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Dans la perspective d’identifier les systèmes de culture qui permettront de répondre aux enjeux du plan Écophyto, les objectifs du projet Perform consistent à (1) développer une nouvelle approche de modélisation pour évaluer les performances environnementales des systèmes de culture (vis-à-vis de la contamination de l’environnement par les pesticides) et (2) étudier les effets de la variabilité des conditions agropédoclimatiques et des principales sources d’incertitudes liées au climat, aux pratiques agricoles et aux propriétés des sols et des pesticides sur l’évaluation des concentrations en pesticides dans l’environnement. Afin de modéliser les flux de pesticides appliqués dans les systèmes de culture, une approche basée sur l’utilisation séquentielle du modèle de culture STICS et du modèle MACRO décrivant le devenir des pesticides dans l’environnement a été développée. La performance du modèle ainsi conçu, STICS-MACRO, a été testée et les résultats ont montré qu’elle était acceptable. L’analyse de sensibilité de STICS-MACRO a ensuite permis d’identifier les pratiques agricoles qui permettent de réduire les transferts d’eau et de pesticides vers les eaux souterraines. Ces transferts diminuent lorsque la quantité de résidus organiques apportée au sol diminue et lorsqu’un travail du sol est effectué. Enfin, une analyse d’incertitudes a montré que la variabilité des concentrations simulées en pesticides dans l’eau drainée est essentiellement due à la variabilité du climat (précipitations annuelles en particulier), du coefficient d’adsorption et de certaines propriétés hydrodynamiques des sols. Ces résultats sont spécifiques des conditions agro-pédoclimatiques étudiées et ce travail devra être étendu à d’autres types de sol, de climat, de pesticide et de culture, Modelling pesticides flows in cropping systems: effects of the variability of climate, agricultural practices, and soil and pesticides properties. Main results of the Perform project To identify cropping systems which could help to reduce pesticide use (French Ecophyto plan), the objectives of the Perform project were (1) to develop a new modelling approach allowing to assess the environmental performances of cropping systems (regarding the contamination of environment by pesticides) and (2) to study the effects of the variability of agropedoclimatic conditions and of the main uncertainties related to climate, agricultural practices, and soil and pesticides properties on pesticides concentrations. To model the concentrations of pesticides used in cropping systems, an approach combining the STICS crop model and the MACRO pesticide fate model was developed. The resulting model, STICS-MACRO, was tested against measured data and its performance was demonstrated to be acceptable. A sensitivity analysis of STICS-MACRO allowed to identify agricultural practices which could reduce water and pesticides flows toward groundwater. It was found that these flows decrease with the amount of organic residues on soil surface and with soil tillage intensity. Finally, an uncertainty analysis showed that the variability of simulated pesticides concentrations was mainly due to the variability of climate (especially the annual precipitations), pesticide sorption coefficient and to some soil hydraulic properties. However, these results depend on the studied agro-pedoclimatic conditions and this work will have to be extended to other climates, soils, pesticides and crops.

Evaluation des flux de pesticides dans les systèmes de culture innovants : forçage du modèle de simulation du devenir des pesticides MACRO avec le modèle de culture STICS. 45e Congrès du Groupe Français des Pesticides "Devenir et impact des pesticides : verrous à lever et nouveaux enjeux. 45e Congrès du Groupe Français des Pesticides

National audience; Le défi du plan Ecophyto consiste à diminuer d’une manière significative le recours aux produits phytosanitaires, tout en continuant à assurer un niveau de production élevé en quantité et en qualité. Seule une combinaison de différentes techniques culturales peut remplacer la protection chimique et cette combinaison implique l’introduction de nouveaux systèmes de culture. Cependant, un très grand nombre de systèmes peut être conçu et il est impossible de réaliser des expérimentations in situ pour étudier la durabilité de chacun de ces systèmes. Il est donc nécessaire de développer des outils pour évaluer les impacts sur l’environnement (liés à l’usage des pesticides) des systèmes de culture. Parmi les outils existants, la modélisation numérique permet la description des flux et des concentrations en pesticides dans les différents compartiments de l’environnement. Les modèles (modèles « pesticides ») permettent d’intégrer les effets induits par la variabilité des contextes agro-pédo-climatiques, cependant les pratiques agricoles y sont à l’heure actuelle représentées de manière incomplète. L’objectif de ce travail est donc de forcer un modèle « pesticides », MACRO (Larsbo et Jarvis, 2003), avec un modèle capable de représenter l’évolution des couverts végétaux sous différentes pratiques agricoles (rotation, associations de culture, gestion des résidus, travail du sol…) et sous différentes conditions pédoclimatiques, le modèle STICS (Brisson et al., 1998).

