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Entre 1972 et 1993 aux Antilles françaises (Martinique et Guadeloupe), pour lutter contre le charançon du bananier, les agriculteurs ont appliqué au pied de leurs plants de la chlordécone, un insecticide organochloré toxique. A la fin des années 1990, l'intensification des pratiques agricoles aux Antilles a entraîné une accélération de l'érosion des sols et des transferts de sédiments vers les rivières et la mer (Sabatier et al., 2021). Les auteurs de cet article ont émis l'hypothèse que l'utilisation de glyphosate comme herbicide induisait une augmentation de l'érosion des sols conduisant à une libération de la chlordécone stockée dans les sols agricoles pollués. Ces processus entraînent une remobilisation des sols contaminés et une dispersion de la contamination à la chlordécone le long du continuum terre-mer, impactant les activités humaines et polluant les écosystèmes continentaux et marins. Ces transferts latéraux de sédiments sont fortement contrôlés par l'occupation du sol et les pratiques agricoles. L'identification des sources d'érosion des sols est donc essentielle pour lutter efficacement contre les conséquences de l'érosion sur la résurgence de la chlordécone. A partir de l'utilisation des outils du traçage sédimentaire (Collins et al., 2020), appliqués à des archives sédimentaires marines côtières et adaptés au contexte antillais, l'objectif est de modéliser l'origine des sédiments au cours du temps en fonction des différentes occupations du sol que l'on retrouve sur les bassins versants antillais : parcelles de banane et de canne à sucre, forêts, berges et glissements de terrain. Nous avons appliqué ce modèle à deux carottes sédimentaires prélevées dans le cadre d'une précédente étude (Sabatier et al., 2021) : la première dans la baie du Galion (Martinique) et la seconde au large de la rivière Pérou (Petit Cul de Sac Marin, Guadeloupe). Les premiers résultats du modèle appliqué à la carotte prélevée dans la baie du Galion montrent une augmentation de la contribution des terres cultivées (sols des bananeraies et des champs de canne à sucre) depuis les années 1970. Cette augmentation est associée à une hausse de la concentration en chlordécone enregistrée dans les sédiments depuis la fin des années 1990 (Sabatier et al., 2021). On observe également des augmentations ponctuelles de la contribution des berges. Grâce à la datation de la carotte sédimentaire, on voit que cette érosion accrue des berges se produit lors du passage de cyclones. Par la suite, cette méthode va être appliquée à d'autres bassins versant (et d'autres types de matériaux-cibles comme les matières en suspension) afin d'accroître la représentativité spatiale et temporelle des résultats. En couplant cette méthode à une cartographie des chemins de l'eau à travers les bassins versants et des bilans d'érosion intra-parcellaire, l'objectif final est de modéliser les dynamiques sédimentaires dans ce contexte insulaire, tropical et volcanique ainsi que les transferts de chlordécone associés le long du transect terre-mer.

Entre 1972 et 1993 aux Antilles françaises (Martinique et Guadeloupe), pour lutter contre le charançon du bananier, les agriculteurs ont appliqué au pied de leurs plants de la chlordécone, un insecticide organochloré toxique. A la fin des années 1990, l'intensification des pratiques agricoles aux Antilles et l'utilisation accrue de glyphosate comme herbicide a entraîné une accélération de l'érosion des sols et des transferts de sédiments vers les rivières et la mer (Sabatier et al., 2021). Ces processus entraînent une remobilisation des sols contaminés et une dispersion de la contamination à la chlordécone le long du continuum terre-mer, impactant les activités humaines et polluant les écosystèmes continentaux et marins. Ces transferts latéraux de sédiments sont fortement contrôlés par l'occupation du sol et les pratiques agricoles. L'identification des sources d'érosion des sols est donc essentielle pour lutter efficacement contre les conséquences de l'érosion sur la résurgence de la chlordécone. C'est dans ce contexte que s'inscrit ma thèse, débutée en octobre 2021. A partir de l'utilisation des outils du traçage sédimentaire, appliqués à des archives sédimentaires marines côtières et adaptés au contexte antillais. L'objectif est de modéliser l'origine des sédiments au cours du temps en fonction des différentes occupations du sol que l'on retrouve sur le bassin versant du Galion (Martinique) : banane, canne à sucre, maraîchage, pâturage, forêt. De plus, en appliquant ces mêmes outils à du matériel déposé lors d'évènements hydro-sédimentaires (laisses de crues par exemple), le traçage sédimentaire peut fournir un aperçu instantané des dynamiques sédimentaires au moment de l'évènement. Cette méthode permet donc de fournir une information spatiale et temporelle sur les processus érosifs et les transferts de contaminants