Le nitrate et la rivière : diagnostic multi-isotopique de la saturation en azote au col du Lautaret
Prix Jeunes Chercheurs Alpins 18-19 Octobre 2018
Ilann BOURGEOIS
Thèse soutenue le 8 Décembre 2017 sous la direction de Jean-Christophe CLEMENT et Joël SAVARINO
CONTEXTE
Service écosystémiques de montagne:- Qualité de l’eau- Contrôle de l’érosion- Contrôle de la chimie des sols- Valeur patrimoniale et sociétale
Préservation de la biodiversité
EQUILIBRE
Conditions naturelles
2
CONTEXTE
Préservation de la biodiversité
DESEQUILIBRE
Activités humaines
Service écosystémiques de montagne:- Qualité de l’eau- Contrôle de l’érosion- Contrôle de la chimie des sols- Valeur patrimoniale et sociétale
2
CONTEXTE
D’ici 2100, les dépôts d’azote devraient être la troisième cause de la perte de biodiversité à l’échelle globale…
© Sala et al. Science, 2000 4
CONTEXTE
… et la deuxième cause de la perte de biodiversité à l’échelle des écosystèmes de montagne
© Sala et al. Science, 2000 5
N2 atmosphérique
NrNr
NH4+
AmmonificationNO2
-
Assimilation
Fixation biologique
Eclairs
NO3-
Nitrification
5
60
Flux en Tg-N ha-1 yr -1
D’après Fowler et al. (2013)Nr = Azote réactif
Lessivage
Dénitrification
CONTEXTE
7
N2 atmosphérique
NrNr
NH4+
AmmonificationNO2
-
Assimilation
Fixation biologique
Eclairs
NO3-
Nitrification
5
60 + 60
Flux en Tg-N ha-1 yr -1
D’après Fowler et al. (2013)Nr = Azote réactif
Lessivage
Dénitrification NONO2
O3
HNO3
Fertilisation 120
Dépôts atmosphériques
70
CONTEXTE
7
NrNr
NH4+
AmmonificationNO2
- NO3-
NONO2Dénitrification
HNO3
Transport
Dépôtsatmosphériques
Assimilation
Nitrification
Lessivage
Nr = Azote réactif
CONTEXTE
7
Rivières
Neige
8
Quel est le devenir du nitrate atmosphérique en montagne?
?
? DépôtsNO3-atm
CONTEXTE OBJECTIF
9
Isotopes?
NO3-
16O8 protons8 neutrons
17O8 protons9 neutrons
18O8 protons10 neutrons
+1
+2
14N7 protons7 neutrons
15N7 protons8 neutrons
+1
Isotopes de l’azote:
Isotopes de l’oxygène:
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
10
16O 17O 18O14N 15N99.63% 0.37% 99.76% 0.04% 0.20%
δ15N δ17O δ18O
Mesurés en ‰ (n = 17 ou 18)
Isotopes de l’azote: Isotopes de l’oxygène:
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
10
16O 17O 18O14N 15N99.63% 0.37% 99.76% 0.04% 0.20%
δ15N δ17O δ18O
NH4+ NO3
-
15N 14N
Isotopes de l’azote: Isotopes de l’oxygène:
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
11
δ18O (‰)
δ15N (‰)
Sources de NO3-
Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- d’engrais
NO3- atmosphérique
D’après Kendall et al. (2007)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Enrichissement si perte de NO3
-
Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
11
δ18O (‰)
δ15N (‰)
Sources de NO3-
Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- d’engrais
NO3- atmosphérique
D’après Kendall et al. (2007)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Enrichissement si perte de NO3
-
*Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
11
δ18O (‰)
δ15N (‰)
Sources de NO3-
Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- d’engrais
NO3- atmosphérique
