M2 OASC : Fiche de stage

M2 OASC : Fiche de stage
Titre du stage :
Transferts d’eau et de carbone dans le continuum aquatique
Nom et statut du (des) responsable (s) de stage :
Roland Séférian (Chercheur, CNRM-GAME), Frédéric Guérin (Chercheur, IRD/OMP)
Coordonnées (téléphone et email) du (des) responsable (s) de stage :
Roland Séférian : [email protected]
Frédéric Guérin : [email protected]
Sujet du stage :
Jusqu’en 2007 (IPCC, 2007), le rôle des écosystèmes aquatiques dans le cycle
global du carbone était limité au transport de carbone organique et inorganique
(dissous et particulaire) depuis les continents vers les océans. Les écosystèmes
aquatiques continentaux (rivières, lacs naturels, lacs de barrage) sont maintenant
reconnus comme des sources majeures des deux principaux gaz à effet de serre
(GES) à l’échelle globale: le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4)
(Bastviken et al., 2011;Ciais et al., 2013;Raymond et al., 2013;Borges et al., 2015).
Les émissions cumulées de CO2 et de CH4 en CO2-équivalent par les écosystèmes
aquatiques seraient du même ordre de grandeur que le puits de carbone terrestre ou le
puits de carbone océanique (Bastviken et al., 2011;Borges et al., 2015) alors que les
surfaces aquatiques ne représentent que 3% de la surface terrestre (contre 1/3 pour les
surfaces continentales et 2/3 pour les océans). Les écosystèmes aquatiques sont donc
des conduites privilégiées de GES vers l’atmosphère. Ces émissions résultent de la
dégradation de la matière organique (MO) produite dans les écosystèmes terrestres
(MO végétale et MO des sols) et dans les zones humides (marécages, plaines
d’inondation, forets inondées) bordant les écosystèmes aquatiques (Abril et al.,
2014;Borges et al., 2015). La somme des transports latéraux (des continents vers les
océans) et verticaux de carbone (depuis les écosystèmes aquatiques vers
l’atmosphère) est très largement supérieur à l’export de carbone depuis les
écosystèmes continentaux (sols et végétation) vers les rivières. La complexité des
interactions entre l’atmosphère, la végétation, le sol et les rivières et estuaires et des
processus en jeux fait du continuum aquatique un milieu particulièrement complexe à
étudier. Pourtant, face à la nécessité de mieux contraindre l’augmentation des gaz à
effet de serre tel que le CO 2, il apparaît fondamental de quantifier précisément le rôle
du continuum aquatique dans le cycle global du carbone (Battin et al., 2009).
L’objectif du projet dans lequel s’inscrit le stage proposé est d’implémenter les
transports de C depuis les continents vers les océans et les émissions de GES depuis
les écosystèmes aquatiques au modèle du CNRM.
Dans le cadre de ce stage, nous proposons de mieux comprendre les mécanismes de
transfert de matières entre le sol et le continuum aquatique, en nous focalisant sur la
matière organique dissoute et particulaire. Cela d’une manière beaucoup plus
quantitative que ce qui a été proposé dans le premier modèle mécaniste du continuum
aquatique (Langerwisch et al., 2015).
Pour cela, nous proposons d’appréhender ce stage à travers deux approches mêlant
l’utilisation de données de terrain récentes (réseau d’observations HYBAM et BVET)
et la manipulation de modèle climatique (modèle de surfaces du CNRM : SURFEXTRIP). Le travail se focalisera sur l’Amazone et le Congo mais pourra être étendu à
d’autres fleuves grâce à la compilation d’autres données publiées.
La première étape vise à mieux contraindre le rôle du cycle hydrologique dans le
transfert de matière entre le sol et le continuum aquatique. Cette première étape
s’appuie sur le fait que des études récentes ont démontré que les paramètres
hydrologiques des bassins versants pilotent au premier ordre l’ampleur des transfert
(Long et al., 2015). Des résultats de simulation de SURFEX-TRIP seront donc
comparés à des mesures de terrain dans le but d’évaluer la qualité du modèle sur ces
domaines.
