PRojetEr la Dynamique Hydrologique et du Carbone dans le Karst et les Tourbières du Jura au XXIème siècle (PREDHYCKT Jura XXI)

Les systèmes karstiques et les tourbières sont des compartiments importants de la Zone Critique qui contribuent à la régulation du cycle de l'eau et des flux de carbone. Ils ont potentiellement aussi la capacité d'immobiliser du CO₂ atmosphérique, dans le cas du karst par la dissolution de calcaire et dans le cas des tourbières par le stockage de carbone organique sous forme de tourbe. Cependant, les mécanismes chimiques, biologiques, hydrologiques sous-jacents sont complexes, car soumis à divers processus de rétroaction ainsi qu'à des variations cycliques à l'échelle journalière et saisonnière, ce qui rend leur quantification délicate. De plus, le changement climatique modifie aujourd'hui le fonctionnement de ces systèmes en perturbant leur équilibre hydrique et leur dynamique écologique.

Dans ce contexte, le massif du Jura, compte tenu de sa géomorphologie karstique et sa forte densité de tourbières, constitue une zone stratégique du point de vue des flux de carbone des hydrosystèmes, mais également une zone de forte sensibilité hydroclimatique avec des événements de sècheresses ou d’inondations amplifiés par le fonctionnement non-linéaire des karsts et des zones humides. Ce contexte implique l’augmentation des risques et de situations de conflits d’usage de la ressource depuis quelques années, et pose aussi la question de la réponse de ces systèmes en tant que stock de carbone potentiellement réémis vers l’atmosphère.

Dans ce cadre, ce projet vise à atteindre les objectifs spécifiques suivants : 1) quantifier les flux d’eau et de carbone organique et inorganique dissous, particulaire et gazeux à plusieurs échelles temporelles (sub-horaire, quotidienne, saisonnière et annuelle) dans le karst jurassien et dans les tourbières, en prenant en compte les processus de spéciation et en évaluant l'influence des facteurs hydro-météorologiques et écologiques sur ces flux (ex. : saisons, dynamique de la nappe, événements extrêmes, humidité du sol, etc.) ; 2) caractériser l'origine et les proportions de carbone mobilisés par les transferts d’eau (carbone organique superficiel contre profond / carbone inorganique biogénique contre terrigène) ; 3) extrapoler les flux d’eau et de carbone pour les décennies futures, en se basant sur des données historiques et des projections climatiques régionalisées jusqu'en 2100.

Pour atteindre ces objectifs, la stratégie scientifique consistera à :

• (1) alimenter une base de données pour produire des modèles pluie-débit permettant de formaliser la réactivité hydrologique de chaque émergence ou niveau aquifère surveillé dans le Jura depuis au moins 5 années. Pour cela, des modèles hydrologiques seront calibrés et validés. L’utilisation des codes en licence gratuite (modèle airGR de l’INRAE) et/ou Karstmod seront testés.
• (2) En parallèle, une évaluation de la dynamique des flux de carbone entre tourbière et l’atmosphère (C gazeux) et entre la tourbière/karst et l’hydrosystème en aval (C hydrologique) sera réalisée en s’appuyant sur les données existantes des observatoires du SNO Tourbières et du SNO Karst dans le massif. Les facteurs environnementaux contraignants ces dynamiques (ex. indices de sol, de végétation, conditions hydrométéorologiques) seront évalués statistiquement et formalisés via une approche de machine learning pour créer des modèles de prévision (ex. : modèles linéaires multiples, arbres de décision, forêts aléatoires ou réseaux de neurones, collaboration avec le laboratoire Hydrosciences Montpellier). Cette approche quantitative sera complétée avec une approche qualitative basée sur le suivi pendant 1 année hydrologique des signatures isotopiques de l’eau (¹⁸O, ²H) pour l’origine et dynamique de l’eau et du C (¹³C du DOC et du DIC).
• (3) Sur la base des données et modèles précédents, des simulations futures hydrologiques et de flux de C et seront réalisés pour l’ensemble des sites documentés dans le Jura. Ces simulations seront basées sur les simulations climatiques du programme Climate Model Intercomparison Project (CMIP) qui alimentent les rapports du GIEC et ce, pour au moins 2 trajectoires socio-économiques (ssp245 et ssp585). Cela impliquera une phase de downscaling pour ajuster la représentativité des simulations de modèles globaux aux conditions locales. Pour les sites pilotes du SNO Karst et Tourbières, ces simulations seront combinées à la modélisation des flux de C hydrologique et de C gazeux, rendant possible une extrapolation des flux aux systèmes similaires dans le Jura. L'ensemble des données générées sera rendu disponible sans restriction via une application web de type Earth Visualization Engine accessible sur le site de la Zone Atelier de l’Arc Jurassien ou de l’Observatoire du Changement climatique du Jura actuellement en construction.

