fait l’objet denombreux travaux dans les diverses régions du globe affectées par une pollution diffuse en nitrate(Pinay et al., 1993 ; Ambio, 1994 ; Hill, 1996 ; Haycock et al., 1996 ; Fennessy & Cronk, 1997 ;Spruill, 2000 ; Blackwell et al., 2002), comme dans le Massif armoricain (Durand et al., 1998 ;Bidois, 1999 ; Regimbeau, 1999 ; Clément et al., 2002, 2003). Elles représentent des « puits » denitrate, d’où l’intérêt qu’elles suscitent. En effet, un processus de dénitrification, c’est-à-dire laréduction par des bactéries du nitrate en azote gazeux couplée à l’oxydation de matière organique(Knowles, 1982), se produit dans la nappe qui baigne durablement les horizons superficiels dessols hydromorphes.

A l’échelle de la zone humide, le potentiel dénitrifiant est fonction des conditionsbiogéochimiques (potentiel d’oxydoréduction, teneur et type de matière organique, température)

44

mais aussi des conditions hydrologiques (temps de résidence de l’eau comparé au temps desréactions, présence de la nappe dans les horizons organiques). A l’échelle du versant (du bassinversant), le rôle épurateur de la zone humide (des zones humides) dépend d’autres conditionshydrologiques, en particulier de la proportion des flux de nitrate qui y transitent avant derejoindre le cours d’eau. Le rôle épurateur d’une zone humide dépend donc de conditionslocales, spécifiques à la zone humide, mais ne peut être appréhendé indépendamment dufonctionnement du versant. C’est dans cet objectif que nous avons abordé l’étude de la haie deceinture de fond de vallée, comme interface entre le versant cultivé et la zone humide, susceptiblede modifier les chemins de l’eau, les vitesses et les flux dans la zone humide.

3.1. La haie de ceinture de fond de vallée

L’essentiel des connaissances acquises sur le rôle des arbres sur le fonctionnementhydrique et géochimique du sol concerne des peuplements forestiers ou des arbres isolés. La haieest une structure boisée particulière, linéaire, s’étendant entre deux parcelles d’un paysageagricole. Parmi ces haies, la haie de ceinture de fond de vallée est encore originale car sarhizosphère est en relation directe avec la nappe de subsurface. Dans le Massif armoricain, elle estgénéralement située entre une parcelle amont cultivée et fertilisée, et une parcelle aval occupéepar une prairie permanente humide.

3.1.1. Etude du rôle de la haie sur les transferts d’eau et de nitrate

Cette étude a été réalisée dans le cadre de la thèse de V. Caubel (87).

Le dispositif de mesures (tensiométrie, piézométrie, prélèvements d’eau de nappe) estplacé le long d’un transect parallèle à la pente et recoupé par une telle haie. Le pas spatial ettemporel des mesures hydriques et chimiques est assez serré pour couvrir la forte hétérogénéitéde l’état du sol et de la solution sur ce transect. Cette hétérogénéité pressentie est vérifiée : pourtoutes ces mesures, elle est fonction de leur profondeur, de leur localisation à l’amont ou à l’avalsur le transect, plus ou moins proche de la haie. Deux transects voisins, avec et sans haie, sontcomparés.

Caubel (87) a montré un effet direct de la haie étudiée sur la consommation du nitratedans la nappe par dénitrification dans la rhizosphère et par absorption racinaire (15) (Fig.12). Unautre effet dont les conséquences sont plus complexes à évaluer est d’ordre hydrologique. Laforte transpiration des arbres produit en été une dessiccation accrue du sol au niveau de larhizosphère qui influence localement le toit de la nappe de subsurface en inversant songradient hydraulique à l’entrée de la zone humide (17) (Fig.13). A l’automne à la reprise despluies ce phénomène retarde l’écoulement latéral de la partie superficielle de la nappe d’environ 1mois en 1999 et en 2000, correspondant à 100 mm de pluie.

45

Figure 12 : Cartes des isovaleurs des teneurs en nitrate dans la nappe sur les deux transects. Lescroix représentent les points de mesures. (d’après Caubel, 2001).

Nitrate (mmol L-1)

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0-2

-1

0

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0-2

-1

0

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0-2

-1

0

11/02/99

7/04/99

5/05/99

-0.01

0.07

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.30

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0-2

-1

0 10/06/99

FENCEUPSLOPE DOWNSLOPE

10 m à l’amont 10 m à l’aval

Transect sans haie

amont aval

février

avril

mai

juin

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0

-2

-1

0

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0

-2

-1

0

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0

-2

-1

0

11/02/99

7/04/99

5/05/99

Nitrate (mmol L-1)

-0.01

0.07

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.30

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0

-2

-1

0 10/06/99

UPSLOPE DOWNSLOPE

10 m à l’amont 15 m à l’aval

amont avalfévrier

avril

mai

juin

Transect avec haie

46

Figure 13 : Carte des isovaleurs du potentiel total le long des deux transects. Les croixreprésentent les points de mesure. La ligne en tirets représente le toit de la nappe (d’après Caubel,2001)

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0

-291*-209-202-195-183

-134

-153

-157

***-222-210-225

-178

-170

-162

-468**-227-215-204

-176

-167

-164

*-166-232-226-216

-208

-197

-164

-162

-266-252

-173

-162

-158

-195-199-195-173-163

-157

-160

-184-167-158-154-152

-158

-154-155-147-152-153

-134-136-148-139

-124-133-146-140

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-150

-100

-75

-50

-25

0

UPSLOPEHEDGE

DOWNSLOPE

15/02/99

17/06/99

21/07/99

15/11/99

13/12/99

10 m à l’amont 15 m à l’aval

Transect avec haie

février

juin

juillet

décembre

novembre

amont aval

humide

sec

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0 15/02/99

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0 17/06/99

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0 21/07/99

UPSLOPEFENCE

DOWNSLOPE

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0 15/11/99

-10 -5 0 5 10 15

-2

-1

0 13/12/99

-1000

-900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-150

-100

-75

-50

-25

0

10 m à l’amont 15 m à l’aval

Transect sans haieamont aval

février

juin

juillet

novembre

décembre

humide

sec

47

3.1.2. Hypothèses sur le fonctionnement de la zone humide à l’aval de la haie

La haie de ceinture de fond de vallée a donc une influence directe sur la teneur en nitratede la nappe de subsurface et sur les conditions de son écoulement du versant vers la zonehumide. Il serait intéressant d’en préciser les conséquences sur le fonctionnement de la zonehumide, question qui n’a pas été complètement traitée dans ce premier travail. Dans quellemesure la présence de la haie, en modifiant les conditions d’écoulement et les teneurs en nitratedans la nappe, renforce-t-elle ou limite-t-elle le potentiel dénitrifiant de la zone humide ? D’uncôté, il apparaît que la haie abaisse le toit de la nappe à l’entrée dans la zone humide, à des saisons(du printemps à l’automne) où le processus de dénitrification dans les horizons organiques de lazone humide est le plus actif (effet température). A ces mêmes saisons, la part du flux de nappequi transite par les horizons superficiels de la zone humide, et peut y être dénitrifié, est réduitepar comparaison au flux plus profond et plus concentré, ce qui risque d’augmenter les teneurs ennitrate dans le ruisseau. D’un autre côté, le temps de transfert de la nappe dans la zone humideest ralenti, ce qui peut au contraire favoriser la dénitrification. Ces différentes conséquenceshypothétiques doivent encore être analysées.

3.1.3. Prise en compte du rôle de la haie dans la modélisation

Ce travail a ouvert la voie à différentes modélisations essentiellement hydrologiques,actuellement en cours, à l’échelle de la haie (65) et à l’échelle du bassin versant (Viaud, 2004).L’une des observations, importante et originale, issues de l’étude expérimentale, est l’inversion dugradient hydraulique de la nappe de subsurface en automne, à l’entrée de la zone humide.L’existence de ce phénomène n’était pas connue avant l’étude et de ce fait non prévue dans lesmodèles hydrologiques de bassins versants. Pour intégrer le rôle de la haie dans ces modèles, ildevient alors nécessaire de modifier les calculs de gradient hydraulique (Durand et al., enprévision) et d’acquérir des données sur la transpiration des arbres d’une haie (Thomas, enprévision), actuellement quasi inexistantes. Pour la haie considérée par Caubel (87), l’estimationde la transpiration ainsi que la quantification des termes du bilan hydrique ont été tentées, à partirdu suivi expérimental de l’état hydrique du sol (17 ; 65).

Une autre piste, évoquée ci-dessus (cf 3.1.2.), pourrait être la modélisation dufonctionnement hydrique et biogéochimique du système haie de ceinture – zone humide pourcomprendre la nature et l’importance des contraintes ou des synergies apportées par chacune descomposantes du système sur le fonctionnement de l’autre.

3.2. La nappe d’altérite

Outre la nappe qui baigne superficiellement la zone humide riparienne, la nappe d’altérite,plus profonde, contribue de manière variable selon les périodes aux écoulements dans le ruisseau.Sa contribution est à prendre en compte pour comprendre l’évolution des teneurs en nitrate dansles ruisseaux. En effet le processus de dénitrification peut aussi s’y produire, liée cette fois àl’oxydation de pyrite (Kölle et al., 1985), minéral encore fréquemment présent dans les altéritesde schiste ou de granite. L’existence de cette dénitrification autotrophe explique la dynamiqueopposée des teneurs en nitrate et en sulfate, anion produit par l’oxydation de la pyrite, observéefréquemment dans les petits ruisseaux sur schiste du Massif armoricain (Pauwels et al., 1998).

