Echanges de CO2 atmosphérique dans la lagune d’Arcachon et relations avec le métabolisme intertidal, Atmospheric CO2 exchange in the Arcachon lagoon and relationships with the intertidal metabolism

Pierre Polsenaere

Description

Sous la direction de Gwenael Abril, Patrice Bretel
Thèse soutenue le 29 avril 2011: Bordeaux 1
Les zones côtières ne sont prises en compte dans les budgets globaux de CO2 atmosphérique que depuis peu. Il s’avère que bien qu’elles ne représentent globalement que de faibles superficies, les flux de carbone et de nutriments y sont très significatifs à l’échelle globale. On sait peu de chose sur le comportement des écosystèmes lagunaires vis-à-vis du CO2 et, encore moins des zones intertidales où les échanges avec l’atmosphère ont lieu alternativement avec l’eau et le sédiment. Les objectifs de cette étude ont été d’une part, d’établir le bilan de carbone échangé entre la lagune d’Arcachon, l’atmosphère et le milieu terrestre, et d’autre part de mettre en relation ces flux avec la production nette de l’écosystème (NEP) afin de mieux caractériser le statut métabolique de celle-ci ainsi que les facteurs environnementaux clés. Pour cela, nous avons mis en place pour la première fois et à différentes saisons et stations, des mesures directes de flux de CO2 par Eddy Corrélation, une méthode fonctionnant en continu pendant l’immersion et l’émersion. En parallèle, les apports de carbone terrestre sous ses différentes formes ont été quantifiés par un suivi annuel sur 9 rivières alimentant la lagune. L’export total de carbone par le bassin versant à travers les eaux de surface des rivières est estimé à 116 t C km-2 an-1 dont 39% est exporté à la lagune sous forme organique dissoute (DOC) du fait de la prédominance de podzols dans le bassin versant. La forte minéralisation de la matière organique terrestre dans les sols et eaux souterraines sursature largement les eaux en CO2 et l’export sous forme de carbone inorganique dissoute (DIC) représente environ 21%. La formulation d’un modèle mathématique, le « StreamCO2-DEGAS », basé sur les mesures de pCO2, de concentrations et de compositions isotopiques en DIC a permis de montrer que 43% de l’export total de carbone était dégazé sous forme de CO2 depuis les rivières vers l’atmosphère, réduisant alors le flux net entrant dans la lagune à 66 t C km-2 an-1. Concernant la mesure de flux verticaux, l’analyse cospectrale ainsi que les résultats obtenus en adéquation avec les contrôles physiques et biologiques aux différentes échelles tidale, diurne et saisonnières, ont permis de valider la méthode de l’Eddy Covariance en zone intertidale. Sur l’ensemble de la période de mesures, les flux de CO2 étaient faibles, variant entre -13 et 19 µmol m-2 s-1. Des puits de CO2 atmosphérique à marée basse le jour ont été systématiquement observés. Au contraire, pendant l’immersion et à marée basse la nuit, des flux positifs ou négatifs ou proche de zéro ont été observés suivant la saison et la station étudiées. L’analyse concomitante des flux de CO2 et des images satellites du platier à marée basse le jour a clairement permis de discriminer l’importance relative des deux cycles métaboliques distincts des principaux producteurs primaires avec (1) les herbiers de Zostera noltii à cycle annuel long, dominant la NEP en été et en automne à la station la plus centrale et (2) les communautés microphytobenthiques, dominant la production primaire brute (PPB) au printemps à la même station et en automne au fond du bassin. Un recyclage rapide de cette production durant l’immersion et l’émersion a aussi clairement été mis évidence. Au vue des différents résultats, la technique d’Eddy Covariance utilisée en zone intertidale laisse envisager d’intéressantes perspectives en termes de connaissances sur les budgets de carbone et les processus écologiques et biogéochimiques dans la zone côtière.
-Carbone
-Co2
