Caractérisation expérimentale et modélisation des effets des pratiques culturales sur la pollution nitrique d'un aquifère en zone de grande culture Application au site de Bruyères (02).

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Beaudoin, Nicolas (2006) Caractérisation expérimentale et modélisation des effets des pratiques culturales sur la pollution nitrique d'un aquifère en zone de grande culture Application au site de Bruyères (02). Doctorat Agronomie et environnement, INRA - Unité d'agronomie Laon-Reims-Mons, INAPG 2006INAP0028 p.208.

Plein texte disponible en tant que : - Beaudoin_Nicolas_2006_these.pdf ( 7329 Kb )

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Résumé

Les eaux superficielles et souterraines doivent recouvrer une bonne qualité chimique et biologique avant

2015, d’après la Directive Cadre Européenne. Les Bonnes Pratiques Agricoles (BPA) établissent un

compromis entre les risques de pollution et de perte de revenu. Le résultat minimal escompté est de respecter

la norme de potabilité de 50 mgNO3.L-1 dans les eaux de captage et d'éviter les transferts de pollution de

l'hydrosphère vers l'atmosphère. Cependant leur mise en oeuvre ne garantit pas d’atteindre ces objectifs ; cela

nécessite des moyens de quantifier l'impact des pratiques agricoles effectives sur la pollution nitrique. Nous

avons testé différentes méthodes de quantification, en nous appuyant sur les données issues d'une

expérimentation partenariale de prévention de la pollution, menée sur le site de Bruyères (02). La question

finalisée est "quel est l’impact des BPA, appliquées de façon systématique, à l’échelle d’un bassin"? La

question de recherche est "peut-on modéliser la pollution nitrique, en situation agricole, à l’échelle du bassin

hydrologique"?

Le site d'étude est un plateau de 187 ha qui alimente une nappe d’eau souterraine, sise dans le Lutétien.

Cette nappe alimente 5 sources principales qui connaissent une pollution croissante depuis 1970. Les 21

parcelles cultivées du plateau ont fait l’objet d’une mise en oeuvre systématique des BPA, par les 3

agriculteurs, depuis 1990. Les pratiques agricoles et l'hydrogéologie du site ont été caractérisées. Les débits

des sources répondent aux pluies efficaces dans un délai d’une semaine. Le temps moyen de séjour de la

molécule de Tritium dans l’aquifère est de 25 ans, à cause de l’épaisseur de la zone non saturée. Compte tenu

de ce délai, un niveau intermédiaire d’évaluation est nécessaire : les pertes sous la zone racinaire. Les

méthodes de quantification diffèrent selon leur degré de dépendance aux données expérimentales : i) le modèle

de calcul LIXIM, associé avec toutes les données observées; ii) un modèle stochastique de réponse des

cultures à la dose d'azote, initialisé annuellement; iii) le modèle fonctionnel dynamique STICS, qui peut

simuler les pertes du système sol- plante- atmosphère de façon continue pendant plusieurs années. Les

prédictions des variables d'intérêt économique et environnemental sont confrontées, aux données observées,

aux échelles de la station et du bassin. Les impacts environnementaux et économiques, de différents scénarios

de prévention de la pollution, sont simulés.

Les reliquats d'azote minéral à la récolte et en entrée d'hiver sont proches et stables dans le temps avec

respectivement 41 et 57 kgN.ha-1. L’intégration des flux calculés avec LIXIM, à l’échelle de la rotation

culturale, conduit à lisser le facteur culture et à faire du type de sol le principal déterminant de la

concentration. La teneur en nitrate moyenne pondérée, de l’eau de percolation, est de 46 mgNO3.L-1 pour la

zone cultivée et de 37 mgNO3.L-1 pour l'ensemble du bassin. Ce bon résultat est confirmé qualitativement par

la baisse constatée des teneurs de plusieurs captages depuis l'an 2000. Le temps de réponse de l'aquifère serait

égal à la moitié de son temps de renouvellement. L'abattement de la teneur en nitrate de l’eau de percolation

permis par les BPA, relativement à un scénario conventionnel, est compris entre 27 et 39 %, suivant la

méthode de simulation. Le coût des BPA est de 0.07 €.m-3 d’eau consommée, ce qui rend la prévention

compétitive vis-à-vis du traitement de l’eau, sur le site de Bruyères.