48

La diversité de géométrie des aquifères altéritiques et de leur richesse en pyrite estvraisemblablement à l’origine d’une variabilité régionale importante dans l’évolution temporelledu nitrate dans les cours d’eau (Martin, 2004). En été en particulier, ces déterminants de naturegéologique vont intervenir préférentiellement, puisque les cours d’eau sont surtout alimentés pardes eaux profondes. En Grande-Bretagne, Betton et al. (1991) montrent qu’une majorité derivières présentent des teneurs minimales en été, les autres étant caractérisées par un cyclesaisonnier inversé (teneurs maximales en été) ou l’absence de cycle. Le même phénomène estobservé pour des rivières du Massif armoricain (Martin, 2004).

3.2.1. Etude de la dynamique de la charge hydraulique de la nappe d’altérite et de son influencesur la teneur en nitrate du ruisseau

Pour comprendre dans quelles conditions spatiales et temporelles la nappe d’altérite,lorsqu’elle est dénitrifiée, influence la teneur en nitrate du ruisseau, il est possible d’utiliser lesulfate comme traceur chimique de cette nappe. Parallèlement au suivi des teneurs en SO4

- - etNO3

- dans un ruisseau s’écoulant sur une altérite de schiste, très compacte, fortement gleyfiée, j’aimesuré directement la charge hydraulique de la nappe d’altérite dans des piézomètres placésdans le cours d’eau et sur la berge. J’ai montré la forte réactivité de cette nappe à différenteséchelles de temps : journalière, événementielle, saisonnière (Fig.14). Mais lorsque sa chargehydraulique augmente, son influence sur la composition chimique de l’eau de surface n’est pastoujours significative par comparaison avec les contributions des autres origines. Les mesuresdirectes de la charge hydraulique sont plus sensibles que le traçage chimique pour connaître ladynamique de la nappe ; elles confirment par ailleurs la pertinence d’utiliser (SO4

- -) pourparamétrer l’influence de cette dynamique sur la qualité de l’eau, pour la décompositionhydrochimique des hydrogrammes de crue ou des bilans annuels d’exportations.

3.2.2. Origine des écoulements du ruisseau en été ; rôle des sources

Une autre conclusion s’est dégagée du suivi de la charge hydraulique de la nappe sous leruisseau : pendant la période estivale, cette nappe profonde n’assure pas l’écoulement de base, leruisseau est déconnecté des compartiments hydrologiques du bassin. En été, ce sont les sourcesqui fournissent le débit du ruisseau. Elles correspondent à la résurgence, sans doute à la faveur defailles, d’une nappe plus concentrée en nitrate que la nappe d’altérite précédemment étudiée (19).Or ce compartiment présente une dynamique propre du nitrate. Protégées par un périmètre decaptage le plus souvent boisé imposé par la législation, les sources montrent une diminution deleur teneur en nitrate, du fait de l’absorption végétale, à partir du printemps jusqu’à la fin de l’été(de 0,6 mmol L-1 à 0,2 mmol L-1). C’est cette diminution des teneurs en nitrate dans les sourcespendant toute la période végétative qui explique les faibles teneurs estivales à l’exutoire pour leruisseau étudié (19). Ce compartiment constitué par les sources n’est pas identifié classiquementdans le modèle conceptuel hydrologique utilisé dans le Massif armoricain, identique de l’amont dubassin vers l’aval et où les aquifères sont superposés verticalement (Fig.11).

49

Figure 14 : Variations de la charge hydraulique de la nappe d’altérite (a) lors des crues, (b) aucours de la journée en été, (c) au cours de l’année

Hau

teur

s du

ruis

seau

et d

e la

nap

pe (m

)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

15mars 2001

23mars 2001

(a)

ruisseau

Jours

Cha

rge

hydr

auliq

ue d

e la

nap

pe (

m)

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4(b)

11août 2001

31août 2001

1917 21

15 19 23 27

Hau

teur

s du

ruis

seau

et d

e la

nap

pe (

m)

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Ruisseau

Fond du ruisseau

Nappe

mars2001

mai2001

sept.2001

jan. 2002

juil.2001

nov.2001

mars2002

(c)

50

3.3. La zone hyporhéique

Pour les hydrologues travaillant à l’échelle du petit bassin versant, le cours d’eau estconsidéré comme l’axe de drainage du bassin qui reçoit généralement des flux latéraux etunidirectionnels de la nappe du versant vers le cours d’eau (Fig.15). A certaines périodes, cesflux peuvent s’inverser en fonction des niveaux respectifs de la nappe et de l’eau de surface(Fig.16). A l’opposé, les biologistes qui s’intéressent à la faune du milieu interstitiel dans le fonddes cours d’eau et à ses habitats, perçoivent une extrême diversité physique, chimique etbiologique de la zone d’interface entre la nappe et l’eau de surface (Brunke & Gonser, 1997).Cette zone, appelée zone hyporhéique (Hynes, 1983 ; White, 1993), est définie comme la zonede mélange, d’échanges d’eau et/ou de solutés entre l’eau de surface et la nappe de subsurface,sous le ruisseau et dans la berge (Fig.17 a).

Figure 15 : Schéma des processus hydrologiques (Ambroise, 1999)

Figure 16 : Interactions eaux superficielles – eaux souterraines (Ambroise, 1999)

51

Figure 17 : Echanges entre les eaux superficielles et les eaux souterraines dans la zonehyporhéique ((a) d’après Hill in Haycock et al., 1996 ; (b) d’après Findlay, 1995)

(a)

(b)

52

Pour les petits ruisseaux du Massif armoricain, l’existence de la zone hyporhéique n’a pasd’influence sur les flux d’eau parvenant à l’exutoire. En revanche, elle peut modifier les fluxd’éléments chimiques, en particulier les flux de nitrate. La zone hyporhéique présente en effet descaractéristiques biogéochimiques bien particulières : souvent riche en matière organique et pauvreen oxygène, elle peut être le lieu de dénitrification contribuant à l’épuration des ruisseaux ennitrate (Hill, 1979 ; Swank & Caskey, 1982 ; Grimm & Fisher, 1984 ; Triska et al., 1989 ; Duff &Triska, 1990 ; Claret et al., 1998 ; Lefebvre et al., 2003 ; Storey et al., 2004). En été, saison de risquemaximal d’eutrophisation, le bassin versant dans son ensemble est relativement peu connecté aucours d’eau. Les processus se déroulant dans la zone hyporhéique (dénitrification, absorption parla végétation aquatique ou des berges) deviennent essentiels pour limiter la teneur en nitrate ducours d’eau.

3.3.1. Etude du rôle de la zone hyporhéique sur les teneurs en nitrate du ruisseau et repérage deson extension latérale

J’ai montré pour deux petits ruisseaux voisins, l’un s’écoulant sur schiste, l’autre surgranite, que des baisses significatives des teneurs en nitrate peuvent ou non se produire enété, dans le cours d’eau de l’amont vers l’aval (12). Les deux ruisseaux traversent des zoneshumides favorables à la dénitrification. Pour le ruisseau sur granite, bordé de berges sableuses ettourbeuses très perméables, des campagnes de prélèvement dans le ruisseau, de la source versl’aval, montrent en fin d’été une forte décroissance des teneurs en nitrate, de 0,7 mmol L-1 à 0,4mmol L-1 sur un parcours d’1 km. Pour le ruisseau sur schiste, la perméabilité des berges est tropfaible pour qu’un tel effet se manifeste ; aucune évolution longitudinale significative n’a étémesurée en été car le chenal est alors hydrologiquement déconnecté du domaine riparien (12),comme d’ailleurs de la nappe profonde (cf § 3.2.1.). Le comportement contrasté de ces deuxcours d’eau est attribué à la possibilité ou à l’impossibilité, pour l’eau de surface concentrée ennitrate, de pénétrer le matériau de subsurface et d’atteindre ainsi les sites dénitrifiants.

La zone hyporhéique autour des deux ruisseaux a été repérée par une méthode de terrain,basée sur un indicateur coloré qui révèle la présence de fer II en solution dans des mottes de sol(Chields, 1981). Cette méthode avait été adaptée par Bidois (1999) pour cartographier lesconditions réductrices favorables à la dénitrification1 dans les sols des zones humides. Chaplot(1998) l’a également utilisée pour tenter de relier les caractères morphologiques des sols et desaltérites hydromorphes avec la dynamique de réduction du fer. Nous avons considéré ici que ladisparition du fer II autour du ruisseau, alors que ce cation est présent dans la zone humideriparienne, pouvait rendre compte d’une réoxygénation de l’eau de subsurface à partir de l’eaude surface, au sein de la zone hyporhéique. L’extension de la zone ainsi identifiée est très variabled’un ruisseau à l’autre et varie également au cours de l’année (Fig.18) (12). En effet, le sens etl’intensité des échanges dans la zone hyporhéique dépendent des gradients hydrauliques de lanappe et de l’eau de surface, ainsi que de la conductivité hydraulique à saturation des matériauxhyporhéiques (Morrice et al., 1997 ; Wroblicky et al., 1998).