associés à l'échelle du bassin versant. Le traçage sédimentaire est une méthode consistant à mesurer les propriétés physico-chimiques (géochimie élémentaire, radionucléides, colorimétrie) tant dans les sols-source potentiels que dans les sédiments transitant dans les rivières (MES, laisses de crue, carottes). Par l'utilisation d'outils statistiques, on définit la combinaison optimale de traceurs qui va nous permettre d'estimer la contribution de chacune des sources potentielles aux sédiments grâce à un modèle de mélange. Nous avons appliqué ce modèle à deux carottes sédimentaires prélevées dans le cadre d'une précédente étude (Sabatier et al., 2021) : la première dans la baie du Galion (Martinique, France) et la seconde au large de la rivière Pérou (Guadeloupe, France). Les premiers résultats du modèle appliqué à la carotte prélevée au large du bassin du Galion montrent une augmentation de la contribution des terres cultivées depuis les années 1970, amplifiée par l'utilisation d'herbicide comme le glyphosate, est associé à une résurgence de la chlordécone dans les sédiments depuis la fin des années 1990. Lors des cyclones, qui entraînent de fortes crues et une érosion importante des berges, on observe une contribution plus importante des berges dans l'apport sédimentaire à la baie. On voit donc, grâce à ces résultats préliminaires, que le traçage sédimentaire permet de retracer au cours du temps l'origine des sédiments déposés. Grâce à une étude bibliographique, on peut ensuite établir des liens entre les évènements historiques et les contributions observées. Par la suite, cette méthode va être appliquée à d'autres bassins versant (et d'autres types de matériaux-cibles comme les matières en suspension) afin de valider la méthodologie. En couplant cette méthode à une cartographie des chemins de l'eau à travers le bassin versant et des bilans d'érosion intra-parcellaire, l'objectif final est de modéliser les dynamiques sédimentaires dans ce contexte insulaire, tropicale et volcanique ainsi que les transferts de chlordécone associés le long du transect terre-mer.

La chlordécone a été largement appliquée dans les champs de bananes des Antilles françaises de 1972 à 1993 pour lutter contre le charançon du bananier. Une première évaluation de la dynamique de contamination des sols a été proposée (modèle WISORCH) à partir d'hypothèses de fréquence et dose d'applications de la chlordécone au champ et de paramètres physiques (précipitations, teneur en matière organique des sols, types de sol). Les projections du modèle ont conduit à des durées de contamination de 50 à 600 ans selon les types de sol, l'intensité du lessivage et en supposant l'absence de dégradation (Cabidoche et al., 2009). Dix années après ces premières évaluations, de nouveaux résultats sont venus bousculer ces hypothèses : études attestant de la dégradation de la chlordécone dans l'environnement (Fernández-Bayo et al., 2013 ; Devault et al., 2016 ; Chevallier et al., 2019), évolution des concentrations en rivière (Crabit et al., 2016 ; Cattan et al., 2019 ; Mottes et al., 2020 ; Sabatier et al., 2021). De là, une réévaluation des durées de contamination des sols a été entreprise (Comte et al., 2022). Cette réévaluation s'est appuyée sur deux jeux de données. D'une part, des observations in situ réalisées dans près de 2545 parcelles entre 2001 et 2020 dans le cadre des plans de surveillance mis en place ; d'autre part, à partir d'analyses chlordécone sur 17 parcelles échantillonnées à deux dates. Dans un but prospectif, ces dernières analyses ont été utilisées 1) pour améliorer le modèle WISORCH qui n'avait pu être validé à l'époque sur des mesures à différents pas de temps et 2) discuter des processus en jeu dans la dissipation de la chlordécone. Les résultats montrent une baisse des concentrations moyennes sur les parcelles analysées dans les plans de surveillance au cours des ans. Sur les 17 parcelles échantillonnées, une diminution inattendue des concentrations en chlordécone dans le sol d'un facteur 4 fois a été observée en inadéquation avec les prédictions du modèle WISORCH. Ni l'érosion, ni le lessivage de la chlordécone ne sont apparus comme pouvant expliquer ces divergences. Dans une approche de modélisation top-down, ces nouvelles observations nous ont conduits à introduire un processus de dissipation dans le modèle WISORCH qui correspond à une demi-vie de dissipation de 5 ans. Sur cette base la prédiction de la durée de contamination des sols approche la fourchette basse de prédiction de WISORCH, avec une décontamination des sols estimée pour l'horizon 2070. Ces résultats appellent à une réévaluation de l'état de la pollution des sols. Les processus sous-jacents à la diminution inattendue des concentrations doivent être précisés. Une validation de la nouvelle version de WISORCH est nécessaire à plus grande échelle afin qu'elle puisse contribuer à la gestion des cultures sur les sols contaminés.

