Utilisation du concept de connectivité en hydrologie : définitions, approches expérimentales et éléments de modélisation

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques.

Étude de l’impact de la température et de l’humidité sur la survie et la dynamique de la ponte de la mouche du chou (Delia radicum L.)

Réalisé en cotutellle avec Gaétan Bourgeois et avec la participation de Guy Boivin, d'Agriculture et Agroalimentaire Canada, du Centre de Recherche et Développement en Horticulture à Saint-Jean-sur-Richelieu, QC J3B 3E6, Canada

Contribution des légumineuses, des champignons endophytes et mycorhiziens dans la nutrition azotée des prairies indigènes semi-arides

Les prairies indigènes présentent une source importante d'alimentation pour le pâturage du bétail dans les prairies Canadiennes semi-arides. L'addition de légumineuses fixatrices d'azote et de phosphore dans les prairies indigènes peut améliorer la productivité et la valeur nutritive de fourrage. Ces pratiques peuvent induire des modifications de la structure et de la diversité des communautés fongiques du sol, ce qui peut en retour avoir un impact sur la production et le contenu nutritionnel du fourrage. L’objectif de cette étude était de développer un système de pâturage à bas niveau d’intrants, productif, autonome et durable. À court terme, nous voulions 1) déterminer l'effet des légumineuses (Medicago sativa, une légumineuse cultivée ou Dalea purpurea, une légumineuse indigène) et la fertilité en phosphore du sol sur la productivité et la valeur nutritive des graminées indigènes, comparées avec celles de la graminée introduite Bromus biebersteinii en mélange avec le M. sativa, 2) identifier l'effet de ces pratiques sur la diversité et la structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) et des champignons totaux, 3) identifier l'effet des légumineuses et des CMA sur les interactions compétitives entre les graminées de saison fraîche et les graminées de saison chaude. Les expériences menées au champ ont montré que M. sativa améliorait les teneurs en azote et en phosphore des graminées indigènes au début de l'été, ainsi que la teneur en azote de la graminée de saison chaude Bouteloua gracilis à la fin de l'été de l'année sèche 2009. Par contre, la fertilité en phosphore du sol n'ait pas affecté la productivité des plantes. D'autre part, l'inclusion des légumineuses augmentait la diversité des CMA dans le mélange de graminées indigènes. Cette modification présentait des corrélations positives avec la productivité et la quantité totale d'azote chez le M. sativa et avec la teneur en phosphore des graminées indigènes, au début de l'été. La structure des communautés de champignons totaux était influencée par l'interaction entre le mélange des espèces et la fertilité en phosphore du sol seulement en 2008 (année humide). Cet effet pourrait être lié en partie avec la productivité des plantes et l'humidité du sol. Les expériences menées en chambre de culture ont montré que les CMA peuvent favoriser la productivité des graminées de saison chaude au détriment des graminées de saison fraîche. En effet, Glomus cubense augmentait la productivité de la graminée de saison chaude B. gracilis, en présence de M. sativa. Cet effet pourrait être associé à l’effet négatif du G. cubense sur la fixation de l’azote par le M. sativa et à la diminution de l’efficacité d’utilisation de l'azote de certaines graminées de saison fraîche résultant en une augmentation de la disponibilité de l'azote pour B. gracilis. Par contre, le Glomus sp. augmentait la biomasse de Schizachyrium scoparium, autre graminée de saison chaude, en absence de légumineuse. Ce phénomène pourrait être attribuable à une amélioration de l’efficacité d’utilisation du P de cette graminée. En conclusion, mes travaux de recherche ont montré que la légumineuse cultivée M. sativa peut améliorer la valeur nutritive des graminées indigènes au début de l'été ainsi que celle de la graminée de saison chaude B. gracilis, dans des conditions de sécheresse sévère de la fin de l'été. De plus, l'addition de M. sativa dans le mélange de graminées indigènes peut contribuer à augmenter le nombre des espèces bénéfiques des CMA pour la production et la nutrition du fourrage au début de l'été.

Facteurs influençant le succès de la restauration des populations de carex faux-lupulina

Ce mémoire visait à déterminer les pratiques et les facteurs favorables au succès des réintroductions du carex faux-lupulina (Carex lupuliformis), une espèce vivace menacée poussant dans divers types de milieux humides ouverts du nord-est de l’Amérique du Nord. Pour répondre à cet objectif, des expériences de germination en serres ont été réalisées, et la survie, la vigueur et le microhabitat de chaque plant de carex faux-lupulina connu au Québec (sauvage ou réintroduit) ont été mesurés. Nos résultats montrent que le carex faux-lupulina est une espèce facile à propager ex situ. Une stratification froide (4°C) des semences dans du sable humide pendant un mois induit des taux de germination élevés. Nos résultats montrent également que des pucerons exotiques, ainsi qu’une transplantation dans des habitats inadaptés aux besoins de l’espèce en termes d’humidité du sol et de lumière disponible, ont causé la mort prématurée d’un grand nombre de transplants. Notre programme de réintroduction a permis d’établir une nouvelle population de l’espèce au Québec, et a potentiellement permis de sextupler la taille des populations de la province. Globalement, cette étude a permis de mieux comprendre l’écologie du carex faux-lupulina, et ainsi de faciliter la restauration de ses populations.

Développement d'un indice de vulnérabilité à l'érosion éolienne à partir d'images satellitales, dans le Bassin arachidier du Sénégal : cas de la région de Thiès.

