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Fate and effect of pollutants in rivers: from analysis to modeling

Kinetic EDTA and citrate extractions were used to mimic metal mobilization in a soil contaminated by metallurgical fallout. Modeling of metal removal rates vs. time distinguished two metal pools: readily labile (QM1) and less labile (QM2). In citrate extractions, total extractability (QM1 + QM2) of Zn and Cd was proportionally higher than for Pb and Cu. Proportions of Pb and Cu extracted with EDTA were three times higher than when using citrate. We observed similar QM1/QM2 ratios for Zn and Cu regardless of the extractant, suggesting comparable binding energies to soil constituents. However, for Pb and Cd, more heterogeneous binding energies were hypothesized to explain different kinetic extraction behaviors. Proportions of citrate-labile metals were found consistent with their short-term, in-situ mobility assessed in the studied soil, i.e., metal amount released in the soil solution or extracted by cultivated plants. Kinetic EDTA extractions were hypothesized to be more predictive for long-term metal migration with depth.

Les eaux superficielles et souterraines doivent recouvrer une bonne qualité chimique et biologique avant 2015, d'après la Directive Cadre Européenne. Les Bonnes Pratiques Agricoles (BPA) établissent un compromis entre les risques de pollution et de perte de revenu. Le résultat minimal escompté est de respecter la norme de potabilité de 50 mgNO3.L-1 dans les eaux de captage et d'éviter les transferts de pollution de l'hydrosphère vers l'atmosphère. Cependant leur mise en oeuvre ne garantit pas d'atteindre ces objectifs ; cela nécessite des moyens de quantifier l'impact des pratiques agricoles effectives sur la pollution nitrique. Nous avons testé différentes méthodes de quantification, en nous appuyant sur les données issues d'une expérimentation partenariale de prévention de la pollution, menée sur le site de Bruyères (02). La question finalisée est "quel est l'impact des BPA, appliquées de façon systématique, à l'échelle d'un bassin"? La question de recherche est "peut-on modéliser la pollution nitrique, en situation agricole, à l'échelle du bassin hydrologique"? Le site d'étude est un plateau de 187 ha qui alimente une nappe d'eau souterraine, sise dans le Lutétien. Cette nappe alimente 5 sources principales qui connaissent une pollution croissante depuis 1970. Les 21 parcelles cultivées du plateau ont fait l'objet d'une mise en oeuvre systématique des BPA, par les 3 agriculteurs, depuis 1990. Les pratiques agricoles et l'hydrogéologie du site ont été caractérisées. Les débits des sources répondent aux pluies efficaces dans un délai d'une semaine. Le temps moyen de séjour de la molécule de Tritium dans l'aquifère est de 25 ans, à cause de l'épaisseur de la zone non saturée. Compte tenu de ce délai, un niveau intermédiaire d'évaluation est nécessaire : les pertes sous la zone racinaire. Les méthodes de quantification diffèrent selon leur degré de dépendance aux données expérimentales : i) le modèle de calcul LIXIM, associé avec toutes les données observées; ii) un modèle stochastique de réponse des cultures à la dose d'azote, initialisé annuellement; iii) le modèle fonctionnel dynamique STICS, qui peut simuler les pertes du système sol- plante- atmosphère de façon continue pendant plusieurs années. Les prédictions des variables d'intérêt économique et environnemental sont confrontées, aux données observées, aux échelles de la station et du bassin. Les impacts environnementaux et économiques, de différents scénarios de prévention de la pollution, sont simulés. Les reliquats d'azote minéral à la récolte et en entrée d'hiver sont proches et stables dans le temps avec respectivement 41 et 57 kgN.ha-1. L'intégration des flux calculés avec LIXIM, à l'échelle de la rotation culturale, conduit à lisser le facteur culture et à faire du type de sol le principal déterminant de la concentration. La teneur en nitrate moyenne pondérée, de l'eau de percolation, est de 46 mgNO3.L-1 pour la zone cultivée et de 37 mgNO3.L-1 pour l'ensemble du bassin. Ce bon résultat est confirmé qualitativement par la baisse constatée des teneurs de plusieurs captages depuis l'an 2000. Le temps de réponse de l'aquifère serait égal à la moitié de son temps de renouvellement. L'abattement de la teneur en nitrate de l'eau de percolation permis par les BPA, relativement à un scénario conventionnel, est compris entre 27 et 39 %, suivant la méthode de simulation. Le coût des BPA est de 0.07 | Surface and groundwaters must regain good chemical and biological quality before 2015 according to European Directives. Good Agricultural Practices (GAPs) establish a compromise between the risks of pollution and the loss of revenue. The minimum result expected is conformity with the drinking water standard of 50 mgNO3.L-1 in the collected water and the avoidance of transfer of pollution from the hydrosphere into the atmosphere. However their implementation does not guarantee that these objectives will be reached ; that requires a means of quantifying the impact of effective agricultural practices on nitrate pollution. We have tested different methods of quantification by using data from a collaborative experiment on pollution prevention, carried out on the site of Bruyères (02). The question targeted was « what is the impact of GAP, applied regularly, on the scale of a catchment area ? » The research question was « can nitrate pollution be modelled, in a farming situation, on the scale of a catchment area ? » The study site is a plateau of 187 ha which supplies a groundwater aquifer located in the Lutetian geological layer. This aquifer feeds five main springs which have suffered increasing pollution since 1970. The 21 cultivated fields on the plateau were subjected to regular implementation of GAPs by the three farmers since 1990. The farming practices and