L’objectif de cette thèse est l’étude des caractéristiques d’émission des aérosols terrigènes ou poussières minérales avec les conditions aérodynamiques en zone source. Ces particules de poussière sont produites par érosion mécanique des sols sous l’action du vent dans les environnements désertiques et semi-désertiques. Ils sont un vecteur important de nutriments (N, P, Fer..) entre les écosystèmes terrestres et marins et influencent le bilan climatique global de par leur aptitude à diffuser et/ou absorber les rayonnements solaires et telluriques lorsqu’ils sont en suspension dans l’atmosphère. Ce travail s’est déroulé en deux étapes avec dans un premier temps des mesures expérimentales en conditions naturelles dans un champ de mil au Niger lors de deux campagnes du programme de l’Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine (AMMA) en été 2006 et 2007. Dans un second temps ces mesures ont été confrontées au modèle de production de poussière minérale le DPM (Dust Production Model) développé au LISA à partir de considérations théoriques et d’études en soufflerie. Durant les deux campagnes de mesures, trois événements érosifs dont deux modérés de type ‘mousson’ et un très énergique de type système convectif, contraints au maximum ont pu être étudiés de manière détaillée. Les mesures expérimentales confirment d’une part que le sandblasting est bien le moteur de la génération des aérosols terrigènes. Et, d’autre part comme cela avait été montré par les études en soufflerie, les flux d’émission d’aérosols terrigènes sont enrichis en particules de plus en plus fines lorsque la contrainte exercée par le vent au niveau du sol augmente. Nos résultats expérimentaux ont par la suite été comparés aux prédictions du DPM qui reproduit d’une manière plutôt satisfaisante les flux totaux en masse à condition de réduire les énergies de cohésions, déduites des mesures en soufflerie, et liant les particules fines entre elles. En revanche, lorsqu’on regarde les flux résolu en tailles, le modèle a tendance à surestimer les populations de particules les plus grossières. Ceci a nécessité de développer une nouvelle paramétrisation des flux d’émission avec les conditions aérodynamiques. Cette dernière a été testée avec satisfaction sur un événement d’érosion indépendant de ceux utilisés pour établir la paramétrisation / The aim of this work is to link quantitatively the characteristics (intensity and sizedistribution) of the flux of fine mineral particles produced by wind-erosion in a Sahelian zone with the aerodynamic conditions prevailing during the erosion events. Achieving this goal is a prerequisite for quantifying accurately 1) the transfer of soil nutrients (N, P, Fe…) from the source areas to the deposition zones located downwind, and 2) the impact on climate of air-suspended mineral particles which are able to scatter and absorb solar and terrestrial radiation. An important part of this work has been dedicated to the collection of experimental data during the 2006 and 2007 summer campaigns of the « Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine » (AMMA) experiment. Measurements were carried out at Banizoumbou (60km east of Niamey, Niger) on a sandy agricultural field representative of the Sahelian wind erodible surfaces. After describing the original experimental set-up and associated methodology, a complete study of all the types of events monitored during the field campaigns is made. Very few transport cases accompanied by significant deposition were observed (only two over the whole measuring period), but many erosion cases were recorded. The latter could result either from the temporal strengthening of the south western monsoon winds prevailing in this season (‘monsoon events’) or to the passage of convective systems accompanied by strong surface winds and often followed by rain (‘convective events’). After rigorous cross examination of the quality of the data set 2 events