International audience

Aux Antilles, la disponibilité limitée des ressources en contexte insulaire et l'activité agricole à aux niveaux d'intrants fragilisent les ressources en eau. Dans les zones bananières à forts niveaux d'intrants, des phénomènes de pollution des eaux sont particulièrement marqués, notamment du fait de l'usage d'un nématicide, la chlordécone. La connaissance du fonctionnement des systèmes hydrologiques à l'échelle du bassin versant représente un enjeu primordial pour pouvoir estimer l'exposition de l'écosystème aux pollutions et pour prévoir l'évolution des contaminations dans le temps. L'objectif de la thèse a été de développer une modélisation mécaniste représentant les processus hydrologiques de surface et souterrains à l'échelle d'un bassin versant sur substrat volcanique, sous climat tropical humide, situé en zone bananière en Guadeloupe. En premier a été développé un modèle parcellaire de bilan hydrique adapté au cas des cultures bananières. Il a pour originalité de prendre en compte l'importante redistribution de pluie opérée par le couvert bananier et d'en simuler les effets en matière d'intensité et d'hétérogénéité intra-parcellaire sur les termes du bilan hydrique. Les résultats d'analyse de sensibilité montrent que la redistribution de la pluie augmente le ruissellement de surface ainsi que la percolation, en cohérence avec les observations de terrain, mais impacte peu ou temporairement l'évapotranspiration et l'humidité du sol. Le calage du modèle sur des données expérimentales indiquent une performance améliorée de la simulation du ruissellement par rapport à un modèle ignorant le mécanisme de redistribution. En second, le bassin versant expérimental de Féfé (17.8 ha) a fait l'objet d'une approche de modélisation intégrant processus hydrologiques de surface et souterrains basée sur un chaînage itératif des modèles MHYDAS et MODFLOW. Confrontée à une année hydrologique de mesures de débits à l'exutoire et de piézométries, l'approche de chaînage de modèles de surface et souterrain apparaît pertinente. Une limite majeure est toutefois la non prise en compte de la zone non saturée dans le processus de recharge des aquifères. L'analyse des simulations et de leurs écarts avec les données observées conforte plusieurs hypothèses issues des analyses expérimentales : un ruissellement de surface fortement hortonien, une contribution majeure des écoulement souterrains au débit à l'exutoire. Elle indique toutefois également une indétermination des processus majeurs lors des périodes de fortes pluies. Différentes hypothèses sont proposées qu'il conviendra d'évaluer dans des travaux futurs. Ce travail constitue une première étape pour évaluer les chemins d'écoulement majeurs et les dynamiques des contaminations par les produits phytosanitaires dans un milieu volcanique tropical sous culture bananière., In the French West Indies (FWI), limited resources supply on island and farming with extensive uses of pesticides have damaged water resources. In environments under intensive banana production, water pollution can be of particular concern, with regards to the use of chlordecone, an insecticide to control the banana weevil. Understanding the hydrological behaviour of a catchment is a challenge in assessing the exposure of the ecosystem to pollutions and in predicting the long-term contamination dynamics. This thesis aimed at developing a model to simulate de surface and underground hydrological processes at the catchment scale on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations in Guadeloupe. First, we developed an original water budget model at the plot scale, adapted to the banana canopy. It takes into account the high rainfall redistribution by banana cover and simulates the effects of modified rainfall intensities and within-plot heterogeneities on the water balance components. The sensitivity analysis showed that rainfall redistribution promotes surface runoff and percolation, in accordance with the field observations, but influences little or only temporarily the average field evapotranspiration and soil moisture. The model calibration tested on experimental data indicated improved runoff production performances compared to a model without rainfall redistribution. Secondly, the Féfé experimental catchment (17.8 ha) was studied with a linked iterative modelling approach (of MHYDAS and MODFLOW) that includes surface and underground hydrological processes. Tested against a year of outlet discharge and water table depth measurements, the linked modelling approach seems appropriate. However, the main limit of this approach was that it does not consider the transfer through the unsaturated zone when simulating the aquifers' recharge. The analysis of the results and of the differences between measured and simulated variables supported the hypothesis, from experimental analyses, that: the surface runoff is mainly Hortonian, groundwater flow is the main contributor to runoff at the catchment outlet. However, there was still uncertainty concerning the main processes during wet periods. Various hypotheses were suggested and should be investigated in future studies. This work represents a first step towards the evaluation of the major flow paths and contamination dynamics of pesticides on volcanic deposits in a humid tropical area covered by banana plantations.