-Pco2
-Export
-Bassin versant
-Flux
-Dégazage
-Échange net de l’écosystème
-Production nette de l’écosystème
-Production primaire brute
-Respiration de l’écosystème
-Métabolisme
-Puits
-Source
-Zone côtière
-Zone intertidale
-Lagune
-Zostera noltii
-Microphytobenthos
-Eddy Covariance
-Image satellite
The coastal zone is only taken into account since recently in global carbon budgeting efforts. Although covering globally modest surface areas, carbon and nutrient fluxes in the coastal zone appear significant at the global scale. However, little is known about the CO2 behaviour in lagoons and even less in intertidal zones where exchanges with the atmosphere occur alternatively with the water and the sediment. The purposes of this work are, on one hand, to establish the carbon budget between the Arcachon lagoon, the atmosphere and the terrestrial watershed and on the other hand, to link these fluxes with the net ecosystem production (NEP) and better characterize its metabolic status along with the relevant environmental factors. For the first time, CO2 flux measurements by Eddy Correlation have been carried out at different seasons and stations in the tidal flat. In parallel, the total terrestrial carbon export from river waters has been quantified throughout a complete hydrological cycle in nine watercourses flowing into the lagoon. The total carbon export from the watershed through surface river waters is estimated at 116 t C km-2 yr-1 on which 39% is exported to the lagoon as dissolved organic carbon (DOC) owing to the predominance of podzols in the watershed. Intense organic matter mineralization in soils and groundwaters largely over-saturate river waters in CO2 on which export accounts for 21% as dissolved inorganic carbon (DIC). The mathematical “StreamCO2-DEGAS” model formulation based on water pCO2, DIC concentrations and isotopic composition measurements permits to show that 43% of the total carbon export was degassed as CO2 from the riverine surface waters to the atmosphere, lowering then this latter to 66 t C km-2 yr-1. With respect to the CO2 flux measurements in the lagoon, cospectral analysis and the well accordance of results with physical and biological controls at the tidal, diurnal and seasonal time scales permit to validate the Eddy Correlation technique over tidal coastal zone. CO2 fluxes with the atmosphere, during each period, were generally weak and ranged between -13 and 19 µmol m-2 s-1. Low tide and daytime conditions were always characterized by an uptake of atmospheric CO2. In contrast, during the immersion and during low tide at night, CO2 fluxes where either positive or negative, or close to zero, depending on the season and the site. The concomitant analysis of CO2 fluxes with satellite images of the lagoon at low tide during the day clearly discriminate the relative importance of the two distinct metabolic carbon cycling involving the main primary producers, i.e. (1) the Zostera noltii seagrass meadow predominance on the NEP in autumn and summer in the more central station, with an annual cycling and (2) the microphytobenthos community predominance on the gross primary production (GPP) in spring at the same station and in autumn in the inner part of the bay where a rapid carbon cycling during the immersion and the emersion was clearly highlighted. The different results obtained with the Eddy Correlation technique over tidal flats opens interesting perspectives on the knowledge of the carbon budget and the biogeochemical and ecological processes within the coastal zone.
-Carbone
-Co2
-Pco2
-Export
-Watershed
-Flux
-Degassing
-Net ecosystem exchange
-Net ecosystem production
-Gross Primary Production
-Ecosystem respiration
-Metabolism
-Sink
-Source
-Coastal zone
-Intertidal zone
-Lagoon
-Zostera noltii
-Microphytobenthos
-Eddy Correlation
-Satellite image
Source: http://www.theses.fr/2011BOR14253/document