1 Le fer est réduit, une fois l’oxygène et le nitrate entièrement disparus de la solution. La présence de fer IIcaractérise donc indirectement l’absence du nitrate.

53

Figure 18 : Quelques dates illustrant le repérage de la zone hyporhéique par un test de présencedu fer II pour (A) un ruisseau sur schiste et (B) un ruisseau sur granite (d’après Chaplot, 1998)(12)

3.3.2. Importance de la dimension longitudinale de la zone hyporhéique

Bien que présentant des mesures des teneurs en nitrate de l’amont à l’aval du cours d’eau,ce travail a mis l’accent sur la dimension latérale de la zone hyporhéique, à travers sa relationavec la zone riparienne. Or la zone hyporhéique a aussi une dimension longitudinale, marquéepar une variabilité des échanges entre l’eau de surface et de subsurface, sous la dépendance de lamorphologie et de l’hydraulique du cours d’eau de l’amont à l’aval (Fig.17 (b)). A l’échelle dutronçon de rivière se succèdent des zones d’infiltration de l’eau de surface (downwelling) puisd’exfiltration (upwelling).

54

De façon générale, pour les petits bassins à l’amont des paysages, la dimensionlongitudinale du cours d’eau est rarement considérée dans les études d’hydrochimie,contrairement aux études de grandes rivières. Pour ces dernières, la plus grande hétérogénéitéspatiale du bassin versant (géologie, géomorphologie, occupation du sol) et l’augmentation dutemps de transfert dans le réseau hydrographique rendent nécessaire le découpage en biefs etsous-bassins associés, ainsi que la prise en compte d’une évolution biogéochimique in-stream(Billen & Garnier, 1999).

Cette dimension longitudinale est par contre essentielle pour les écologistes aquatiquespour expliquer la diversité et les évolutions des conditions biogéochimiques et biologiques duruisseau de l’amont vers l’aval (Boulton et al., 1998). Le continuum entre l’eau de surface et lanappe subsuperficielle permet à de nombreux processus biogéochimiques, qui se produisent dansla zone hyporhéique, de modifier les flux et les concentrations des nutriments dissous dans l’eaude surface (Cirmo & McDonnell, 1997). Par ailleurs, au cours de leur transport, les nutrimentssubissent des transformations biotiques et abiotiques qui les font passer alternativement d’uneforme dissoute à une forme stockée dans les organismes ou sur les sédiments. Les cycles desnutriments s’enchaînent sous forme de « spirales », plus ou moins serrées, suivant les vitessesrelatives de transfert et de transformation (nutrient spiralling concept) (Prior & Johnes, 2002).

Certes dans les petits ruisseaux, le temps de transfert est plus court que dans les grandesrivières, mais les petits ruisseaux du Massif armoricain, serpentant dans des fonds de valléerelativement plats, présentent une interface relativement importante avec l’écosystème terrestreriparien et peuvent être sensibles vu leur faible débit aux réactions d’échanges avec cet interface,comme aux processus qui se déroulent dans le fond du ruisseau de l’amont vers l’aval.

4. Origine et devenir des matières en suspension

Moins étudiée et médiatisée que la pollution en nitrate, l’augmentation de la charge enmatières en suspension dans les ruisseaux est devenue depuis quelques années une nouvellepréoccupation environnementale dans le Massif armoricain1 (encadré 6).

L’importance accordée à la fois au bassin versant sensu stricto et au cours d’eau pour larecherche de zones actives, productrices ou tampons, ainsi que la prise en compte des processusintervenant dans le cours d’eau lui-même, sont plus évidentes dans les recherches qui concernentl’origine et le devenir des matières en suspension, que dans celles qui concernent les élémentsdissous. En effet :

1 Cette problématique est traitée dans différents programmes (Action Structurante Aquae INRA-Cemagref,Contrat de Plan Etat-Région, PNRH ECCO) auxquels je participe à travers en particulier l’encadrement deplusieurs étudiants (réf). Dans deux de ces programmes, des compétences pluridisciplinaires ont été sollicitéespour analyser toute la chaîne depuis l’identification des pratiques agricoles génératrices de MES jusqu’à leurimpact sur la faune aquatique.

55

• L’origine des MES est partagée entre d’une part l’érosion du versant, liée auxcaractéristiques physiques du bassin versant, à son fonctionnement hydrologique et aux activitésanthropiques, et d’autre part l’érosion des berges, liée à la morphologie du ruisseau ou à laprésence du bétail. Pour les petits cours d’eau en région d’élevage bovin du Massif armoricain,cette dernière origine (érosion des berges) semble dominante (89).• Le devenir des MES dans le cours d’eau dépend du débit, lié directement au fonctionnementhydrologique du bassin versant, et des conditions hydrauliques, liées aussi à la morphologiedu cours d’eau.

Dans la thèse de J. Lefrançois (89), débutée fin 2003, l’étude des MES est réalisée sur troispetits cours d’eau, à la fois par un suivi du débit et de la turbidité à l’exutoire et par des mesures lelong des cours d’eau (43, 64, 82, 84, 85). Nous cherchons à expliquer les variations temporellesdes MES à l’exutoire, événementielles ou saisonnières, par les processus de production, dépôt,remise en suspension. Une typologie des crues est réalisée, qui répond à cet objectif. Leursdéterminants temporels (climatologie) et spatiaux (caractéristiques des trois bassins versants etcours d’eau) sont alors recherchés. Des traçages géochimiques sont testés pour permettred’identifier différentes origines des MES (surface des sols, berges, altérite du fond du ruisseau,production biogène, remise en suspension des sédiments). L’étude est aussi réalisée au niveau detronçons de cours d’eau, pour préciser les zones actives dans les trois processus de production,stockage et remise en suspension.

5. Qualité physico-chimique et qualité biologique des cours d’eau

Par mon travail sur le devenir du nitrate dans le domaine proche du cours d’eau, qui m’aconduite à m’intéresser à la zone hyporhéique, ou bien en réalisant quelques premières études surla dynamique des matières en suspension, j’ai dû prendre en compte ou mesurer à plusieursreprises des processus qui se manifestent ou qui se déroulent dans le réseau hydrographiquelui-même.

Par ailleurs certains produits issus de la transformation de l’azote (nitrite, ammonium)et les conditions biogéochimiques (oxygène, matière organique) dans la zone hyporhéique,comme la dynamique des MES (production, dépôt, remise en suspension) sur le fond et dans leruisseau, ont des implications importantes sur la qualité biologique du cours d’eau.

J’ai donc eu l’occasion à différentes reprises d’établir des ponts entre mes travaux et ceuxdéveloppés par des écologistes aquatiques, qui s’intéressent aussi aux caractéristiques physico-chimiques du milieu interstitiel des sédiments et de la zone hyporhéique. Cette collaboration s’estconcrétisée par le co-encadrement de la thèse de F. Massa (86)1. Outre l’intérêt partagé pour lacaractérisation de ce domaine d’interface entre l’eau de surface et de subsurface, un intérêt pour

1 Thèse co-encadrée avec J.L.Baglinière écologiste aquatique (INRA, UMR EQHC, Ecobiologie et Qualité desEcosystèmes Continentaux) et P.Prunet écotoxicologue (INRA, UR SCRIBE, Station Commune de Recherches

en Ichtyophysiologie, Biodiversité et Environnement)

les écologistes aquatiques est l’apport d’un éclairage hydrologique pour expliquer la variabilitétemporelle des conditions d’habitat benthique.

Massa (86) a considéré comme facteurs de toxicité du développement embryolarvaire desSalmonidés, l’hypoxie et les transformations d’azote associées, en les expliquant par le colmatagedu milieu interstitiel des sédiments. Quelques suivis en continu de la teneur en oxygène dissousdans le fond du ruisseau ont montré cependant des diminutions importantes de cette teneur endébut de crue, phase hydrologique qui correspond généralement à une remise en suspension dessédiments. Mes observations sur la dynamique de la charge hydraulique de la nappe d’altéritepermettent d’expliquer ce phénomène et de compléter cette étude. En effet, j’ai mis en évidencela remontée dans le fond du ruisseau d’une nappe dépourvue d’oxygène, issue de l’altéritede schiste, qui fluctue très rapidement (cf § 3.3.1.) (60). Ces fluctuations sont liées en période devégétation à l’évapotranspiration journalière, et toute l’année aux événements pluvieux (Fig.14).En été, les variations journalières de la charge hydraulique de la nappe sous le ruisseau atteignentune amplitude de 30 cm. Elles se répercutent sur de nombreux paramètres suivis également encontinu : débit, teneur en oxygène dissous du milieu interstitiel, conductivité, turbidité (Fig.19),qui peuvent avoir une influence sur les organismes benthiques. Une bonne connaissance desvariations des conditions biogéochimiques dans ce milieu doit permettre d’identifier quelquesscénarios réalistes, pou réaliser en laboratoire des tests d’écotoxicologie (effet synergique nitrite-anoxie (86), fréquence

Figure 19 : Variations l’eau du ruisseau, compremontant diminue la cosont plutôt plus concentliée à la remontée de la exemple de 15 à 45 NTnappe reste stable à son n

r

56

des fluctuations des teneurs en oxygène).

journalières en été de la hauteur d’eau, de la turbidité et de la conductivité dearées aux variations de la hauteur de la nappe de subsurface. La nappe ennductivité surtout parce qu’elle est dénitrifiée (les autres éléments chimiques yrés que dans l’eau de surface). La remise en suspension des sédiments apparaîtnappe mais aussi à la fin de sa descente. En juin la turbidité augmente par

U en milieu de nuit. Les sédiments ne se déposent à nouveau que lorsque laiveau maximal pendant quelques heures en fin de nuit.

