Sources, production and transfer of dissolved organic carbon in elementary watersheds on basement: contribution of stable carbon isotopes
Description
Despite its importance to aquatic ecosystems, origin and production mechanisms of dissolved organic carbon (DOC) are still subject to discussion. This thesis aims to better understand the role of hydrology in controlling both DOC production in soils and export by stream waters. High frequency monitoring of soils and streams waters was carried out during an entire hydrological cycle in the Kervidy-Naizin catchment (Morbihan). The DOC was characterized by its stable carbon isotopic composition, and groundwater table dynamic was also analyzed during the same period. The analysis of seasonal variations in both DOC concentration and composition reveals a succession in the sources and mechanisms of production of DOC in soils of valley bottom in line with changes in the hydrological regime of the basin. Thus, during the autumn period of rising water-table, the COD compartment has a low aromatic character and a particular isotopic composition, suggesting a microbial origin. This reservoir of very small size (5% of the annual flux of DOC exported by the stream) is fully exhausted by the first autumn storm events. The increase of water-table in the upland domain leads to the mobilization of a second DOC pool characterized by a high aromaticity and a isotopic signature similar to those of soil organic matter. This compartment corresponds to 'old' humic fraction of the soil and has a size much larger than the first (90% of annual flux). However, this compartment includes contributions of DOC from riparian soils and also upland soils. Finally, the water-table drawdown in the middle of spring marks the beginning of the drying period of the catchment and the return to the soil of the 'fresh' DOC pool. As a result, concentration and composition of DOC transported by the stream vary greatly across a seasonal scale (temporal variability of production processes DOC). The surface horizons of soils riparian soils are the main source of DOC, which handle between 60 and 80% of stream DOC flux during flood events. An important result is that the DOC pool seems limited in upland soils, while its seems no-limited in riparian soils. Finally, the results obtained in this thesis demonstrate the major control of the dynamics of the water-table on the mechanisms of production of DOC from the soil as well as the spatial location of DOC sources and DOC flux transferred from the soil to stream through the hydrological cycle. They also validate the hypothesis that DOC export by rivers mobilizes rather a set of sources located along the upland-riparian-stream continuum. Another major result of this thesis is the validation of stable carbon isotopes as a tool for tracing sources and dynamics of DOC in the catchment. (author)
Abstract (French)
En depit de son importance dans les processus controlant la qualite des ecosystemes aquatiques, l'origine et les mecanismes de transfert du carbone organique dissous (COD) transporte par les cours d'eau restent sujets a discussion. Les objectifs de cette these portent sur i) la localisation precise les sources de COD a l'echelle du bassin versant elementaire, ii) l'identification de l'origine et des mecanismes a partir desquels il est produit, iii) l'identification des mecanismes de transfert du COD des sols vers les cours d'eau et (iv) une meilleure comprehension du role joue par l'hydrologie tant sur les mecanismes de production et la localisation des sources que sur les flux et les processus de transfert. Les travaux ont porte sur le bassin versant experimental de Kervidy-Naizin (Morbihan), appartenant a l'Observatoire de Recherche en Environnement (ORE) AgrHys. Cette these se demarque des travaux precedents par 1) l'utilisation des isotopes stables du carbone comme outil de localisation des sources du COD au sein du bassin versant et de tracage des dynamiques de production et de transfert du COD du sol vers la riviere, et 2) un suivi haute-frequence parallele de la chimie des eaux du sol et de riviere couple au suivi hydrologique de la dynamique de la nappe sur la totalite d'un cycle hydrologique. L'analyse des variations saisonnieres de concentration et de composition du COD revele l'existence d'un relais dans les sources et les mecanismes de production du COD dans les sols des zones de fond de vallee en phase avec les changements de regime hydrologique du bassin. Ainsi, lors de la periode automnale de remontee de la nappe, le compartiment COD du sol est constitue de composes faiblement aromatiques repartis sur l'ensemble du profil de sol. Le caractere faiblement aromatique et la composition isotopique particuliere (δ13C enrichi en 13C) de ce reservoir de COD suggerent qu'il provient tres probablement de la solubilisation de debris bacteriens. Ce