the hydrogeology of the site were characterised. The flow rates of the springs respond to effective rainfall after a delay of a week. The mean residence time of the tritium molecule in the aquifer is 25 years, because of the thickness of the unsaturated zone. In view of this delay, an intermediate level of evaluation is necessary : the losses under the root zone. The methods of quantification differ according to their degree of dependence on the experimental data : i) the LIXIM mathematical model, associated with all the observed data ; ii) a stochastic model of crop response to the nitrogen rate, initialised each year, iii) the functional dynamic model STICS, which can simulate the losses of the soil/plant/atmosphere system continuously over several years. The predictions of the variables of economic and environmental interest are compared with the observed data on the scale of the station and of the basin. The environmental and economic impacts for different scenarios of pollution prevention are simulated. The mineral nitrogen residues at harvest and at the beginning of winter are similar and stable over time at 41 et 57 kgN.ha-1 respectively. The averaging of the losses, calculated with LIXIM, over the crop rotation, smooths out the crop factor and makes the soil type the principal determinant of the concentration. The mean weighted nitrate concentration in the percolating water is 46 mgNO3.L-1 for the cultivated zone and 37 mgNO3.L-1 for the whole basin. This good result is confirmed qualitatively by the fall observed in the contents at several collection points since the year 2000. The response time of the aquifer would be equal to half of its renewal time. The reduction in the nitrate content of the percolation water permitted by GAPs, compared with a conventional scenario, is between 27 and 39%, depending on the simulation method. The cost of the GAPs is 0.07 €.m-3 of drinked water, making prevention competitive with water treatment at the Bruyères site. Dynamic modelling with STICS appears to be effective in the agricultural situation, but its reliability depends on the availability and relevance of the databases used to calibrate it. It can take account of a large number of technical inputs and their long-term interactions. Coupling STICS with a geographical information system (GIS) enables the spatial variability of the physical and cultural features of the environment to be integrated. However it is not possible to guarantee the reliability of the predictions for both any time and any place. Access to the precise value of parameters like the crop’s maximum rooting depth or the stock of organic nitrogen is simply not feasible. According to the STICS model, the nitrogen losses simulated in gaseous form are equal to those in solution. This result needs to be verified. Bearing in mind these limitations, modelling based on experimentation can become a management tool for nitrogen in cropping systems on a regional scale. The problem of limiting nitrate leaching is shifted towards the conception of sustainable cropping systems.

Dans les bassins versants méditerranéens où les zones cultivées en vigne occupent une part importante de l'espace, les pratiques culturales sont un facteur important d'apparition de risques de pollution diffuse des eaux par les pesticides. Au cours de la thèse, une démarche de modélisation couplée pression-impact a été développée. La question de recherche a porté sur la prise en compte dans le modèle construit de la dynamique des variables d'état du milieu modifiées par les actions culturales. Deux variables ont été identifiées : l'infiltrabilité de la surface du sol et la concentration en matières actives au sol. A l'échelle du bassin versant, pour réaliser l'évaluation des impacts, on s'est appuyé sur l'utilisation du modèle hydrologique distribué MHYDAS qui permet de simuler les flux d'eau et de polluants selon différents scenarii de pratiques et climatiques. Pour représenter la répartition spatio-temporelle des opérations culturales sur chacune des parcelles du bassin versant, le modèle décisionnel DHIVINE a été construit. Il permet de simuler les itinéraires techniques des viticulteurs. Pour chaque exploitation du bassin versant, le modèle est basé sur une représentation de la conduite technique annuelle du vignoble sous forme de plans d'activités. Ces plans mettent en oeuvre des indicateurs d'états de l'agrosystème et prennent en compte les caractéristiques des ressources productives de l'exploitation ainsi que les arbitrages à réaliser entre opérations culturales et parcelles concurrentes. Des modèles biophysiques ont été développés pour simuler les indicateurs de la décision ainsi que l'impact des différentes pratiques sur les états de surface du sol qui conditionnent l'infiltrabilité du sol en surface. Une typologie fonctionnelle des états de surface basée sur leurs propriétés d'infiltrabilité du sol a été utilisée pour développer une démarche visant une modélisation continue dans le temps de l'infiltration. Elle intègre une modélisation parallèle de la dynamique des états de surface du sol nu et du développement de la couverture herbacée par les adventices. Un couplage des modèles a été réalisé sous la plate-forme OpenFLUID. La démarche adoptée ici permet de représenter les dynamiques différentes des variables d'état du milieu en fonction de différentes pratiques culturales et semble adaptée pour l'évaluation des impacts en terme de pollution de l'eau par les pesticides à l'échelle de bassins versants viticoles méditerranéens. | In Mediterranean catchments in which vineyards account for a major share of the area, cropping practices are an important factor with respect to increasing risks of diffuse pesticide pollution of water. This study was about developping an approach for pressure-impact modelling. The research question considered dynamics of agrosystem status variables modified by cropping actions. Two