Jours

Turb

idité

dan

s le

ruis

seau

(NTU

)

0

20

40

60

80

Hau

teur

du

ruis

seau

(cm

)

0

20

40

60

80

Cha

rge

hydr

auliq

ue d

e la

nap

pe (m

)

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

Con

duct

ivité

dan

s le

ruis

seau

(µS/

cm)

200

220

240

260

280

300

320

0h 0h 0h0h

Conductivité

Hauteurde nappe

Hauteurdu ruisseau

Turbidité

57

L’étude qui débute sur la dynamique des MES (89) doit apporter aussi dans cet objectifdes informations sur la variabilité temporelle et spatiale du colmatage et de la remise ensuspension.

6. Perspectives

Les études de compartiments ou structures tampons vis à vis du nitrate (haie, napped’altérite, zone hyporhéique) ont montré l’importance de poursuivre des observations et mesuressur le terrain pour confirmer ou infirmer la pertinence des représentations et des hypothèses desmodèles. L’objectif est d’inclure ces compartiments ou structures dans les modèleshydrochimiques de bassin versant, les principaux processus associés et leurs facteurs de variation,pour complexifier progressivement le milieu modélisé,. A l’inverse, leur intégration dans lesmodèles de fonctionnement global du bassin versant pourront permettre de comprendre etquantifier leur rôle, en tenant compte des interactions entre compartiments.

Outre ces perspectives immédiates dans la continuité de mes travaux, j’élargirai ici monpropos à d’autres messages issus de mes expériences de recherches.

Les recherches sur les matières en suspension ont été engagées sur les sites où nous avonsaussi étudié la dynamique du nitrate. J’espère par ce biais amorcer une réflexion sur les moyens deconsidérer de manière plus intégrée la qualité physico-chimique de l’eau des rivières. Eneffet, nous sommes aujourd’hui confrontés à une multiplicité de substances indésirables dont leseffets sont sans doute complémentaires et parfois synergiques. On peut citer par exemple l’actionconjuguée de N et P sur l’eutrophisation, ou le rôle joué par les MES dans le transport denombreuses substances polluantes. Mais les processus hydrologiques et biogéochimiques, ainsique les facteurs déterminant ces processus, varient selon les substances en cause. Ils devraientdonc être étudiés sinon simultanément, du moins en établissant des ponts entre les différentesétudes, afin que leur diversité soit prise en compte dans les propositions d’aménagement desmilieux.

De même la demande sociale revendique la protection ou la restauration de la qualitéglobale1, physico-chimique et biologique, des écosystèmes aquatiques, pour ne pas obtenir« de l’eau propre dans une rivière morte » (Laurent, 1996). D’où la nécessité, pour visersimultanément ces deux objectifs de qualité et pour relier les recherches sur les déterminantsphysico-chimiques aux impacts biologiques, d’articuler les échelles spatiales (et temporelles)des hydrologues, des hydrochimistes et des écologistes aquatiques. Dans les études de petitsbassins versants, les hydrologues se focalisent principalement sur les relations de dépendanceentre l’écosystème terrestre et l’écosystème aquatique. S’intéressant aux processus qui génèrent del’écoulement, ils privilégient généralement la dimension latérale du versant par rapport à ladimension longitudinale du réseau hydrographique. En hydrochimie, les deux dimensions doivent

1 C’est d’ailleurs le terme repris par la nouvelle Directive Cadre Européenne sur l’Eau qui devrait orienter lesrecherches et les actions à mener dans les prochaines années.

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être considérées. Pendant une partie de l’année en effet, la qualité de l’eau est déterminée par desprocessus hydrologiques à l’échelle du bassin versant. Par contre à l’étiage et au début despériodes pluvieuses, les processus biogéochimiques se déroulant dans la zone hyporhéique etdans le cours d’eau jouent un rôle essentiel dans la qualité de l’eau de surface. Les écologistesaquatiques ont historiquement d’abord privilégié l’échelle de l’habitat, ou du cours d’eau commeune succession d’habitats (dimension longitudinale). S’intéressant à la qualité physico-chimique deces habitats, ils ont ensuite progressivement intégré l’importance du corridor fluvial et depuis unequinzaine d’années l’importance du bassin versant tout entier (Ward, 1989 ; Amoros & Petts,1993 ; Zalewski & Robarts, 20031). C’est ainsi que Molnar et al. (2002) s’attachent à relier lefonctionnement hydrologique du bassin versant à la morphologie du cours d’eau et à sesconséquences sur l’écologie des habitats, via l’érosion et la dynamique des MES ou des sédiments.De telles études pour des petits bassins versants2 sont encore peu nombreuses.

1 En septembre 2003, la Société Internationale de Limnologie Théorique et Appliquée (SIL) fait part du besoinde créer une nouvelle discipline, l’écohydrologie, s’attachant à l’étude des interdépendances entre processushydrologiques et écologiques.2 Pour les grandes rivières, comme la Seine par exemple (Piren-Seine), cet effort d’articulation dufonctionnement du bassin et de la rivière est déjà réalisé, avec le développement de modèles à différenteséchelles et couvrant divers aspects disciplinaires (agronomie, hydrologie, biogéochimie, écologie).

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Conclusions

Les recherches sur les interactions entre l’eau et le sol développées dans ce mémoire sesont appliquées, en milieu tropical humide, à la connaissance du fonctionnement géochimique dusol et de certains processus de pédogenèse, et en milieu tempéré, à l’étude du déterminisme de laqualité de l’eau des rivières. Elles font référence à une échelle de travail commune, le petit bassinversant. J’ai décrit comment, au cours de mes recherches, j’ai utilisé certains avantages de cetteéchelle, qui permet de coupler le cycle de l’eau et les cycles biogéochimiques, d’intégrer le rôle dela végétation, de considérer les interactions entre l’eau et le sol dans le paysage où se situent lesactivités humaines. De manière complémentaire, j’ai travaillé aussi au sein du bassin versant pourune meilleure compréhension des processus et de leur participation au fonctionnement global dusol et de l’hydrosystème.

Les contextes sociaux de la recherche comme les caractéristiques des milieux physiquesm’ont conduite à des approches assez différentes dans mon travail en milieu tropical et en milieutempéré. En particulier, le sol n’y est pas pris en compte avec la même résolution. Plusieursraisons peuvent l’expliquer :

• La taille des bassins versants étudiés : en milieu tropical, j’ai travaillé dans des bassinsversants « élémentaires » (1 à 2 ha, ordre 0 à 1) ; en milieu tempéré, il s’agit de « petits »bassins versants (quelques km2, ordre 2 à 3). Dans ce cas, l’hétérogénéité spatiale de surface etde subsurface est plus grande ; un choix a donc été fait dans un premier temps de rester à unniveau d’organisation supérieur à celui des volumes pédologiques, pour ne garder que ladifférenciation des grands domaines versant/bas de versant, ou sols bien drainés/solshydromorphes.

• Le fonctionnement hydrologique des bassins versants du Massif armoricain, même si lesnappes ne sont pas aussi profondes que dans d’autres régions, fait apparaître la fortecontribution de la nappe d’altérite pour expliquer les teneurs en nitrate. Au contraire ladynamique des MES concerne principalement la surface du sol. En milieu tropical, lestransferts étaient essentiellement localisés dans le premier mètre de la couverturepédologique.

• L’effort de compréhension porte prioritairement en milieu tempéré sur des structuresanthropiques susceptibles d’être aménagées ou modifiées pour améliorer la qualité de l’eau.

Cependant, dans mes recherches en milieu tempéré, il est bien évident que le sol, mêmesi son organisation précise est peu prise en compte, est présent à travers les processushydrologiques et biogéochimiques qui déterminent la composition chimique de l’eau à l’exutoire.Et que pour mieux comprendre ces processus, des connaissances acquises aux niveaux inférieursd’organisation du sol, seraient sans aucun doute profitables.

Le sol, en milieu tropical humide, est le résultat d’une pédogenèse se déroulant sur destemps très longs. Il est vraisemblable que les activités humaines émergentes modifient sonévolution et accélèrent considérablement les processus, du fait de la nature du sol et des

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conditions extrêmes de milieu. Le sol, en milieu tempéré, est le résultat d’une pédogenèse sedéroulant sur des temps plus courts. Par contre l’homme y a imprimé sa marque depuis plusieurssiècles. Il est possible que la durée des actions anthropiques et leur intensification actuelleréussissent tout autant qu’en milieu tropical à modifier de manière significative l’évolutionnaturelle des sols. Ces modifications des processus pédogénétiques pourraient aussi être étudiéesen milieu tempéré.

Le petit bassin versant est un lieu privilégié de rencontre des disciplines qui travaillent surl’eau et sur ses relations avec le milieu physique, les organismes vivants et le paysage. Cette échellepermet en particulier de relier les recherches menées par ces disciplines au cycle de l’eau. L’un desenjeux importants liés à cette échelle concerne l’étude des conséquences des variations du cyclede l’eau sur la qualité physico-chimique et biologique des écosystèmes terrestres et aquatiques,sous l’effet de changements climatiques globaux, locaux, ou des actions anthropiques.

