Section 30 Surface continentale et interfaces

II. Transferts de matière et d'énergie : hydro-bio-géochimie de la Zone Critique et de ses interfaces

Les recherches dans le domaine des transferts de matière et d'énergie au sein des surfaces et interfaces continentales (SIC) ont abouti ces dernières années à l'émergence du concept de Zone Critique, la Zone Critique étant vue comme l'enveloppe du globe allant du sommet de la canopée à la roche mère non altérée sous-jacente. Le partage de ce concept traduit le chemin considérable parcouru en dix ans par les équipes et les laboratoires constitutifs de la communauté SIC, tant du point de vue de l'intégration de leurs différents outils et concepts disciplinaires que de celui de la mise en place de sites et de plateformes communes d'observation et d'expérimentation.

A. Enjeux et difficultés

Comprendre et modéliser le fonctionnement hydro-bio-géochimique de la Zone Critique et de ses interfaces, la façon dont ce fonctionnement régule les transferts de matière et d'énergie à la surface de la Terre et la synergie avec le fonctionnement d'un écosystème dans son ensemble font partie des tâches les plus importantes dévolues aux SIC. Les enjeux sont considérables, avec des retombées dans un grand nombre de domaines comme la gestion et la préservation des ressources en eau, la propagation des contaminants et le stockage des déchets, les transferts de nutriments entre continents et océans, les flux de gaz à effet de serre et d'aérosols échangés avec l'atmosphère et leur impact sur le climat et son évolution, les processus d'altération et d'érosion et leurs conséquences sur la composition chimique des eaux et la dynamique de la ressource « sol ». Une difficulté majeure des recherches est leur caractère éminemment interdisciplinaire, tant les couplages entre processus physiques, chimiques et biologiques mis en jeu dans leur fonctionnement sont forts au sein des (éco)systèmes considérés. Un autre obstacle réside dans l'accroissement de la pression anthropique, avec en corollaire la difficulté d'identifier des systèmes de référence non anthropisés pour en déterminer précisément les impacts.

L'intégration de la biosphère et des facteurs anthropiques, compartiment et facteurs pourtant intimement impliqués dans la genèse et le contrôle des flux, constitue également une difficulté. Dans ce contexte, le concept de Zone Critique montre certaines limites. Venu principalement du monde de la géochimie et de la géophysique, il ne percole que très lentement et très marginalement au sein de la communauté des écologues. Les couplages entre composantes physico-chimique et biotique des écosystèmes sont pourtant essentiels dans les transferts de matière et d'énergie au sein des surfaces continentales et à leurs interfaces. On citera pour s'en convaincre les recherches sur les changements globaux, qui nécessitent par essence une prise en compte de tous les couplages forts existant entre sous-sol, sol, végétation et atmosphère. Concernant la composante anthropique, on pointera l'urbanisation et les pratiques agricoles, deux variables contrôlant fortement les transferts d'eau et de solutés, difficilement prises en compte par ce concept.

B. Forces

La recherche française dans le domaine des transferts de matière et d'énergie au sein des SIC est forte des efforts très importants qu'elle a réalisés dans le domaine de la mesure des flux et de la caractérisation des (éco)systèmes, via notamment la mise en place et la structuration de réseaux de sites d'observation et de mesure (cf. chapitre V).

Un autre domaine particulièrement actif est celui du traçage des flux de matière avec des progrès importants réalisés dans le développement de nouveaux traceurs isotopiques (stables et radioactifs) appliqués à la quantification de l'érosion chimique et/ou du rôle de la végétation comme réservoir pour certains éléments (e.g., Ca, Mg et Zn). La France dispose de quelques-unes des équipes les plus performantes au monde dans ce domaine avec, pour celles-ci, la capacité relativement unique de pouvoir à la fois développer et calibrer ces nouveaux outils isotopiques au laboratoire dans des conditions contrôlées (incluant le compartiment biologique), puis de les transposer à des sites de terrain pour en valider l'utilisation.

Le traçage des sources de la matière organique véhiculée par les rivières et les fleuves a également très fortement progressé, notamment via un accroissement des interactions entre hydrologues, géochimistes et (hydro)biologistes. Les progrès réalisés placent la France en position extrêmement favorable pour être leader dans le domaine de la quantification des effets de la fonte du pergélisol sur les transferts latéraux de carbone dans les régions de haute latitude. Notre pays est également leader dans le domaine de la caractérisation et de la modélisation des propriétés de transport de la matière organique dissoute et dans l'évaluation de l'impact que ces propriétés ont sur les flux de métaux échangés entre milieux terrestres et aquatiques, ou sur la sûreté des sites de stockage nucléaire. Les outils chimiques et isotopiques continuent par ailleurs de contribuer très fortement à l'évaluation des temps de transfert ou de résidence de l'eau dans les milieux souterrains et de surface, avec des bénéfices très importants obtenus grâce au couplage rendu possible entre la mise au point de traceurs en conditions contrôlées et l'application de ces traceurs à des sites de terrain spécifiques.

