# BIogéochimie de la Zone critique dans les Agro-Hydrosystèmes : approche multi-Elémentaire à très Haute Résolution temporelle (BIZAHRE)

Ophélie Fovet, Nicolai Brekenfeld

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Ophélie Fovet, Nicolai Brekenfeld. BIogéochimie de la Zone critique dans les Agro-Hydrosystèmes : approche multi-Elémentaire à très Haute Résolution temporelle (BIZAHRE). Inrae. 2023, 2 p. hal-04681358

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Submitted on 29 Aug 2024

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# Rapport de fin de projet

Ophélie Fovet, Nicolai Brekenfeld. Le 30/04/2023.

**Intitulé du projet** : Blogéochimie de la Zone critique dans les Agro-Hydrosystèmes : approche multi-Elémentaire à très Haute Résolution temporelle (BIZAHRE).

**Porteur** : Ophélie FOVET, INRAE, UMR 1069 SAS

**Co-financements** : UMR SAS : 5%; INRAE :10% ; CNRS (IR OZCAR): 10%.

**Dates du contrat** : 01/05/2021 – 30/04/2023

## 1. Contexte et objectifs

La mesure à haute résolution temporelle des concentrations dans les eaux était considérée jusqu'ici comme un verrou méthodologique majeur à l'acquisition de connaissances et à la progression d'une compréhension holistique des bassins versants (Kirchner et al., 2004). Depuis les années 2010, un effort considérable a été fourni par la communauté scientifique pour surmonter ce défi métrologique permettant des avancées conceptuelles concernant la description et quantification des voies de transfert et des processus réactifs dans les bassins versants (Bieroza et al., 2023). Ces travaux se sont souvent focalisés sur un ou quelques éléments, or des approches multi-élémentaires sont nécessaires pour mieux contraindre la compréhension des processus. Le projet post-doctoral visait donc à réaliser et exploiter la mesure et l'analyse des dynamiques haute fréquence de concentrations de multiples éléments biogéochimiques à l'exutoire de bassins versant. Le projet s'est appuyé sur un prototype de laboratoire in-situ développé dans le cadre du projet PIA CRITEX appelé « Riverlab » (Floury et al., 2017), en place sur 3 observatoires de la Zone Critique de l'IR-OZCAR : AgrHyS (https://www6.inrae.fr/ore_agrhys) en contexte tempéré océanique et de polyculture élevage, le GIS ORACLE (https://gisoracle.inrae.fr/) en contexte tempéré et de grandes cultures, et l'OHGE (https://ohge.unistra.fr/) en contexte continental et forestier. Le RiverLab est équipé pour la mesure des concentrations en anions et cations majeurs (par chromatographie ionique), et du carbone organique dissous (par oxydation photochimique), et est couplé à toute une gamme de paramètres physico-chimiques (t°, pH, O2, turbidité...).

