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  • Comment mettre en évidence la présence de l'azote ?

    Le gaz dégagé fait virer la papier tournesol du rose au bleu. Ce test caractérise le gaz ammoniac NH3 ; or la solution de soude ne contient pas l'élément azote ; l'urée contient donc l'élément azote.

  • Comment se crée l'azote ?

    Elle se produit quand certains types de bactéries absorbent du nitrate et le transforment en azote gazeux, qui est libéré dans l'air. Contrairement à la nitrification, la dénitrification est un processus anaérobie. Cela signifie que ce processus n'a pas besoin d'oxygène pour avoir lieu.
  • Le cycle de l'azote, ou cycle azoté, consiste en une succession de processus naturels qui transforment l'azote N en substances organiques, c'est-à-dire en ammoniac, ammoniaque, nitrite et nitrate, puis finalement en azote gazeux N2. Le N de vient du mot Nitrogène, le nom scientifique de l'azote.
MEMOIRE DE MAITRISE EVALUATION DE LAPPLICABILITÉ DUN

MEMOIRE DE MAITRISE

INRS-EAU

EVALUATION DE L'APPLICABILITÉ D'UN MODELE

MATHÉMATIQUE SIMULANT LE DEVENIR DES NITRATES DANS

LES EAUX SOUTERRAINES AGRICOLES

par

Luc Trépanier

Directeur: Jean-Pierre Villeneuve

Codirecteur:

Olivier Banton

UNIVERSITE DU QUEBEC

2800, rue Einstein

Suite 105

Québec (Québec)

G1X4N8

MARS 1992

RÉSUMÉ

L'application irrationnelle d'engrais chimiques azotés en agriculture représente un danger potentiel pour l'environnement. Ils contribuent à l'augmentation des concentrations en nitrates dans les eaux souterraines. Récemment, le développement de modèles mathématiques a permis une meilleure compréhension des mécanismes régissant le transport et les transformations des nitrates dans le sol. Cette étude a pour but de vérifier l'applicabilité d'un tel modèle aux conditions québécoises. Pour ce faire, les résultats de simulation sont confrontés

à des mesures de terrain.

Le modèle étudié simule le devenir de l'eau, de la température et de l'azote dans le sol. Il s'agit d'un modèle de recherche unidimensionnel basé sur des processus physiques. La première partie, SOIL, simule les processus physiques alors que la deuxième partie, SOILN, représente les processus chimiques. L'évolution des concentrations en nitrates dans le profil de sol a été simulée entre les mois de mai et octobre 1990.
Au cours de cette même période, des lysimètres avec tension ont été utilisés pour recueillir des échantillons d'eau dans le profil de sol afin d'en mesurer les concentrations en nitrates et en ammonium. Le site expérimental étudié était composé d'un loam sableux à graveleux, cultivé de maïs sucré, ayant reçu 133 kg N inorganique/ha divisé en deux applications de 40 kg N/ha (de phosphate d'ammonium) et de 93.5 kg N/ha (de nitrate d'ammonium).

Les résultats obtenus

ont montré une bonne concordance entre les concentrations observées et simulées pour la période comprise entre les mois de mai et septembre. Une différence plus importante a cependant été enregistrée au mois d'octobre. Pour l'ensemble de la période étudiée, les précipitations ont été de

751 mm, l'évapotranspiration réelle simulée de 529 mm et le flux d'eau cumulé

passant

1 mètre de 198 mm. Les résultats des simulations concernant la dynamique

de l'azote dans le premier mètre de sol ont révélé que la minéralisation a été de

12.25 g N/m

2, la nitrification de

9.22 g N/m2, la dénitrification de 1.60 g N/m2, le

prélèvement par les plantes de 11.0 g N/m2 et le lessivage de 2.69 g N-N0 3 /m2. De plus, l'utilisation des concentrations mesurées et des flux d'eaux simulés a permis d'établir que l'eau s'échappant de la zone racinaire avait une concentration moyenne en nitrates inférieure à 10 mg N-N0all.

AVANT-PROPOS

Ce mémoire de maîtrise a été rendu possible grâce à l'assistance de plusieurs personnes. Je tiens particulièrement à remercier M. Jean-Pierre Villeneuve et M. Olivier Banton qui m'ont dirigé tout au long de cette étude. Mes remerciements vont aussi aux professeurs et autorités de l'INRS-EAU, à son personnel technique et à plusieurs autres gens dont M. Pierre Lafrance et M. François Brisseault. Je voudrais également remercier le Ministère de l'Environnement du Québec pour avoir mis à notre disposition le site expérimental nécessaire à la réalisation de cette étude ainsi que le fond FCAR pour son soutien financier. ii

TABLE DES MATIERES:

RÉSUMÉ ........................................................................ ......................................................... i AV ANT-PROPOS ................................................................................ .................................. ii

TABLE DES MATIERES .................................................................................................. iii

liSTES DES TABLEAUX ................................................................................................ vi

liSTES DES FIGURES ................................................................................................... viii

1. IN1RODUCfION ........................................................................

.............................. 1

1.1 Problématique ........................................................................

............................ 1 1.2 État de la recherche ........................................................................ .................. 3

1.3 Objectif et méthodologie ........................................................................

.......... 5

2. LE CYCLE DE L'EAU ET DE L'AZOTE DANS LE SOL ............................... 6

2.1 Introduction ........................................................................

................................ 6 2.2 Eau ............................................................................. .......................................... 6 2.2.1

État de l'eau dans le sol ........................................................................

.. 6 A) Eau de rétention ........................................................................ .... 6 B) Eau capillaire ........................................................................ .......... 7 C) Eau de gravité ........................................................................ ......... 7

2.2.2 Notion d'eau utile ........................................................................

............. 7 Al Potosité ........................................................................ ....................... 7 B Capacité au champ ........................................................................

.... 7 C Pomt de flétrissement .......................................................................

8 D) Eau utile ........................................................................ ..................... 8

22.3 Mouvement de l'eau dans le sol ............................................................ 8

A) Milieu saturé ........................................................................ ........... 8

B) Milieu non saturé ........................................................................... 9

2.2.4 Le bilan hydrique du sol ....................................................................... Il

2.3 Azote ........................................................................

.......................................... 12 2.3.1 Formes d'azote dans le sol ....................................

............................... 12

A) Azote organique ........................................................................... 12 -Litière ...........................................................................................

13 -Humus ........................................................................ .................. 13 B) Azote ....................................................................... 14 -Forme catIoruque ........................................................................ 14 -Forme anionique ........................................................................ 14 -Forme gazeuse ........................................................................ .... 15

2.3.2 Facteurs régissant les transformations de l'azote ............................. 15

Température ........................................................................ ......... 16 B Humidité et aération ................................................................... 16 C pH ........................................................................ ........................... 16 D Ratio carbone/azote ................................................................... 17

3. MATÉRIEL ET MÉTHODES ........................................................................

....... 18

3.1 Terrain ........................................................................

....................................... 18

3.1.1 l.ocalisation ........................................................................

..................... 18

3.1.2 Pédologie ................................................................................................. 19

3.1.3 Pratiques culturales ........................................................................

....... 20

3.1.4 Échantillonnage .............................................................................

........ 22 iii

3.1.5 Données météorologiques .................................................................... 24

3.2 I..aboratoire ........................................................................

............................... 24

3.2.1 Nitrates ........................................................................

............................ 25

3.2.2 Ammonium ........................................................................

..................... 25

3.3 Modèles mathématiques SOIL et SOILN ................................................... 25

3.3.1 Présentation de SOIL et SOILN ......................................................... 25

3.3.2 SOIL: théorie et fonctionnement ....................................................... 27

A) ........................................................................ .............. 27 -Évapotranspiration ..................................................................... 27 -Hydrodynamique souterraine ................................................... 29 -Flux thermique ........................................................................ .... 31 B) Entrées et sorties du modèle ...................................................... 31 C) Analyse de sensibilité .................................................................. 32

3.3.3 SOILN: théorie et fonctionnement.. .................................................. 32 A) Structure du modèle .................................................................... 32

B) Équations ........................................................................ .............. 34 -Apport en azote ........................................................................ .. 34 -Minéralisation, immobilisation et nitrification ...................... 34 -Influence des facteurs abiotiques ............................................. 37 -Azote puisé par les plantes ....................................................... 38 -Dénitnfication ........................................................................ ..... 39 -Transport des nitrates ................................................................ 40 C) Entrées et sorties du modèle ...................................................... 40 D) Analyse de sensibilité .................................................................. 41

3.4 Détermination des paramètres nécessaires aux simulations .................... 41

3.4.1 SOIL ........................................................................

................................. 41 A) Fichier ................................................................ 42 B) Fichier des propnétés hydrauliques du sol .............................. 42 C) Fichier des paramètres du site ................................................... 44 D) Fichier des propriétés thermiques du soL ............................... 45

3.4.2 ........................................................................