Cette unité du paysage commune est aussi l’occasion de traverser des frontièresdisciplinaires, d’articuler les concepts, les dimensions spatiales et temporelles des processusétudiés dans chaque discipline. En milieu tropical, j’ai montré que la pédologie, la géochimie,l’hydrologie, l’hydrochimie constituaient un ensemble cohérent et synergique de disciplines pourtraiter sous différents aspects les interactions entre l’eau et le sol. En milieu tempéré, je me suisinterrogée sur les moyens de mieux relier la qualité physico-chimique de l’eau, telle qu’elle estétudiée en hydrologie et hydrochimie, aux études d’écologie aquatique sur la qualité biologiquedes cours d’eau.

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Zalewski M., Robarts R. (2003) Ecohydrology. A new paradigm for integrated water resourcesmanagement. SILnews, 40, 2-5. http://www.limnology.org.

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Liste des publications et encadrements

Les numéros en gras dans le texte renvoient à cette liste de publications.

(0) Grimaldi C. (1981). Acquisition de la composition chimique de la solution du sol en fonctiondes horizons pédologiques : percolation au laboratoire d’un sol brun forestier sur granite.Thèse ENSAR et Univ. Rennes 1. 171 p.

• Publications dans des revues à comité de lecture

(1) Grimaldi C. (1988) Origine de la composition chimique des eaux superficielles en milieutropical humide : exemple de deux petits bassins versants sous forêt en Guyane française. Sci.Géol. Bull., 41, 3-4, p. 247-262.

(2) Bourrie G., Grimaldi C., Régeard A. (1989) Monomeric versus mixed monomeric-polymericmodels for aqueous aluminum species : constraints from low temperature natural waters inequilibrium with gibbsite under temperate and tropical climate. Chemical Geology, 76, 403-417.

(3) Sarthou C., Grimaldi C. (1992) Mécanismes de colonisation par la végétation d’un inselberggranitique en Guyane française. Rev. Ecol. (Terre et Vie), vol. 47, p. 329-349.

(4) Grimaldi C., Grimaldi M., Vauclin M. (1994) The effect of the chemical composition of aferrallitic soil on neutron probe calibration. Soil Technology, 7, p. 233-247.

(5) Grimaldi C., Fritsch E., Boulet R. (1994) : Composition chimique des eaux de nappe etévolution d’un matériau ferrallitique en présence du système muscovite-kaolinite-quartz. C.R.Acad. Sci. Paris, t.319, série II, p. 1383-1389.

(6) Cheverry C., Curmi P., Grimaldi C., Grimaldi M., (1995) La pédologie : débat autour dedifférents regards sur le sol. A propos du livre d’Alain Ruellan et Mireille Dosso. Natures-Sciences-Sociétés, 3, 3 : 246-251.

(7) Grimaldi C., Pedro G. (1996) Importance de l'hydrolyse acide dans les sytèmes pédologiquesdes régions tropicales humides. Rôle de la forêt et conséquences sur la genèse des sablesblancs tropicaux. C.R. Acad. Sci. Paris, t.323, série IIa, 483-492.

(8) Massa F., Grimaldi C., Baglinière J.L., Prunet P. (1998) Evolution des caractéristiquesphysico-chimiques de deux zones de frayères à sédimentation contrastée et premiers résultatsde survie embryo-larvaire de truite commune (Salmo trutta). Bull. Fr. Pêche Piscic. n°350-351,359-376.

(9) Millet A., Bariac T., Ladouche B., Mathieu R., Grimaldi C., Grimaldi M., Hubert P.,Molicova H., Brückler L., Vallès V., Bertuzzi P., Brunet Y., Boulègue J., (1998) Influence dela déforestation sur le fonctionnement hydrologique de petits bassins versants tropicaux.Revue des Sciences de l’Eau (FRA) : 11 (1), 61-84.

(10) Massa F., Delorme C., Baglinière J.L., Prunet P., Grimaldi C. (1999). Expositions d’œufs detruite commune (Salmo Trutta) à des hypoxies temporaires ou continues : effets sur labranchie, la résorption de la vésicule vitelline et les caractéristiques morphométriques desalevins. Bull. Fr. Pêche Piscic. 355, 421-440.

(11) Millet A., Bariac T., Grimaldi C., Boulègue J. (1999) Signature isotopique et chimique desprécipitations (pluie et pluviolessivats) en Guyane française. Rev. Sci. Eau, 12/4, 729-751.

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(12) Grimaldi C., Chaplot V. (2000) Nitrate depletion during within-stream transport: effects ofexchange processes between streamwater, the hyporheic and riparian zones. Water Air SoilPollution, Vol 124 Nos 1-2, 95-112.

(13) Chaplot V., Walter C., Curmi P., Grimaldi C. (2000) Caractères d’hydromorphie etvariabilité temporelle de la présence de Fe(II) dans les couvertures pédologiques du MassifArmoricain. I. Exemple de deux toposéquences sur granite et sur schiste. C.R. Acad. Sci.Paris, Sciences de la Terre et des planètes 330 , 125-132.

(14) Massa F., Baglinière J.L. , Prunet P., Grimaldi C. (2000). Survie embryolarvaire de la truite(SalmoTrutta) et conditions chimiques dans la frayère. Cybium, 24 (3), 129-140.

(15) Caubel-Forget V., Grimaldi C., Rouault F. (2001). Contrasted dynamics of nitrate andchloride in groundwater submitted to the influence of a hedge. C.R. Acad. Sci. Paris, série IIa,Sciences de la terre et des planètes, 332, 107-113.

(16) Furian S., Barbiero L., Boulet R., Curmi P., Grimaldi M., Grimaldi C. (2002) Distributionand dynamics of gibbsite and kaolinite in an oxisol of Serra do Mar, South-Eastern Brazil.Geoderma, 106 (1-2), p.83-100

(17) Caubel V., Grimaldi C., Merot P., Grimaldi M. (2003). Influence of hedge surroundingbottomland on seasonal soil water movement. Hydrological processes 17(9), 1811-1821.

(18) Grimaldi C., Grimaldi M., Millet A., Bariac T., Boulègue J. (2004) Behavior of chemicalsolutes during a storm in a rainforested headwater catchment . Hydrological processes 18, 93-106.

(19) Grimaldi C., Viaud V., Massa F., Carteaux L., Derosch S., Regeard A., Fauvel Y., Gilliet N.and Rouault F. (2004) Seasonal and storm event variations in stream water chemistryexplained by fluctuations in near-stream groundwater head. Journal of Environmental Quality 33,994-1001.

Publications soumises:

Birgand F., Lefrançois J., Grimaldi C., Novince E., Gilliet N., Gascuel-Odoux C. Mesure desflux et échantillonnage des matières en suspension sur de petits cours d’eau. Accepté àIngénieries.

Chaplot V., Curmi P., Walter C., Grimaldi C. Seasonal variations of ferrous iron within luvisolcatenas in the Western France using a Fe(II) field test. Soumis à European Journal of Soil Science.

Chaplot V., Walter C., Curmi P., Grimaldi C., Cooper M. Color index for identifying poorlyto well drained Mollisols in the Armorican pedological cover developed on granitic andschistic substratums. Soumis à Catena.

Guedron S., Grimaldi C., Chauvel C., Spadini L., Grimaldi M. Weathering and atmosphericinput contribution to mercury contents of French Guianese soils. Soumis à Chemical Geology.

Poszwa A., Dambrine E., Ferry B., Pollier B., Grimaldi C., Charles-Dominique P., Loubet M.Sources of nutrients to the vegetation of a tropical inselberg. Soumis à Ecosystem.

Dosso M., de Conti Medina C., Curmi P., Da Silva M., Grimaldi C., Grimaldi M., GuimaraesM.F., Jouve P. , Martins P., Navegantes L., Oliveira M., Ralisch R., Ruellan A., Tavares FilhoJ., Simões A., Veiga I. Après la forêt : agriculture ou élevage ? Rôle du sol dans ladifférenciation et la transformation de systèmes agraires post-forêt au Brésil. Exemples enzones de fronts pionniers ancien (nord Parana), et actuel (Amazonie orientale). Soumis àCahiers de l’Agriculture.

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• Publications dans des revues sans comité de lecture

Revues françaises :

(20) Sarrailh J.-M., Boulet R., Grimaldi C., Grimaldi M., Fritsch J.-M., Bereau M., (1990)L’opération ECEREX. Etude sur la mise en valeur de l’écosystème forestier guyanais. Aprèsdéboisement. Le point sur les recherches en cours. Bois et Forêt des Tropiques, 219, SpécialGuyane, CTFT Ed., 79-97.

(21) Merot P., Viaud V., Grimaldi C., 2004 Haie et qualité des eaux. In Numéro spécial sur forêtet qualité de l'eau. Forêt Entreprise. 159, 30-33.

