Les fonctions écologiques de régulation des nitrates au sein des bassins versants : des cours d'eau aux territoires

Maintaining good surface water quality within watersheds is a crucial challenge for the society and the proper functioning of aquatic ecosystems. This maintaining is allowed by the water quality regulation service, which is still understudied. A better understanding of this service will help determining the human stressors and the potential protected areas designation. Consequently, this understanding will design an optimal management of the resource. If we take the case of nitrates in watercourses as an indicator of water quality, they are still currently brought in significant quantities from agricultural activities, urban and industrial effluents. The regulation service is provided by ecosystems through natural processes of production, storage and removal. Regulation takes place in both terrestrial and aquatic environments and depends on control factors such as land use and occupation, hydrology, pedology and landscape structure. The use of modelling coupled with observation is thus essential to characterize and quantify the nitrate regulation functions at different organization scales and was the subject of this work. The objectives of this thesis are: (1) quantifying and understanding the spatial and temporal evolution of the ecological functions related to nitrate regulation within the hydrographic network and its watershed area; (2) analyzing the influencing factors on these functions; (3) quantifying the ecological functions with "simple" relationships in order to avoid "complex" modelling; (4) quantifying these ecological functions on the scale of Southwestern Europe in a context of land management and global change. Two scales of spatial organization were addressed: the scale of the water body in the sense of the Water Framework Directive and the scale of the operating system. The methodology was first developed on the Garonne River (50,000 km2) and then applied on the scale of the whole Southwestern Europe (773,000 km2). In this work, we used data from the water agencies throughout Europe, but also scientific data from European projects and specific studies. The results simulated from the SWAT model show that, in the Garonne watershed, nitrate production is on average equal to +1.62 gN.m-2.d-1 and nitrate removal is on average equal to - 1.77 gN.m-2.d-1 within the rivers over the period 2000-2010. These calculations were obtained from modelling on a monthly scale integrating anthropogenic pressures (cities, agriculture, dams). Nitrate removal is more significant during spring and summer in small rivers of alluvial plains, while production is more substantial downstream of large rivers. In the lands, nitrate production in soils is dominant in floodplains, while the in-land removal function is dominant in floodplain forests and wetland areas with high organic matter composition (>2%). These in-stream and in-land ecological functions are landscape-dependent. By comparing with natural maps, the in-land ecological functions have suffered a 76% loss due to strong human stressors in the Garonne watershed. The spatiotemporal dynamics of these in-stream and in-land ecological functions are controlled by the slope, the streamflow, the hydraulic conditions and the nitrate concentration in the surface waters. Based on these control factors, parametric equations modeling in-stream nitrate removal have been developed and validated on the Garonne watershed. The in-stream and in-land ecological functions estimated on a large scale, the scale of Southwestern Europe, have spatial and temporal variations similar to those found in the Garonne watershed and depend on landscape features and anthropogenic influence. Finally, the results of this thesis had been valorized thanks to many collaborations in the hydrological, ecological and economical fields and had been the subject of knowledge transfer to society.Le maintien de la qualité des eaux de surface au sein des bassins versants est un enjeu pour la société et les écosystèmes. Ce maintien est en partie assuré par la régulation de la qualité de l'eau, encore trop peu étudiée. Comprendre cette régulation faciliterait la détermination de l'impact anthropique et des zones à préserver, en conséquence, une gestion de la ressource optimale. Si l'on considère les nitrates comme indicateur de la qualité de l'eau, ces derniers sont apportés en quantité importante par les activités agricoles, les rejets urbains et industriels. La régulation est assurée par les écosystèmes grâce à des processus naturels de production, de stockage et d'élimination. La régulation s'effectue à la fois dans les milieux terrestres et aquatiques, et dépend de facteurs de contrôle, tels que l'occupation du sol, l'hydrologie, la pédologie et la structure du paysage. Le recours à la modélisation couplée à de l'observation à la fois sur les milieux aquatiques et terrestres est ainsi incontournable pour caractériser et quantifier les fonctions de régulations des nitrates à différentes échelles d'organisation spatiale. Les objectifs de cette thèse sont: (1) de quantifier et de comprendre l'évolution spatiale et temporelle des fonctions écologiques liées à la régulation des nitrates au sein du réseau hydrographique et des sols des versants, (2) d'analyser les facteurs de contrôle s'exerçant sur ces fonctions, (3) de quantifier avec des relations " simples " les fonctions écologiques, (4) de quantifier ces fonctions écologiques à l'échelle du Sud-ouest européen dans un contexte de gestion du territoire. Deux échelles d'organisation spatiale ont été abordées : l'échelle de la masse d'eau au sens de la Directive Cadre sur l'Eau et l'échelle du système d'exploitation. La méthodologie a été développée sur la Garonne (50 000 km2) puis appliquée à l'échelle de tout le Sud-Ouest Européen (773 000 km2). Dans ce travail, nous avons exploité les données issues des agences de l'eau européennes mais aussi des données scientifiques issues de projets européens et d'études ponctuelles. Les résultats simulés à partir du modèle SWAT montrent que, dans le bassin versant de la Garonne, la production de nitrates est en moyenne de +1,62 gN.m-2.j-1 et l'élimination des nitrates est en moyenne égale à -1,77 gN.m-2.j-1 au sein des cours d'eau sur la période 2000-2010. Ces calculs intégrant l'anthropisation (villes, agriculture, barrages) sont obtenus à l'échelle mensuelle. L'élimination de nitrates est plus forte au printemps et en été dans les petits cours d'eau de plaines alluviales, tandis que la production est plus forte en aval des fleuves. Sur les versants du bassin, la production en nitrates est dominante dans les plaines alluviales tandis que la fonction d'élimination est dominante dans les forêts alluviales et les zones humides avec une composition élevée en matière organique (>2%). Par comparaison avec une cartographie naturelle, ces fonctions écologiques de régulation ont subi une perte de 76% au sein du bassin de la Garonne, due aux fortes pressions anthropiques notamment de changement d'occupation du sol. La dynamique spatio-temporelle de ses fonctions écologiques est contrôlée par la pente, le débit, les conditions hydrauliques et la concentration en nitrates dans les eaux de surface. À partir de ces facteurs de contrôle, des équations paramétriques modélisant l'élimination des nitrates dans les cours d'eau à l'échelle des masses d'eau ont pu être développées et validées sur le bassin versant de la Garonne. Les fonctions écologiques terrestres et aquatiques estimées à large échelle, celle du Sud-ouest européen, ont des variations spatiales et temporelles similaires à celles trouvées dans le bassin de la Garonne. Enfin, la valorisation des résultats de cette thèse a permis de nombreuses collaborations dans les domaines de l'hydrologie, de l'écologie et de l'économie et a fait l'objet de transferts de connaissances vers la société