L’érosion des sols constitue une menace majeure pour la durabilité de la production agricole. Cette étude vise à développer une méthode originale de traçage des sédiments au sein de deux bassins versants agricoles aux caractéristiques contrastées. Différents marqueurs ont été utilisés pour tracer l’origine lithologique des particules (concentrations élémentaires, rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), déterminer de quel compartiment des sols (surface ou profondeur) elles proviennent (¹³⁷Cs) et étudier leur dynamique temporelle (⁷Be, ²¹⁰Pb_xs). Sur le bassin du Louroux (24 km², France), caractéristique des plaines agricoles du Nord-Ouest de l’Europe, les résultats ont montré un transfert accru de particules très fines (<2µm) via le réseau de drainage. Lors de l’étude de trois crues successives, les sédiments accumulés dans le chenal ont d’abord été transportés, avant l’exportation de particules directement érodées de la surface des sols. L’utilisation de modèles de mélange a montré que les particules érodées à la surface des sols contribuent majoritairement aux sédiments de l’étang situé à l’exutoire. D’autre part, les deux zones lithologiques discriminées par le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr contribuent équitablement aux particules qui se déposent dans l’étang. Les fortes variations observées depuis les années 1950 peuvent être interprétées comme le résultat de l’aménagement du bassin. Ces résultats ont montré le potentiel de l’isotopie du strontium (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) pour le traçage lithologique des sources de particules. La méthode a dès lors été transposée au site de Guaporé (2000 km², Brésil), un bassin agricole au climat plus érosif, à la topographie plus accentuée et aux lithologies plus contrastées. En combinant les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et les éléments les plus discriminants des cinq types de sols dans les modèles de mélange, les résultats montrent une contribution très majoritaire des types de sol localisés en aval du bassin. Celle-ci reflète une sensibilité croissante des sols à l’érosion selon un transect amont-aval, avec un système d’agriculture intensive appliquant des techniques de conservation des sols à l’amont et de plus petites exploitations familiales qui pratiquent un labour traditionnel en aval. Le couplage de ces traceurs améliore la compréhension de la dynamique des particules à l’échelle du bassin versant et fournit des données spatio-temporelles essentielles pour mettre en place des mesures de lutte contre l’érosion des sols. À terme, ces données pourraient être utilisées pour valider des modèles d’érosion et de transfert particulaire. / Soil erosion is recognized as one of the main processes of land degradation in agricultural environments. This study develops an original fingerprinting method to examine sediment source contributions in two contrasted agricultural catchments. Several properties were used to trace sediment lithological sources (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios, elemental concentrations), soil surface and subsurface sources (¹³⁷Cs) and to quantify their temporal dynamics (⁷Be, ²¹⁰Pb_xs).In the Louroux catchment (24 km², France), representative of drained areas of Northwestern Europe, results showed the dominant contribution of very fine particles (<2 µm) transiting through the tile drainage system to suspended sediment. Sediment accumulated in the river channel was mainly exported during the two first floods investigated in 2013 whereas the next event was characterized by the transport of sediment eroded from the cultivated soil surface. Mixing models were used, and results indicated that surface sources contributed the majority of sediment deposited in the pond, at the outlet of the catchment. The two lithological sources, discriminated using ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios, contributed in similar proportions to downstream pond sediment. In contrast, significant variations were observed since the 1950s. These changes may be related to the progressive implementation of land consolidation schemes within the catchment. Results obtained in the Louroux catchment revealed the potential of ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios to trace sediment lithological sources. The methodology was then applied to the larger and steeper Guaporé catchment (2000 km², Brazil), exposed to a more erosive climate and characterized by contrasted laterite soils. ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios and elements that discriminated the five soil types found in the catchment were incorporated in mixing models. Results showed that the major part of sediment was supplied by soils located in lower catchment parts. This result suggests the higher sensitivity of land cultivated with conventional farming practices (downstream contribution), compared to areas cultivated under conservation agriculture (upstream contribution). Coupling several tracers (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios, elemental concentrations and radionuclides) was shown to improve the understanding of sediment sources and dynamics at the catchment scale and to provide crucial information to guide the implementation of management measures to limit soil erosion. This fingerprinting approach produced an original dataset that may be used to calibrate and validate models simulating erosion and sediment transfers.