La modélisation continue dans le temps par le modèle STICS s'avère opérationnelle en situation

agricole, mais sa robustesse dépend de l’accessibilité et la pertinence des bases de données ayant servi à le

calibrer. Elle permet de prendre en compte les impacts d’un grand nombre d’entrées techniques et leurs

interactions sur le long terme. Le couplage de STICS à un système d’information géographique (SIG) permet

d’intégrer la variabilité spatiale des caractéristiques physiques et culturales du milieu. Cependant, il n’est pas

possible de garantir la fiabilité des prédictions à la fois en tout temps et en tout lieu. L'accès à des paramètres

comme la profondeur maximale d’enracinement des cultures, ou le stock d’azote organique, devient

rédhibitoire. D'après le modèle STICS, les pertes d'azote simulées, sous formes gazeuses, sont égales à celles

sous forme de solutés. Ce résultat doit être vérifié. En étant conscient de ces limites, la modélisation,

s'appuyant sur l'expérimentation, peut devenir un outil de gestion de l'azote dans les systèmes de culture, à

l’échelle du territoire. La problématique de la limitation de la lixiviation du nitrate se déplace vers celle de la

conception de systèmes durables de culture.

Table des Matières

Avant propos et remerciements…………………………………………………..…………..……3

Cadrage…………………………….………………….…………………………………..……….9

1 Introduction_____________________________________________________________ 11

1.1 La problématique de la pollution nitrique des eaux souterraines______________________ 13

1.1.1 Contexte _______________________________________________________________________ 13

1.1.1.1 Contexte agricole et para-agricole _______________________________________________ 13

1.1.1.2 Contexte agri-environnemental _________________________________________________ 14

1.1.2 La pollution nitrique des eaux souterraines_____________________________________________ 15

1.1.3 Les cycles concernés ______________________________________________________________ 18

1.1.3.1 Le cycle de l'eau _____________________________________________________________ 18

1.1.3.2 Les cycles biologiques ________________________________________________________ 18

1.1.3.3 Le cycle du carbone __________________________________________________________ 18

1.1.3.4 Le cycle de l'azote ___________________________________________________________ 18

1.1.4 Les systèmes impliqués____________________________________________________________ 20

1.1.4.1 Les systèmes hydrologiques ____________________________________________________ 20

1.1.4.2 Les agro - écosystèmes________________________________________________________ 22

1.1.4.3 Le système sol - culture - atmosphère ____________________________________________ 23

1.1.5 L’organisation de la prévention______________________________________________________ 25

1.1.6 Problématiques __________________________________________________________________ 26

1.1.6.1 Problématique agricole________________________________________________________ 26

1.1.6.2 Problématique environnementale ________________________________________________ 27

1.1.6.3 Problématique scientifique _____________________________________________________ 27

1.2 Objectifs, hypothèses et étapes de la thèse ________________________________________ 29

1.2.1 Les objectifs finalisés _____________________________________________________________ 29

1.2.2 Les questions de recherche _________________________________________________________ 29

1.2.3 Le support de recherche ___________________________________________________________ 29

1.2.4 L’expérimentation partenariale ______________________________________________________ 29

1.2.5 Les modèles de simulation « sol-culture-atmosphère »____________________________________ 30

1.2.6 Hypothèses d’étude _______________________________________________________________ 31

1.2.7 Démarche d’étude ________________________________________________________________ 31

1.2.8 Les étapes ______________________________________________________________________ 32

2 . Quantification expérimentale du lessivage du nitrate dans un bassin hydrologique___ 33

2.1 Nitrate leaching in intensive agriculture in Northern France: effect of farming practices,

soils and crop rotations. __________________________________________________________________ 35

2.1.1 Introduction_____________________________________________________________________ 35

2.1.2 Materials and Methods ____________________________________________________________ 36

2.1.2.1 Experimental site ____________________________________________________________ 36

2.1.2.2 Methods ___________________________________________________________________ 38

2.1.3 Results_________________________________________________________________________ 39

2.1.3.1 Crop response to GAP and AEP_________________________________________________ 39

2.1.3.2 Water and nitrogen contents____________________________________________________ 41

2.1.3.3 Water and nitrogen fluxes _____________________________________________________ 44

2.1.3.4 Cumulative fluxes____________________________________________________________ 47

2.1.4 Discussion ______________________________________________________________________ 50

2.1.5 Conclusion _____________________________________________________________________ 51

5

2.2 Effet des Bonnes Pratiques Agricoles sur l'évolution des teneurs en nitrate à l'exutoire d'un

aquifère tertiaire du Bassin parisien ________________________________________________________ 53

