Origine et devenir du carbone organique particulaire transporté par les plus grands fleuves de Chine

Les processus d'érosion et de transport de carbone organique particulaire (POC) des continents vers l'océan jouent un rôle central dans le cycle du carbone. Les rivières fournissent des informations clés et intégrées sur l'origine, les processus de mobilisation et le métabolisme du carbone organique transitant des réservoirs terrestres aux réservoirs marins. Cet apport de POC à l’océan peut avoir des impacts variés sur la teneur en CO₂ de l'atmosphère à long terme, suivant son origine (biosphérique vs pétrogénique) et son devenir (enfouissement vs minéralisation). Il est donc crucial d’améliorer notre compréhension des processus de mobilisation et de transport de POC dans les fleuves et d’en identifier les sources, notamment face aux perturbations anthropiques actuelles. En ce sens, les grands fleuves chinois sont des terrains d’études privilégiés car ils sont caractérisés par une diversité de conditions climatiques et géomorphologiques, drainent des lithologies variées et sont soumis à une pression anthropique variable mais croissante. Cette thèse se décompose en trois parties : 1) quantifier les sources et mécanismes de transport du POC dans un grand fleuve ayant l’une des charges sédimentaires les plus importantes au monde, le Huanghe ; 2) quantifier l'impact des barrages sur l'export de POC dans le Changjiang, un fleuve soumis à une pression anthropique massive (> 50,000 barrages) ; 3) développer une base de données mondiale qui rassemble 3,300 données de POC ainsi que des données de ses éventuels contrôles géo-environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, des campagnes de prélèvements ont été menées sur les plus grands fleuves de Chine. Il a ainsi été possible d’exploiter des séries temporelles mensuelles de matière en suspension (SPM) prélevée en surface ainsi que de multiples échantillons de SPM prélevés suivant des profils verticaux distribués le long de transects de rivière. La distribution en taille des grains et la composition chimique de ces SPM ont été analysés au même titre que la teneur en carbone organique et ses compositions isotopiques en d¹³C et C¹⁴. Le fleuve Huanghe, qui a connu une diminution d’environ 90 % de sa charge sédimentaire depuis 1950, transporte du POC relativement appauvri en C¹⁴ (Δ¹⁴C : −453‰ à −331‰) et cela, bien que la majorité de ce POC provienne de sources biosphériques (67% - 79%). L’érosion physique intense des séquences de loess-paléosols dans le bassin expliquerait cette mobilisation de carbone relativement ancien (et même “mort” pour partie) provenant d'horizons profonds. De plus, l’hétérogénéité verticale et latérale de la composition élémentaire et isotopique du POC à l'échelle d'un transect de rivière montrent que l'érosion des berges et la remise en suspension du sable de fond sont des processus actifs. Dans le bassin du fleuve Changjiang, les flux d'érosion à long terme et l'exportation de POC ont été fortement impactés par les activités humaines, notamment par la mise en place de barrages. A l’heure actuelle, il y aurait 4 fois plus de POC retenus à l’arrière des barrages du Changjiang que la quantité de POC exportée à l'embouchure. Le développement des méga-réservoirs en cascade (CMR) dans le Jinshajiang (cours supérieur du Changjiang) a bloqué le transfert jusqu’à l’océan du POC provenant du plateau du Qinghai-Tibet et a favorisé un enfouissement rapide et efficace de ce carbone organique sur le continent plutôt que dans l'océan. Enfin, une base de données mondiale archivant 3,300 données élémentaires et isotopiques de POC dans le monde : Modern River Archives of Particulate Organic Carbon (MOREPOC), a été construite. Elle enregistre la mémoire fluviale des SPM collectés dans 229 rivières de 118 systèmes fluviaux. MOREPOC est construite pour étudier de manière globale les facteurs environnementaux majeurs pouvant contrôler l’export de POC et sa signature isotopique.Continental erosion and riverine transport of particulate organic carbon (POC) to the Ocean play a central role in the global carbon cycle. Rivers provide key and integrated information on the origin, mobilization processes and metabolism of POC transiting from terrestrial to marine reservoirs. Once in the marine environment, POC may eventually have antagonist feedbacks on the long-term CO₂ content of the atmosphere, depending on its origin (biospheric vs petrogenic) and its fate (burial vs mineralization). Large rivers in China are of crucial importance in our understanding of POC delivery at both regional and global scales, as they encompass a large spectrum of climatic and geomorphic conditions, drain various lithologies, and are subject to varied but increasing anthropogenic pressure. This thesis focuses on three parts: 1) the sources and transport mechanisms of POC in one of the most turbid large rivers, the Huanghe; 2) the impact of dam-building on POC export in the Changjiang, a large catchment that experiences massive anthropogenic perturbation with > 50,000 dams; 3) the development of a global database that gathers 3,300 data on riverine POC along with co-localized data of its possible geoenvironmental controls. To fulfill the goals of this thesis, multiple sampling expeditions were carried out on the largest rivers in China to collect monthly time series of suspended particulate matter (SPM) at the channel surface and multiple vertical depth profiles of SPM along channel transects. Fluvial sediment was analyzed for particle size and major elements as well as for POC content and dual carbon isotopes (¹³C and ¹⁴C). Coupling POC content with particle size (or aluminum to silicon ratios) and ADCP acquisitions allows accessing the loading and transport mode of POC as well as an accurate estimate of instantaneous POC fluxes. The Huanghe, which has experienced a 90% decrease in sediment load since the 1950s, carries relatively ¹⁴C-depleted POC (Δ¹⁴C: −453‰ to −331‰) although POC mainly originates from the biospheric pool (67%-79%). This is explained by enhanced physical erosion of unconsolidated loess-paleosol sequences in the Chinese Loess Plateau region. Gully erosion would mobilize aged (and even dead) carbon from deep horizons that can still be considered as biospheric carbon in the long-term carbon cycle. In addition, POC heterogeneities at the scale of a river cross-section suggest that bank erosion and bedload resuspension are operational processes. In the Changjiang River system, long-term fluxes of erosion and POC export have been greatly impacted by human activities, especially since the operation of dams. A substantial amount of POC is not anymore transferred to the ocean but end-up buried in reservoirs upstream of dams. Nowadays, there would be 4 times more POC retained in reservoirs along the Changjiang than the amount of POC exported to the ocean at the mouth. For the first time, the impact of cascade mega reservoirs (CMRs) in the lower Jinshajiang (upper reaches of the Changjiang) on fluvial POC transfer is quantitatively evaluated. Distinct POC signature and loading are observed before and after CMRs operation, which prevented POC coming from the Qinghai-Tibet Plateau from traveling downstream and favored rapid and efficient burial of this OC on the continent rather than in the ocean. Finally, a global database archiving 3,300 published and unpublished elemental and isotopic data on worldwide riverine POC: MOdern River archivEs of Particulate Organic Carbon (MOREPOC) has been built. It records the fluvial memory of SPM collected at 229 main channels and tributaries in 118 river systems. MOREPOC is then used to investigate the global pattern of POC loading and the possible environmental factors (i.e., geomorphology, climate, and tectonics) that can control the radiocarbon signatures of POC in global rivers