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Impact de l’activité photosynthétique des micro algues benthiques sur la diagenèse précoce et
les flux à l’interface eau-sédiment:Une approche par modélisation à haute
résolution.Sébastien Hochard
Encadrants: Christel Pinazo et Olivier Pringault
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
2
3Introduction
Fortes interactions entre le sédiment et la colonne d’eaudans les Écosystèmes peu profonds
-Sédiment = Source de nutriments pour la colonne d’eau=> soutient la production primaire pélagique (Herbert, 1999).
- Sédiment = Important taux de dénitrification => zone tampon pour eutrophisation (Laursen et Seitzinger, 2002).
-Sédiment = Remise en suspension=> fort échange de matière, cause possible de bloom
d’algues toxiques(MacIntyre, 2004).
4
En modélisation biogéochimique, module sédimentaire = diagenèse précoceDiagenèse précoce = processus hétérotrophes de reminéralisation de la M.O.
Introduction
Nombreux modèles diagenétiques => profondeur abyssale, plateau continental.
Zone côtière = Lumière atteint le sédimentModèle diagenétique = Vision incomplète.
Sédiments côtiers= diagenèse + production primaire ben thique
Minéralisation aérobie
Minéralisation anaérobie
Dénitrification
Soetaert et al. 1996a
5
Si PAR sédiment ≥ 1% PAR surface => Production primairebenthique
=> estuaires, lagunes (Underwood and Kromkamp, 1999) .=> Plateau continental (Janhke et al., 2000).
Principal autotrophe benthique = microphytobenthos ( MPB)
Production primaire MPB peut être ≥ 50% production primairetotale (Cahoon, 1999).
=> Contribution significative au bilan de carbonne.
MPB = modification processus diagenèse et échanges à l’ interface.
6
MPB= Important pool de M.O produite “in-situ”
=> soutient bactéries hétérotrophes (Herman et al., 2001).=> rôle important dans la chaîne trophique (Leguerrier et al., 2003).
7
MPB= production et consommation d’oxygène + assimilation de nutriments
=>modification des réactions de minéralisationsnotamment dénitrification (Lorenzen et al., 1998).
MPB= “filtre” à l’interface eau-sédiment.
=> contrôle des échanges d’oxygène et de nutriment avec la colonne d’eau(Sundbäck et al., 1991; Bartoli et al., 2003).
8
MPB= exudation de 20 à 70% du carbon récemment fixé par photosynthèse.
=>Extracellular Polymeric Substance (EPS) (Smith and Underwood, 2000).
=>source de carbonne bacétries hétérotrophes (Middelburg et al., 2000).=>biostabilisation du sédiment. (De Brouwer & Stal, 2001).
9Introduction
Fortes interactions entre le sédiment et la colonne d’eaudans les Écosystèmes peu profonds
-Sédiment = Source de nutriments pour la colonne d’eau=> soutient la production primaire néritique (Herbert, 1999).
- Sédiment = Important taux de dénitrification => zone tampon pour eutrophisation (Laursen et Seitzinger, 2002).
-Sédiment = Remise en suspension=> fort échange de matière, cause possible bloom
d’algues toxiques(MacIntyre, 2004).
⇒MPB: contrôle des flux à l’interface.
⇒MPB: modification du taux de dénitrification.
⇒MPB: modification du seuil d’érosion du sédiment.
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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11Description du modèle
Représentation des cycles de C,N,O2 , à travers 10 variables:
- 6 particulaires:
M.O: TOC1, TOC2, EPS
MPB: C, Chl, N
- 4 dissoutes
Nutriments: NH4, NO3
Oxygène: O2
Produit de la minéralisation anaérobie: ODU
12Description du modèle
Processus:
Processus de minéralisation:
Minéralisation aérobie
Dénitrification
Minéralisation anaérobie
Processus de ré-oxydation:
Nitrification
Ré-oxydation de l’ODU.
13Description du modèle
Processus:
Processus du MPB:
Production primaire
Assimilation
Photo-acclimatation
Respiration
Exudation d’EPS
Processus du zoobenthos:
Grazing
Excrétion d’ammonium
Respiration
Production de feaces
Export
14Description du modèle
Les conditions de frontières:
-Concentration des eaux de fond en éléments dissous.
-Flux de sédimentation
-Lumière
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Transport
Le modèle de diagenèse
∑ ×+
××+∂∂××−
∂∂−=
∂∂
∞∞ REACCwz
CD
zt
Csed φφφφ
Equation de diagenèse générale (Berner, 1980)
Dissous:
- Diffusion moléculaire
- Bio - irrigation.
- Advection
Solide:
- Bioturbation.
- Advection
Discrétisation
Prof max = 10cm
Surface = 5 couches 200 µm d’épaisseur puis augmente progressivement.
29 couches au total
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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MPB source de M.O labile.
San
s M
PB
Ave
c M
PB
time
z
µm
ol.l-
1
µm
ol.m
-2.h
-1µ
mol
.m-2.h
-1
µm
ol.l-
1
- Apparition d’une forte variabilité des variables et des flux à l’échelle nycthémérale.