2.2.1 Introduction_____________________________________________________________________ 54

2.2.2 Matériel et méthodes ______________________________________________________________ 55

2.2.2.1 Le site expérimental __________________________________________________________ 55

2.2.2.2 Mesures expérimentales _______________________________________________________ 59

2.2.2.3 Calculs ____________________________________________________________________ 61

2.2.3 Résultats et discussion_____________________________________________________________ 63

2.2.3.1 Flux d’eau et d’azote à l’entrée de l'aquifère _______________________________________ 63

2.2.3.2 Caractérisation des matériaux et solutés en sous sol _________________________________ 66

2.2.3.3 Flux d’eau et d’azote à l’exutoire________________________________________________ 68

2.2.3.4 Stocks d’eau et temps de renouvellement__________________________________________ 71

2.2.3.5 Etude des transferts internes____________________________________________________ 72

2.2.4 Conclusion _____________________________________________________________________ 76

2.3 Conclusion partielle___________________________________________________________ 77

3 Simulation d'impacts de scénarios techniques aux échelles annuelle et du bassin

hydrologique ________________________________________________________________ 79

3.1 Simulation de l’impact de différents scénarios agronomiques sur les pertes de nitrate à

l’échelle d’un bassin hydrologique__________________________________________________________ 81

3.1.1 Introduction_____________________________________________________________________ 81

3.1.2 Matériels et méthodes _____________________________________________________________ 82

3.1.2.1 Principe général _____________________________________________________________ 82

3.1.2.2 Le modèle 1 ________________________________________________________________ 84

3.1.2.3 Le modèle 2 ________________________________________________________________ 84

3.1.2.4 L'enchaînement des 2 modèles __________________________________________________ 86

3.1.2.5 Le site expérimental de Bruyères ________________________________________________ 86

3.1.2.6 Les scénarios évalués _________________________________________________________ 86

3.1.2.7 Les simulations réalisées avec STICS ____________________________________________ 87

3.1.2.8 Expression des résultats _______________________________________________________ 87

3.1.3 Résultats _______________________________________________________________________ 88

3.1.3.1 Evaluation des modèles à l’échelle de la parcelle homogène ___________________________ 88

3.1.3.2 Evaluation du modèle à l'échelle du bassin ________________________________________ 90

3.1.3.3 Comparaison des 4 principaux scénarios __________________________________________ 92

3.1.3.4 Comparaison des 8 scénarios élémentaires_________________________________________ 93

3.1.3.5 Effets des différents types de sols________________________________________________ 94

3.1.4 Discussion ______________________________________________________________________ 95

3.1.4.1 Validité des résultats obtenus ___________________________________________________ 95

3.1.4.2 Généralisation des résultats obtenus______________________________________________ 97

3.2 Agricultural water nonpoint pollution control under uncertainty and climate variability _ 99

3.2.1 . Introduction____________________________________________________________________ 99

3.2.2 . The model ____________________________________________________________________ 100

3.2.2.1 . Costs of scenarios__________________________________________________________ 101

3.2.2.2 . Nitrate concentration in drained water __________________________________________ 101

3.2.2.3 . Optimal scenario___________________________________________________________ 102

3.2.3 . Illustration ____________________________________________________________________ 102

3.2.3.1 . Data ____________________________________________________________________ 103

3.2.3.2 . Scenarios simulated ________________________________________________________ 104

3.2.3.3 . Modelling ________________________________________________________________ 105

3.2.4 . Results_______________________________________________________________________ 106

3.2.4.1 . Probabilistic cost-effectiveness in the long term. __________________________________ 106

3.2.4.2 . Probabilistic cost-effectiveness under climate variability ___________________________ 108

3.2.5 . Discussion ____________________________________________________________________ 109

3.3 Conclusion partielle__________________________________________________________ 111

6

4 Simulation de l’impact de pratiques agricoles sur les pertes de nitrate à l’échelle de la

rotation et du bassin hydrologique _____________________________________________ 113

4.1 Soil-crop model STICS evaluation for continuous 8 year time course simulations against an

“on farm” soil- crop database_____________________________________________________________ 115