Syftet med detta projekt har varit att göra en kartering av riskerna med bekämpningsmedelsläckage till grundvatten i Skåne. Karteringen utfördes genom simuleringar med riskbedömningsverktyget MACRO-SE som har utvecklats inom Kompetenscentrum för kemiska bekämpningsmedel (CKB) vid Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) i Uppsala. Bearbetning och analys av simuleringsresultaten har gjorts av CKB i samarbete med Länsstyrelsen Skåne. Riskkarteringen har utförts för bekämpningsmedlen bentazon, isoproturon, kvinmerak, MCPA, metazaklor och metribuzin vilka tidigare har påvisats i grundvatten. Dessa substanser är också representativa för en stor del av jordbruket i Skåne då de används i stor mängd och tillsammans täcker in en stor del av alla grödor som odlas i länet. Tidigare kunskapssammanställningar pekar på att det framförallt är äldre, idag förbjudna ämnen som hittas i djupare grundvatten. Men eftersom det finns en, ofta lång, tidsfördröjning mellan att ett ämne sprutas på markytan tills det att det kan infiltrera ner till grundvattnet är det intressant att närmare studera om även dagens användning av bekämpningsmedel framöver kan leda till förekomst av olika substanser i grundvattnet. Inför simuleringarna definierades scenarier som motsvarar den typiska användningen av idag för respektive substans. Utifrån dessa scenarier och data för bekämpningsmedlens fysiska och kemiska egenskaper, kartor över arealen åkermark, odlade grödor, klimatdata och jordarternas egenskaper simulerar modellen koncentrationer av bekämpningsmedlet i markvattnet på ca 2 meters djup, som kan ses som det vatten som infiltrerar genom den omättade zonen för att bli grundvatten. Resultaten visar inte koncentrationer i det djupare grundvattnet, för detta skulle det krävas en avancerad och högupplöst modell för grundvattenflöden för hela Skåne. De simulerade koncentrationerna i markvattnet på 2 meters djup kan därför ses som ett slags värsta-falls-antagande av möjliga halter av bekämpningsmedel som den simulerade användningen kan ge upphov till i grundvattnet. Modellresultaten pekar på att samtliga undersökta substanser skulle kunna uppnå detekterbara koncentrationer i grundvattnet på något ställe i länet. För substanserna bentazon och metazaklor visar resultaten att halter över gränsvärdet för dricksvatten (0,1 µg/l) även skulle kunna förekomma på vissa platser i länet. En summering av koncentrationerna för de simulerade substanserna visar att dricksvattengränsvärdet för summahalt bekämpningsmedel (0,5 µg/l) skulle kunna överskridas inom några mycket små områden i nordvästra och sydöstra Skåne. Generellt sett är riskerna för bekämpningsmedelsläckage till grundvattnet betydligt större i södra och västra delarna av länet, mycket beroende på den betydligt högre andelen åkermark där men också på grund av vädret i klimatzonen i detta område. Som ett beslutsunderlag för vattenförvaltningen på Länsstyrelsen har även de simulerade koncentrationerna aggregerats utifrån de grundvattenförekomster som definierats för vattenförvaltningen och som därmed ska status- och riskklassas. Beräkningar av medelvärden per grundvattenförekomst för de utvalda substanserna visar att i nästan alla fall ligger de simulerade halerna under dricksvattengränsvärdet. Simuleringar har också gjorts för historisk användning av bentazon och MCPA. Utifrån användningsdata som var typisk 1986 kan man se att det är stora skillnader i riskerna för grundvattenläckage jämfört med dagens användning. Simuleringarna med den historiska användningen resulterade i avsevärt högre koncentrationer, vilket framförallt förklaras med de betydligt högre doserna som då tilläts. En jämförelse har även genomförts mellan av modellen simulerade koncentrationer och uppmätta koncentrationer på samma plats. Dessa jämförelser tyder på att MACRO-SE i stor utsträckning kan prediktera ifall ett ämne innebär en risk för detekterbara koncentrationer i grundvattnet. Simuleringsresultaten kan dock inte visa risker av transport av bekämpningsmedel i grundvatten eller lateral transport av bekämpningsmedel från intilliggande inströmningsområden och denna faktor måste tas hänsyn till med hjälp av andra informationskällor vid riskbedömning av specifika grundvattenförekomster. Vad gäller uppskattningar av faktiska koncentrationer i grundvattnet är predikterade och uppmätta koncentrationer ofta i samma storleksordning, för de få data som finns för jämförelse, men korrelationen mellan koncentrationerna är svag. Ett bättre dataunderlag av koordinatsatta provtagningar i grundvatten på 2 meters djup skulle bidra till ett bättre test av modellen som skulle vara värdefullt för fortsatt utveckling. Resultaten från denna rapport kan användas för att peka ut de substanser som kan utgöra en risk för läckage till grundvattnet samt i vilka områden denna risk är störst. Resultaten kan även användas i Länsstyrelsens vattenförvaltningsarbete som ett underlag i påverkansbedömningen samt för att ta fram nya stationer för kontrollerande och operativa övervakning av grundvattnet och på så sätt effektivisera de regionala miljöövervakningsprogrammen. Riskkartorna kan ge information om var arbetet med grundvattenskydd behöver intensifieras, samt utgöra underlag för upprättande av nya eller revidering av äldre vattenskyddsområden.