of the monsoon type and one of the convective type are retained for the rest of the study. In good agreement with previous wind tunnel experiments, comparing the size distributions measured during the events confirms that the emission flux is richer in very fine particles during the energetic convective event than during the less violent monsoon ones. Then, these results are compared with the predictions of the Dust Production Model (DPM) based on the previous wind-tunnel studies. It is found that the DPM is able to simulate correctly the intensity of the emission mass flux provided adequate values are selected for the binding energies of the fine particle populations identified in the laboratory experiments. However, a more detailed analysis of the size-resolved fluxes reveals that the DPM tends to overestimate the production of particles larger than 10µm and underestimate the flux of particles with sizes between 2 and 8µm. This leads us to propose a new parameterization based on a detailed study of the 3 events selected previously. This parameterization allows prediction of the changes in emission flux intensity and sizedistribution with aerodynamic conditions. In a final step, the parameterization is tested successfully on an independent erosion event

Les écosystèmes sahéliens, et tout particulièrement ceux qui se développent sur des sols sableux, réagissent très vite et très intensément aux moindres changements climatiques. Dans cette zone semi-aride, l'érosion éolienne qui affecte essentiellement les surfaces cultivées met en péril l'exploitation durable des ressources en terre. Par ailleurs, l'explosion démographique de ces dernières décennies et les grandes crises climatiques à l'origine des sécheresses du vingtième siècle ont eu d'importantes répercussions sur le milieu. Pour gérer au mieux ce milieu fragile, il importe d'abord de bien comprendre son fonctionnement. Ce travail de thèse s'est donc inscrit dans le programme de recherche AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson africaine) et se situe au coeur du programme CORUS2 (Coopération pour la Recherche Universitaire et Scientifique) concernant essentiellement l'étude de la dynamique éolienne des sols sableux cultivés de la région de Niamey. La stratégie suivie au cours de cette étude a été de s'appuyer sur un important dispositif de mesures expérimentales pour comprendre au mieux et quantifier le fonctionnement actuel du milieu essentiellement vis-à-vis de l'érosion éolienne. Ces mesures expérimentales ont permis d'interpréter les changements que nous avons pu mettre en évidence sur un ensemble de terroirs proches de Niamey qui constituent les bassins versants de deux lacs permanents récents : Bangou Bi et Bangou Kirey (13,51° N - 2,21° E). Les enregistrements sédimentaires recueillis dans ces lacs ont ensuite été analysés en regard de l'évolution de leur bassin versant. Au cours de cette étude nous avons mis en évidence le rôle majeur des résidus de culture dans les champs traditionnels et montré que même à des taux de recouvrement extrêmement bas, ils constituent une protection pour les sols. Cependant leur efficacité chute en deçà d'un seuil de 2% et l'érosion éolienne déplace alors des quantités considérables de terres (130 t/an en moyenne) et participe activement à l'encroûtement des sols. Il est probable qu'à la faveur combinée de la mise en culture de l'ensemble des versant avant 1975 et de la sécheresse de 1985, un tel processus d'érosion et d'encroûtement s'est mis en place expliquant ainsi la dégradation considérable du milieu que nous avons mise en évidence entre 1975 et 2009 à partir d'enquêtes auprès des population et par la cartographie diachronique des petits bassins versant étudiés. A partir de l'étude des sédiments collectés dans les lacs, nous avons pu proposer un modèle de mise en place de ces sédiments qui suggère une intensification de l'érosion à partir du milieu des années 80.

