Identification of pesticides dominant transfer processes in soil and assessment of numerical models for various agro- pedoclimatic contexts
Identification des processus dominants de transfert des produits phytosanitaires dans le sol et évaluation de modèles numériques pour des contextes agro-pédo-climatiques variés
Résumé
(trad auto)Phytosanitary products are widely used in so-called intensive agriculture, particularly in the context of large-scale cereal crops. In order to combine productivity and environmental risk management, it is necessary to understand the transfer processes involved. One of the two main objectives of this thesis is to provide elements of understanding of the major processes controlling exports of plant protection products at the plot level and in various agro-pedo-climatic contexts. However, the mere use of observational data often suffers from the limited number of cases encountered, limiting the interpretation of transfers of plant protection products. It also faces the transition from understanding the system to predictability (or prediction) and the recommendation of actions. \In this respect, the numerical models called mechanistic models appearing as interesting tools. However, this approach requires ensuring the validity and replicability of the modelling results. The second objective of the thesis is thus to assess the ability of numerical models to represent the behaviour of plant protection products on different sites, with an operational aim. This thesis work was based on extensive data from three Arvalis-Institut-du Végétal sites. The first, that of the Jaillière, represents the typical case of clayey-silt soils drained in the northwest of France. The second, that of Magneraud, also subject to an oceanic climate, has clayey soils, rich in organic matter, thin and based on a succession of marl and limestone banks. The third and last site -Saint Exupery- is located in eastern Lyon, on the glaciofluvial deposits of the Rhône and is characterised by a high coarse element load and a low clay content at depth. Simulations of water and plant protection product flows were carried out on three models, selected on the basis of the literature review: MACRO, root zone water quality model (RZWQM) and HYDRUS-2D. The substances most at risk differ according to the context, in particular soil and geological. Thus, the molecules at risk at the La Jaillière site are mainly those applied in autumn-winter before the start of the drainage season, regardless of their physico-chemical properties. On the contrary, on the Magneraud site, despite a close climate, it is the molecules applied in spring that are most exported, through shrinkage slits not present in winter. Finally, no molecule has so far appeared to be at risk at the Saint Exupery site, although the high glyphosate exports, more than two years after its last application, raise doubts about the potential delayed effect of contamination at this site. The results of the data analysis and simulations confirm the importance of taking into account the preferential transfer to represent losses in plant protection products. Thus, the representation of this process is necessary to correctly estimate the high losses in drainage at the La Jaillière site. On the contrary, modelling with MACRO and HYDRUS-2D confirmed that the low quantifications at the Saint Exupery site were due to a predominantly matrix water flow, possibly accentuated by the presence of coarse elements, then playing the role of... Finally, simulations at the Magneraud site highlighted the temporal variability of flows and transfers - and ultimately of the results - as well as the sensitivity of the parameters to the description of the limestone substrate. Simulations at all study sites also showed the need for a sensitivity and calibration analysis step, as the initial parameter sets do not allow accurate reproduction of flow chronicles, let alone solutes. The results of the overall sensitivity analysis indicate that the greater the preferential transfer, the more influential the hydrodynamic parameters are. On the contrary, when the preferential flows are less important, it is the physico-chemical characteristics that become so. Sensitivity analysis and validation tests have highlighted the need to integrate a kinetic adsorption or bound residue module for persistent molecules. From an operational point of view, the three models used appeared to be complementary in their use. Thus, MACRO is interesting for estimating the average transfer potential, provided that the soil and macroporal system are well described, while RZWQM appears as a complete agronomic management model. Finally, HYDRUS-2D is relevant for the study of dominant transfer processes as shown by the analysis of fine time step data at the La Jaillière and Saint Exupery sites.