Sujets

• Bassin versant
• Dégazage
• Métabolisme
• Estran
• Lagune
• Imagerie satellite

Informations

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Extrait

N° d’ordre : 4253
THESE

Présentée à

L’UNIVERSITE BORDEAUX I

Ecole Doctorale Sciences et Environnements

Par M. Pierre POLSENAERE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR


Spécialité : Biogéochimie et Ecosystèmes


ECHANGES DE CO ATMOSPHERIQUE 2
DANS LA LAGUNE D’ARCACHON ET
RELATIONS AVEC LE METABOLISME
INTERTIDAL


Soutenue le 29 avril 2011

Après avis de :

M. Dominique Davoult, Professeur, Université Pierre et Marie Curie, Paris VI Rapporteur
M. Alberto Vieira Borges, Chercheur qualifié, FNRS, Université de Liège Rapporteur

Devant la commission d’examen composée de :

M. Dominique Davoult, Professeur, Université Pierre et Marie Curie, Paris VI Rapporteur
M. Alberto Vieira Borges, Chercheur qualifié, FNRS, Université de Liège Rapporteur
Mme Isabelle Auby, Chargée de Recherche, IFREMER Arcachon Examinateur
M. Denis Loustau, Directeur de Recherche, INRA Villenave d’Ornon Examinateur
M. Gwenaël Abril, Chargé de Recherche, CNRS-Bordeaux 1 / IRD-UFAM Directeur de thèse
M. Pierre Anschutz, Professeur, Université Bordeaux 1 Président

- 2011 -
Résumé
Echanges de CO atmosphérique dans la lagune d’Arcachon et relations avec le 2
métabolisme intertidal

Résumé

Les zones côtières ne sont prises en compte dans les budgets globaux de CO atmosphérique 2
que depuis peu. Il s’avère que bien qu’elles ne représentent globalement que de faibles
superficies, les flux de carbone et de nutriments y sont très significatifs à l’échelle globale. On
sait peu de chose sur le comportement des écosystèmes lagunaires vis-à-vis du CO et, encore 2
moins des zones intertidales où les échanges avec l’atmosphère ont lieu alternativement avec
l’eau et le sédiment.
Les objectifs de cette étude ont été d’une part, d’établir le bilan de carbone échangé entre la
lagune d’Arcachon, l’atmosphère et le milieu terrestre, et d’autre part de mettre en relation ces
flux avec la production nette de l’écosystème (NEP) afin de mieux caractériser le statut
métabolique de celle-ci ainsi que les facteurs environnementaux clés. Pour cela, nous avons
mis en place pour la première fois et à différentes saisons et stations, des mesures directes de
flux de CO par Eddy Covariance, une méthode fonctionnant en continu pendant l’immersion 2
et l’émersion. En parallèle, les apports de carbone terrestre sous ses différentes formes ont été
quantifiés par un suivi annuel sur 9 rivières alimentant la lagune.
L’export total de carbone par le bassin versant à travers les eaux de surface des rivières est
-2 -1estimé à 116 t C km an dont 39% est exporté à la lagune sous forme organique dissoute
(DOC) du fait de la prédominance de podzols dans le bassin versant. La forte minéralisation
de la matière organique terrestre dans les sols et eaux souterraines sursature largement les
eaux en CO et l’export sous forme de carbone inorganique dissoute (DIC) représente environ 2
21%. La formulation d’un modèle mathématique, le « StreamCO -DEGAS », basé sur les 2
mesures de pCO , de concentrations et de compositions isotopiques en DIC a permis de 2
montrer que 43% de l’export total de carbone était dégazé sous forme de CO depuis les 2
-2 -1
rivières vers l’atmosphère, réduisant alors le flux net entrant dans la lagune à 66 t C km an .
Concernant la mesure de flux verticaux, l’analyse cospectrale ainsi que les résultats obtenus
en adéquation avec les contrôles physiques et biologiques aux différentes échelles tidale,
diurne et saisonnière, ont permis de valider la méthode de l’Eddy Covariance en zone
intertidale. Sur l’ensemble de la période de mesures, les flux de CO étaient faibles, variant 2
-2 -1
entre -13 et 19 μmol m s . Des puits de CO atmosphérique à marée basse le jour ont été 2
systématiquement observés. Au contraire, pendant l’immersion et à marée basse la nuit, des
flux positifs ou négatifs ou proche de zéro ont été observés suivant la saison et la station
étudiées. L’analyse concomitante des flux de CO et des images satellites du platier à marée 2
basse le jour a clairement permis de discriminer l’importance relative des deux cycles
métaboliques distincts des principaux producteurs primaires avec (1) les herbiers de Zostera
noltii à cycle annuel long, dominant la NEP en été et en automne à la station la plus centrale
et (2) les communautés microphytobenthiques, dominant la production primaire brute (PPB)
au printemps à la même station et en automne au fond du bassin. Un recyclage rapide de cette
production durant l’immersion et l’émersion a aussi clairement été mis évidence. Au vue des
différents résultats, la technique d’Eddy Covariance utilisée en zone intertidale laisse
envisager d’intéressantes perspectives en termes de connaissances sur les budgets de carbone
et les processus écologiques et biogéochimiques dans la zone côtière.