4.1.1 Introduction____________________________________________________________________ 115

4.1.2 Materials and methods ___________________________________________________________ 116

4.1.2.1 Model ____________________________________________________________________ 116

4.1.2.2 Experimental site ___________________________________________________________ 117

4.1.2.3 Databases _________________________________________________________________ 119

4.1.2.4 Model Inputs_______________________________________________________________ 120

4.1.2.5 Model evaluation ___________________________________________________________ 120

4.1.3 Results________________________________________________________________________ 121

4.1.3.1 Model parameterization ______________________________________________________ 121

4.1.3.2 Evaluation of the calibrated model______________________________________________ 123

4.1.3.3 Model validation with reset or continuous simulation _______________________________ 127

4.1.3.4 Sensitivity analysis __________________________________________________________ 128

4.1.3.5 Model predictions vs soil type and RS/CS option __________________________________ 131

4.1.4 Discussion _____________________________________________________________________ 132

4.1.4.1 Impact of quality of databases on performances ___________________________________ 132

4.1.4.2 Impact of the time course of the simulation _______________________________________ 133

4.1.4.3 Need of improvement of the model _____________________________________________ 134

4.1.5 Conclusion ____________________________________________________________________ 135

4.2 Prédictions d'impacts de scénarios techniques ____________________________________ 137

4.2.1 Objectifs ______________________________________________________________________ 137

4.2.2 Méthode de comparaison _________________________________________________________ 137

4.2.3 Simulation d'impacts du scénario BPA_______________________________________________ 137

4.2.4 Simulation d'impacts du scénario sans CIPAN _________________________________________ 139

4.2.5 Simulation d'impacts du scénario Conventionnel _______________________________________ 139

4.2.6 Conclusions____________________________________________________________________ 139

4.3 Couplage de STICS 6 au SIG Arc Info et sensibilité des prédictions au niveau de résolution

de la carte des sols ______________________________________________________________________ 140

4.3.1 Introduction____________________________________________________________________ 140

4.3.2 Matériel et méthodes _____________________________________________________________ 141

4.3.2.1 Principe du couplage ________________________________________________________ 141

4.3.2.2 Etablissement d'une carte typologique dite carte simplifiée___________________________ 141

4.3.2.3 Etablissement de règles de pédotransfert _________________________________________ 143

4.3.2.4 Règles d'apparentement des valeurs initiales ______________________________________ 145

4.3.2.5 Simulation à 3 niveaux de résolutions ___________________________________________ 145

4.3.3 Résultats ______________________________________________________________________ 145

4.3.3.1 Valeurs à l'échelle de l'unité de simulation________________________________________ 145

4.3.3.2 Prédictions à l'échelle parcellaire _______________________________________________ 146

4.3.3.3 Prédictions à l'échelle du bassin ________________________________________________ 147

4.3.4 Discussion _____________________________________________________________________ 150

4.3.5 Conclusions et perspectives _______________________________________________________ 151

4.4 Conclusion partielle__________________________________________________________ 152

5 discussion générale ______________________________________________________ 153

5.1 discussion sur les méthodes ___________________________________________________ 155

5.1.1 Atouts et limites du dispositif expérimental ___________________________________________ 155

5.1.2 Hypothèses sur les conditions expérimentales _________________________________________ 155

5.1.2.1 Sur la démarche d'expérimentation agricole partenariale _____________________________ 155

5.1.2.2 Sur la hiérarchie des pertes d'azote______________________________________________ 156

5.1.2.3 Sur le devenir du nitrate au sein du système hydrologique ___________________________ 157

5.1.3 Hypothèses sur les outils de quantification ____________________________________________ 157

5.1.3.1 Sur les conséquences des conditions 'on farm' _____________________________________ 157

5.1.3.2 Sur la méthode de spatialisation des flux _________________________________________ 157

5.1.3.3 Sur le type de modélisation agronomique ________________________________________ 158

5.2 Discussion sur les déterminants de la pollution ___________________________________ 159

7

5.2.1 Indicateurs de risque ou de sensibilité du milieu à la lixiviation____________________________ 159

5.2.1.1 Introduction _______________________________________________________________ 159

5.2.1.2 Indicateur de pression polluante________________________________________________ 159

5.2.1.3 Indicateur de sensibilité du milieu à la lixiviation __________________________________ 160

5.2.2 Facteurs d'échelles temporelle et spatiale _____________________________________________ 163

5.2.2.1 Facteur d’échelle temporelle et effets cumulatifs ___________________________________ 163

5.2.2.2 Facteur d’échelle spatiale _____________________________________________________ 163

5.2.3 Impacts de l’agriculture intensive ___________________________________________________ 164

5.2.3.1 Introduction _______________________________________________________________ 164

5.2.3.2 Pratiques techniques isolées et pertes en nitrate ____________________________________ 164

5.2.3.3 Systèmes de culture et pertes en nitrate __________________________________________ 166

5.2.3.4 Devenir du nitrate dans les couches géologiques ___________________________________ 168

6 conclusions et perspectives ________________________________________________ 171

6.1 Conclusions ________________________________________________________________ 173

6.1.1 Démarche _____________________________________________________________________ 173

6.1.2 Bilan des questions agri-environnementales ___________________________________________ 173

6.1.3 Bilan des questions scientifiques____________________________________________________ 174

6.1.4 Bilan des méthodes ______________________________________________________________ 175

6.2 Perspectives ________________________________________________________________ 176

6.2.1 Expérimentation partenariale ______________________________________________________ 176

6.2.2 Méthodes______________________________________________________________________ 176

6.2.3 Questions scientifiques ___________________________________________________________ 176

6.2.4 Questions agri-environnementales et sociétales ________________________________________ 177

7 Bibliographie___________________________________________________________ 179

8 Plan des annexes________________________________________________________ 193

9 Résumé (au verso)_______________________________________________________ 209

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