reservoir de tres faible taille (5% du flux annuel de COD exporte par le cours d'eau) est entierement epuise par les premieres crues d'automne conduisant a la montee de la nappe dans le domaine de versant. La mise en charge de la nappe conduit a la mobilisation d'un second reservoir de COD caracterise par une aromaticite elevee et une signature isotopique proche de celle de la matiere organique des sols. Ce compartiment correspond au fond humique 'ancien' des sols et presente une taille nettement plus important que le premier (90% du flux annuel). Cependant, et contrairement au premier, ce compartiment ne se limite pas au COD produit dans sols des zones de bas-fond mais comprend aussi des apports de matieres organiques issues des sols de bas de versant. Le transfert d'un domaine a l'autre se fait par l'etablissement d'une connexion hydrologique entre le long du continuum riviere-zones de fond de vallee-zones de bas de versant durant toute la periode de hautes eaux (fin de l'automne, hiver et debut du printemps). Une autre particularite de ce reservoir est qu'il se limite spatialement aux horizons organo-mineraux superficiels du sol, le COD des horizons mineraux presentant une concentration faible et une composition isotopique differente de celle du COD des horizons superficiels lors de la periode de hautes eaux. Enfin, le rabattement de la nappe au milieu du printemps marque le debut de la periode d'assechement du bassin versant et le retour dans les sols de bas-fond d'un COD faiblement aromatique et isotopiquement similaire a celui observe en automne. En consequence directe de ce relais saisonnier des reservoirs sources de COD, la teneur et la composition du COD vehicule par le cours d'eau varient fortement aux echelles saisonniere (variabilite temporelle des processus de production du COD) et journaliere (variabilite verticale de la composition du COD entre les horizons superieurs et inferieurs des sols des domaines de bas-fond). Les horizons superficiels des sols des zones de bas-fond sont la principale source de COD, par lesquels transitent entre 60 et 80% du flux de COD exporte lors des evenements de crues. Sur l'ensemble du cycle hydrologique, l'exportation du COD par les cours d'eau semble etre limitee par le transport dans le sens ou les ecoulements ne suffisent pas a epuiser entierement la taille du reservoir de COD disponible. Concernant le reservoir humique, un resultat important est qu'il semble limite dans les sols de bas de versant (epuisement rapide du flux de COD a flux d'eau constant), alors qu'il semble au contraire illimite dans les sols de bas fond. La cause du caractere limite ou non des reservoirs reste a eclaircir. Au final, les resultats obtenus dans le cadre de cette these demontrent le controle majeur de la dyna- mique de la nappe sur les mecanismes de production de COD par le sol ainsi que sur la localisation spatiale et les flux de COD transferes de ces sols vers les cours d'eau a l'echelle de la saison. Ils valident egalement l'hypothese emise selon laquelle l'exportation du COD par les cours d'eau ne resulterait pas d'un simple 'flushing' du COD produit dans les sols de bas-fond mais mobiliserait plutot un ensemble de sources localisees le long du continuum riviere-zone de bas-fond-zone de versant, et dont le caractere plus moins limite du reservoir expliquerait les dynamiques des concentrations en COD annuelles observees a l'exutoire de ces bassins. Un autre resultat majeur de cette these est la qualification des isotopes comme outil de tracage des sources et de la dynamique du COD dans les bassins versants. Un point cle de ce travail est la differenciation isotopique des reservoirs COD des sols de bas-fond et des sols de bas de versant, qui a permis pour la premiere fois de reveler la participation de l'un et de l'autre au flux exporte a l'exutoire et d'estimer quantitativement leur contribution respective a ce meme flux. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Sources, production et transfert du carbone organique dissous dans les bassins versants elementaires sur socle: apports des isotopes stables du carbone
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 166 p.
- Report number
- FRNC-TH--11037
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51092017
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- CARBON 13; CARBON CYCLE; FLOODS; HYDROLOGY; ISOTOPE RATIO; ORGANIC MATTER; RIVERS; RUNOFF; SEASONAL VARIATIONS; SOIL CHEMISTRY; SOLUTES; SPATIAL DISTRIBUTION; WATER CHEMISTRY; WATERSHEDS; WETLANDS
- Descriptors DEC
- AQUATIC ECOSYSTEMS; CARBON ISOTOPES; CHEMISTRY; DIMENSIONLESS NUMBERS; DISTRIBUTION; ECOSYSTEMS; ENVIRONMENTAL TRANSPORT; EVEN-ODD NUCLEI; ISOTOPES; LIGHT NUCLEI; MASS TRANSFER; MATTER; NUCLEI; STABLE ISOTOPES; SURFACE WATERS; VARIATIONS
Optional Information
- Notes
- [250 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses