Des exemples dapplication Les sdiments superficiels en domaine

Des exemples d’application: Les sédiments superficiels en domaine côtier

Quelles sont les principales caractéristiques des sédiments superficiels qui doivent être utilisées pour choisir une stratégie d’échantillonnage?

Méthodes de prélèvement des sédiments marins

Directives Rebent: Objectifs L’obtention de données fiables et comparables entre elles, concernant les paramètres des biocénoses benthiques subtidales sédimentaires impose pour chaque objectif défini (cartographie, suivi stationnel de l’endofaune, suivi de l’épi-mégafaune…) et chaque biocénose considérée de : • sélectionner le (ou les) engins de prélèvement le(s) plus adapté(s) (fonction du type de fonds et de contraintes de mise en oeuvre) ; • réaliser un échantillonnage pertinent (distribution dans l’espace et dans le temps, nombre de réplicats, volume…) ; • d’assurer les conditions satisfaisantes de traitement des échantillons (tamisage, étiquetage, conservation, tri, analyses) ; Cette fiche préliminaire donne une description des engins les plus couramment utilisés, leur pertinence d’utilisation et les moyens qu’ils nécessitent pour leur mise en oeuvre, ainsi que les règles générale d’utilisation et de traitement des échantillons.

Directives Rebent - Contexte L’utilisation de la benne en océanographie remonte au début du XXe siècle. L’amélioration du positionnement et des techniques de traitement des données quantitatives sont à l’origine de son utilisation à grande échelle en écologie benthique de susbtrats meubles, à partir des années 70. Aujourd’hui, la benne est utilisée, outre pour la recherche fondamentale, dans le cadre de programmes de surveillance et d’études d’impact environnemental (clapage de boues de dragages, extraction de granulats, effets de l’aquaculture…). L’utilisation de la benne en écologie benthique permet : - d’évaluer la distribution des biocénoses dans un site donné ; - de valider les données acquises par sonar lors des campagnes de cartographie (vérité terrain) ; - de repérer les biotopes les plus riches, les plus représentatifs ou les plus fragiles à l’intérieur d’un site ; - de déterminer la richesse spécifique, la diversité, l’abondance et la biomasse des communautés rencontrées ; - de repérer, dénombrer et évaluer l’état de conservation des espèces clés, ou rares à l’intérieur d’un site ; - de déterminer la structure de population des espèces rencontrées ; - de comparer statistiquement les paramètres des communautés entre stations et/ou sites ; - d’évaluer statistiquement les changements observés en les mettant en rapport avec l’évolution des paramètres environnementaux ; - de mesurer les impacts des activités anthropiques sur les biocénoses ; - d’effectuer des comparaisons statistiques sur de vastes étendues spatiales et dans le temps dans la mesure où ce type d’échantillonnage est depuis plus de 30 ans généralisé au niveau mondial avec des engins standardisés. Avantages : échantillonnage facilement réalisable à partir d’une large gamme de taille de navires ; standardisation des données et possibilités de comparaison élevée ; nombre élevé d’échantillons pouvant être effectués par campagne. Inconvénients : les fortes variations spatiales naturelles des communautés impliquent la nécessité de disposer d’un nombre d’échantillons élevé pour pouvoir minimiser les variances et détecter les différences statistiquement interprétables ; la texture et la structure des sédiments, fortement variables, nécessitent d’utiliser des engins différents, adaptés à chaque type de fond ; l’épifaune, du fait de sa distribution en aggrégats est potentiellement sous-estimée (l’AQUAREVE est approprié pour ces organismes).

Méthodologie d'acquisition Stratégie générale • Stratégie d’échantillonnage Les stratégies d’échantillonnage dépendent directement des objectifs de la mission. - Dans le cadre de la cartographie des biocénoses, un échantillonnage systématique (en grille), ou au hasard, peut être envisagé mais il est préférable de stratifier l’échantillonnage (les points étant tirés au hasard dans chaque strate) sur la base de paramètres du milieu pertinents, en particulier morphosédimentaires et bathymétriques, qui peuvent être déduits de mesures acoustiques. -Pour le suivi stationnel des biocénoses (maerl, sables fins), il convient de se référer aux procédures décrites dans les fiches correspondantes. • Nombre de réplicats C’est le nombre d’échantillons nécessaires pour obtenir des valeurs de paramètres statistiquement cohérentes, afin de permettre une description et des comparaisons inter-dates ou inter-stations. Dans le meilleur des cas, 6 à 10 prélèvements par station, permettent de déterminer l’aire minimale d’échantillonnage pour une biocénose donnée dans des conditions environnementales données. En tout état de cause, dans le cas de bennes de petite surface (0, 1 m²), un minimum de 6 réplicats est souhaitable, tandis que dans le cas d’engins de grandes emprise, un minimum de 3 ou 4 prélèvements peut être suffisant.

Choix de l’engin de prélèvement La benne Shipek, utile pour la validation terrain des données acoustiques est surtout efficace dans les sédiments vaseux. (poids à vide 45 kg)

La benne Van Veen (0, 1 m²) est appropriée dans les sédiments vaseux peu profonds (pour les sédiments plus grossiers on préférera la benne Smith-Mc. Intyre). (poids à vide 20 kg)

La benne Smith-Mc. Intyre (0, 1 m²) est utile pour prélever des sédiments vaseux jusqu’aux graviers. Elle se déclenche dès son arrivée sur le fond, aussi permetelle un bon échantillonnage de l’épifaune vagile. (poids à vide : 100 kg)

La benne Hamon (1/4 m²) est utile dans les sédiments sableux jusqu’aux cailloutis pour lesquels elle est particulièrement adaptée. Un godet d’ 1/8 m² peut lui être préféré. (poids à vide 200 kg)

Le traîneau drague AQUAREVE est un rabot épibenthique quantitatif équipé d’une cage. Il est particulièrement adapté à l’échantillonnage de l’épimégafaune benthique, souvent sur-dispersée et mal échantillonnée par les autres types de bennes. (poids à vide 250 kg)

Prélèvement Carottier multitubes Mark. VI

RHONE SOFI (µmol. m-2. h-1) Demande Benthique en Oxygène Intérêt de l’adaptation du mode d’échantillonnage aux paramètre analysés S O N D J F M A M J J A S O N D J

Chambre d’incubation benthique: Travail en plongée

Chambre d’incubation benthique Autonome Benthic Lander

Estimation des flux diffusifs Microélectrodes Nitrate Oxygène

Interactions entre les échelles et les compartiments: De la biogéochimie à la macrofaune

Succession des réactions d’Oxydoréduction dans les sédiments superficiels Profondeur (cm) dans le sédiment (Apport élevé de matière organique) Figure : Les principales voies de minéralisation de la matière organique dans les sédiments marins. Les réactions utilisant les différents oxydants sont détaillés d’après Froelich (1979) en assumant que la composition de la matière organique parvenant à l’interface eau-sédiment est composée selon le rapport de Redfield (Redfield et al. , 1963). Ces réactions d’oxydo-réduction produisent entre autres du dioxyde de carbone et des composés inorganiques dissous. Le dioxyde de carbone diffuse majoritairement et quasi instantanément hors du sédiment et les échanges à l’interface eau-sédiment des autres composés inorganiques dissous dépendent des autres réactions (plus ou moins nombreuses et complexes) mettant en jeu ces composés.

Les 5 grands types d’organismes bioturbateurs Groupes fonctionnels

Méthodes d’étude Moulages avec des résines Utilisation de luminophores

Méthodes d’étude Aquariums plats MAIS Effets de bord!!!

Méthodes d’étude système d’analyse d’images automatisé

La bioturbation et des microniches: Un impact majeur sur l’oxygène dissous

Exemples d’études sédiments marins

Le Golfe du Lion 3° 00'E 43° 30' 4° 00'E Montpellier 5° 00'E le Rhône FRANCE Marseille 43° 00'N 200 m 42° 30' Courant Nord-Méditerranéen Perpignan Mer Méditerranée

Le Golfe du Lion 3° 00'E 43° 30' 4° 00'E Montpellier 5° 00'E le Rhône FRANCE Marseille 43° 00'N 200 m 42° 30' Courant Nord-Méditerranéen Perpignan Mer Méditerranée

Stratégie d'échantillonnage 3° 00'E 4° 00'E 5° 00'E le Rhône Montpellier 43° 30' FRANCE L P 43° 00'N T S Perpignan Marseille D C G K O 42° 30' Z H 200 m E Mer Méditerranée CAMPAGNES SPATIALES : Mars, Juin 1998, Janvier 1999

Stratégie d'échantillonnage 3° 00'E 4° 00'E 5° 00'E le Rhône Montpellier 43° 30' FRANCE Marseille Z L P 43° 00'N T S Perpignan D SOFI G K O 42° 30' RHONE 200 m E Mer Méditerranée CAMPAGNES SPATIALES : Mars, Juin 1998, Janvier 1999 CAMPAGNES SPATIALES + SUIVI MENSUEL: Septembre 1997 - Janvier 1999

Stratégie d'échantillonnage 3° 00'E 4° 00'E 5° 00'E le Rhône Montpellier 43° 30' FRANCE Marseille Z L P 43° 00'N T S Perpignan RHONE D PPS 5 60 m SOFI G K O 42° 30' Ligne de mouillage PPS 5 150 m 200 m E Mer Méditerranée CAMPAGNES SPATIALES : Mars, Juin 1998, Janvier 1999 CAMPAGNES SPATIALES + SUIVI MENSUEL: Septembre 1997 - Janvier 1999 Profondeur 170 m

Plan de l'exposé Le Golfe du Lion - Stratégie d'échantillonnage Dispositif expérimental - Paramètres analysés La variabilité spatiale La variabilité temporelle Modélisation de la diagenèse précoce à la station SOFI Bilan pour l'ensemble du Golfe du Lion Conclusions - Perspectives

Prélèvement Carottier multitubes Mark. VI

Dispositif expérimental d'incubation Nourrice Eau de fond Seringue de prélèvement

Calcul des flux mesurés par incubation Flux d'oxygène dans une carotte : -203, 9 µmol. m-2. h-1

Analyses effectuées Demande Benthique en Oxygène Flux de Sels Nutritifs (NO 3 -, NO 2 -, NH 4+, PO 43 -, Si(OH)4) EAU SURNAGEANTE 1 cm Concentrations de Sels Nutritifs (NO 3 -, NO 2 -, NH 4+, PO 43 -, Si(OH)4) CULOT DE CENTRIFUGATION Porosité, Matière Organique, Carbone Organique, Granulométrie, Pigments, . . .

Plan de l'exposé Le Golfe du Lion - Stratégie d'échantillonnage Dispositif expérimental - Paramètres analysés La variabilité spatiale La variabilité temporelle Modélisation de la diagenèse précoce à la station SOFI Bilan pour l'ensemble du Golfe du Lion Conclusions - Perspectives

Demande Benthique en Oxygène (µmol. m-2. h-1) 508 276 257 258 194 172 240 162 242 200 m 209 53

Quantité de Matière Organique (% du Poids de Sédiment Sec) 7, 8 6, 3 6, 4 4, 0 7, 0 200 m 5, 2 7, 4 6, 2 3, 2

Pourcentage de Fraction Sableuse 0, 0 5, 3 1, 1 60, 4 200 m 29, 7 44, 2 1, 2 0, 3 3, 4 34, 3

Flux d'ammonium (µmol. m-2. h-1) 37, 4 -1, 4 4, 2 0, 6 0, 5 -0, 2 -0, 1 200 m 1, 3 0, 2 0, 0 0, 6

