Critical Zone behaviour in agricultural conditions : Auradé catchment case study : spatio-temporal hydrochemical variations and erosion reports

Abstract

Comprendre le fonctionnement hydrochimique de la Zone Critique reste un enjeu fort de ces décennies, notamment en ce qui concerne les interactions entre les cycles de l’eau, du carbone et de l’azote. Le bassin versant agricole du Montoussé à Auradé (Gers) soumis à des fortes pressions anthropiques et climatiques sur ces cycles, est l’un des dispositifs pérennes d’observation à long terme de l’infrastructure de recherche OZCAR, en charge de surveiller la zone critiques en milieu agricole. Ce bassin versant carbonaté est soumis à une climat semi-aride marqué par une forte évapotranspiration et des périodes de hautes eaux en hiver et au printemps, caractéristiques confirmées par les signatures isotopiques de l’eau. Une analyse des variations temporelles des eaux des précipitations atmosphériques et des eaux du ruisseau, à long- (sur 15 et 30 ans), moyen- (annuel et saisonnier) et court-terme (journalier et nycthéméral), et à haute fréquence (10mn) a mis en évidence : (i) l’origine des éléments dans les précipitations ; (ii) l’effet de l’augmentation des débits et de la fréquence des crues sur la diminution des concentrations en éléments majeurs, (iii) K et COD comme indicateurs de l’érosion des matières organiques des sols, favorisées par une amélioration des pratiques agricoles et une augmentation des températures; (iv) les processus de précipitation de la calcite, de nitrification, d’évapotranspiration et de prélèvement par la végétation. Une analyse spatiale de la composition chimique des eaux des ruisseaux du bassin versant, couplée aux signatures isotopiques de C et N, a permis de préciser les sources d’éléments, les processus en jeu tant hydrologiques que géochimiques associés aux perturbations de l’altération. Le découpage des hydrogrammes de crue, les relations concentration-débit et l’analyse des isotopes stables (δ15N, δ17O et δ18O) ont permis de mettre en évidence un contrôle des nitrates par des processus de dénitrification, une voie préférentielle de transfert des ions dans l’écoulement hypodermique, alors que les matières en suspensions (MES) sont transportées par le ruissellement. La contribution des crues aux flux exportés représente 93% pour les MES et 30-47% pour les éléments majeurs dissous. Les bilans nets (entrée-sortie) des éléments majeurs exportés sont très dépendants des quantité d’eau drainées. L’export des éléments majeurs se situe dans la moyenne des bassins versants du Sud-Ouest de la France tandis que les flux de MES sont similaires à ceux de bassins versants semi-arides du Maghreb. Enfin, l’apport de fertilisants azotés contribue à acidifier les sols, modifie la dissolution naturelle des carbonates et augmente l’altération chimique, induisant une perte de CO2 consommé de l’ordre de 15% au regard d’une dissolution naturelle des carbonates. Les sols du bassin versant du Montoussé ne sont pas en équilibre, puisque l’érosion mécanique est en moyenne deux fois supérieure à l’altération chimique. Le changement climatique et les pratiques agricoles auront donc des implications fortes sur la dynamique des cycles de l’azote et du carbone dans les années à venir. Les observatoires de la Zone Critique ont donc un rôle essentiel de surveillance et de compréhension de ces perturbations dans les prochaines décennies, et ils jouent aussi un rôle majeur dans l’aide à la gestion de ces bassins agricoles.Understanding the hydrochemical functioning of the Critical Zone is a major issue of these decades, especially for water, nitrogen and carbon cycles interactions. The Montoussé agricultural catchment at Auradé (Gers, France) undergoes strong anthropic and climatic pressure on these cycles, and is one of the long-term perennial observatory of the OZCAR research infrastructure in charge of monitoring the Critical Zone in an agricultural context. This carbonate catchment suffers semi-arid-climate characterized by a strong evapotranspiration and high water flow conditions during spring, as confirmed by water isotopic data. The investigation of the temporal evolution of atmospheric rainfall and stream water discharge at long-term (15 and 30 years), middle-term (seasonal and annual) and short-term (nycthemeral land daily), and at a high frequency (10 minutes), revealed: (i) the origin of elements in the precipitations; (ii) the influence of increasing discharge and of flood frequency on the decrease of major element concentration; (iii) K and DOC, as indicators of soil organic matter erosion, favored by improved agricultural practices and increasing air temperature; (iv) calcite precipitation, nitrification, evapotranspiration and vegetation uptake processes. A spatial investigation of stream water chemical composition at the catchment scale, coupled with carbon and nitrogen isotopic signature, allowed to identify the origin of the elements and the hydrological and geochemical processes associated with weathering perturbations. Separation of stromflow hydrograph, discharge-concentration relationships and stables isotopes analyses (15N, 17O and 18O) highlighted the nitrate control by denitrification process, a preferential way of ion transfer by sub-surface water flow, whereas suspended particulate matter (SPM) was transported by runoff. The flood events contribution to total flux exportation represented 93% for SPM and 30- 47% for dissolved major elements. The major elements mass-balance (inputs-outputs) was dependent upon drainage. The net major elements exportation was close to the average of other catchments of the southwest of France, whereas SPM fluxes were close to those of Maghreb semi-arid catchments. Nitrogen fertilizer inputs contributed to soil acidification, have modified the natural carbonate dissolution and have increased the chemical weathering rate, inducing a 15% loss of consumed CO2 compared natural conditions. The soils from the Montoussé catchment are not currently in balance since mechanical erosion is two times stronger than chemical weathering. In the coming years, climate Change and agricultural practices will have strong implication for the carbon and nitrogen cycle dynamic. The Critical Zone observatories will thus have an essential role in the survey and the understanding of these perturbations in the next decades, as well as in supporting agricultural catchment management