L’érosion éolienne est un problème environnemental parmi les plus sévères dans les régions arides, semi-arides et les régions sèches sub-humides de la planète. L’érosion des sols accélérée par le vent provoque des dommages à la fois localement et régionalement. Sur le plan local, elle cause la baisse des nutriments par la mobilisation des particules les plus fines et de la matière organique. Cette mobilisation est une des causes de perte de fertilité des sols avec comme conséquence, une chute de la productivité agricole et une réduction de la profondeur de la partie arable. Sur le plan régional, les tempêtes de poussières soulevées par le vent ont un impact non négligeable sur la santé des populations, et la déposition des particules affecte les équipements hydrauliques tels que les canaux à ciel ouvert ainsi que les infrastructures notamment de transport. Dans les régions où les sols sont fréquemment soumis à l’érosion éolienne, les besoins pour des études qui visent à caractériser spatialement les sols selon leur degré de vulnérabilité sont grands. On n’a qu’à penser aux autorités administratives qui doivent décider des mesures à prendre pour préserver et conserver les potentialités agropédologiques des sols, souvent avec des ressources financières modestes mises à leur disposition. Or, dans certaines de ces régions, comme notre territoire d’étude, la région de Thiès au Sénégal, ces études font défaut. En effet, les quelques études effectuées dans cette région ou dans des contextes géographiques similaires ont un caractère plutôt local et les approches suivies (modèles de pertes des sols) nécessitent un nombre substantiel de données pour saisir la variabilité spatiale de la dynamique des facteurs qui interviennent dans le processus de l’érosion éolienne. La disponibilité de ces données est particulièrement problématique dans les pays en voie de développement, à cause de la pauvreté en infrastructures et des problèmes de ressources pour le monitoring continu des variables environnementales. L’approche mise de l’avant dans cette recherche vise à combler cette lacune en recourant principalement à l’imagerie satellitale, et plus particulièrement celle provenant des satellites Landsat-5 et Landsat-7. Les images Landsat couvrent la presque totalité de la zone optique du spectre exploitable par télédétection (visible, proche infrarouge, infrarouge moyen et thermique) à des résolutions relativement fines (quelques dizaines de mètres). Elles permettant ainsi d’étudier la distribution spatiale des niveaux de vulnérabilité des sols avec un niveau de détails beaucoup plus fin que celui obtenu avec des images souvent utilisées dans des études environnementales telles que AVHRR de la série de satellites NOAA (résolution kilométrique). De plus, l’archive complet des images Landsat-5 et Landsat-7 couvrant une période de plus de 20 ans est aujourd’hui facilement accessible. Parmi les paramètres utilisés dans les modèles d’érosion éolienne, nous avons identifiés ceux qui sont estimables par l’imagerie satellitale soit directement (exemple, fraction du couvert végétal) soit indirectement (exemple, caractérisation des sols par leur niveau d’érodabilité). En exploitant aussi le peu de données disponibles dans la région (données climatiques, carte morphopédologique) nous avons élaboré une base de données décrivant l’état des lieux dans la période de 1988 à 2002 et ce, selon les deux saisons caractéristiques de la région : la saison des pluies et la saison sèche. Ces données par date d’acquisition des images Landsat utilisées ont été considérées comme des intrants (critères) dans un modèle empirique que nous avons élaboré en modulant l’impact de chacun des critères (poids et scores). À l’aide de ce modèle, nous avons créé des cartes montrant les degrés de vulnérabilité dans la région à l’étude, et ce par date d’acquisition des images Landsat. Suite à une série de tests pour valider la cohérence interne du modèle, nous avons analysé nos cartes afin de conclure sur la dynamique du processus pendant la période d’étude. Nos principales conclusions sont les suivantes : 1) le modèle élaboré montre une bonne cohérence interne et est sensible aux variations spatiotemporelles des facteurs pris en considération 2); tel qu’attendu, parmi les facteurs utilisés pour expliquer la vulnérabilité des sols, la végétation vivante et l’érodabilité sont les plus importants ; 3) ces deux facteurs présentent une variation importante intra et inter-saisonnière de sorte qu’il est difficile de dégager des tendances à long terme bien que certaines parties du territoire (Nord et Est) aient des indices de vulnérabilité forts, peu importe la saison ; 4) l’analyse diachronique des cartes des indices de vulnérabilité confirme le caractère saisonnier des niveaux de vulnérabilité dans la mesure où les superficies occupées par les faibles niveaux de vulnérabilité augmentent en saison des pluies, donc lorsque l’humidité surfacique et la végétation active notamment sont importantes, et décroissent en saison sèche ; 5) la susceptibilité, c’est-à-dire l’impact du vent sur la vulnérabilité est d’autant plus forte que la vitesse du vent est élevée et que la vulnérabilité est forte. Sur les zones où la vulnérabilité est faible, les vitesses de vent élevées ont moins d’impact. Dans notre étude, nous avons aussi inclus une analyse comparative entre les facteurs extraits des images Landsat et celles des images hyperspectrales du satellite expérimental HYPERION. Bien que la résolution spatiale de ces images soit similaire à celle de Landsat, les résultats obtenus à partir des images HYPERION révèlent un niveau de détail supérieur grâce à la résolution spectrale de ce capteur permettant de mieux choisir les bandes spectrales qui réagissent le plus avec le facteur étudié. Cette étude comparative démontre que dans un futur rapproché, l’amélioration de l’accessibilité à ce type d’images permettra de raffiner davantage le calcul de l’indice de vulnérabilité par notre modèle. En attendant cette possibilité, on peut de contenter de l’imagerie Landsat qui offre un support d’informations permettant tout de même d’évaluer le niveau de fragilisation des sols par l’action du vent et par la dynamique des caractéristiques des facteurs telles que la couverture végétale aussi bien vivante que sénescente.