variables were identified : soil surface infiltrability and active material concentration on the soil. On a catchment scale, to assess impacts, we used the distributed hydrological model MHYDAS to simulate water and pollutant flows according to different cropping practice and climatic scenarios. To represent the spatiotemporal distribution of cropping operations on each plot, the decision model DHIVINE was built. It simulates vinegrowers's crop management sequences. For each farm in the catchment, the model is based on a representation of the vineyard annual technical management strategy in the form of activity plans. These plans involve agrosystem status indicators and take into account the characteristics of productive resources on the farm and arbitration between cultivation operations and competing plots. Biophysical models were developped to simulate decision indicators and impacts of cropping practices on soil surface characteristics which are drivers of soil surface infiltrability. A functional typology of soil surface states based on their soil infiltrabilty properties was used to develop an approach for temporally continuous modelling of infiltration. It was based on a parallel modelling of dynamics (i) of soil surface characteristics of bare soil and (ii) of weed cover development. Model coupling was realized with OpenFLUID platform. The approach developped herein allows simulating dynamics of agrosystem status variables as a function of cropping practices. It seems adapted for assessing hydrological impacts at the catchment scale in Mediterranean environments.

The growing importance of environmental matters in social responsibility of firms has generated manyframeworks of analysis in the economic literature. Among those frameworks, performance evaluationand benchmarking using the non-parametric Data Envelopment Analysis (DEA) have increased at avery fast rate. This PhD research focuses on models that include undesirable outputs such as pollutionin the overall production system, to appraise eco-efficiency of decision making units (DMUs). Besides,the recent awareness on the large contribution of agriculture and particularly livestock farming toglobal warming, has highlighted for this sector the challenge of reaching both economic andenvironmental performances. In this line, the overall objective of this dissertation is to provide atheoretical and empirical background in modelling pollution-generating technologies and to suggesttheoretical improvements that are consistent with the particular case of greenhouse gas emissions inextensive livestock systems. Firstly, we showed that all existing approaches that deal with undesirableoutputs in the non-parametric analysis (i.e. DEA) have some strong drawbacks. However, the modelsgrounded on the estimation of multiple independent sub-technologies offer interesting opportunities.Secondly, I developed a new framework that extends the by-production approach through theintroduction of some explicit dependence constraints that link the sub-technologies in order to build aunified system. Thirdly, an empirical comparison, using a sample of French sheep meat farms, of thisby-production modelling extension with the existing approaches, revealed some inconsistencies ofthese latter. Finally, we expanded this new by-production formulation to account for dynamic aspectsrelated to the presence of adjustment costs. The application to the case of French suckler cow farmsunderlined the necessity of accounting for dynamic aspects and also showed high heterogeneity ininvestment strategies of these farmers. | La prise en compte des problèmes environnementaux dans la responsabilité sociale des entreprises a généré en économie de nombreuses propositions. Parmi elles, le cadre d’analyse basé sur l’évaluation de la performance en utilisant notamment les techniques d’enveloppement des données (DEA) s’est très vite répandu dans la littérature théorique comme empirique. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette logique en mettant l’accent sur la modélisation des technologies polluantes. Par ailleurs, la question des changements climatiques et de la forte contribution de l’agriculture et en particulier de l’élevage dans les émissions de gaz à effet de serre (GES) impose à ce secteur de relever aujourd’hui en plus du défi économique celui de l’amélioration de sa performance environnementale. L’objectif général de cette recherche doctorale est donc de fournir un nouveau cadre d’analyse théorique et empirique dans la modélisation des technologies polluantes afin d’évaluer l’éco-efficience des systèmes productifs, en particulier le cas des émissions de GES en élevage extensif de ruminants. Dans un premier temps, nous montrons les limites théoriques et méthodologiques des modèles existants. Néanmoins, nous insistons sur le fait que les approches basées sur l’estimation de plusieurs sous-technologies indépendantes pour prendre en compte les différents processus présents dans les systèmes productifs sont très prometteuses. Dès lors dans un deuxième temps, nous proposons une nouvelle extension de la méthode « by-production » qui repose sur l’introduction d’interconnections entre les différentes sous-technologies impliquées afin de construire un système plus unifié. Dans un troisième temps, une comparaison empirique utilisant des données d’exploitations de viande ovine de notre extension avec les approches existantes a révélé certaines incohérences de ces dernières. Enfin pour aller plus loin, nous élargissons dans un quatrième temps notre approche afin de prendre en compte les aspects dynamiques et notamment la présence de coûts d’ajustement. Les résultats de l’analyse empirique entreprise avec des données d’exploitations bovines allaitantes (viande) ont révélé la nécessité de prendre en compte ces aspects,mais ont aussi révélé la forte hétérogénéité existante dans les stratégies d’investissements deséleveurs.