Environmental monitoring has revealed that pesticides regularly enter surface waters in Sweden. Mitigation measures to control point sources and spray drift have successfully reduced pesticide concentrations in natural waters, but concentrations still sometimes exceed ecotoxicological guideline values. In addition, the EU directives on water (2000/60/EC) and sustainable use of pesticides (2009/128/EC), and the regulations regarding placing plant protection products on the market (EC 1107/2009) stipulate that mitigation strategies should be developed against diffuse sources, such as surface run-off and drainage. This report presents a compilation of existing knowledge as data support for the relevant authorities in the implementation of run-off mitigation strategies in regulatory and subsidy systems. The report describes a number of measures (vegetated buffer strips in particular, but also wetlands, ditch management, integrated pest management and other management strategies) to reduce the risk of surface run-off of pesticides. The report also evaluates the validity under Swedish conditions of the R1 scenario in the PRZM-in-FOCUS model for assessing the risk of pesticide concentrations exceeding the ecotoxicological guideline values due to pesticide transport through run-off. In Sweden, the majority of surface run-off occurs during snowmelt, when pesticide losses are unlikely. The temporal and spatial incidence of run-off events during the growing season and the amount of pesticides transported in this way are currently unknown. Phosphorus models estimate that up to 33% of total annual water flow enters water courses as surface run-off in the worst case scenario, and around 10% on average, but lack of model calibration data renders these estimates highly uncertain. Field data from a drained silt loam (considered to represent the 95th percentile worst case for run-off under Swedish conditions) suggest that 35- 50% of total monthly water flow during summer (May-September) occurs as surface run-off. Thus, surface run-off may contribute considerably to pesticide transport locally, but is still considered unlikely to be of major importance on a national level, although data are lacking to confirm this assumption. Therefore, local adaptation of mitigation measures is deemed a more efficient strategy for Sweden than general solutions, such as mandatory vegetated buffer strips along all water courses. This would also simplify coupling to other environmental mitigation measures, e.g. concerning nutrients and biodiversity, and increase acceptance among farmers. The R1 scenario in PRZM-in-FOCUS greatly overestimates the risks of run-off and erosion for Sweden, since the assumptions on soil and weather conditions are more extreme than is realistic for Sweden. Thus, alternative solutions suggested in this report for assessing pesticide run-off risks in Sweden are: 1) developing a Swedish scenario for the PRZM model; 2) expanding the Swedish groundwater scenario for the MACRO-in-FOCUS model to include run-off estimation; and 3) establishing a system for local run-off mitigation that is sufficiently reliable to justify the assumption that pesticides will rarely enter surface waters through runoff. It is strongly suggested that research and monitoring projects be supported to provide a better database on which to build risk assessment scenarios and risk management strategies.