Les produits phytosanitaires sont largement utilisés dans le cadre d'une agriculture dite intensive, notamment en contexte de grandes cultures céréalières. Dans une optique associant productivisme et gestion du risque environnemental, il convient d'appréhender les processus de transfert mis en jeu. L'un des deux objectifs principaux de cette thèse est d'apporter des éléments de compréhension des grands processus contrôlant les exportations des produits phytosanitaires à l'échelle de la parcelle et dans des contextes agrop-pédo-climatiques variés. Toutefois, la seule utilisation des données d'observation souffre souvent du nombre limité de cas rencontrés, limitant l'interprétation des transferts des produits phytosanitaires. Elle se heurte également au passage de la compréhension du système à la prédictibilité (ou prédiction) et à la préconisation d'actions. \textbf{En cela, les modèles numériques dit mécanistes apparaissant comme des outils intéressants}. Cette approche nécessite néanmoins de s'assurer de la validité et de la transposabilité des résultats de modélisation. Le second objectif de la thèse est ainsi d'apprécier la capacité de modèles numériques à représenter les comportements des produits phytosanitaires sur différents sites, avec une visée opérationnelle. Ce travail de thèse s'est appuyé sur les nombreuses données de trois sites d'Arvalis-Institut-du Végétal. Le premier, celui de la Jaillière, représente le cas typique des sols argilo-limoneux drainés dans le Nord Ouest de la France. Le second, celui du Magneraud, également soumis à un climat océanique, présente des sols argileux, riches en matière organique, peu épais et reposant sur des successions de bancs marno-calcaires. Le troisième et dernier site -Saint Exupery- est situé dans l'Est Lyonnais, sur les dépôts fluvio-glaciare du Rhône et se caractérise par une forte charge en éléments grossiers et un faible taux d'argile en profondeur. Les simulations des flux d'eau et de produits phytosanitaires ont été effectuées sur trois modèles, retenus sur la base de l'analyse bibliographique : MACRO, root zone water quality model (RZWQM) et HYDRUS-2D. Les substances les plus à risques diffèrent selon les contextes, en particulier pédologiques et géologiques. Ainsi, les molécules à risques sur le site de la Jaillière sont principalement celles appliquées en automne-hiver avant le début de la saison de drainage, indépendamment de leurs propriétés physico-chimiques. Au contraire, sur le site du Magneraud, malgré un climat proche, ce sont les molécules appliquées au printemps qui sont les plus exportées, par le biais de fentes de retrait non présentes en hiver. Enfin, aucune molécule n'apparait jusqu'à maintenant comme à risque sur le site de Saint Exupery même si les fortes exportations en glyphosate, plus de deux ans après sa dernière application, laissent planer un doute quant au potentiel effet retard de la contamination sur ce site. Les résultats de l'analyse de données et des simulations confirment l'importance de la prise en compte du transfert préférentiel pour représenter les pertes en produits phytosanitaires. Ainsi, la représentation de ce processus est nécessaire pour estimer correctement les fortes pertes dans le drainage sur le site de la Jaillière. Au contraire, la modélisation avec MACRO et HYDRUS-2D ont confirmé que les faibles quantifications sur le site de Saint Exupery étaient le fait d'un écoulement de l'eau majoritairement matriciel, possiblement accentué par la présence d'éléments grossiers, jouant alors le rôle de ... .Enfin, les simulations sur le site du Magneraud ont mis en exergue la variabilité temporelle des écoulements et des transferts - et in fine des résultats - ainsi que la sensibilité des paramètres à la description du substrat calcaire. Les simulations sur l'ensemble des sites d'études ont également montré la nécessité d'effectuer une étape d'analyse de sensibilité et de calage, les jeux de paramètres initiaux ne permettant pas de reproduire fidèlement les chroniques de débits et à plus forte raison de solutés. Les résultats de l'analyse de sensibilité globale indiquent que plus le transfert préférentiel est important plus les paramètres hydrodynamiques sont influents. Au contraire, lorsque les écoulements préférentiels sont moins importants, ce sont les caractéristiques physico-chimiques qui le deviennent. L'analyse de sensibilité ainsi que les tests de validation ont souligné la nécessité d'intégrer un module d'adsorption cinétique ou de résidus liés pour les molécules persistantes. D'un point de vue opérationnel, les trois modèles utilisés sont apparus comme complémentaires dans leur utilisation. Ainsi, MACRO est intéressant pour estimer le potentiel moyen de transfert, pour peu que le sol et le système macroporal soit bien décrit, alors que RZWQM apparait comme un modèle de gestion agronomique complet. Enfin HYDRUS-2D est pertinent pour l'étude des processus dominants de transferts comme l'a montré l'analyse des données à pas de temps fin sur les sites de la Jaillière et Saint Exupery.