The growing importance of environmental matters in social responsibility of firms has generated manyframeworks of analysis in the economic literature. Among those frameworks, performance evaluationand benchmarking using the non-parametric Data Envelopment Analysis (DEA) have increased at avery fast rate. This PhD research focuses on models that include undesirable outputs such as pollutionin the overall production system, to appraise eco-efficiency of decision making units (DMUs). Besides,the recent awareness on the large contribution of agriculture and particularly livestock farming toglobal warming, has highlighted for this sector the challenge of reaching both economic andenvironmental performances. In this line, the overall objective of this dissertation is to provide atheoretical and empirical background in modelling pollution-generating technologies and to suggesttheoretical improvements that are consistent with the particular case of greenhouse gas emissions inextensive livestock systems. Firstly, we showed that all existing approaches that deal with undesirableoutputs in the non-parametric analysis (i.e. DEA) have some strong drawbacks. However, the modelsgrounded on the estimation of multiple independent sub-technologies offer interesting opportunities.Secondly, I developed a new framework that extends the by-production approach through theintroduction of some explicit dependence constraints that link the sub-technologies in order to build aunified system. Thirdly, an empirical comparison, using a sample of French sheep meat farms, of thisby-production modelling extension with the existing approaches, revealed some inconsistencies ofthese latter. Finally, we expanded this new by-production formulation to account for dynamic aspectsrelated to the presence of adjustment costs. The application to the case of French suckler cow farmsunderlined the necessity of accounting for dynamic aspects and also showed high heterogeneity ininvestment strategies of these farmers. | La prise en compte des problèmes environnementaux dans la responsabilité sociale des entreprises a généré en économie de nombreuses propositions. Parmi elles, le cadre d’analyse basé sur l’évaluation de la performance en utilisant notamment les techniques d’enveloppement des données (DEA) s’est très vite répandu dans la littérature théorique comme empirique. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette logique en mettant l’accent sur la modélisation des technologies polluantes. Par ailleurs, la question des changements climatiques et de la forte contribution de l’agriculture et en particulier de l’élevage dans les émissions de gaz à effet de serre (GES) impose à ce secteur de relever aujourd’hui en plus du défi économique celui de l’amélioration de sa performance environnementale. L’objectif général de cette recherche doctorale est donc de fournir un nouveau cadre d’analyse théorique et empirique dans la modélisation des technologies polluantes afin d’évaluer l’éco-efficience des systèmes productifs, en particulier le cas des émissions de GES en élevage extensif de ruminants. Dans un premier temps, nous montrons les limites théoriques et méthodologiques des modèles existants. Néanmoins, nous insistons sur le fait que les approches basées sur l’estimation de plusieurs sous-technologies indépendantes pour prendre en compte les différents processus présents dans les systèmes productifs sont très prometteuses. Dès lors dans un deuxième temps, nous proposons une nouvelle extension de la méthode « by-production » qui repose sur l’introduction d’interconnections entre les différentes sous-technologies impliquées afin de construire un système plus unifié. Dans un troisième temps, une comparaison empirique utilisant des données d’exploitations de viande ovine de notre extension avec les approches existantes a révélé certaines incohérences de ces dernières. Enfin pour aller plus loin, nous élargissons dans un quatrième temps notre approche afin de prendre en compte les aspects dynamiques et notamment la présence de coûts d’ajustement. Les résultats de l’analyse empirique entreprise avec des données d’exploitations bovines allaitantes (viande) ont révélé la nécessité de prendre en compte ces aspects,mais ont aussi révélé la forte hétérogénéité existante dans les stratégies d’investissements deséleveurs.