Chapitre 1 : Introduction générale
B. Description du modèle SWAT
5. Fonctionnement du cycle de l’azote
Le cycle de l’azote est complexe et est primordial dans la croissance des plantes. L’azote de par ces nombreuses formes (NO3-, NO2, NO2-, NO, N2O, N2, NH4OH, N2H4, NH3, NH4+) est un élément très réactif et très amovible. C’est un système dynamique avec des échanges plus ou moins rapides entre les compartiments atmosphériques, terrestres et aquatiques. Le cycle de l’azote est modélisé dans les sols à l’échelle des HRU, dans les aquifères superficiels et dans la rivière. La figure 25 donne une vision d’ensemble de ces processus tels qu’intégrés dans le modèle SWAT.
Au sein des versants
Au niveau du sol pour chaque HRU, SWAT schématise le cycle de l’azote et sépare les formes azotées en deux catégories : l’azote minéral et l’azote organique. L’ammonium NH4+, les nitrites NO2- et les nitrates NO3- font partis de l’azote minéral tandis que la forme organique comprend l’azote organique frais, l’humus actif et l’humus stable. L’humus actif peut interagir avec les intrants agricoles pour simuler la minéralisation. L’azote peut être introduit dans le système par fertilisation, épandage de fumier ou résidus végétal, par fixation à partir de bactéries symbiotiques ou non et par des pluies acides. A contrario, l’azote peut être enlevé du système par assimilation par les plantes, percolation dans le sol, transferts vers les aquifères profonds, lessivage ou érosion vers les cours d’eau, volatilisation et dénitrification.
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La minéralisation, la décomposition et l’immobilisation
La décomposition, transformation des résidus organiques frais en composants organiques, la minéralisation, la conversion d’une forme organique non accessible aux plantes à une forme minérale assimilable par les plantes, et l’immobilisation, le processus inverse de minéralisation, sont modélisés dans SWAT. L’algorithme du modèle calcule la minéralisation nette incluant l’immobilisation (Seligman and van Keulen, 1981). La minéralisation et la décomposition se font à partir de l’azote organique « nouveau » apporté par les résidus de culture et la biomasse microbienne et de l’azote organique associé à l’humus actif. Ces processus sont dépendants de la disponibilité en eau et de la température du sol. Les processus ne se produisent pas si la température du sol est inférieure à 0°C. Les équations suivantes permettent de générer les facteurs de température et d’eau du cycle des nutriments :
γ𝑡𝑚𝑝,𝑙𝑦= 0,9. 𝑇𝑠𝑜𝑖𝑙,𝑙𝑦 𝑇𝑠𝑜𝑖𝑙,𝑙𝑦+𝑒(9,93−0,312.𝑇𝑠𝑜𝑖𝑙,𝑙𝑦) + 0,1 (eq. 21) γ𝑠𝑤,𝑙𝑦 = 𝑆𝑊𝑙𝑦 𝐹𝐶𝑙𝑦 (eq. 22)
Avec γtmp,ly le facteur température du cycle des nutriments pour la couche ly, γsw,ly le facteur disponibilité en eau du cycle des nutriments pour la couche ly, Tsoil,ly la température de la couche ly (°C), SWly la teneur en eau de la couche ly (mm H2O) et FCly la teneur en eau de la couche ly à la capacité au champ ou autrement dit à la capacité de rétention maximale en eau du sol (mmH2O). Les facteurs γtmp,ly et γsw,ly ne peuvent pas être inférieurs à 0,1 et 0,05 respectivement.
La minéralisation est calculée à partir de deux compartiments azotés différents, le compartiment azoté actif de l’humus et le compartiment azoté organique frais, à partir des équations suivantes :
𝑁𝑚𝑖𝑛𝑎,𝑙𝑦= 𝛽𝑚𝑖𝑛. (𝛾𝑡𝑚𝑝,𝑙𝑦. 𝛾𝑠𝑤,𝑙𝑦)1/2. 𝑜𝑟𝑔𝑁𝑎𝑐𝑡,𝑙𝑦 (eq. 23)
𝑁𝑚𝑖𝑛𝑓,𝑙𝑦= 0,8. 𝛿𝑛𝑡𝑟,𝑙𝑦. 𝑜𝑟𝑔𝑁𝑓𝑟𝑠ℎ,𝑙𝑦 (eq. 24)
Avec Nmina,ly l’azote minéralisé à partir du compartiment actif de l’humus (kgN.ha-1),βmin le taux de coefficient de minéralisation des nutriments organiques de l’humus actif, γtmp,ly le facteur température du cycle des nutriments, γsw,ly le facteur disponibilité en eau du cycle des nutriments, orgNact,ly la quantité d’azote présent dans le compartiment actif de la couche ly (kgN.ha-1), Nminf,ly l’azote minéralisé à partir du compartiment azoté organique frais (kgN.ha-1), δntr,ly la constante du taux de décomposition des résidus, orgNfresh,ly la quantité d’azote présent dans le compartiment azoté organique de la couche ly (kgN.ha-1).