## 2. Réalisations

Nicolai Brekenfeld, titulaire d'un doctorat de l'Université de Birmingham en hydrologie et biogéochimie aquatique, a été recruté par un jury composé de C. Gascuel-Odoux (DR INRAE), A-C. Pierson-Wickmann (MCF Université de Rennes), J. Gaillardet (DR CNRS), H. Henine (IR INRAE), M-C. Pierret (CNAP Université de Strasbourg). Une partie du travail a porté sur les aspects techniques, les aspects méthodologiques étant centraux dans ce projet d'équipement innovant. En particulier, sur les 2 derniers prototypes (AgrHyS et OHGE) des mesures additionnelles aux ions majeurs (Si dissoute et COD) avaient été prévues, le post-doctorant a piloté le travail visant à mettre en service les analyses de silice et de carbone notamment. Un travail d'analyse et de test sur les effets de la filtration en ligne sur les temps de transferts et les mesures de concentrations par chromatographie ionique a également été conduit. Cette phase de mise en œuvre a demandé un investissement important étant donné le caractère à la fois très innovant et très ambitieux (de nombreux paramètres, 3 bassins en tout) du dispositif métrologique. Elle était cependant nécessaire à la bonne réalisation des travaux d'exploitation des données, le prototype d'acquisition des données n'étant pas standard, sa compréhension et sa maitrise sont nécessaires pour guider la sélection et le traitement des données. L'autre grande partie du travail portait sur l'exploitation scientifique des données produites par ce prototype de mesure. Le post-doctorant s'est focalisé sur le développement d'une méthode d'analyse d'un jeu d'évènements de crue. La première étape était de croiser les expertises des analystes sur les
données de chromatographies avec les données de fonctionnement du Riverlab et de définir des règles d'identification des crues pour chaque bassin à partir des données hydrologiques et météorologiques afin de sélectionner le jeu d'évènements de crues à analyser. La nécessité de la haute résolution temporelle pour analyser ce type d'évènements dans des petits bassins amont est évidente au vue des dynamiques chimiques en jeu (évènements durant quelques heures à 2 jours) et l'approche développée par le post-doctorant vise à explorer l'apport d'un jeu de données multi-élémentaires avec notamment une analyse des relations Concentration-Concentration pour analyser les (non-synchronicités entre éléments et la variabilité des ratios élémentaires. La comparaison entre le bassin breton agricole de l'observatoire AgrHyS et le bassin vosgien forestier de l'OHGE montre des synchronicités pour des paires d'éléments très différentes selon le bassin et selon les crues. Sur le bassin d'AgrHyS, la synchronicité entre les éléments Na, Cl, NO3, Mg suggère une forte influence des apports issus des précipitations (Na, Cl) ou anthropiques (NO3, Mg), dont la richesse domine l'hétérogénéité des autres sources (altération géochimique...). La non-synchronicité des éléments SO4, K et Ca suggèrent de nombreuses sources d'importance semblables pour ces éléments ou/et des processus réactifs importants. Sur le bassin de l'OHGE (Vosges), la synchronicité du couple K, Cl suggère une dominance des sources venant des pluvio-lessivats sur les autres sources (précipitations...) pour ces éléments. Le NO3 non-synchrone semble influencé par plusieurs sources ou réactions d'importance significative, en revanche les éléments Na, Ca, Mg et SO4 montrent des variations non significatives pour les évènements échantillonnés qui étaient d'amplitude hydrologique modérée à faible. L'analyse a donc abouti à la construction d'une approche originale, qui fournit des éléments de compréhension des processus dominants les évènements hydrologiques.

### 3. Productions et avancées pour la stratégie régionale

Sur la partie technique du travail, une note technique visant à mettre à disposition de la communauté scientifique internationale ce retour de nos expériences croisées sur les 3 observatoires est en cours de rédaction. Le calendrier prévisionnel vise une soumission de la note à la revue HESS en tant que Technical Note l'été 2023. Cette note est attendue dans la communauté, avec à l'échelle nationale deux projets de nouveaux Riverlabs en cours (INSU, IR OZCAR).

Sur le plan scientifique, Le post-doctorant a présenté ses résultats à l'EGU en Avril 2022, à la conférence TERENO OZCAR en Octobre 2022 et à l'EGU 2023. L'article décrivant l'approche et ses résultats est en cours de finalisation. Le calendrier prévisionnel vise une soumission pour la fin du printemps 2023.
Enfin, le projet a contribué à asseoir la visibilité de la Bretagne et notamment le caractère pionnier des travaux menés dans son observatoire (AgrHyS) dans l'espace européen de la recherche et de l'innovation : en témoignent la revue de (Jordan and Cassidy, 2022) et la participation de l'observatoire AgrHyS au projet eLTER PLUS en site d'accès transnational., et au-delà avec par exemple le déploiement récent d'un Riverlab dans un site d'observation de la zone critique américaine.

BIEROZA, M., ACHARYA, S., BENISCH, J., TER BORG, R. N., HALLBERG, L., NEGRI, C., PRUITT, A., PUCHER, M., SAAVEDRA, F., STANISZEWSKA, K., VAN'T VEEN, S. G. M., VINCENT, A., WINTER, C., BASU, N. B., JARVIE, H. P. & KIRCHNER, J. W. 2023. Advances in Catchment Science, Hydrochemistry, and Aquatic Ecology Enabled by High-Frequency Water Quality Measurements. *Environmental Science & Technology*.

FLOURY, P., GAILLARDET, J., GAYER, E., BOUCHEZ, J., TALLEC, G., ANSART, P., KOCH, F., GORGE, C., BLANCHOUIN, A. & ROUBATY, J. L. 2017. The potamochemical symphony: new progress in the high-frequency acquisition of stream chemical data. *Hydrol. Earth Syst. Sci.*, 21, 6153-6165.

JORDAN, P. & CASSIDY, R. 2022. Perspectives on Water Quality Monitoring Approaches for Behavioral Change Research. *Frontiers in Water*, 4.

KIRCHNER, J. W., FENG, X., NEAL, C. & ROBSON, A. J. 2004. The fine structure of water-quality dynamics: the (high-frequency) wave of the future. *Hydrological Processes*, 18, 1353-1359.