• Communications à des colloques internationaux

En tant qu’invitée

(22) Grimaldi C., Grimaldi M., Bariac T., Boulègue J. (2001) Temporal variations in waterquality during stormflow in a rainforested catchment : role of vegetation exchanges and soilmineral reactions along water flowpaths. Colloque International à la mémoire de Michel Rieu,IRD Bondy, 8-10 octobre 2001. Résumé 2p.**

Communications avec ou sans résumé publié (* poster, ** communication orale)

(23) Grimaldi C. (1986) Chemical composition and transfer of water in two small watersheds(tropical zone) : variation of (Al), (Si) and pH. Colloque International GEOMON, Prague,Tchécoslovaquie. Résumé 3p.*

(24) Bariac T., Millet A., Ladouche B., Grimaldi C., Grimaldi M., Hubert P., Molicova H.,Brückler L., Bertuzzi P., Boulègue J., Jung F., Brunet Y., Tournebize R., Granier A. (1994)Rainfall runoff modeling : form of the hillslope to the continental scale. Stream hydrographseparation on two small guianese cathchments. E.G.S. Symposium, "Océans, Atmosphere,Hydrology, Non linear Geophysics", Grenoble, 25-29 avril 1994. Annales Geophysicae (DEU),Supp. 2, vol 12, C339, abstract.**

(25) Molénat J., Gruau G., Gascuel-Odoux C., Davy P., Curmi P., Dia A., Durand P., GrimaldiC., Merot P., Riou C. (1998) - Combined use of hydrochemical and hydrological data to modelthe role of the water table in nitrate transfer. Annales Geophysicae, vol.16, Part2, pC525.**

(26) Massa F., Delorme C., Baglinière J.L., Prunet P., Grimaldi C. (1998) Two nitriteconcentrations and a reduced level of dissolved oxygen : effects on brown trout (Salmo trutta)early life development. Congrès Assessing the ecological integrity of running waters,Wien,11/98.Abstract 2p.*

(27) Pinay G., Troccaz O., Grimaldi C., Forget V., Clément J.C., Baudry J., (1999) Landscapestructure and nitrogen fluxes in western France farming environment. World Congress of theInternational Association for Landscape Ecology (IALE), Snowmass, Colorado, USA, Jul-Augde 1999, abstract.**

Communications avec actes de colloques et comité de lecture (* poster, ** communicationorale)

(28) Tandy J.C., Grimaldi M., Grimaldi C., Tessier D., (1990) Mineralogical and texturalchanges in french Guyana oxisols and their relation with microaggregation. In : Soilmicromorphology, L.A. Douglas (Ed. Sci.), Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 191-198.**

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(29) Bariac T., Millet A., Ladouche B., Mathieu R., Grimaldi C., Grimaldi M., Hubert P.,Molicova H., Brückler L., Bertuzzi P., Boulègue J., Brunet Y., Tournebize R., Granier A.,(1995) Stream hydrograph separation on two small Guianese catchments. In : TracerTechnologies for Hydrological Systems, Proceedings of a Boulder Symposium, 3-14 July 1995.IAHS Publ, 229 : 193-209.**

(30) Grimaldi C. (1996) : Capacité naturelle d'épuration en nitrate de petits cours d'eau (Basse-Normandie) ; rôle des zones hydromorphes riveraines. Colloque « Hydrologie dans les paysceltiques », Rennes, 8-11 juillet 96. Ed. INRA, Paris (Les Colloques, n°79). p.315-322.**

(31) Grimaldi M., Sabatier D., Grimaldi C., Prevost M-F. (2000) Composante climatique de latransformation d'une couverture pédologique et des relations sol-végétation en Guyane.Symposium International "Dynamique à long terme des écosystèmes forestiers intertropicaux",Paris, mars 1996. Ed. Servant M. et Servant-Vildary S., IRD, UNESCO, MAB, CNRS. 159-168.**

(32) Grimaldi C., Massa F., Rouault F. (2000). Origine des variations saisonnières de la teneur ennitrate dans deux petits cours d’eau sur schiste et sur granite du Massif Armoricain. 2nd Inter-Celtic Coll., Aberyswyth, 3-7 juillet 2000. British Hydrological Society, Occasional Paper n°11,319-326.**

(33) Massa F., Grimaldi C., Baglinière J.L. (2000). Conditions hydrologiques et développementembryo-larvaire de la truite commune (Salmo trutta) : recherche d'un stade critique. 2nd Inter-Celtic Coll., Aberyswyth, 3-7 juillet 2000. British Hydrological Society, Occasional Paper n°11,261-267.**

(34) Caubel-Forget V., Grimaldi C. (2000). Influence du talus/haie de ceinture de fond de valléesur le potentiel hydrique du sol. 2nd Inter-Celtic Coll., Aberyswyth, 3-7 juillet 2000. BritishHydrological Society, Occasional Paper n°11, 235-243.**

(35) Poszwa A, Dambrine E, Ferry B, Pollier B, Grimaldi C, Charles-Dominique P & Loubet M(2004) : Sources of nutrients to the vegetation of a tropical inselberg in French Guyana. 3rdmeeting of the French Stable Isotope Society. Unesco, Paris, France, 6-10 Sept. 2004

Communications avec actes de colloques sans comité de lecture (* poster, **communication orale)

(36) Bourrie G., Grimaldi C. (1979) Premiers résultats concernant la composition chimique dessolutions issues de sols bruns acides sur granite en climat tempéré océanique. Donnéesnaturelles et expérimentales. Colloque International « Migrations organo-minérales dans lessols tempérés », Nancy, 24-28 septembre 1979. Ed. CNRS, p41-48.**

(37) Grimaldi C., Luizão F.J., Chauvel A. (1992) : Hydric and biogeochemical pulses in thefunctioning of soils in amazonian forest ecosystems. “Forest 92”, Rio de Janeiro, 24-29 mai1992, Proceedings, p. 170-172.**

(38) Grimaldi M., Grimaldi C., Barthes B. (1992) Variations spatiales du sol des barresprélittorales de la plaine côtière de Guyane. Analyse structurale et cartographie. Symposiuminternational du PICG 274 sur l’“Evolution des littoraux de Guyane et de la Zone CaraïbeMéridionale pendant le Quaternaire”, Cayenne, 9-14 novembre 1990, Ed. ORSTOM,Colloques et Séminaires, Paris, p. 251-264.*

(39) Grimaldi C., Chaplot V., Bidois J. (1998) Transfer conditions in the hyporheic zone andnitrate removal efficiency in headstreams. 16th Congrès Mondial de Science du Sol,Montpellier 20-26 août 1998. CD-Rom, 6p.*

74

(40) Viaud V., Caubel V., Grimaldi C., Baudry J., Merot P. (2001) The influence of hedgerowsystems on water and pollutants fluxes : from the local to the catchment scale. In Hedgerowsof the world : their ecological functions in different landscapes. Proceedings of the 2001Annual IALE (UK) Conference, 281-288.*

(41) Grimaldi C., Curmi P., Dosso M., Jouve P., Simões A. (2002) Sustainability of agrariansystems in relation to soils on Amazonian forest pioneer fronts (Marabá, Brazil). 17th WorldCongress of Soil Science, Bangkok, août 2002, CD-Rom, 10p.**

(42) Sguedron S., Grimaldi C., Chauvel C., Spadini L., Grimaldi M. (2003) Determination ofmercury atmospheric origin in French Guianese soils. 12th International Conference on HeavyMetals in the Environment, Grenoble, 26-30 Mai 2003. 4p. *

(43) Tessier E., Amouroux D., Grimaldi M., Stoichev T., Grimaldi C., Dutin G., Donard O.F.X.(2003) Mercury mobilization in soil during a rainfall event in a tropical forest (French Guiana).12th International Conference on Heavy Metals in the Environment, Grenoble, 26-30 Mai2003. 4p. **

(44) Lefrançois J., Grimaldi C., Birgand F., Gascuel-Odoux C., Gilliet N., 2004. Spatial andtemporal variations of suspended sediment loads in small agricultural catchments. europeanGeosciences Union, Nice, 25-30 avril 2004. Abstract n° EGU 04-03431.**

(45) Da Silva Reis M., Rodrigues Fernandes A., Grimaldi C., Sarrazin M., Grimaldi M. (2004)Distribuição do fósforo nos perfis de solo em três pontos de uma toposseqüência damicroregião de Marabá-PA. XXVI Reunião Brasileira de Fertilidade do Solo (Fertbio 2004) àLages -SC (19 au 23 juillet). **

• Participation à des colloques nationaux

Communications avec ou sans résumé publié (* poster, ** communication orale)

(46) Grimaldi C., Grimaldi M. (1990) La pédologie en Guyane. Semaine de la recherche enGuyane, DRIR, Cayenne. 2 posters*

(47) Grimaldi C. (1990) La forêt tropicale et le gaz carbonique. Colloque « L’écosystèmeforestier et l’aménagement de l’espace régional », SEPANGUY (Société pour l’Etude et laProtection de la Nature Guyanaise), Cayenne.*

(48) Chauvel A., Grimaldi C., Lucas Y. (1992) Système de transformation “latosol - podzol” enAmazonie brésilienne. Interprétation géochimique des premières analyses des eauxd’infiltration dans le sol de transition. Séminaire “Organisation et fonctionnement des altériteset des sols”, Centre ORSTOM de Bondy, 5-9 février 1990, Ed. ORSTOM, Paris, résumé 1p.**

(49) Grimaldi M., Grimaldi C. (1993) Fonctionnements hydrique et hydro-géochimique de solssous forêt tropicale humide. Journées du Programme Environnement, Les EcosystèmesIntertropicaux, fonctionnement et usages. Ecole Normale Supérieure de Lyon, 13-15 Janvier1993.**