- Effet de filtre du MPB pour les flux à l’interface
Photosynthèse MPB=>fort impact sur flux et profils d’O2
Profil NO3 fortement affectéSédiment = puits
Profil NH4-En surface+En profondeurFlux faible
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time
San
s M
PB
Ave
c M
PB
zµ
mol
.m-2.h
-1µ
mol
.m-2.h
-1
µm
ol.l -1.s-1
µm
ol.l -1.s-1
- Ecore une forte variabilité à l’échelle nycthémérale pour les processus diagenètique.
- Modification de l’importance relative et de l’intensité des voie de minéralisation.
Augmentation de la minéralisation aérobieMPB = +M.O
Baisse de la dénitrification
MPB= -NO3
Augmentation de la minéralisation anoxiqueMPB= +M.O
Baisse de la nitrification
MPB= -NH4
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MPB => Maximum en surface puis diminue
Seule une fraction du MPB participe à la production primaire=> Nécessité d’une discrétisation spatiale fine (<1mm)
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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Profils d’oxygène in-situ
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Profils d'oxygène modèle
-1-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1
00 100 200 300 400 500
dark
light
Données thèse Evans 2005
Florida bay:
milieu oligotrophe
sub-tropical
peu profond (moyenne= 1m)
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Comparaison des profils d'ammonium
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
00 500 1000 1500
nh4 in-situ
nh4 modèle
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Profils de nitrate et d’oxygène in-situ
Dark Light
Profils de nitrate modèle
-1-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1
0
0 0,5 1 1,5 2
dark
light
Lorenzen et al., 1998
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Comparaison des flux d'oxygène
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
Comparaison des flux d'ammonium
-40
-20
0
20
40
60
80
Comparaison de la dénitrification
-70
-60
-50-40
-30
-20
-10
010
20
30
In-situ
Modèle
Comparaison des flux de nitrate
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
dark
dark dark
dark
light light
light light
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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Mesure in-situ: Profils d’oxygène in-situ
Flux d'oxygène in situ
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
O2 dark O2 light
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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Calcul de la production primaire à midi à partir de s flux d’oxygène:
Production nette = (flux d’oxygène jour)*quotient photosynthétiqueProduction brute = Production nette + Respiration (=0.1* Production brute)
⇒Production nette = 6810 µmolC.m -2.h-1
⇒Production brute = 7566 µmolC.m -2.h-1
Production primaire à midi calculée par le modèle :
⇒Production nette = 10253 µmolC.m -2.h-1
⇒Production brute = 11500 µmolC.m -2.h-1
OR FLUX D’OXYGENE MODELE = FLUX D’OXYGENE IN-SITU
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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NUIT:
-Pas de lumière pour la photosynthèse
- Respiration => diminution pénétration O2 (Revsbechet al., 1981)
- Nitrification limitée par disponibilité O2 => diminution Dn (Kemp et al., 2000)
-Faible uptake du MPB, augmentation de Dw (An et Joyce, 2001)
-Faible uptake du MPB, NH4 diffuse hors du sédiment (Sundbäck et al., 2004)
Dn = dénitrification couplée à la nitrification
Dw= dénitrification avec NO3 issu de la colonne d’eau.
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JOUR:
-Lumière disponible pour la photosynthèse
- Production O2 => augmentation pénétration O2 (Revsbech et al., 1981)
- Nitrification stimulée par production O2 => augmentation Dn (Dalsgaard, 2003)
-Fort uptake du MPB, diminution de Dw (An et Joyce, 2001)
-Fort uptake du MPB, faible flux de NH4, voir sédiment = puit NH4(Sundbäck et al., 2004)
Dn = dénitrification couplée à la nitrification
Dw= dénitrification avec NO3 issu de la colonne d’eau.
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Ecosystème oligotrophe:
NO3 colonne d’eau faible
Dn > Dw
Dtot Jour > Dtot nuit
Ecosystème eutrophe:
NO3 colonne d’eau élevé
Dn < Dw
Dtot Jour < Dtot nuit
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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Sédiment = source de nutriments pour phyto
Sédiment = perte définitive d’azote via la dénitrification.
Sédiment = faible source de nutriments pour phyto
Assimilation azote par MPB >> dénitrification
MPB = piège l’azote sous forme de biomasse.
Echange biomasse > Echange DIN
Sommaire
1. Introduction.2. Description du modèle.3. Résultats.
3.1 comparaison sédiment avec et sans microphytobenthos (MPB).3.2 capacité du modèle à recréer un jeu de données in-situ.
4. Discussion.4.1 Déconvolution des processus observés in-situ grâce au modèle.
4.1.1 Exemple de l’oxygène.
4.1.2 Implication pour l’estimation de la production primaire à partir des flux d’oxygène.
4.2 Impact du microphytobentos sur le cycle de l’azote.4.2.1 Variation nycthémérales.
4.2.2 Echanges avec le colonne d’eau.
5. Conclusions et prospectives.
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Conclusions:
- Reproduit qualitativement et quantitative le jeu de données de Florida bay.
- Processus et variables non mesurés à Florida bay=> qualitativement en accord avec la litterature.
- Imprécisions pour certains paramètres.
- De nombreux processus ne sont pas pris en compte.
Perspectives:
- Article en cours de rédaction.
- Mesures en Nouvelle-Calédonie.
- Continuer à développer le modèle.
- Couplage avec le modèle Eco3M – Lagon.