Soutenance de thèse d'Audrey Marescaux

Titre : Le cycle du carbone dans le bassin anthropisé de la Seine : de la modélisation du dioxyde de carbone à l’évaluation des émissions des gaz à effet de serre.

Les membres du jury sont :
M. Steven Bouillon Professeur, Katholieke Universiteit Leuven, rapporteur
M.Julien Tournebize, Maître de conférences, IRSTEA, Antony, rapporteur
M. Damien Cardinal, Professeur des universités, Sorbonne Université, UMR 7159 LOCEAN, examinateur
Mme Alexandra Coynel, Maître de conférences, Université de Bordeaux, UMR 5805 EPOC, examinatrice
Mme Lauriane Vilmin, Dr Utrecht University, examinatrice
M. Emmanuel Soyeux, Expert Véolia VERI, Maisons-Laffitte, invité
Mme Josette Garnier, Directrice de recherche CNRS, Sorbonne Université, UMR 7619 METIS, directrice de thèse
M. Vincent Thieu, Maître de conférences, Sorbonne Université , UMR 7619 METIS, encadrant de thèse

Résumé : Des études récentes ont souligné l’importance des émissions de dioxyde de carbone (CO2) par les eaux continentales, replaçant ainsi l’hydro-système comme compartiment actif du bilan carbone. Un premier objectif de cette thèse a été de comprendre et quantifier la dynamique du C aquatique le long du continuum aquatique de la Seine, empreint d’une très forte activité anthropique. Pour cela, un module de carbone inorganique (CI) a été développé au sein du modèle de fonctionnement biogéochimique des écosystèmes aquatiques, Riverstrahler, permettant de simuler les variations spatio-temporelles du C. Le second objectif était de quantifier les émissions aquatiques et terrestres afin de proposer une évaluation conjointe des trois principaux gaz à effet de serre (GES: CO2, méthane – CH4, protoxyde d’azote- N2O) à l’échelle du bassin.

Les mesures de la pression partielle de CO2 (pCO2) dans des rivières drainant différentes occupations du sol, à différentes saisons, attestent que l’hydro-système Seine est sursaturé et une source d’émission de CO2 vers l’atmosphère. Le principal facteur de contrôle de pCO2 est la concentration en carbone organique dissout (COD) (R2 = 0,56, p < 0,05), modulée par les conditions hydro-climatiques et les contributions d'eaux souterraines. Dans les rivières amont, les concentrations en COD semblent reliées au stock de CO des sols, alors que sur l’axe principal de la Seine, elles dépendent des effluents de stations d’épuration. Sur le long terme (1970-2015) la pCO2 a clairement évolué conjointement à l’amélioration du traitement des eaux usées.

Les bilans par modélisation (moyenne 2010-2013) montrent l’importance du CI apporté à l’hydro-système Seine (1134 ktC an-1) et une faible contribution des processus biogéochimiques (27 ktC an-1). Si une grande part du CI est exportée vers l’estuaire (62%), les émissions de CO2 dépassent 500 ktC an-1 (soit 37%). Les apports d’OC, ne représentent que 104 ktC an-1. La production nette de l’écosystème (NEP) apparait négative, et indique le caractère hétérotrophe de la Seine. Cette nouvelle version du modèle Riverstrahler a été couplée au modèle estuarien C-GEM afin de proposer une description complète de la cascade du carbone dans le continuum rivière-estuaire. L’estuaire représente 34 % de la surface du drainage de la Seine et contribue à hauteur de 16% des émissions aquatiques de CO2 du bassin, estimée à 540 kt C (année 2010).

Les émissions de CO2 complétées par celles de N2O et CH4 montrent que émissions aquatiques de GES représentent 3.7% des émissions totales du bassin de la Seine (2,276 kt CO2 équivalent an-1 dont 95,3% de CO2). Les émissions agricoles (14,295 ktCO2 équivalent an-1) et urbaines (44,713 ktCO2 équivalent an-1) contribuent respectivement pour 23.3 et 73.0%. Une reconstruction historique des émissions agricoles en France montre une augmentation par 4 de 1850 à 2014), soit 114,000 kt CO2 équivalent an-1 actuellement (CO2:22%, CH4:49%, N2O: 29%). Un scénario prolongeant tendance actuelle à la spécialisation et l’intensification à l’horizon 2040, prédit une augmentation par 1.5 des émissions agricoles, alors qu’un second proposant un changement profond de l’agriculture française réduirait les émissions actuelles de 50%.

Mots-clefs : cycle du carbone, CO2, CH4, N2O, GES émissions, modélisation des écosystèmes aquatiques, bassin de la Seine, impacts humains, continuum aquatique