La nitrification et la volatilisation ammoniacal
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La nitrification est une oxydation permise par les bactéries du sol permettant une transformation de l’ammonium au nitrate. Lorsque l’ammonium est présent sur un sol calcaire ou en présence d’urée,
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un dégazage d’ammoniac (NH3) se produit. SWAT modélise ces deux processus à partir des méthodes développées par Reddy et al. (1979) et Godwnin et al. (1984). La quantité d’ammonium totale transformée par nitrification et volatilisation est d’abord calculée puis divisée en deux processus. La nitrification est fonction de la température du sol et de la teneur en eau des sols tandis que la volatilisation ammoniacale est fonction de la température du sol, de la profondeur et de la capacité d’échange de cations. La volatilisation ammoniacale est inhibée si la température du sol est inférieure à 5°C. Le calcul de ces facteurs de contrôle est décrit dans Nietzsch et al. (2011). La quantité d’azote nitrifiée à partir de la quantité d’ammonium présent dans le sol est exprimée comme suit :
𝑁𝑛𝑖𝑡,𝑙𝑦=
𝑓𝑟𝑛𝑖𝑡,𝑙𝑦
(𝑓𝑟𝑛𝑖𝑡,𝑙𝑦+𝑓𝑟𝑣𝑜𝑙,𝑙𝑦). 𝑁𝑛𝑖𝑡,𝑣𝑜𝑙,𝑙𝑦 (eq. 25) Où Nnit,ly représente la quantité de NH4+ transformée en NO3- dans la couche ly (kgN.ha-1), frnit,ly la fraction estimée de perte azotée par nitrification, frvol,ly la fraction estimée de perte azotée par volatilisation et Nnit,vol,ly la quantité d’ammonium totale transformée par nitrification et volatilisation dans la couche ly (kgN.ha-1).
La dénitrification dans les sols
Le processus de dénitrification dans les sols, de réduction du nitrate en diazote en condition anaérobie est simulé dans SWAT. Cette dénitrification est fonction de la teneur en eau des sols, de la présence de carbone et de nitrate. Elle est déterminée pour chacune des couches ly à partir des équations suivantes :
𝑁𝑑𝑒𝑛𝑖𝑡,𝑙𝑦 = 𝑁𝑂3𝑙𝑦. (1 − 𝑒−𝛽𝑑𝑒𝑛𝑖𝑡.𝛾𝑡𝑚𝑝,𝑙𝑦.𝑜𝑟𝑔𝐶𝑙𝑦) si 𝛾𝑙𝑦,𝑡ℎ𝑟≥ 𝛾𝑆𝑊,𝑡ℎ𝑟 (eq. 26)
𝑁𝑑𝑒𝑛𝑖𝑡,𝑙𝑦 = 0 si 𝛾𝑙𝑦,𝑡ℎ𝑟< 𝛾𝑆𝑊,𝑡ℎ𝑟 (eq. 27)
Avec Ndenitr,ly le taux de dénitrification de la couche ly (kgN.ha-1), NO3-ly la quantité de nitrates dans la couche ly (kgN.ha-1), γ
tmp,ly le facteur température du cycle de nutriment, orgCly la quantité de carbone organique de la couche ly (%), γsw,ly le facteur teneur en eau du cycle de nutriment de la couche ly et γsw,thr la limite du facteur γsw,ly au-dessus de laquelle la dénitrification a lieu déterminée par l’utilisateur.
Au sein de la rivière
Dans les tronçons des cours d’eau, le modèle SWAT prend en compte les mouvements d’eau, mais également de sédiment, de nutriment et de pesticide, mais le modèle simule également les cycles des nutriments notamment celui de l’azote au sein du cours d’eau que j’ai nommé par anglicisme « in- stream ». La dynamique du mouvement des nitrates dans chaque tronçon est fondée sur le modèle QUAL2E (Brown and Barnwell, 1987) qui intègre les mêmes processus présents dans le sol c’est-à-dire la volatilisation ammoniacale, l’addition azotée, la minéralisation azotée, la nitrification et la dénitrification (Neitsch et al., 2011). Le module QUAL2E intégré dans le modèle SWAT (Figure 26) tient compte des facteurs de perturbations du cycle de l’azote, la production algale, la demande et la consommation en oxygène, l’interaction avec l’atmosphère et leurs effets sur l’oxygène dissous. Le
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modèle est également contraint par la dissolution azotée dans le tronçon ainsi que par la quantité d’azote absorbée dans les sédiments. Les éléments dissous sont transportés d’amont en aval tandis que les éléments adsorbés sont déposés au fond du lit de la rivière. Pour simplifier, les processus présents dans SWAT peuvent être divisés en deux parties : les processus biologiques et les processus physiques. Les processus physiques sont liés aux connectivités des eaux de surface avec les aquifères et les versants et s’expriment au sein de la zone hyporhéique. La zone hyporhéique est l’ensemble des sédiments saturés en eau situés au-dessous et à côté d’un cours d’eau contenant une certaine proportion d’eau de surface (White, 1993). Les connectivités hydrologiques dépendent de la morphologie de la rivière (Stewardson et al., 2016) et des flux hydrologiques entre les eaux de surface et les eaux souterraines.