D’après Kendall et al. (2007)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Enrichissement si perte de NO3
-
*
Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
11
δ18O (‰)
δ15N (‰)
Sources de NO3-
Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- d’engrais
NO3- atmosphérique
D’après Kendall et al. (2007)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Enrichissement si perte de NO3
-* Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
11
δ18O (‰)
δ15N (‰)
Sources de NO3-
Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- d’engrais
NO3- atmosphérique
D’après Kendall et al. (2007)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Enrichissement si perte de NO3
-* Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
11
δ18O (‰)
δ15N (‰)
Sources de NO3-
Nitrification de NH4+ atmosphérique Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- d’engrais
NO3- atmosphérique
Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
D’après Kendall et al. (2007)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Enrichissement si perte de NO3
-*
12
16O 17O 18O14N 15N99.63% 0.37% 99.76% 0.04% 0.20%
δ15N δ17O δ18O +1
+2
δ17O = 0.52 * δ18O
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Isotopes de l’azote: Isotopes de l’oxygène:
13
δ17O (‰)
δ18O (‰)
δ17O = 0.52 * δ18O
Δ17O
Δ17O = δ17O - 0.52 * δ18O
Fractionnement
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
D’après Michalski et al. (2002)
Singularité isotopique
Ligne de mélange
NO3- atmosphérique
NO3- d’engraisNO3
- issu de la nitrification
13
δ17O (‰)
δ18O (‰)
δ17O = 0.52 * δ18O
Δ17O
Δ17O = δ17O - 0.52 * δ18O
Si Δ17O = 0 Pas de NO3- atmosphérique
Si Δ17O > 0 NO3- atmosphérique
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
Singularité isotopique Fractionnement
Ligne de mélange
NO3- atmosphérique
NO3- d’engraisNO3
- issu de la nitrification
Sources de NO3-
Δ17O (‰)
δ15N (‰)
NO3- atmosphérique
Δ17O ne varie pas suite au fractionnement -
14
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
*NO3
- terrestre
Sources de NO3-
Δ17O (‰)
δ15N (‰)
NO3- atmosphérique
Δ17O ne varie pas suite au fractionnement -
14
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
*NO3
- terrestre
Nr
NH4+
AmmonificationNO2
- NO3-
NONO2
O3
HNO3
Dépôtsatmosphériques
Nitrification
15
Δ17Oter = 0
Δ17Oatm > 20‰
Δ17Oéch?
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE
N2 atmosphérique
ƒatm = (Δ17Oéch / Δ17Oatm)
After Baptist (2007) 16
600 mm -7°C 14°C2100 m
Col duLautaret
Alpes du Nord
Alpes du Sud
Alpes internes
Alpes externes
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret
Atmosphère
Sols
NeigePlantes
18
LAUTARET PASS
© F. Delbart
© S. Hattori
© F. Delbart
© C. Nesti
96
231
320164
566
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret
Atmosphère
Δ17O = 24.0 ± 5.1 ‰
Δ17O = 26.4 ± 3.2 ‰
Δ17O = 24.7 ± 3.5 ‰
Δ17O (‰)
NO3- terrestre
NO3- atmosphérique
19
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
ƒatm = (Δ17Oéch / Δ17Oatm) ?Aérosols
Dépôts humides
Dépôts secs
Atmosphère
Δ17O = 24.0 ± 5.1 ‰
Δ17O = 26.4 ± 3.2 ‰
Δ17O = 24.7 ± 3.5 ‰
Δ17O (‰)
NO3- terrestre
Δ17Oatm ≈ 25‰
19