La communauté française est également active dans le champ de la compréhension des grands cycles biogéochimiques, comme celui du silicium. La dynamique du compartiment « matière organique du sol » (incluant les échanges de carbone avec l'atmosphère) et l'influence sur cette dynamique des conditions d'humidité du sol, de la structure et de l'activité de la biomasse microbienne, et plus largement des types d'usage du sol sont également des domaines dans lesquels la recherche française est bien positionnée, notamment grâce à une bonne synergie et une bonne complémentarité entre travaux et équipes de l'INRA et du CNRS.

La caractérisation des surfaces continentales et l'étude des transferts s'y produisant par imagerie satellitaire sont un champ toujours bien investi par la communauté française. C'est le cas notamment du domaine fluvial dans lequel les progrès techniques réalisés ces dernières années en télédétection (hélicoptère, ULM, drone) ont permis des avancées importantes. Des progrès ont été aussi enregistrés dans le domaine de la cartographie des variables biophysiques de surface et de la mise au point de méthodes d'inversion de ces variables (humidité et teneur en matière organique du sol). L'utilisation de l'imagerie satellitaire pour le suivi de la végétation (NDVI, FAPAR) et des flux associés continue également d'être un domaine dans lequel les équipes françaises sont fortement impliquées. Cette utilisation apporte des éléments importants à plusieurs égards (e.g., réponse de la végétation aux différents facteurs environnementaux, modélisation des échanges neige-végétation, étude du cycle du carbone ou calcul de l'évapotranspiration). Les systèmes dont on dispose aujourd'hui permettent ainsi de simuler la croissance des végétaux par télédétection spatiale à partir de paramètres biophysiques, tels que le LAI ou le FAPAR.

C. Faiblesses et verrous

Une première faiblesse importante concerne le relatif désintérêt des équipes françaises pour les milieux estuariens et littoraux. Ce désintérêt, probablement lié en partie au cloisonnement institutionnel dont souffre la recherche française dès que l'on s'approche des côtes, est dommageable compte tenu des enjeux importants que rassemblent ces milieux d'interface en matière de ressources biologiques, de biodiversité, d'influence de l'homme sur les milieux (urbanisation croissante de la zone côtière) ou d'impacts des changements globaux (élévation du niveau de la mer et recul du trait de côte). Des efforts existent pour dynamiser la recherche sur ces questions, mais la France reste relativement en retard malgré la présence sur le sol national de quelques équipes performantes. Des initiatives comme les chantiers CNRS-INSU Arctique et Méditerranée, la mise en place du SOERE SONEL et la réflexion commune récemment menée par les programmes EC2CO et LEFE pour soutenir cette interface devraient permettre de combler une partie du retard accumulé.

La ville, qui apparaissait déjà comme un maillon faible de la recherche dans le rapport de conjoncture précédent, continue d'en être un. Trop peu de progrès ont été réalisés dans le domaine de l'analyse de l'impact des paysages urbains sur les flux d'air, d'eau et de contaminants, et sur leurs dynamiques, même si la création du SOERE Environnement Urbain et de la Zone-Atelier Environnementale Urbaine a déjà permis quelques avancées.

Progresser dans le domaine de la modélisation de la dynamique des transferts de l'eau reste également un enjeu. La question des limites actuelles de la modélisation se pose dans différents domaines, comme l'hydrologie des bassins versants de montagne ou celle des zones karstiques. La représentation par les modèles de la réponse des végétaux à la sécheresse, actuellement très simplifiée, est un challenge important. Un autre défi est l'intégration de l'occupation des sols dans la modélisation, laquelle a un impact évident sur les crues rapides et la qualité des eaux, mais dont la prise en compte dans les modèles est rendue difficile du fait de sa très forte variabilité spatio-temporelle.

La question de l'hétérogénéité spatiale et temporelle des processus réactionnels à l'œuvre dans la Zone Critique, et plus largement au sein des SIC, constitue un enjeu vis-à-vis duquel les équipes françaises sont encore insuffisamment positionnées. Les SIC ne sont pas homogènes d'un point de vue réactionnel. Localiser les hot spots réactionnels qui les parcourent et identifier leur caractère pérenne ou au contraire transitoire (hot moments) est fondamental dans la mesure où ces lieux constituent des espaces particuliers au sein desquels les réactions se produisent à des vitesses et à des taux beaucoup plus élevés que partout ailleurs (e.g., variation à haute fréquence, de la minute à la journée, de la composition chimique des eaux). Un bon exemple de hot moments est fourni par les événements climatiques extrêmes, lesquels constituent des périodes d'expression maximale des flux de matière. Un autre intérêt de l'approche hot spots et hot moments est qu'elle fournit un cadre d'expression de l'interdisciplinarité, les hot spots et hot moments réactionnels de la Zone Critique étant par essence des lieux ou des moments qui exacerbent les interactions usuelles entre le monde vivant, l'eau et le minéral.

Enfin, la recherche doit progresser vers une meilleure prise en compte du rôle des processus à la méso-échelle (i.e., du bloc de sol au bassin versant d'ordre 2 ou 3) dans les transferts.