Les processus biologiques comptent deux compartiments indissociables dans le modèle : le cycle de l’azote modélisé dans la colonne d’eau à partir des équations de QUAL2E et le cycle de l’azote modélisé dans la zone benthique à partir du module benthique. SWAT permet de désactiver les processus biologiques mettant en avant la modélisation des processus physiques.
Le modèle QUAL2E utilise l’azote dissous présent dans la colonne d’eau. La capacité d’auto- épuration d’un cours d’eau est déterminée principalement à partir de la capacité du cours d’eau à maintenir une concentration en oxygène dissous adéquat pour réaliser les processus in-stream. Cette concentration en oxygène dissous est dépendante de la capacité de photosynthèse des plantes durant le jour et de la capacité de respiration des algues durant la nuit. La croissance et la mort des algues font partie du cycle de l’azote modélisé dans la colonne d’eau. L’ensemble des équations modélisant la croissance des algues, leur capacité respiratoire et de photosynthèse ainsi que les facteurs limitant influençant ces processus ne seront pas décrits en détail ici, mais peuvent être trouvés dans Neitsch et al. (2011) et dans Barnwell and Brown (1987). Dans la colonne d’eau, le cycle de l’azote est modélisé par les processus de transformation de l’azote organique en ammonium, de l’ammonium en nitrite et finalement de nitrite en nitrate à partir des équations différentielles suivantes :
{ 𝑑𝑜𝑟𝑔𝑁 𝑑𝑡 = 𝛼1. 𝜌𝑎. [𝑎𝑙𝑔𝑎𝑒] − 𝛽3. [𝑜𝑟𝑔𝑁] − 𝜎4. [𝑜𝑟𝑔𝑁] 𝑑𝑁𝐻4 𝑑𝑡 = 𝛽3. [𝑜𝑟𝑔𝑁] − 𝛽1. [𝑁𝐻4] + 𝜎3 𝑑 − 𝐹. 𝛼1. 𝜇. [𝑎𝑙𝑔𝑎𝑒] 𝑑𝑁𝑂2− 𝑑𝑡 = 𝛽1.[𝑁𝐻4] − 𝛽2.[𝑁𝑂2 −] 𝑑𝑁𝑂3− 𝑑𝑡 = 𝛽2.[𝑁𝑂2 −] − (1 − 𝐹)𝛼 1. 𝜇. [𝑎𝑙𝑔𝑎𝑒] (eq. 28)
Avec [orgN] [NH4] [NO2-] [NO3-] les concentrations en élément azoté respectif (mgN.L-1), [algae] la concentration en biomasse algale (mgA.L-1), β
1 la constante de vitesse de l’oxydation en NH4 (jour-1), β2 la constante de vitesse de l’oxydation en NO3- (jour-1), β3 le taux d’hydrolyse de l’azote organique (jour-1), α1 la fraction azotée de la biomasse algale (mgN.mgA-1), σ4 la constante de vitesse de sédimentation de l’azote organique (jour-1), σ3 le taux de benthos source pour le NH4
78 (mgN.m-2.jour-1), ρ
a le taux de respiration algale (jour-1), d la hauteur d’eau moyenne (en m2), μ la vitesse de croissance spécifique des algues (jour-1), F la fraction d’absorption de l’azote algale issue du réservoir d’ammoniac.
F est défini comme suit :
𝐹 = 𝑃𝑁.𝑁𝐻4
𝑃𝑁.𝑁𝐻4+(1−𝑃𝑁).𝑁𝑂3− (eq. 29) Ces équations sont fonction des conditions d’écoulement et du taux d’oxygène dissous. Lorsque le taux d’oxygène dissous est trop faible, le processus de nitrification est inhibé. Le module QUAL2E est donc une simplification du cycle de l’azote ayant donné des bilans de masses pertinents (Bailey and Ahmadi, 2014; Migliaccio et al., 2007) mais le processus de dénitrification, mécanisme d’élimination des nitrates dans la rivière le plus probable, n’y est pas représenté.
Figure 26:Schéma conceptuel du module QUAL2E intégré dans le modèle SWAT et simulant le cycle de l'azote dans la colonne d'eau et dans les sédiments (adaptée de Bailey and Ahmadi (2014))