Concentrations d'ammonium interstitiel 200 m Profondeur (cm) Concentration d'ammonium (µM)

Flux diffusifs d'ammonium (µmol. m-2. h-1) 20, 7 6, 0 3, 2 4, 0 200 m 3, 4 1, 0 1, 7 1, 0 2, 0 1, 0

Plan de l'exposé Le Golfe du Lion - Stratégie d'échantillonnage Dispositif expérimental - Paramètres analysés La variabilité spatiale La variabilité temporelle Modélisation de la diagenèse précoce à la station SOFI Bilan pour l'ensemble du Golfe du Lion Conclusions - Perspectives

4° 50' 5° 00' E 5° 10' 5° 20' le e ôn Caractéristiques des stations du suivi temporel Rh 43° 30' Marseille 43° 20' 50 m RHONE 43° 10' 100 m 43° 00' N SOFI 200 m

Profils dans l'eau interstitielle SOFI RHONE NH 4+ (µM) 50 100 0 Profondeur (cm) Ammonium 0 0 NH 4+ (µM) 5 10 0 5 10 150 200 10 0 5 10 NO 3 - (µM) 15 20 0 Profondeur (cm) Nitrate 100 5 NO 3 - (µM) 0 50 5 10 15 20

4° 50' 5° 00' E 5° 10' 5° 20' le Rh e ôn 43° 30' Demande Benthique en Oxygène (µmol. m-2. h-1) Marseille 43° 20' 50 m RHONE 43° 10' 100 m SOFI RHONE SOFI (µmol. m-2. h-1) Demande Benthique en Oxygène 43° 00' N S O N D J F M A M J J A S O N D J 200 m

Rôle des apports verticaux D J F M A M J J A S O N D J 1998

RHONE SOFI Flux de phosphate (µmol. m-2. h-1) S O N D J F M A M J J A S O N D J Flux de silicate (µmol. m-2. h-1)

Plan de l'exposé Le Golfe du Lion - Stratégie d'échantillonnage Dispositif expérimental - Paramètres analysés La variabilité spatiale La variabilité temporelle Modélisation de la diagenèse précoce à la station SOFI Bilan pour l'ensemble du Golfe du Lion Conclusions - Perspectives

Approche de modélisation AJUSTEMENT AUX DONNEES CONTRAINTES Profil de Carbone Organique Profil de porosité Profils dans l'eau interstitielle Concentrations dans l'eau de fond Température Taux de sédimentation (Zuo et al. , 1990) Modèle diagenétique à l'état-stable Densité du sédiment Taux de dégradation des 2 fractions de Carbone Organique AJUSTEMENT INDIRECT Taux de dégradation des 2 fractions de Carbone Organique FORCAGE EXTERNE Apport de Carbone Organique Flux à l'interface eau-sédiment Mode dynamique Coefficient de Bioturbation BILAN

Réactions diagenétiques (Soetaert et al. , 1996) (CH 2 O)x(NH 3)y(H 3 PO 4) + x O 2 -> x CO 2 + y NH 3 + H 3 PO 4 + x H 2 O NH 3 + 2 O 2 -> HNO 3 + H 2 O (CH 2 O)x(NH 3)y(H 3 PO 4) + 0, 8 x HNO 3 -> x CO 2 + y NH 3 + 0, 4 x N 2 + H 3 PO 4 + 1, 4 x H 2 O (CH 2 O)x(NH 3)y(H 3 PO 4) + oxydant -> x CO 2 + y NH 3 + H 3 PO 4 + x ODU + x H 2 O ODU + O 2 -> oxydant ODU: Oxygen Demand Unit (Unités de Demande en Oxygène)

Formulations biochimiques calculées dans chaque couche de sédiment (Soetaert et al. , 1996) @ : Processus de transport

PROFILS données modèle Etat-stable Station SOFI - mars 1998 FLUX µmol. m-2. h-1 données modèle Oxique Dénitrification Anoxique VOIES DE MINERALISATION