(50) Lucas Y., Grimaldi C., Cornu S., (1995) - Analyse structurale : systèmes pédologiques etfonctionnements. Exemple des systèmes de la région de Manaus, Brésil. Comm. AFES, Paris,07/06/95. Résumé 2p.**

(51) Grimaldi C. (1995) Influence de la végétation sur l’alcalinité et le pH en milieu tropicalhumide. 8ème réunion du Groupe de Réflexion sur l’Etude de la Solution du Sol en Relationavec l’Alimentation des Plantes. Montpellier, 12/09/95. Résumé 4p.**

75

(52) Grimaldi M., Grimaldi C. (1996) Fonctionnement hydrogéochimique et processus detransformation d’une couverture ferrallitique. Journées Nationales de l’Etude des Sols. Rennes,France, 22-25/04/96. Résumé 2p.**

(53) Grimaldi C., Chaplot V., (1997) Composition chimique des eaux de surface des bassinsversants de La Roche et du Moulinet (Basse-Normandie). Rôle des zones hydromorphes debas-fond et de la zone hyporhéique dans l'épuration naturelle des cours d'eau en nitrate.Séminaire de synthèse AIP ARMOR, 4-5/02/ 97.Résumé 2p.**

(54) Forget V., Grimaldi C. (1997) Fonctionnement hydrologique du talus de ceinture de bas-fond et conséquences possibles sur le fonctionnement géochimique de la zone humide aval.Colloque L'arbre en réseau, Rennes 24 e 25/09/ 97. Résumé 1 p.*

(55) Grimaldi C., Forget V. (1997) Haie et qualité des eaux : perspectives de recherches.Colloque L'arbre en réseau, Rennes 24 et 25/09/97. Résumé 2 p.**

(56) Massa F., Grimaldi C., Baglinière J.L., Prunet P. (1997) Evolution des caractéristiquesphysico-chimiques de deux zones de frayères à sédimentation contrastée et premiers résultatsde survie embryo-larvaire de truite commune. Congrès de l'IFR "Facteurs de l'environnementet biologie des poissons", 09/ 97 Rennes.**

(57) Caubel-Forget V., Grimaldi C. (1999) Fonctionnement hydrologique et géochimique dutalus/haie de ceinture de fond de vallée : conséquences sur le transfert et le devenir desnitrates. VIIèmes journées françaises de l’Association Internationale d’Ecologie du Paysage.Besançon, 21-2 3 avril 99. *

(58) Grimaldi C., Rouault F., (2000) Diminution des teneurs en nitrate dans des ruisseaux entête de bassin. Rencontres 2000, Pontorson, 5-7 abril de 2000. La baie du Mont Saint-Michel etses bassins versants.*

(59) Dosso M., Curmi P., Grimaldi C., Grimaldi M., Jouve P., Ruellan A. (2000) Systèmespédologiques et systèmes agraires : pour une approche de la gestion durable de la ressourceSol. 6èmes Journées Nationales de l'Etude des Sols, "les enjeux actuels de l'anthropisation dessols". AFES, Nancy, 25-28 avril 2000. Résumé 1p. **

(60) Grimaldi C., Massa F. (2004) Hypoxies passagères dans le fond d’un ruisseau expliquées parla dynamique de la nappe d’altérite. VIèmes Journées d’Ecologie Fonctionnelle, 10-12 mars 2004,Rennes. *

Communications avec actes de colloques et comité de lecture (* poster, ** communicationorale)

(61) Grimaldi C., Grimaldi M., Boulet R. (1992) Etude d’un système de transformation surschiste en Guyane française. Approches morphologique, géochimique et hydrodynamique.Séminaire “Organisation et fonctionnement des altérites et des sols”, Centre ORSTOM deBondy, 5-9 février 1990, Ed. ORSTOM, Paris, p. 81-98.**

(62) Caubel-Forget V., Grimaldi C. (1999) Fonctionnement hydrique et géochimique du talus deceinture de bas-fond conséquences sur le transfert et le devenir des nitrates. Actes duColloque Cemagref-INRA « Bois et forêts des agriculteurs », Clermont-Ferrand, 20-21 octobre1999, Ed. Cemagref, 169-189.**

(63) Grimaldi C., Dorioz J.-M., Poulinard J., Macary F., Gascuel C. (2004). De l’intérêt decoupler les approches « bassin versant » et « rivière » dans des petits bassins versants en zoned’élevage. Coll. Bassins versants futurs : Savoirs et savoir-faire sur les bassins versants. Vannes,20-22 avril 2004. Résumé 2p. Comm.orale et poster.

76

(64) Lefrançois J., Grimaldi C., Gascuel-Odoux C., Birgand F., Gilliet N. (2004). Rôle ducorridor fluvial sur la charge en MES des petits cours d’eau. Coll. Bassins versants futurs :Savoirs et savoir-faire sur les bassins versants. Vannes, 20-22 avril 2004. Résumé 2p. Poster.

(65) Thomas Z., Molénat J., Caubel V., Grimaldi C., 2004. Contribution de la modélisationhydrodynamique du système sol nappe à la compréhension du rôle des haies dans le transfertde l’eau dans une zone de bas-fond. Coll. Bassins versants futurs : Savoirs et savoir-faire sur lesbassins versants. Vannes, 20-22 avril 2004. Résumé 2p. Comm.orale et poster.

Communications avec actes de colloques sans comité de lecture (* poster, **communication orale)

(66) Grimaldi M., Grimaldi C., Andrieux P. (1990) Etude des relations entre l’organisation descouvertures pédologiques à différentes échelles et les transferts hydriques et minéraux. In :rapport final de l’ATP CNRS-PIREN/INRA/ORSTOM/CIRAD « Influence à l’échellerégionale des couvertures pédologiques et végétales sur les bilans hydriques et minéraux dusol », G.Vachaud (Ed. Sci.) Institut de Mécanique de Grenoble, p.241-259.**

(67) Bariac T., Millet A., Ladouche B., Grimaldi C., Grimaldi M., Hubert P., Molicova H.,Brückler L., Bertuzzi P., Boulègue J., Jung F., Brunet Y., Tournebize R., Granier A., (1995)Décomposition géochimique des hydrogrammes de crue (bassins versants de la piste de St-Elie, Guyane). In : Actes du Colloque PEGI INSU-CNRS-ORSTOM “ Grands bassinsversants périatlantiques : Congo, Niger, Amazone ”, 22-24 Novembre 1993, Paris. J.-C. Olivry,J. Boulègue (Ed. Sci.), ORSTOM Ed., Colloques et Séminaires, Paris, 485-505.**

(68) Bariac T., Millet A., Ladouche B., Mathieu R., Grimaldi C., Grimaldi M., Sarrazin M.,Hubert P., Molicova H., Brückler L., Vallès V., Bertuzzi P., Bes B., Gaudu J.C., Horoyan J.,Boulègue J., Jung F., Brunet Y., Bonnefond J.M., Tournebize R., Granier A. (1995)Décomposition géochimique de l’hydrogramme de crue sur un petit bassin versant guyanais(Piste de St-Elie, dispositif ECEREX, ORSTOM-CTFT, Guyane Française). In : L’hydrologietropicale : géoscience et outil pour le développement, Journées Rodier (P. Chevallier &B. Pouyaud, Eds). IAHS Publ. 238, 249-269.**

(69) Bariac T., Millet A., Grimaldi C., Grimaldi M., Hubert P., Molicova H., Brückler L.,Bertuzzi P., Brunet Y., Boulègue J., Granier A., Tournebize R. (1995) : La décompositiongéochimique de l’hydrogramme de crue : le rôle du sol (bassins versants de la piste de saintElie, Guyane). Comité National français de Géodésie et de Géophysique, Rapport Quadriennal1991-1994, p. 271-282.**

(70) Gascuel-Odoux C.; Gruau G.; Molénat J.; Olivie-Lauquet G.; Curmi P.; Davy P.; Dia A.;Durand P.; Grimaldi C.; Riou C. (2000) Rôle des nappes sur les transferts d'eau et de solutesdans les bassins versants : approche expérimentale et modélisation.. Colloque PNRH,Toulouse, 16-17 Mai : p.261-266.**

• Activités d’encadrement d’étudiants

Mémoires DEA, DESS et divers

(71) Rakotoson V. (1994) Origine de la composition chimique des eaux en milieu tropical humide: mobilité des ions sur un petit bassin versant sous forêt (Guyane française). Mémoire de DEA“Géochimie fondamentale et appliquée”. Coencadrement avec Boulègue J., Paris VI. 20 p.(80%)

77

(72) Leturcq G. (1994) Mobilité des éléments chimiques dans les lixiviats de graminées et deforêts tropicales. Mémoire de Maîtrise Sciences et Techniques “Géosciences etGéotechniques” Environnement. Coencadrement avec Boulègue J., Paris VI. 22 p. (80%)

(73) Menard R. (1995) Etude de la composition chimique de deux petits cours d’eau, affluents del’Oir (Basse-Normandie). Mémoire de Maîtrise de Chimie et Biologie Végétale. Univ. Rennes I.20 p.

(74) Sidaner F. (1996) Evolution temporelle des concentrations en nitrate dans deux petits coursd'eau de Basse-Normandie. Comparaison avec la dynamique saisonnière des zoneshydromorphes de bas-fond. Mémoire de Maîtrise de Chimie et Biologie Végétale. Univ.Rennes I. 20 p.