International audience; In the French West Indies, chlordecone (CLD), an organochlorine pesticide, which is highly persistent in the environment, was applied in banana plantations from 1972 to 1993 against the banana weevil Cosmopolites sordidus. Pollution surveys conducted in 2001 by the French Department of Health revealed the presence of chlordecone in soils, rivers, springs over large areas in Guadeloupe and Martinique islands. Contamination of drinking water, food crops, aquatic species by CLD has been observed as well as its presence in blood of men, pregnant women and newborns. There is therefore a large social concern about the extent and evolution of CLD pollution in the French West Indies and its impact on human health and ecosystems. From 2008 to 2012 a multidisciplinary project CHLORDEXCO took place to study the CLD fate in water, soils and the contamination characteristics of aquatic species and food crops. Here, we summarize results obtained on the processes controlling the spatial and temporal patterns of soil and water contamination at the scale of the banana cropping area in Guadeloupe and of the Perou catchment. The main soils in the contaminated areas are andosols and nitisols and formed from the weathering of volcanic ashes. They have a high organic carbon content and high content of secondary minerals, allophane for andosols and halloysite for nitisols. An analysis of the spatial distribution of CLD in soil over 1045 field plots showed that the soil type had a strong impact. Andosols, with a high sorption capacity (Koc 20 000 L/kg), had the highest CLD concentrations and stocks, unlike Nitisols, which had 10-fold lower sorption capacities. A significant « farm effect », due to between-farm variations of application times and amounts, was also noticed. The observed stocks of CLD clearly correspond to the accumulation in soil of successive treatments and thereby confirm the high persistence of CLD in soil also observed in incubation studies in soil microcosms. Soil column studies of the transport of aged CLD however showed that CLD concentration in percolation water varied little (5 to 10 μg/L) and were of same magnitude for both soils although their sorption properties and hydrodynamic behaviours differed with larger macropore flow in the andosols. At catchment scale, contamination of surface waters was permanent with CLD concentrations one order of magnitude less than in percolation water. Temporal variations of contamination were due to dilution effects caused by water from uncontaminated uphill areas. CLD concentrations were highest in base flow indicating that the main pathway of applied CLD to surface waters is by percolation and groundwater flow. In conclusion, contamination of soil and water in the banana cropped areas of the French West Indies is general and permanent. If no soil remediation strategies can be elaborated this severe environmental contamination will last over centuries as estimated by Cabidoche et al. (2009, Environ. Poll., 57, 1697-1705). Since CLD propagates mainly by subsurface flow, buffer strips, usually recommended in many regions to limit the pollution of water by pesticides, will not be useful.