Bulletin du GFHN; In the French Beauce region, where the agriculture is very intensive, the groundwater has been degraded for several years by nitrate and pesticides. The work presented here aims at estimating the quantity of water that reaches the basis of the soil profile on a heterogeneous field of about 20 ha. The method was the following: i) we first realised a very precise soil map, with the help of electrical resistivity, ii) the hydric properties of the soil horizons were measured, iii) the quantity of water at the basis of the soil profile was estimated by modelling. The results showed that the heterogeneity of the field induced a difference of 30% between the most conductive soils and the less conductive ones. These results evidenced the necessity of a precise knowledge of soils properties to estimate the risk of degradation of groundwater.; En Beauce, zone de cultures intensives, on observe depuis de nombreuses années une dégradation de la qualité des eaux souterraines par l’accroissement des teneurs en nitrate et en produits phytosanitaires. Dans le cadre de la directive européenne 2000/60/CE, il convient de disposer d’outils permettant une évaluation spatialisée du risque de transfert de ces produits vers la nappe, y compris à l’échelle parcellaire. Les travaux présentés ici concernent l’estimation quantitative de la lame d’eau drainée à la base du sol sur une parcelle hétérogène. La démarche, classique, a consisté à réaliser une carte des sols précises, mesurer les propriétés hydrodynamiques des horizons de sol représentatifs de la parcelle, et estimer, par modélisation, la lame d’eau drainée au cours d’une année hydrologique. L’originalité du travail réside dans l’utilisation de la résistivité électrique, une technologie non destructive pour caractériser, à deux échelles, l’hétérogénéité du milieu. Les travaux s’appuient sur une parcelle d’une vingtaine d’hectares située à Ouarville, en Beauce Chartraine. Malgré sa faible surface, la parcelle analysée est très hétérogène, les sols s’étant développés dans un limon déposé soit directement sur le calcaire, soit sur une couverture d’argile à meulière. La carte des sols a été réalisée sur la base d’une prospection géophysique par MUCEP (dispositif tracté de mesure de la résistivité électrique à trois profondeurs), d’un modèle numérique d’altitude réalisé par GPS, et de l’analyse de 180 sondages pédologiques. Des échantillons de sol non perturbés ont été prélevés dans les horizons de cinq fosses pédologiques et l’on a déterminé leurs propriétés hydrodynamiques au laboratoire par la méthode d’évaporation de Wind. Chaque unité de la carte des sols a été représentée par un profil pédologique synthétique. Le drainage annuel à la base de chaque unité a été simulé grâce au modèle Hydrus 1D sur la base d’un scénario climatique réel (pluie et évapotranspiration issues de la station de Bricy, en Beauce). Nous avons ensuite analysé la variabilité locale de la quantité d’eau drainée, à l’intérieur d’une unité de sol. Les sondages à la tarière ayant montré une très grande variabilité à courte distance du substrat, la variabilité locale a été déterminée à partir d’une prospection géophysique par panneau électrique sur une trentaine de mètres, à une résolution de 10 cm. La lame d’eau drainée a ensuite été recalculée ponctuellement. L’expression cartographique de la quantité d’eau qui arrive annuellement à la base du sol présente une très grande hétérogénéité au sein de la parcelle, avec un écart de l’ordre de 30 % sur le drainage entre les zones les moins filtrantes (187 mm dans les néoluvisols sur argile) et les plus filtrantes (246 mm pour les néoluvisols profonds sur limon). Le panneau de résistivité électrique réalisée sur l’une des unités de sol met en évidence que la succession des horizons, de même que leur épaisseur, varie à très courte distance. La quantité d’eau qui arrive à la base du sol, calculée par l’application du modèle HYDRUS 1D à différentes positions le long du transect, varie de 202 à 223 mm/an. Ces points de drainage élevés représentent autant de zones de fuite potentielles vers la nappe et mettent en évidence la nécessité d’une caractérisation très fine du fonctionnement à l’échelle parcellaire pour estimer les risques de dégradation des eaux souterraines.

Diffuse pollution of groundwater bodies by pesticides is a critical environmental issue. Approaches designed to spatially modulate the applied pesticide dose, as a function of pesticide leaching risks down the soil, seem to be appealing solutions. In a research context, such approaches require a mapping of soil hydropedologic properties and of pesticides adsorption and degradation properties, in order to be able to model molecules fate in soils. The PhD work presented here deals with the first step of such approach: the characterisation of soils properties and an herbicide molecule - isoproturon - fate properties in soil at the scale of a 2600 ha agricultural area in the Beauce chartraine region. The PhD objectives hold in 3 parts: [i] characterising the spatial variability of soils pedological, physico-chemical and hydraulic properties (water retention, hydraulic conductivity KSAT, immobile water fraction fIMM), as well as isoproturon adsorption (KD) and degradation (DT50) properties in the topsoil of the studied area; [ii] Identify the agronomical and/or pedological determinisms of properties that are important for pesticides fate in soils; [iii] Calibrate