.............................. 45 Fichier des variables motrices .................................................... 45 B Fichier des paramètres du site ................................................... 45 C Fichier caractérisant l'état initial du soL ................................. 46

4. RÉSULTATS ........................................................................

..................................... 47

4.1 Mesures de terrain ........................................................................................... 47

4.1.1 Concentration en nitrates ..................................................................... 47

4.1.2 Concentration en ammonium .............................................................. 49

4.1.3 Volumes d'eau recueillis par les collecteurs ...................................... 51

4.2 Simulations ........................................................................

................................ 53

4.2.1 Résultats du modèle SOIL ................................................................... 53

A) Précipitation ........................................................................ .......... 53 B) Évapotranspiration réelle ........................................................... 54 C) Évapotranspiration réelle et précipitations cumulées ........... 54 D) Teneur en eau ........................................................................ ....... 55 E) Flux d'eau journalier et cumulé ................................................. 56

4.2.2 Résultats du modèle SOILN ................................................................ 58

A) Apports atmosphériques ............................................................. 58 B) Apports par fertilisation .............................................................. 59 C) Minéralisation de l'humus .......................................................... 59 D) Nitrification ........................................................................ ........... 60 E) Prélèvement en nitrates par les plantes ................................... 61 iv F) Pertes par dénitrification ............................................................ 62 Pertes par lessivage ...................................................................... 64 Concentration en nitrates ........................................................... 65

5. DISCUSSION ........................................................................

..................................... 66

5.1 Campagne d'échantillonnage ......................................................................... 66

5.1.1 Validité des concentrations mesurées ................................................ 66

5.1.2 Validité des flux d'eau mesurés ........................................................... 66

5.1.3 Variabilité spatiale des résultats ......................................................... 67

5.1.4 Variabilité temporelle des résultats .................................................... 67

5.2 Simulation ........................................................................

................................. 68

5.2.1 SOIL ........................................................................

................................. 68 Al Évapotranspiration réelle ........................................................... 68 B Recharge de la nappe .................................................................. 69 C Teneur en eau ........................................................................ ....... 69 D) Flux de l'eau dans le sol .............................................................. 70

5.2.2 SOILN ........................................................................

.............................. 70 A) Bilan de l'azote dans le sol ......................................................... 70

5.3 Comparaison des concentrations en nitrates simulées et observées ....... 72

5.4 Ess31 de bilan environnemental ..................................................................... 74

5.4.1 Flux de masse en nitrates ...................................................................... 75

5.4.2 Risque de contamination de l'aquifère .............................................. 76

5.5 Recommandations pour la poursuite des travaux ...................................... 79

6. CONCLUSION .......................................................................................................... 80

BlliLIOGRAPHIE

...................................... 82

ANNEXE

A: Nomenclature et unités des différentes variables du modèle SOIL ... 90 ANNEXE B: Nomenclature et unités des différentes variables du modèle SOILN 94 ANNEXE C: Valeurs et références des paramètres du modèle SOIL ....................... 99 ANNEXE D: Valeurs et références des paramètres du modèle SOILN ................. 105

ANNEXE E: Coefficients de la régression de Gupta .................................................. 113

ANNEXE F: Variables météorologiques utilisées par le modèle SOIL .................. 115 ANNEXE G: Variables motrices utilisées par le modèle SOILN ............................. 121 ANNEXE H: Résultats sommaires de la simulation avec SOIL ............................... 147 ANNEXE 1: Résultats sommaires de la simulation avec SOILN .............................. 155 ANNEXE J: Résultats des concentrations en nitrates mesurées .............................. 167 ANNEXE K: Résultats des concentrations en ammonium mesurées ...................... 171 ANNEXE L: Résultats des volumes d'eau mesurés aux collecteurs ......................... 175 v

LISTE DE TABLEAUX:

3.1 Distributions statistiques des caractéristiques chimiques du site de St-

Augustin en g/kg ........................................................................ ............................. 19

3.2 Distributions statistiques des paramètres de sol caractérisant le site de St-

Augustin ........................................................................ ............................................. 20quotesdbs_dbs33.pdfusesText_39
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