Aux Antilles, la disponibilité limitée des ressources en contexte insulaire et l'activité agricole à hauts niveaux d'intrants fragilisent les ressources en eau. Dans les zones bananières à forts niveaux d'intrants, des phénomènes de pollution des eaux sont particulièrement marqués, notamment du fait de l'usage d'un pesticide, la chlordécone. La connaissance du fonctionnement des systèmes hydrologiques à l'échelle du bassin versant représente un enjeu primordial pour pouvoir estimer l'exposition de l'écosystème aux pollutions et pour prévoir l'évolution des contaminations dans le temps. L'objectif de la thèse a été de développer une modélisation mécaniste représentant les processus hydrologiques de surface et souterrains à l'échelle d'un bassin versant sur substrat volcanique, sous climat tropical humide, situé en zone bananière en Guadeloupe. En premier a été développé un modèle parcellaire de bilan hydrique adapté au cas des cultures bananières. Il a pour originalité de prendre en compte l'importante redistribution de pluie opérée par le couvert bananier et d'en simuler les effets en matière d'intensité et d'hétérogénéité intra-parcellaire sur les termes du bilan hydrique. Les résultats d'analyse de sensibilité montrent que la redistribution de la pluie augmente le ruissellement de surface ainsi que la percolation, en cohérence avec les observations de terrain, mais impacte peu ou temporairement l'évapotranspiration et l'humidité du sol. Le calage du modèle sur des données expérimentales indique une performance améliorée de la simulation du ruissellement par rapport à un modèle ignorant le mécanisme de redistribution. En second, le bassin versant expérimental de Féfé (17.8 ha) a fait l'objet d'une approche de modélisation intégrant processus hydrologiques de surface et souterrains basée sur un chaînage itératif des modèles MHYDAS et MODFLOW. Confrontée à une année hydrologique de mesures de débits à l'exutoire et de piézométries, l'approche de chaînage de modèles de surface et souterrain apparaît pertinente. Une limite majeure est toutefois la non prise en compte de la zone non saturée dans le processus de recharge des aquifères. L'analyse des simulations et de leurs écarts avec les données observées conforte plusieurs hypothèses issues des analyses expérimentales : un ruissellement de surface fortement hortonien, une contribution majeure des écoulements souterrains au débit à l'exutoire. Elle indique toutefois également une indétermination des processus majeurs lors des périodes de fortes pluies. Différentes hypothèses sont proposées qu'il conviendra d'évaluer dans des travaux futurs. Ce travail constitue une première étape pour évaluer les chemins d'écoulement majeurs et les dynamiques des contaminations par les produits phytosanitaires dans un milieu volcanique tropical sous culture bananière.

Water contamination by pesticides from agricultural activities is a worldwide environmental problem. In volcanic tropical humid conditions, given the heavy rainfalls and soils with high infiltration capacities, the risk of contamination is high in case of cropping systems with intensive use of pesticides, like bananas. However, previous studies on a cultivated catchment (17.8 ha) in the French West Indies showed that pesticide transfer can be complex: catchment runoff results from the interaction of overland and groundwater flows (Charlier et al, 2008, Hydrological Processes, 22, 22, p.4355-4370). Its contamination by a nematicide applied in banana cropping (Charlier et al, 2009, Journal of Environmental Quality, 38, 3, p.1031-1041) showed two successive phases, which were interpreted as stemming from two distinct contamination mechanisms: an event-dominated contamination phase when transport was linked to overland flow during precipitation shortly after pesticide application, and a stabilized contamination phase when transport originated mainly from the drainage of the shallow aquifer. Comparing the losses of the two phases during two monitoring campaigns showed that shallow groundwater, which is promoted in such permeable soils under abundant tropical rainfalls, seems to be the main contributor to runoff water contamination. The aim of this work is to develop a modelling system of both overland and groundwater flows able to simulate the dynamic of water contamination by cadusafos observed in Charlier et al (2009, Journal of Environmental Quality, 38, 3, p.1031-1041) to confirm the contamination mechanisms that were hypothesized. The modelling system is based on linking two models. First, a distributed surface model, MHYDAS (Moussa et al, 2002, Hydrological Processes, 16, 2, p393-412), is used to compute infiltration and Hortonian runoff at the field scale and its routing from the fields to the catchment outlet. Then, a three-dimensional finite-difference groundwater flow model, MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988, USGS Book) and a modular three-dimensional transport model, MT3D (Zheng, 1990, USEPA Report), simulates water flow and cadusafos transport in the groundwater zone and their interaction with the hydrographic network. Results from the modelling system are compared with the observed data from the two monitoring campaigns mentioned previously which consisted in spreading cadusafos on a portion of the catchment and monitoring the concentrations in the soil and in runoff and groundwaters. Preliminary results on parameter calibration and test of water flow hypothesis will be presented. (Texte intégral)