Mots Clés: carbone, CO , pCO , export, bassin versant, flux, dégazage, échange net de 2 2
l’écosystème, production nette de l’écosystème, production primaire brute, respiration de
l’écosystème, métabolisme, puits, source, zone côtière, zone intertidale, lagune, Zostera noltii,
microphytobenthos, Eddy Covariance, image satellite.

Résumé
Atmospheric CO exchange in the Arcachon lagoon and relationships with the intertidal 2
metabolism

Abstract

The coastal zone is only taken into account since recently in global carbon budgeting efforts.
Although covering globally modest surface areas, carbon and nutrient fluxes in the coastal
zone appear significant at the global scale. However, little is known about the CO behaviour 2
in lagoons and even less in intertidal zones where exchanges with the atmosphere occur
alternatively with the water and the sediment.
The purposes of this work are, on one hand, to establish the carbon budget between the
Arcachon lagoon, the atmosphere and the terrestrial watershed and on the other hand, to link
these fluxes with the net ecosystem production (NEP) and better characterize its metabolic
status along with the relevant environmental factors. For the first time, CO flux 2
measurements by Eddy Correlation have been carried out at different seasons and stations in
the tidal flat. In parallel, the total terrestrial carbon export from river waters has been
quantified throughout a complete hydrological cycle in nine watercourses flowing into the
lagoon.
The total carbon export from the watershed through surface river waters is estimated at 116 t
-2 -1C km yr on which 39% is exported to the lagoon as dissolved organic carbon (DOC) owing
to the predominance of podzols in the watershed. Intense organic matter mineralization in
soils and groundwaters largely over-saturate river waters in CO on which export accounts for 2
21% as dissolved inorganic carbon (DIC). The mathematical “StreamCO -DEGAS” model 2
formulation based on water pCO , DIC concentrations and isotopic composition 2
measurements permits to show that 43% of the total carbon export was degassed as CO from 2
-2 -1the riverine surface waters to the atmosphere, lowering then this latter to 66 t C km yr .
With respect to the CO flux measurements in the lagoon, cospectral analysis and the well 2
accordance of results with physical and biological controls at the tidal, diurnal and seasonal
time scales permit to validate the Eddy Correlation technique over tidal coastal zone. CO 2
fluxes with the atmosphere, during each period, were generally weak and ranged between -13
-2 -1and 19 μmol m s . Low tide and daytime conditions were always characterized by an uptake
of atmospheric CO . In contrast, during the immersion and during low tide at night, CO2 2
fluxes where either positive or negative, or close to zero, depending on the season and the
site. The concomitant analysis of CO fluxes with satellite images of the lagoon at low tide 2
during the day clearly discriminate the relative importance of the two distinct metabolic
carbon cycling involving the main primary producers, i.e. (1) the Zostera noltii seagrass
meadow predominance on the NEP in autumn and summer in the more central station, with an
annual cycling and (2) the microphytobenthos community predominance on the gross primary
production (GPP) in spring at the same station and in autumn in the inner part of the bay
where a rapid carbon cycling during the immersio