(75) Bes de Berc X. (1996) Le rôle des prairies hydromorphes de bas-fonds dans l'épurationnaturelle des cours d'eau en nitrates. Mémoire de DESS Ressources Naturelles etEnvironnement. Univ. Metz. 28 p.

(76) Massa F. (1996) Etude pluridisciplinaire de l'impact du milieu naturel sur le développementde juvéniles de Truite commune (Salmo trutta). Comparaison de deux cours d'eau àSalmonidés en milieu agricole moyennement intensif. Mémoire de DEA FonctionnementPhysique, Chimique et Biologique de la Biosphère continentale. Paris 6. 34 p. Coencadrement :Prunet P., Baglinière J.L. (33%)

(77) Forget V. (1997) Fonctionnement hydrologique et géochimique du talus de ceinture de bas-fond. Rôle dans l'épuration du milieu en nitrate. Mémoire de DEA, Science du Sol. 50 p.

(78) Colas J. et Rousseau I. (1998) Cartographie de systèmes pédologiques en Amazoniebrésilienne. Relation aux systèmes de production. région de Maraba. Etat du Para. Mémoire deDAA, Génie de l'environnement, option Science du Sol. 106p. Coencadrement : Curmi P.(50%)

(79) Gasnier M. (1998) Compartiment géochimique des phases solides (éléments majeurs ettraces) d'un système pédologique en contexte océanique tempéré, et première approche desinteractions solution/solide par expérience de lessivage. Mémoire de DEA Science du sol, 20p.Coencadrement : Curmi P., Gruau G. (20%)

(80) David G. (1999) Rôle épurateur de la haie de bas de versant vis à vis des nitrates. Mémoirede Maîtrise Chimie, Univ. Rennes 1, 10p.

(81) Guedron S. (2002) Impact de l’orpaillage sur la richesse en mercure des sols guyanais.Mémoire de DEA National Science du Sol, 20 p. Coencadrement : Spadini L., Grimaldi M.(70%)

(82) Blot T. (2002) Suivi des matières en suspension dans deux sous-bassins versants de Basse-Normandie, Mémoire de maîtrise, Univ. Rennes UFR SVE, 20p. Coencadrement : Gascuel C.(40%)

(83) Biri-Kassoum B. et Maitre d’Hotel E. (2002) Contribution à l’étude de la durabilité del’agriculture familiale en zone de front pionnier : exemple de la communauté de Benfica enAmazonie orientale brésilienne. Diplôme d’Agronomie Tropicale, CNEARC Montpellier.Coencadrement : Grimaldi M., Dosso M. (33%)

(84) Lefrançois J. (2003) Caractérisation du transport particulaire dans les ruisseaux bretons.Recherche d’une méthodologie de prélèvement adaptée. Traçage géochimique de l’originespatiale des MES. Mémoire de DEA National Science du Sol, 20 p. Coencadrement : GascuelC. (40%)

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(85) Guenneugues G. (2004) Dynamique des matières en suspension à l’échelle de la crue danstrois petits ruisseaux du Massif armoricain. Mémoire de maîtrise Biologie des Populations etEcosystèmes, Univ. Rennes 1 15 p.

Thèses :

(86) Massa F. (2000) Sédiments, physico-chimie du milieu interstitiel et développement embryo-larvaire de la truite commune (Salmo trutta). Etude en milieu naturel anthropisé et enconditions contrôlées. Doctorat de 3ème cycle, Sciences de l’environnement, Institut Nationald’Agronomie Paris-Grignon, 214p. Coencadrement : Prunet P., Baglinière J.L. (33%)

(87) Caubel V. (2001) Influence de la haie de ceinture de fond de vallée sur les transferts d’eau etde nitrate. Doctorat de 3ème cycle, ENSAR, 155p. Coencadrement : Merot P., Grimaldi M.(80%)

(88) Simoes L. (2003) Systèmes pédologiques d’une localité de front pionnier amazonien(Benfica, PA, Brésil). Conséquences des modes de gestion sur la fertilité. Tesa de Mestrado emAgronomia. UFRA, Belém, Pará. (fin 2003). Coencadrement Grimaldi M., Martins P. (30%)

(89) Lefrançois J. (en cours) Caractérisation et origine des transports particulaires dans les petitscours d’eau du Massif Armoricain. Coencadrement : Gascuel C. (50 %)

• Activités effectuées en relation avec le milieu industriel

Convention Centre Spatial Guyanais / ORSTOM-IRD

(90) Grimaldi C., Sarrazin M. (1992) Etude d’impact du banc d’essais des étages d’accélération àpoudre d’Ariane 5. Conséquences des rejets gazeux sur l’environnement. Inventairepréliminaire de l’environnement du site. Rapport de Convention IRD-CNES, 20 p.

(91) Grimaldi C., Sarrazin M. (1993) Etude d’impact du banc d’essais des étages d’accélération àpoudre d’Ariane 5. Conséquences des rejets gazeux sur l’environnement. Compositionchimique des pluies et pluviolessivats, et des rivières Karouabo et Passoura. Essais M1 et M2.Rapport de Convention IRD-CNES, 70 p.

(92) Grimaldi C., Dhenin J.M., Litampha A., Bron R. (1995) : Etude d’impact du banc d’essaisdes étages d’accélération à poudre d’Ariane 5. Conséquences des rejets gazeux surl’environnement. Composition chimique des pluies et pluviolessivats, et des rivières Karouaboet Passoura. Essais M3 et M4. Rapport de Convention IRD-CNES, 27 p.

(93) Grimaldi C., Dhenin J.M., Litampha A., Bron R. (1995) : Etude d’impact du banc d’essaisdes étages d’accélération à poudre d’Ariane 5. Conséquences des rejets gazeux surl’environnement. Composition chimique des pluies et pluviolessivats, et des rivières Karouaboet Passoura. Essais M5 et Q1. Rapport de Convention IRD-CNES, 28 p.

(94) Huynh.F., Charron C., Demagistri L., Dosso M., Gardel A., Garrouste V., Grimaldi C.,Grimaldi M., Hernandez B., Lamonge O., Lointier M., Loubry D., Panechou K., Prost M.T.(1995) et (1996) : Etude d'impact sur l'environnement de la zone de lancement n°3 (Ariane 5).Approche globale et pluridisciplinaire de l'environnement. Rapport intermédiaire, juin 1995,106 p., et rapport final, mai 1996, 111 p.. Convention CNES-ORSTOM

(95) Lointier M., Grimaldi C., Sabatier D., Prevost M.F., Prost M.T., Barthes B., (1999). Etuded'impact du banc d'essai des étages à poudre d'Ariane V: Conséquences des rejets gazeux surl'environnement. Centre IRD Cayenne. Rapport final de convention Cnes/IRD, mult. 103 p.

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• Activités d’expertises

Expertises collégiales:

Expertise collégiale IRD « Le mercure en Amazonie » (2000-2001) à la demande de la préfecture deGuyane et du ministère de l’environnement

(96) Roulet M., Grimaldi C. (2001) Le mercure dans les sols d'Amazonie. Origine etcomportement du mercure dans les couvertures ferrallitiques du bassin amazonien et desGuyanes. p121-165. In : Le mercure en Amazonie. Rôle de l’homme et de l’environnement,risques sanitaires. Expertise collégiale IRD. IRD Ed. 502p.

Expertise collégiale IRD « Impact des activités futures d’Ariane V sur l’environnement humain etnaturel » (2002-2003) à la demande du CNES

(97) Grimaldi C., Andrieux P., Bonnet M.P. (2003) Géochimie des eaux et des sols, et transfertshydriques p25-45. Annexe 4 In : Impact des activités futures d’Ariane V sur l’environnementhumain et naturel. Expertise collégiale IRD. Contrat de consultance IRD 9086-01/CNES/2129.

(98) Lointier M., Pavé A., Andrieux P., Bonnet M.P., Cavaillès M., Fabre G., Fotsing J.M., GarrecJ.P., Grimaldi C., Lévi Y., de Mérona B., Polidori L., Sabatier D., Schmidt-Lainé C., TostainO. (2003) Impact des activités futures d’Ariane V sur l’environnement humain et naturel. 19 p.Expertise collégiale IRD. Contrat de consultance IRD 9086-01/CNES/2129.

Impact de l’orpaillage en Guyane (CNRS / Région Guyane)

(99) Grimaldi C., Grimaldi M., (1999) Programme mercure en Guyane. Sols du site orpaillé deDorlin. 7 p.

(100) Grimaldi M., Grimaldi C., Dutin G., (2000) Programme mercure en Guyane. Sols du siteorpaillé de Petit-Saut. 7 p.

(101) Grimaldi M., Gaudet J.-P., Grimaldi C., Melières M.-A., Spadini L., (2001) I-Sources,stocks et transferts de mercure dans les sols et sédiments. In : Programme Mercure en Guyane.Rapport final, première partie : région de Saint-Elie et retenue de Petit Saut. CNRS-PEVS(Ed.), p.4-16.

(102) Grimaldi M., Amouroux D., Grimaldi C., Spadini L., Tessier E., Dutin G., Sarrazin M.(2002). Sources, stocks et transferts dans les sols et sédiments. In: CNRS-PEVS (Editor),Programme mercure en Guyane. Rapport final, deuxième partie : région du Haut-Maroni etbassins versants ECEREX. CNRS-PEVS, 75p.