Thèse Pollution Diffuse et Cycles Biogéochimiques dans les Mares Temporaires en Contexte Agricole Vers une Approche Intégrée H/F - 33

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences et environnements
Laboratoire de recherche : Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux
Direction de la thèse : Michel FRANCESCHI
Début de la thèse : 2026-10-05
Date limite de candidature : 2026-05-27T23:59:59

L'intensification des activités agricoles est souvent identifiée comme le facteur principal menant à la contamination des eaux souterraines et à l'eutrophisation des zones humides [1, 2, 3], au travers de (i) l'augmentation directe de la charge en azote (N) et en phosphore (P) dans les eaux du réseau hydrographique de surface (rivières, fossés) et dans la nappe libre, et de (ii) l'apport supplémentaire de nutriments véhiculé par l'érosion des sols et accentué par le labourage des champs agricoles. Si à un premier stade, l'eutrophisation peut conduire à une augmentation de la production primaire et donc à la séquestration et au stockage de la matière organique, à terme cela peut provoquer un glissement typologique de la communauté végétale, correspondant à la disparition des végétaux enracinés et à la désoxygénation permanente de la colonne d'eau et du sédiment [4, 5]. Les milieux aquatiques eutrophes tendent aussi à émettre des quantités de gaz à effet de serre (GES) supérieures à celles mesurées dans ceux non-eutrophes [6, 7]. Des relations directes entre les émissions de méthane (CH4) et le niveau trophique des milieux aquatiques sont mises en évidence, en lien avec des conditions anoxiques du sédiment. De même, les zones humides les plus connectées au réseau hydrographique de surface, et donc à une pollution par les nitrates, seraient des hotspots d'émission de protoxyde d'azote (N2O), en lien avec la dénitrification incomplète [8, 9]. Les pratiques agricoles ont donc un impact potentiel sur les zones humides, touchant à la fois à la qualité de l'eau, à la santé des sols, à la biodiversité et contribuant aux émissions de GES [10].
Les missions du/de la thésard(e) seront :
1) d'exploiter un jeu de données existant sur la chimie des mares temporaires, afin de dégager des premières tendances spatiales et temporelles de la pollution en nitrate dans le plateau landais. En complément, l'analyse bibliographique permettra de résumer les avancées sur les connaissances de la thématique dans d'autres bassins versants aux caractéristiques pédologiques similaires (milieu sableux poreux) ;
2) de vérifier l'origine des nitrates à travers des approches directes (analyse isotopique dans les mares et dans l'eau de nappe) et de modélisation (transport en milieu souterrain). Ces deux approches permettront de i) délimiter spatialement un périmètre de conservation à réaliser autour de la mare, dans une optique de gestion du site, et de ii) quantifier les flux en fonction du cycle hydrologique d'assèchement et remise en eau, et donc d'identifier les dynamiques temporelles de diffusion des nitrates liées à la pluviométrie ;
3) d'évaluer l'impact de la pollution diffuse sur le niveau trophique des mares temporaires et sur le bilan des émissions des GES (CO2, CH4 et N2O). Il s'agira de réaliser un suivi temporel et spatial de la physico-chimie, de la végétation et des sédiments, permettant de i) obtenir un bilan des émissions de GES à l'échelle annuelle et faire le lien avec l'hydropériode et la pluviométrie et de ii) caractériser le contenu élémentaire en carbone et en azote dans la végétation et dans les sédiments pour obtenir des tendances à l'échelle spatiale de l'accumulation d'azote, en lien avec la proximité des activités agricoles et leur réseau de drainage ;
4) de coordonner le réseau de gestionnaires participants aux campagnes de prélèvement ; de produire des supports de vulgarisation pour les informer régulièrement ; de publier les résultats de la thèse dans des journaux internationaux à comité de lecture.
La thèse se déroulera au sein de l'UMR EPOC et sera dirigée par Michel FRANCESCHI, et co-encadrée par Cristina RIBAUDO et Olivier ATTEIA.

