Volatilisation de l'ammoniac et des pesticides au champ: Analyse et modélisation de l'influence des propriétés et des conditions physiques de la surface à l'aide du modèle Volt'Air
Résumé
Ammonia and pesticides emissions to the atmosphere mainly originate from agricultural activities. Such compounds released in the air imply a number of health risks to human populations, either from intense but short exposition or low concentrations on a longer period. Likewise, deposition on non-target ecosystem can intensely disturb the environment (eutrophication, acidification…) and its inhabiting species (destruction or weakening of the biotope food chain). Volatilization of ammonia and pesticides occurs right at the moment of the input on the farmed surface and lasts from a few days to a few weeks, depending on the properties of the considered compound and the pedoclimatic conditions. An important component of the establishment of the volatilization flux is the availability of the compound in gaseous form at the soil surface, at the interface with the atmosphere. This availability is governed by the compound transfers from and to this surface and its physic-chemical equilibriums, which themselves depend on the soil surface temperature and humidity conditions and the water transfers. We used and improved the ammonia and pesticides volatilization model Volt'Air in order to refine the representation of the surface and its influence, both from its nature and its physical conditions, on the processes defining volatilization. After assessing the ability of Volt'Air to describe the physical conditions of a bare soil at adequate space and time scales, we implemented the modeling concept of a layer of manure at the surface, integrating a specific description of the water, heat and compound transfers, along with the definition of the layer hydraulic properties. Moreover, modeling of the input heterogeneity proves the ability of Volt'Air to adequately reproduce and assess some of the currently used emissions reduction techniques. Finally, accounting for the surface physical conditions allowed for developing a new equilibrium formalism, with the integration of the adsorption of pesticides in gaseous form on mineral matrixes depending on the temperature and humidity of the soil, inspired by the latest studies on organic compound adsorption.. Comparison with experimental measurements showed that each of these implementations notably improved the estimation of the volatilization fluxes relatively to the previous version of Volt'Air, either when comparing to a cattle slurry application for the manure layer implementation, or a trifluralin application on a bare soil for the gaseous adsorption implementation.
Les émissions d'ammoniac et de pesticides dans l'atmosphère sont principalement d'origine agricole. La présence de ces composés dans l'air est à l’origine de risques sanitaires pour les populations humaines, en raison d’expositions intenses sur de courtes durées (population agricole) ou de concentrations plus faibles sur des périodes prolongées. Leurs dépôts sur des écosystèmes non-cibles entraînent aussi de fortes perturbations sur le milieu physique (eutrophisation, acidification…) et les espèces présentes (destruction ou fragilisation de la chaîne trophique). La volatilisation d'ammoniac et de pesticides intervient dès l'apport de l'intrant sur la surface agricole et dure en général entre quelques jours et quelques semaines selon le composé et les conditions pédoclimatiques rencontrées. Une composante principale du flux de volatilisation est la disponibilité du composé sous forme gazeuse à l'interface du sol avec l'atmosphère. Nous avons utilisé et amélioré le modèle de volatilisation d'ammoniac et de pesticides Volt'Air afin d’affiner la représentation de cette surface et son l'influence sur les processus élémentaires de la volatilisation selon sa nature et les conditions physiques auxquelles elle est soumise. Nous nous sommes d’abord assurés de la capacité de Volt'Air à décrire les conditions d'une surface agricole nue pour des échelles de temps et d’espace appropriées à la modélisation de la volatilisation. Nous avons ensuite conceptualisé en modélisation la couche de Produits Résiduaires Organiques (PRO) en surface, ce pour quoi nous avons été amenés à décrire spécifiquement les propriétés hydrauliques des PRO pour prendre en compte leur effet sur les transferts d'eau, de chaleur et de composé. De plus, la modélisation de l'hétérogénéité de l'apport a montré l’opérationalité de Volt'Air en ce qui concerne l’évaluation des techniques de réduction des émissions d'ammoniac. Enfin, la description suffisamment précise des conditions de surface a permis d’inclure la description d’un nouvel équilibre d'adsorption des pesticides en phase gazeuse sur la matrice minérale du sol, équilibre observé principalement pour des conditions de sol sec : inspiré des connaissances les plus récentes sur les composés organiques, cet équilibre dépend en effet des conditions de température et d'humidité du sol. La confrontation avec des données expérimentales a montré que chacun de ces développements spécifiques améliorait notablement l'estimation des flux de volatilisation par rapport à la version précédente de Volt'Air, lors d’un épandage d’un lisier bovin pour la couche de PRO et lors d’une application de trifluraline sur sol nu pour l’adsorption.