Les cuvettes du Damagaram Est (Sud-Est du Niger), sources importantes de productions alimentaires et de revenus, sont sujettes à ensablement par des sédiments éoliens. L’amplification du phénomène de la désertification au Sahel a exacerbé ce processus. L’objectif de ce travail, effectué au Nord-Ouest de Gouré, est d’évaluer l’impact de l’occupation du sol sur l’activité éolienne et l’ensablement des cuvettes d’une part, et d’autre part de tester l’efficacité d’une technique de fixation de dunes en terme de réduction des flux éoliens et de restauration écologique. Pour atteindre ces objectifs, nous avons suivi pendant 3 ans les caractéristiques du vent et l’activité éolienne ainsi que mesuré les flux de sédiments éoliens en relation avec l’évolution de la biomasse végétale. Les résultats obtenus ont montré que l’érosion éolienne sur les pâturages suit une dynamique saisonnière marquée, principalement en relation avec la dynamique temporelle de la hauteur de rugosité aérodynamique (Z0). Cette dynamique est due à l’impact de la pluviométrie et des activités pastorales et anthropiques sur la végétation herbacée. Les pâturages sur sols sableux apparaissent comme des zones potentielles de déflation au cours de la deuxième moitié de la saison sèche et pourraient ainsi contribuer à l’ensablement des cuvettes. Les tempêtes observées dans la première moitié de la saison des pluies au Sahel sont responsables d’une mobilisation importante de sédiments éoliens. L’analyse physico-chimique de ces sédiments montre globalement que les proportions de limons et d’argiles augmentent au détriment de la proportion de sables quand la hauteur de collecte augmente. Ceci s’accompagne d’un enrichissement important en nutriments (N, P, K) et en carbone. Les bilans de masse au niveau parcellaire sont globalement positifs, indiquant un apport net de sédiments, de nutriments et de carbone. Cependant, les incertitudes liées à ces bilans de masse sont très élevées. Si ces résultats semblent donc indiquer l’existence de sources de sédiments extérieures à la parcelle dans le contexte de cette étude, ils ne peuvent être interprétés comme preuve de l’absence d’érosion sur les sols dunaires à vocation pastorale. L’emploi de palissades antiérosives à base de Leptadenia pyrotechnica s’est révélé être une technique très efficace de fixation mécanique de dunes vives en zone semi-aride, permettant de réduire de plus de 95% les flux dès la première année. Elle entraîne la reprise des herbacées, tant en quantité qu’en diversité des espèces. Cette végétation renforce progressivement l’action anti-érosive. Cette technique constitue de ce fait une méthode adéquate de restauration des dunes dégradées en condition de non pâture. / The “cuvettes” of Eastern Damagaram (South-Eastern Niger), which are an important source of food and revenue, are being silted up by aeolian sediment. The amplification of the desertification phenomenon in the Sahel is exacerbating this process. The objective of this research, carried out to the North-West of Gouré, was to evaluate the impact of land use on the aeolian activity and the silting up of the cuvettes on the one hand, and on the other hand to evaluate the effectiveness of a dune fixation technique in terms of flux reduction and ecological restoration. To achieve these objectives, the wind characteristics and the aeolian activity were monitored for three years and we measured the sediment fluxes in relation to the development of the herbaceaous cover. It was shown that sediment fluxes on pasture land follow clear seasonal dynamics related to the temporal dynamics of the aerodynamic roughness length (Z0). These dynamics are due to the impact of rainfall as well as pastoral and human activities on the herbaceous vegetation. Pasture land on sandy soils appears to be a potential source of sediment during the second half of the dry season and may therefore contribute to silting up of the cuvettes. The dust storms observed during the early part of the rainy season in the Sahel are responsible for an important mobilization of aeolian sediment. The physico-chemical analysis of the sediment indicates an increase in the clay and silt content relative to the sand content as the height increases above ground. This goes together with an enrichment in nutrients (N, P, K) and carbon. The mass balances at plot level are positive overall, thereby indicating a net addition of sediment, nutrients and carbon. However, the uncertainty associated with these mass balances is very high. Although the results seem to indicate the existence of external sources of sediment in the present study, they cannot be interpreted as a definite proof of the absence of erosion on grazed dune soils. The use of windbreaks made of Leptadenia pyrotechnica proved to be a very effective mechanical dune fixation technique, reducing sediment fluxes by more than 95% as off the first year. The windbreaks resulted in a progressive recovery of the herbaceous cover, both in quantity and species diversity. The herbaceous cover reinforced the anti-erosive effectiveness of the windbreak. This technique therefore constitutes an adequate method for the restoration of degraded dunes under zero grazing conditions.