L'intensification des activités agricoles est souvent identifiée comme le facteur principal menant à la contamination des eaux souterraines et à l'eutrophisation des zones humides [1, 2, 3], au travers de (i) l'augmentation directe de la charge en azote et en phosphore dans les eaux du réseau hydrographique de surface (rivières, fossés) et dans la nappe libre, et de (ii) l'apport supplémentaire de nutriments véhiculé par l'érosion des sols et accentué par le labourage des champs agricoles. Si à un premier stade, l'eutrophisation peut conduire à une augmentation de la production primaire et donc à la séquestration et au stockage de la matière organique, à terme cela peut provoquer un glissement typologique de la communauté végétale, correspondant à la disparition des végétaux enracinés et à la désoxygénation permanente de la colonne d'eau et du sédiment [4, 5]. Les milieux aquatiques eutrophes tendent aussi à émettre des quantités de GES supérieures à celles mesurées dans des milieux non-eutrophes [6, 7]. Des relations directes entre les émissions de méthane (CH4) et le niveau trophique des milieux aquatiques sont mises en évidence, en lien avec des conditions anoxiques du sédiment. De même, les zones humides les plus connectées au réseau hydrographique de surface, et donc à une pollution par les nitrates, seraient des hotspots d'émission de protoxyde d'azote (N2O), en lien avec la dénitrification incomplète [8, 9]. Les pratiques agricoles ont donc un impact potentiel sur les zones humides, touchant à la fois à la qualité de l'eau, à la santé des sols, à la biodiversité et contribuant aux émissions de GES [10].

Les lagunes sont des mares temporaires naturelles, abondantes sur le plateau landais (~6000 sites), essentiellement alimentées par la nappe libre du plio-quaternaire. L'alternance de phases sèches et humides ainsi que les transitions anoxiques-oxiques favorisent le développement de la biodiversité aquatique et amphibie locale [11, 12], ainsi que de nombreux processus biogéochimiques [13, 14]. Comme la majorité des zones humides des milieux tempérés, ces mares présentent un risque d'eutrophisation et d'assèchement. Au cours d'un projet exploratoire passé, réalisé en Gironde (projet REZIN, 2021-2024), nous avons constaté le risque pour les mares d'une importante pollution en nitrate. Or, la conservation et la restauration des zones humides sont considérées comme des solutions fondées sur la nature (SfN) efficaces pour atténuer les impacts des changements globaux [15]. Le bénéfice des processus qui s'y déroulent est maximisé avec une forte abondance de milieux humides, en particulier au sein des régions agricoles de plaine [13, 16, 17]. Alors que les études sur les zones humides se multiplient au niveau international, l'application des préconisations de gestion indiquées par les scientifiques reste un maillon faible, car elle se heurte à une méfiance et aussi à des freins économiques et politiques pour les agriculteurs. Le rôle joué par les gestionnaires territoriaux est fondamental pour assurer le transfert des connaissances. Dans ce cadre, il a été récemment créé un consortium régional piloté par le CBNSA (programme Ecolag), auquel l'UMR EPOC contribue, visant à animer et à regrouper les connaissances et les pratiques de restauration à l'échelle territoriale. Au niveau scientifique, cette thèse contribuera à soutenir la création d'un consortium international sur les zones humides temporaires en zone tempérée (à déposer au sein d'un appel d'offre Biodiversa+ en 2027).
Cette thèse fait partie d'un projet plus ample (PALMARES, 2026-2030) qui vise à mener une réflexion géographique et économique autour de l'adaptation des pratiques agricoles, afin de favoriser le dialogue entre acteurs et à renforcer les interactions science-gestion en incluant des approches de sciences participatives. Les objectifs de la thèse sont :
1) de vérifier l'origine des nitrates à travers des approches directes (analyse isotopique dans les mares et dans l'eau de nappe) et de modélisation (transport en milieu souterrain). Il s'agira d'utiliser des techniques à la pointe qui permettent d'évaluer l'origine des nitrates et de séparer la part due à des phénomènes de pollution (infiltration et transport) de celle due à des processus autochtones de minéralisation (nitrification bactérienne) [18]. Aussi, le suivi des eaux prélevées dans les piézomètres à proximité des mares contribuera à la construction d'un modèle de vitesse de transfert des nitrates dans le milieu souterrain [19]. Ces deux approches permettront de i) délimiter spatialement un périmètre de conservation à réaliser autour de la mare, dans une optique de gestion du site, et de ii) quantifier les flux en fonction du cycle hydrologique d'assèchement et remise en eau, et donc d'identifier les dynamiques temporelles de diffusion des nitrates liées à la pluviométrie. La proximité des parcelles agricoles et les caractéristiques physico-chimiques de la nappe de surface, pourraient être mis en évidence comme potentiels facteurs contrôlant la dynamique saisonnière des nutriments.
2) d'évaluer l'impact de la pollution diffuse sur le niveau trophique des mares temporaires et sur le bilan des émissions des GES (CO2, CH4 et N2O). Il s'agit de réaliser un suivi temporel et spatial de la physico-chimie, de la végétation et des sédiments, permettant de caractériser le contenu élémentaire en C et N dans la végétation et dans les sédiments pour obtenir des tendances à l'échelle spatiale de l'accumulation d'azote, en lien avec la proximité des activités agricoles et leur réseau de drainage. En effet, l'augmentation de la disponibilité en N tendrait à modifier la structure et le stockage dans les tissus végétaux, ce qui pourrait entraîner une baisse de production des composés carbonés structuraux, comme la lignine [20] ; à terme, la séquestration du carbone dans les sédiments pourrait donc être impactée dans les mares eutrophes. De plus, les flux des GES étant régulés par la quantité de matière organique et par la présence d'oxygène dans les sédiments, on s'attend à mesurer des émissions de GES supérieures dans les sites eutrophes, suite à une abondance de nutriments accumulés dans les végétaux/sols et disponibles dans l'eau sous forme de nitrates.