and test pedotransfer classes or functions in order to predict important properties using simpler agronomical and/or pedological properties. Soils in the studied area have intermediate thickness and are derived from an aeolian loess that stands on a frost cracked and cryoturbed limestone. The topsoil of 34 sites has been characterised, with a systematic measurement of the seedbed properties, and a partial measurement of the rest of the cultivated layer. Among the 50 layers / samples that were characterised, one-third holds in no-tillage fields. With the exception of bulk density, soil physico-chemical properties are moderately variable (notably clay and CaCO3 contents). If the water holding properties and isoproturon KD are moderately contrasted too, soil fIMM, and KSAT, as well as isoproturon DT50 are highly variable. An important, La pollution diffuse des nappes phréatiques par les pesticides pose un problème environnemental critique. Les approches visant à moduler spatialement la dose de pesticide apportée en fonction des risques de transfert des molécules phytosanitaires à travers le sol sont a priori une solution séduisante. Dans un cadre de recherche, ces approches requièrent une connaissance spatialisée des caractéristiques hydropédologiques du sol, de l'adsorption et de la dégradation des molécules phytosanitaires, afin de pouvoir modéliser le comportement des molécules. Le travail de thèse présenté ici porte sur la première étape d'une telle démarche, la caractérisation des propriétés du sol et d'une molécule herbicide - l'isoproturon - à l'échelle d'un secteur agricole de 2600 ha de Beauce chartraine. Les objectifs de la thèse se décomposent en 3 parties : [i] Caractériser la variabilité spatiale des propriétés pédologiques, physico-chimiques et hydriques du sol (rétention en eau, conductivité hydraulique KSAT, fraction d'eau immobile fIMM), ainsi que les propriétés d'adsorption (KD) et de dégradation (DT50) de l'isoproturon dans l'horizon de surface du secteur agricole étudié ; [ii] Identifier les déterminismes agronomiques et/ou pédologiques des propriétés importantes pour le comportement des pesticides dans les sols ; [iii] Établir et tester des classes et des fonctions de pédotransfert permettant de prédire ces propriétés déterminantes à partir de propriétés agronomiques ou pédologiques plus simples. Les sols de ce secteur sont des sols moyennement épais développés dans un limon éolien reposant sur un calcaire gélifracté et cryoturbé. L'horizon de surface de 34 sites a été caractérisé, avec une détermination systématique des propriétés du lit de semence, et une détermination partielle du reste de l'horizon travaillé. Sur les 50 couches / échantillons de sol caractérisés, un tiers se trouvent dans des parcelles en travail simplifié (sans labour). À l'exception de la masse volumique apparente, les propriétés physico-chimiques du sol sont peu variables (teneur en argile et en CaCO3 notamment). Si les propriétés de rétention en eau et le KD de l'isoproturon sont, elles aussi, modérément contrastées, la fIMM, la KSAT, et la DT50 de l'isoproturon sont très variables. Un

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National audience; La cartographie des sols est une étape incontournable pour de nombreux travaux d'évaluation agronomique et environnementale. Les méthodes de prospection, qui reposent en grande partie sur l'expertise de terrain des pédologues, sont aujourd'hui très proches des travaux formalisés il y a plus de 30 ans. De nouveaux outils sont venus récemment renforcer la ' panoplie ' du pédologue. Nous avons testé l'un d'eux, la mesure de la résistivité électrique apparente du sol par l'outil MUCEP, sur une parcelle de 22 ha en Beauce chartraine. Cet appareil tracté permet une mesure quasi-simultanée pour des écartements inter-électrodes de 50, 100 et 200 cm. Nous avons intégré cette mesure géophysique au travail de cartographie des sols de la parcelle. Cette intégration s'est déroulée en plusieurs étapes. Après avoir utilisé les contrastes révélés par la mesure de résistivité pour orienter la prospection pédologique, nous avons procédé à une analyse statistique des corrélations entre les variables pédologiques et la résistivité électrique apparente. Le paramètre utilisé est le coefficient de corrélation bisériale. Ce dernier nous a permis de comparer simultanément l'effet des variables pédologiques quantitatives et qualitatives sur la résistivité. Il en ressort que la mesure de la résistivité électrique apparente est liée à de nombreuses propriétés du sol. Alors que la résistivité des écartements 50 cm et 100 cm est surtout sensible à la pierrosité de surface et à la profondeur d'apparition du calcaire, la résistivité de l'écartement 200 cm est d'abord sensible à la profondeur d'apparition du niveau argileux. Le résultat de cette analyse statistique a été exploité lors du tracé des limites entre les unités cartographiques de sol, en suivant un schéma de décision explicite. Ce dernier permet d'adapter localement, et au cas par cas, l'utilisation de la mesure de résistivité combinée au jugement d'expert. Cette étude montre que la mesure de résistivité électrique apparente MUCEP, complétée par une analyse statistique simple, peut apporter un gain de précision au travail de cartographie des sols. Ce constat est d'autant plus intéressant que le contexte géo-pédologique de cette étude est peu favorable au pédologue comme au géophysicien.