La seconde étape vise à mieux comprendre les processus de transfert de matière
organique entre les écosystèmes terrestres et le continuum aquatique. Dans cette
optique, une analyse statistique (multi-régression) sera conduite à partir des données
disponibles du réseau HYBAM et BVET afin d’identifier les principales variables de
contrôle. À l’aide de cette analyse et d’une étude bibliographique, des fonctions de
transfert seront proposées. Ces dernières seront implémentées dans SURFEX-TRIP
selon le déroulement du stage et une première simulation sera produite.
Références bibliographiques :
Battin, T. J., Luyssaert, S., Kaplan, L. A., Aufdenkampe, A. K., Richter, A. and
Tranvik, L. J.: The boundless carbon cycle, Nature Geosci, 2(9), 598–600,
doi:doi:10.1038/ngeo618, 2009.
Borges, A. V., Darchambeau, F., Teodoru, C. R., Marwick, T. R., Tamooh, F.,
Geeraert, N., Omengo, F. O., Guerin, F., Lambert, T., Morana, C., Okuku, E. and
Bouillon, S.: Globally significant greenhouse-gas emissions from African inland
waters, Nature Geosci, 8(8), 637–642, doi:10.1038/ngeo2486, 2015.
IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis., edited by T. F.
Stoker, D. Qin, G. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V.
Bex, and P. M. Midgley, Cambridge Univ Press, Cambridge, United Kingdom and
New York, NY, USA. 2013.
Langerwisch, F., Walz, A., Rammig, A., Tietjen, B., Thonicke, K. and Cramer, W.:
Climate change increases riverine carbon outgassing while export to the ocean
remains uncertain, Earth Syst. Dynam. Discuss., 6(2), 1445–1497, 2015.
Long, H., Vihermaa, L., Waldron, S., Hoey, T., Quemin, S. and Newton, J.: Hydraulics
are a first order control on CO2 efflux from fluvial systems, J. Geophys. Res.
Biogeosci., doi:10.1002/2015JG002955, 2015.
Ludwig, W., Probst, J. and Kempe, S.: Predicting the oceanic input of organic carbon
by continental erosion, Global Biogeochem. Cycles, 10(1), 23–41, 1996.
Regnier, P., Friedlingstein, P., Ciais, P., Mackenzie, F. T., Gruber, N., Janssens, I. A.,
Laruelle, G. G., Lauerwald, R., Luyssaert, S., Andersson, A. J., Arndt, S., Arnosti, C.,
Borges, A. V., Dale, A. W., Gallego-Sala, A., Godderis, Y., Goossens, N., Hartmann,
J., Heinze, C., Ilyina, T., Joos, F., LaRowe, D. E., Leifeld, J., Meysman, F. J. R.,
Munhoven, G., Raymond, P. A., Spahni, R., Suntharalingam, P. and Thullner, M.:
Anthropogenic perturbation of the carbon fluxes from land to ocean, Nature Geosci,
6(8), 597–607, doi:10.1038/ngeo1830, 2013.
Seitzinger, S. P., Harrison, J. A., Dumont, E., Beusen, A. H. W. and Bouwman, A. F.:
Sources and delivery of carbon, nitrogen, and phosphorus to the coastal zone: An
overview of Global Nutrient Export from Watersheds (NEWS) models and their
application, Global Biogeochem. Cycles, 19(4), GB4S01,
doi:10.1029/2005GB002606, 2005.
Seitzinger, S. P., Mayorga, E., Bouwman, A. F., Kroeze, C., Beusen, A. H. W., Billen,
G., Van Drecht, G., Dumont, E., Fekete, B. M., Garnier, J. and Harrison, J. A.: Global
river nutrient export: A scenario analysis of past and future trends, Global
Biogeochem. Cycles, 24(4), GB0A08, doi:10.1029/2009GB003587, 2010.
Tranvik, L. J., Downing, J. A. and Cotner, J. B.: Lakes and reservoirs as regulators of
carbon cycling and climate, Limnology and Oceanography, 54(6, part2), 2298–2314,
2009.
UE optionnelles suggérées pour accompagner le stage : surfaces continentales