Pour cette thèse, nous avons voulu impliquer activement les acteurs locaux dans la démarche d'acquisition des données à travers une approche de sciences participatives. Plusieurs gestionnaires, distribués entre le nord et le sud du plateau landais (SIAEBVELG ; SMABVC ; Département de la Gironde ; SMIDDEST), vont en effet participer à l'échantillonnage. Pour le suivi physico-chimique, chaque gestionnaire pourra travailler sur 4 à 6 mares présentes dans son territoire ; le(la) thésard(e) assurera l'échantillonnage de 20 mares supplémentaires, pour atteindre un nombre total de 40 à 50 mares. Pour chaque site, les paramètres physico-chimiques majeurs seront mesurés et les échantillons pour les analyses isotopiques seront collectés. Le prélèvement se fera en triplicats dans la mare et dans le piézomètre, pour les sites qui en seront équipés. Des essais de nitrification seront conduits par incubation de sédiments au laboratoire, pour distinguer les processus de respiration bactérienne des processus diffusifs des nitrates. Un modèle spatial de diffusion de polluants en milieu souterrain sera produit, pour identifier la vitesse de diffusion des nitrates in situ et leur direction [19]. Des mesures de gaz dissous (CO2, CH4 et N2O) seront également effectuées, afin de calculer des flux diffusifs et les émissions à partir de la concentration et de la température. Une fréquence d'échantillonnage mensuelle est prévue, avec une augmentation de la fréquence (bimensuelle) pendant les périodes de remise en eau à la fin de l'automne. Pour chaque site, nous prélèverons aussi des petites carottes de sédiment pour calculer les quantités stockées en kg de carbone et d'azote dans chaque mare. Pour compléter l'information sur les espèces végétales présentes et mesurer la séquestration du carbone et de l'azote par la végétation, des prélèvements de biomasse seront réalisés au printemps au sein des mares.