Les écosystèmes sahéliens, et tout particulièrement ceux qui se développent sur des sols sableux, réagissent très vite et très intensément aux moindres changements climatiques. Dans cette zone semi-aride, l’érosion éolienne qui affecte essentiellement les surfaces cultivées met en péril l’exploitation durable des ressources en terre. Par ailleurs, l’explosion démographique de ces dernières décennies et les grandes crises climatiques à l’origine des sécheresses du vingtième siècle ont eu d’importantes répercussions sur le milieu. Pour gérer au mieux ce milieu fragile, il importe d’abord de bien comprendre son fonctionnement. Ce travail de thèse s’est donc inscrit dans le programme de recherche AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson africaine) et se situe au coeur du programme CORUS2 (Coopération pour la Recherche Universitaire et Scientifique) concernant essentiellement l’étude de la dynamique éolienne des sols sableux cultivés de la région de Niamey. La stratégie suivie au cours de cette étude a été de s’appuyer sur un important dispositif de mesures expérimentales pour comprendre au mieux et quantifier le fonctionnement actuel du milieu essentiellement vis-à-vis de l’érosion éolienne. Ces mesures expérimentales ont permis d’interpréter les changements que nous avons pu mettre en évidence sur un ensemble de terroirs proches de Niamey qui constituent les bassins versants de deux lacs permanents récents : Bangou Bi et Bangou Kirey (13,51° N – 2,21° E). Les enregistrements sédimentaires recueillis dans ces lacs ont ensuite été analysés en regard de l’évolution de leur bassin versant. Au cours de cette étude nous avons mis en évidence le rôle majeur des résidus de culture dans les champs traditionnels et montré que même à des taux de recouvrement extrêmement bas, ils constituent une protection pour les sols. Cependant leur efficacité chute en deçà d’un seuil de 2% et l’érosion éolienne déplace alors des quantités considérables de terres (130 t/an en moyenne) et participe activement à l’encroûtement des sols. Il est probable qu’à la faveur combinée de la mise en culture de l’ensemble des versant avant 1975 et de la sécheresse de 1985, un tel processus d’érosion et d’encroûtement s’est mis en place expliquant ainsi la dégradation considérable du milieu que nous avons mise en évidence entre 1975 et 2009 à partir d’enquêtes auprès des population et par la cartographie diachronique des petits bassins versant étudiés. A partir de l’étude des sédiments collectés dans les lacs, nous avons pu proposer un modèle de mise en place de ces sédiments qui suggère une intensification de l’érosion à partir du milieu des années 80. / Sahelian ecosystems, especially those installed on sandy soils react very quickly and intensely to small climatic changes. In this semi-arid area, wind erosion which occurs mainly on cultivated millet fields and is threatening the sustainable use of land resources. Furthermore, the rapid population growth and the severe droughts of the twentieth century have had important impacts on ecosystems. To better manage this fragile environment, it is important first to understand how it works. This thesis was included in the framework of the AMMA project (African Monsoon Multidisciplinary Analyses) and was in the heart of a CORUS 2 (Coopération pour la Recherche Universitaire et Scientifique) program which aimed to study wind erosion of cultivated sandy soils in the region of Niamey. The strategy followed in this study was based on detailed experimental measurements aiming to precisely quantify and understand current environment dynamics and more precisely, wind erosion dynamics. The results of experimental measurements were used to explain the changes we observed on small catchments of two permanent lakes near Niamey: Bangou Bi and Bangou Kirey (13.51 ° N - 2, 21 ° E). The sediment cores collected in these lakes were then analyzed in light of their catchments changes during the last century. In this study, we highlighted the major role of crop residues cover in traditionally cultivated field against wind erosion. Even at extremely low cover rate, they provide efficient protection for soils. However, below a threshold of 2%, their efficiency dramatically decrease and wind erosion caused large amount of soil losses (in average 130 t per year) and is actively involved in soil crusting. It is likely that this mechanism (wind erosion due very low crop residue cover and soil crusting) occurred by the middle of eighties due to the combined effects of generalized soil cultivation and sever drought of 1985. These processes explained the large degradation of the lakes watersheds we observed from surveys and diachronic mapping between 1975 and 2009. With sediment core analyses, we proposed a model of sedimentation in the Niamey lakes. This model suggests increasing erosion since the 1980’s. From the study of sediments core collected in lakes, we proposed a model explaining sedimentation that suggests an intensification of erosion from the mid 80s.