Thèse de Marion Le Gall au LSCE : « Traçage des sources de sédiments à l’amont des hydrosystèmes agricoles : Apport de la géochimie élémentaire, du rapport 87Sr/86Sr et des radionucléides ».

« Traçage des sources de sédiments à l’amont des hydrosystèmes agricoles : Apport de la géochimie élémentaire, du rapport 87Sr/86Sr et des radionucléides ».

Résumé

L’érosion des sols constitue une menace majeure pour la durabilité de la production agricole. Cette étude vise à développer une méthode originale de traçage des sédiments au sein de deux bassins versants agricoles aux caractéristiques contrastées.

Différents marqueurs ont été utilisés pour tracer l’origine lithologique des particules (concentrations élémentaires, rapports 87Sr/86Sr), déterminer de quel compartiment des sols (surface ou profondeur) elles proviennent (137Cs) et étudier leur dynamique temporelle (7Be, 210Pbxs).

Sur le bassin du Louroux (24 km², France), caractéristique des plaines agricoles du Nord-Ouest de l’Europe, les résultats ont montré un transfert accru de particules très fines (< 2µm) via le réseau de drainage. Lors de l’étude de trois crues successives, les sédiments accumulés dans le chenal ont d’abord été transportés, avant l’exportation de particules directement érodées de la surface des sols. L’utilisation de modèles de mélange a montré que les particules érodées à la surface des sols contribuent majoritairement aux sédiments de l’étang situé à l’exutoire. D’autre part, les deux zones lithologiques discriminées par le rapport 87Sr/86Sr contribuent équitablement aux particules qui se déposent dans l’étang. Les fortes variations observées depuis les années 1950 peuvent être interprétées comme le résultat de l’aménagement du bassin. Ces résultats ont montré le potentiel de l’isotopie du strontium (87Sr/86Sr) pour le traçage lithologique des sources de particules. La méthode a dès lors été transposée au site de Guaporé (2000 km², Brésil), un bassin agricole au climat plus érosif, à la topographie plus accentuée et aux lithologies plus contrastées. En combinant les rapports 87Sr/86Sr et les éléments les plus discriminants des cinq types de sols dans les modèles de mélange, les résultats montrent une contribution très majoritaire des types de sol localisés en aval du bassin. Celle-ci reflète une sensibilité croissante des sols à l’érosion selon un transect amont-aval, avec un système d’agriculture intensive appliquant des techniques de conservation des sols à l’amont et de plus petites exploitations familiales qui pratiquent un labour traditionnel en aval.

Le couplage de ces traceurs améliore la compréhension de la dynamique des particules à l’échelle du bassin versant et fournit des données spatio-temporelles essentielles pour mettre en place des mesures de lutte contre l’érosion des sols. À terme, ces données pourraient être utilisées pour valider des modèles d’érosion et de transfert particulaire.

 

 

Abstract

Soil erosion is recognized as one of the main processes of land degradation in agricultural environments. This study develops an original fingerprinting method to examine sediment source contributions in two contrasted agricultural catchments. Several properties were used to trace sediment lithological sources (87Sr/86Sr ratios, elemental concentrations), soil surface and subsurface sources (137Cs) and to quantify their temporal dynamics (7Be, 210Pbxs).

In the Louroux catchment (24 km², France), representative of drained areas of Northwestern Europe, results showed the dominant contribution of very fine particles (< 2 µm) transiting through the tile drainage system to suspended sediment. Sediment accumulated in the river channel was mainly exported during the two first floods investigated in 2013 whereas the next event was characterized by the transport of sediment eroded from the cultivated soil surface. Mixing models were used, and results indicated that surface sources contributed the majority of sediment deposited in the pond, at the outlet of the catchment. The two lithological sources, discriminated using 87Sr/86Sr ratios, contributed in similar proportions to downstream pond sediment. In contrast, significant variations were observed since the 1950s. These changes may be related to the progressive implementation of land consolidation schemes within the catchment. Results obtained in the Louroux catchment revealed the potential of 87Sr/86Sr ratios to trace sediment lithological sources. The methodology was then applied to the larger and steeper Guaporé catchment (2000 km², Brazil), exposed to a more erosive climate and characterized by contrasted laterite soils. 87Sr/86Sr ratios and elements that discriminated the five soil types found in the catchment were incorporated in mixing models. Results showed that the major part of sediment was supplied by soils located in lower catchment parts. This result suggests the higher sensitivity of land cultivated with conventional farming practices (downstream contribution), compared to areas cultivated under conservation agriculture (upstream contribution).

Coupling several tracers (87Sr/86Sr ratios, elemental concentrations and radionuclides) was shown to improve the understanding of sediment sources and dynamics at the catchment scale and to provide crucial information to guide the implementation of management measures to limit soil erosion. This fingerprinting approach produced an original dataset that may be used to calibrate and validate models simulating erosion and sediment transfers.

 

Le Gall, M., Evrard, O., Thil, F., Foucher, A., Salvador-Blanes, S., Cerdan, O., Ayrault, S. 2015. Tracing sediment sources using strontium isotopes in a pond draining an agricultural catchment (Loire River basin, France). Procedia Earth & Planetary Science 13, 30-34.

Le Gall M., Evrard O., Thil F, Dapoigny A., Foucher A, Laceby J. P., Salvador-Blanes S, Lefèvre I., Cerdan O., Ayrault S. 2016. Quantifying sediment sources in a pond draining a lowland agricultural catchment using 137Cs activities and radiogenic 87Sr/86Sr ratios. Science of the Total Environment, 566-567, 968-980.

Le Gall M., Evrard O., Thil F., Foucher A., Laceby J. P., Salvador-Blanes S., Ayrault S.. 2017. Examining suspended sediment sources and dynamics during flood events in a drained catchment using radiogenic strontium isotope ratios (87Sr/86Sr). Chem. Geol. 449, 147-157.

Le Gall M., Evrard O., Foucher A., Laceby J. P., Salvador-Blanes S., Manière L., Lefèvre I., Cerdan O., Ayrault S. 2017. Investigating temporal dynamics of suspended sediment during flood events with 7Be and 210Pbxs measurements in a drained lowland catchment. Scientific Reports 7, 42009 (10 p)

Le Gall M., Evrard O., Thil F., Dapoigny A., Tiecher T., Zafar M., Gomes Minella J. P., Laceby J. P., Ayrault S. 2017. Tracing sediment sources in a subtropical agricultural catchment of Southern Brazil cultivated with conventional and conservation farming practices. Land Degradation & Development, 28(4), 1426-1436.