Le développement des activités humaines, notamment industrielles, depuis le 19ième siècle a engendré une contamination massive de l’atmosphère à la rivière, en passant par la biosphère et les sols. Si les contaminations ont fortement diminué depuis la fin des années 1960, elles persistent notamment en milieu urbain, où se concentrent un grand nombre d’activités humaines. Afin de pouvoir gérer au mieux la pollution, il est nécessaire de comprendre la dynamique de transfert des contaminants, ainsi que leurs sources, à l’échelle du continuum atmosphère – sol – rivière. Cette étude a donc pour objectif d’évaluer les variations temporelles et spatiales de deux types de contaminants historiques, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et certains éléments traces (ET), à l’échelle du bassin versant de l’Orge (950 km2), présentant une urbanisation croissante d’amont en aval. Plusieurs approches ont été utilisées pour tracer les transferts de particules en rivière (radionucléides ⁷Be, ²¹⁰Pb, ¹³⁷Cs), et déterminer les sources de Pb (isotopes du Pb), et les sources de HAP (rapports de molécules).Les résultats ont mis en évidence un impact important des zones urbaines sur la qualité de la rivière Orge en aval du bassin : contamination importante en métaux (Cu, Zn, Sb, Pb) et en HAP de la phase particulaire, et des niveaux élevés en SO42⁻, Na⁺ et Cl⁻, Cu, Zn et Pb dans la phase dissoute. Le traçage des sédiments par les radionucléides a permis d’observer un apport de particules provenant du ruissellement urbain en aval, et d’identifier les particules de route (ou Road Deposited Sediment) comme source principale. Les signatures isotopiques du Pb ainsi que les signatures en HAP permettent de confirmer que le ruissellement urbain est le principal vecteur de contamination. Les estimations des flux d’ET et HAP annuels et saisonniers entrants (retombées atmosphériques) et sortants (exportés par la rivière) ont mis en évidence une accumulation globale à l’échelle du bassin, qui comporte déjà un stock important de contaminants dans ses sols. Cette étude montre ainsi l’importance d’étudier la Zone Critique dans son ensemble afin d’évaluer la dynamique des contaminations au sein et entre ses différents compartiments, et met en évidence l’efficacité du couplage de plusieurs approches afin de comprendre le système entier. Ces résultats pourraient à terme permettre l’établissement d’un modèle de transfert de contaminations au sein d’un bassin urbain. / The development of human societies since the 19th century has led to deleterious impacts on the Critical Zone (from atmosphere to river, including biosphere and soils). Despite the decrease of pollutions since the late 1960’s, contaminations remain especially in urban environment, concentrating human activities. To better manage this pollution, it is necessary to understand the dynamics and pathways of contaminants through the atmosphere – soil – river continuum. The goal of this study in thus to evaluate the temporal and spatial variations of two contaminants (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and trace elements (TE)) in the Orge River catchment (900 km2, France) being under increasing urban pressure from up to downstream. Several fingerprinting approaches were used to trace sediment dynamics in the river (radionuclides: ⁷Be, ²¹⁰Pb, ¹³⁷Cs), to identify lead sources (lead isotopes) and PAH sources (PAH molecular ratios). The results demonstrated the strong influence of downstream urban areas on the river quality, with an increasing contamination for Cu, Zn, Sb, Pb and PAH in the particulate phase, and for SO42⁻, Na⁺ et Cl⁻, Cu, Zn and Pb in the dissolved phase. The sediment fingerprinting using radionuclides revealed a significant input of particles originating from urban areas and transferred through urban runoff, and identified road deposited sediments as the major source of contaminated particles downstream. Source tracking of Pb and PAH confirmed urban runoff as the main pathway of river contamination. In addition, annual and seasonal PAH and TE fluxes were estimated respectively for the atmospheric inputs, and riverine exports and revealed a global accumulation of contaminant over the catchment, already containing a significant stock of pollutants in its soils. Finally, this study highlights the need to integrate the Critical Zone and the potential of coupling multiples tracking approaches to properly evaluate the contaminant dynamics. These results may be used to establish a model of contaminants transfer in urban catchments.