Pour pouvoir mettre en œuvre ces approches, les données, qui sont pour la plupart déjà disponibles car produites par des services d’observation nationaux et internationaux, seront compilées le long d’un continuum d’échelles spatio-temporelles :

• Aux échelles du massif jurassien / des bassins versants, une analyse sera réalisée sur les données existants sur les flux d’eau (P, ET, contenu en eau du sol, débit) et du carbone (production primaire brute et nette) sera réalisée. Pour cela, des produits satellitaires de météorologie/réanalyse (ex. : ERA-5, CHIRPS, MERRA-2) d'occupation du sol, de flux de C et de stockage de l’eau sans le sol (ex. : MODIS / LandSat, GRACE, SMAP) seront utilisés combinés aux bases de données de suivi de terrain à long terme (ex : Météo France, Météo Suisse, HydroPortail, ADES, etc…). Le projet proposera aux acteurs régionaux (municipalités, syndicat des eaux, PNR, CEN, entreprises, etc…), disposant de données hydrologiques (débits, hauteurs d’eau dans les aquifères, les lacs, les tourbières) de les fournir pour alimenter la base de données en vue de produire des simulations hydrologiques et hydrogéologiques futures.
• Aux échelles des bassins versants / hydroécosystèmes, afin de caractériser les processus hydrodynamique et biogéochimiques liant entre les dynamiques de l’eau et du carbone. Pour ceci nous utiliserons les données des suivis à long terme (débits et du carbone inorganique / organique) du SNO Karst sur 4 sources suivant un gradient altitudinal entre Baume-les-Dames (source de Fourbanne à 270 m) et Mouthe (source du Doubs à 950 m) et du SNO Tourbières (tourbière de Frasne). Parallèlement à ces suivis, ces deux sites seront également caractérisés d'un point de vue isotopique sur 2 années hydrologiques, afin de caractériser l'origine de l'eau (¹⁸O, ²H). Ces données seront combinées avec la caractérisation de la végétation et des mesures ponctuelles de flux de GES carbonés au sol. Pour cette dernière, les échanges de C entre la surface et l'atmosphère seront évalués en continu via la tour à flux du SNO Tourbières. Dans le cadre de la thèse, ces approches seront complétées en implémentant une approche de télédétection suborbitale (drones à caméra visible et multispectrale de l'Open-Lab DREAM financé par le programme RITM-BFC) pour caractériser à haute résolution spatiale la morphologie de la surface, les indices de sol et de végétation sur deux systèmes représentatifs de karst et de tourbière. En outre, pour comprendre les mécanismes de mobilisation du carbone dans les deux types de systèmes, un suivi isotopique du carbone organique et inorganique (¹³C du CID et du COD) sera organisé à une résolution mensuelle, mais avec une résolution plus élevée pour des événements spécifiques comme d’importantes fontes de neige ou des événements extrêmes (ex. : orages).
• Selon l’avancement du projet, le/la candidate pourra aussi contribuer à la mise en place d’une station de mesure à l’exutoire d’une tourbière de montagne en contexte tropical au Brésil pour mettre en œuvre des approches similaires (Etat de Rio, projet France-Brésil-Argentine PER TURBERA) et participera ainsi à l’internationalisation de nos programmes de recherche.

Université Marie et Louis Pasteur à BESANCON

Laboratoire CHRONO-ENVIRONNEMENT

- connaissances et compétences requises

Hydrologie/Hydrogéologie/Géochimie

Outils de cartographie (QGIS)

Programmation (R/ Python/ javascript)

Anglais