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
ƒatm = (Δ17Oéch / Δ17Oatm) ?Aérosols
Dépôts humides
Dépôts secs
AtmosphereSnow
20
Δ17O (‰) [NO3-] (mg L-1)
δ15N (‰)
100% NO3-atm
Δ17O = 29.3 ± 1.6 ‰
Peu de perte de NO3-
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattenduPr
ofon
deur
(cm
) Pr
ofon
deur
(cm
)
LaurichardTufière
Les Cours Romanche
Lac de Chambon
DracIsère
Grenoble
200m
1000m
2000m
Rivers Altitude
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
Col du Lautaret
Tufière
Romanche
Drac
Grenoble
Col du Lautaret
200m
1000m
2000m
Rivers Altitude
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
22
Tufièreƒatm (%)Neige Neige Neige
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
ƒatm = (Δ17Oéch / 29.3) Δ1
7 O (‰
)
22
ƒatm (%)
ƒatm = (Δ17Oéch / 29.3)
Neige Neige Neige
Romanche
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattenduΔ1
7 O (‰
)
22
ƒatm (%)
Neige Neige Neige
Romanche
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
ƒatm = (Δ17Oéch / 29.3) Δ1
7 O (‰
)
22
ƒatm (%)
Drac
Δ17 O
& δ
15N
(‰)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
ƒatm = (Δ17Oéch / 25.6)
23
δ15N (‰) [Cl-] (mg L-1)
δ15N & Cl- : eaux usées
y=-0.2x + 31.8R2=0.3 p<10-4
y=-0.1x + 9.7R2=0.2 p<0.05
Débit (m3 s-1)
ƒatm (%)
Drac
Δ17 O
& δ
15N
(‰)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
1-2 kg N-NO3- ha-1 yr-1
0.3-0.4 kg N-NO3-atm ha-1 yr-1
2-4 kg N-NO3- ha-1 yr-1
0.1-0.2 kg N-NO3-atm ha-1 yr-1
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
DracRomanche
Flux de NO3- et de NO3
-atm
24
δ15N (‰)
δ15N (‰)
Δ17 O
(‰)
25
Sources
Δ17 O
(‰)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
Nitrification de NH4
+ du sol
NO3- atmosphérique Tufière
Romanche Drac
δ15N (‰)
δ15N (‰)
Δ17 O
(‰)
25
Sources
Δ17 O
(‰)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
Nitrification de NH4
+ atmosphérique
Nitrification de NH4
+ du sol
Tufière Romanche Drac
NO3- atmosphérique
δ15N (‰)
δ15N (‰)
Δ17 O
(‰)
26
Sources
Δ17 O
(‰)
ISOTOPIEOBJECTIFCONTEXTE Col du Lautaret NO3-atm: un
voyage inattendu
Nitrification de NH4
+ de rejets d’épuration
Tufière Romanche Drac
NO3- atmosphérique
27
CONCLUSION
Δ17O
Rivières 0 - 39%FL = 0.3-0.4
NO3-atmNeige 100%
DépôtsFA = 3-5
Ecosystème non saturé en N
Flux enkg N-NO3
-atm ha-1 yr-1Romanche
28© S. Aubert
Seuil critique : 1-4 kg N ha-1 yr-1D’après Baron et al. (2011)
Transport
Dépôts au col du Lautaret: 3-5 kg N-NO3
- ha-1 yr-1
CONCLUSION
Dépôtsatmosphériques
Perte de la biodiversité
Qualité de l’eau
CONCLUSION
500
200
100
75
50
25
10
5
2.5
0.5
kg N ha-1 yr-1
2050 (270 Tg N yr-1 )
D’aprèsGallowayetal.(2004)
Dépôts atmosphériques de Nr liés aux activités humaines
1993 (156 Tg N yr-1)1860 (15 Tg N yr-1)
29
REMERCIEMENTS
IGE (isotopie): Nicolas, Albane, Elsa, Joseph, Erwann, Baptiste
IGE (hydrologie): Julien, Guillaume, Cédric
IGE (atmosphère): Didier, Aurélie, Jean-Luc, Vincent, Fanny
LECA (écologie): Cindy, Arnaud, Lionel, Julien, Karl, Bello,Rolland
Stagiaires:Sarah, Cristiano, Nicolas, Solange
30
SAJF (logistique): Franck, Pascal,
Christophe, Camille,
Et tout les gens qui sont venus sur le terrain…