Plan de l'exposé Le Golfe du Lion - Stratégie d'échantillonnage Dispositif expérimental - Paramètres analysés La variabilité spatiale La variabilité temporelle Modélisation de la diagenèse précoce à la station SOFI Bilan pour l'ensemble du Golfe du Lion Conclusions - Perspectives

Cartographie de la demande benthique en oxygène : Variabilité spatiale > Variabilité temporelle Campagne spatiale Juin 1998 (krigeage, valeurs en µmol. m-2. h-1) MARS 1998 : 241 µmol. O 2. m-2. h-1 JUIN 1998 : 282 µmol. O 2. m-2. h-1 JANVIER 1999 : 230 µmol. O 2. m-2. h-1 BILAN POUR LE GOLFE DU LION: FLUX MOYENS : 360 000 t. C. a-1 251 µmol. O 2. m-2. h-1

Bilan des flux de sels nutritifs: Variabilité temporelle > Variabilité spatiale (interpolation linéaire) Flux de phosphate (µmol. m-2. h-1) RHONE SOFI STATION RHONE: 0, 71 µmol. m-2. h-1 BILAN GOLFE DU LION: 1400 t. P. a-1 STATION SOFI: 0, 11 µmol. m-2. h-1 S O N D J F M A M J J A S O N D J BILAN GOLFE DU LION: 200 t. P. a-1

Bilan - Flux d'Azote Inorganique Dissous [DIN] moyenne: 100 µM Apports du Rhône Débit moyen : 1450 m 3. s-1 Golfe du Lion 64 000 t. N. a-1 NH 4+ NO 3 NH 4+ Apports du sédiment 13 000 à 22 000 t. N. a-1 NO 3 - Moyenne annuelle station RHONE : 11, 4 µmol. m-2. h-1 Moyenne annuelle station SOFI : 6, 7 µmol. m-2. h-1

Bilan annuel sur le plateau continental du Golfe du Lion Production Primaire : 106 g. C. m-2. a-1 (Morel et André, 1991) 18% Export 1 700 000 t. CO. a-1 300 000 t. N. a-1 41 000 t. P. a-1 600 000 t. Si. a-1 10% 360 000 13 000 à 22 000 t. N. a-1 200 à 1 400 t. P. a-1 48 000 à 72 000 t. Si. a-1 7% t. CO. a-1 Reminéralisation Benthique 4%

Bilan annuel sur le plateau continental du Golfe du Lion Apports du Courant Nord-Méditerranéen 407 000 t. CT. a-1 75 000 t. N. a-1 6 000 t. P. a-1 Apports du Rhône 56 000 / 112 000 t. CO. a-1 64 000 t. N. a-1 5 600 t. P. a-1 60 000 t. Si. a-1 Production primaire 1 700 000 t. CO. a-1 300 000 t. N. a-1 41 000 t. P. a-1 600 000 t. Si. a-1 Reminéralisation benthique 360 000 t. CO. a-1 13 000 / 22 000 t. N. a-1 200 / 1 400 t. P. a-1 48 000 / 72 000 t. Si. a-1 Export

Plan de l'exposé Le Golfe du Lion - Stratégie d'échantillonnage Dispositif expérimental - Paramètres analysés La variabilité spatiale La variabilité temporelle Modélisation de la diagenèse précoce à la station SOFI Bilan pour l'ensemble du Golfe du Lion Conclusions - Perspectives

Conclusions Flux à l'interface eau-sédiment faibles Variabilité spatiale liée aux apports rhodaniens et au forçage du Courant Nord-méditerranéen Deux sources majeures de variabilité temporelle: - Apports verticaux: bloom phytoplanctonique - Apports latéraux (advectifs) Contribution négligeable du sédiment aux apports des sels nutritifs dans le Golfe du Lion

Immobile Contact avec l’eau surnageante Apports Exports Modes de prélèvement Modélisation biologique Modélisation biogéochimique