CHAPITRE 2 - REPRESENTATION ET MODELISATION DU CYCLE DE PRODUCTION
3. M ODELISATION D ’ UN ETANG PISCICOLE FRANÇAIS
3.3. Modélisations des éléments et processus biophysiques
Le phytoplancton a besoin de cinq intrants afin de produire de la biomasse. La quantité d’énergie solaire est estimée à partir de données météorologiques spécifique à la Dombes. La quantité moyenne d’énergie solaire reçue par les étangs est de 42 6715 J/ha durant le cycle de production. Les quantités d’azote et de phosphore captées afin d’assurer la croissance sont estimées à partir de la totalité de la biomasse produite (vivante, broutée et morte) et de la composition en glucide, protéine et lipide du phytoplancton. Ainsi, nous estimons qu’il faut environ 0,02 kg NO3 / kg de phytoplancton (Mat. Fraiche) et 0,0001 kg de PO4 / kg de phytoplancton durant le cycle. La quantité de CO2 captée est estimée de la même manière, en prenant en compte le CO2 expiré durant la nuit (cf. ci-dessous). Ainsi, la quantité de CO2 fixée par le phytoplancton dépendra de la chaine trophique et de la pression trophique subie par le phytoplancton.
89 Le phytoplancton produit de la biomasse. La biomasse produite durant le cycle correspond à la différence entre la biomasse présente à la fin et au début, la biomasse broutée et la biomasse morte. La biomasse présente en début et fin de cycle est estimée à partir des concentrations en chlorophylle a (données de l’ISARA) et de l’équation adaptée de Vörös et Padisak (1991):
𝑌 = 10log(𝑋0.577)−1.194
Y représente la concentration de phytoplancton en mg/m3 et X représente la concentration en chlorophylle a en mg/l. La biomasse broutée et morte est estimée à partir d’un modèle de chaîne trophique (cf. ci-dessous partie sur la chaîne trophique).
Dans notre modèle, le phytoplancton n’émet que du CO2 et de l’O2 (Figure 2.2). Le CO2 émis est estimé à partir du cycle de Krebs et de la quantité d’O2 consommée durant la nuit. A partir des équations des résultats de Langdon (1993) concernant la consommation d’O2 pour différents groupes ou espèces de phytoplancton, nous pouvons calculer la production d’O2 durant la phase nocturne (0,028 kg d’O2 par kg de phytoplancton par jour). Nous utiliserons un modèle simplifié de respiration aérobie afin d’estimer le CO2 émis :
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) → 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + chaleur
Ainsi, pour une mole d’O2 respirée, une mole de CO2 sera émise. Nous estimons qu’en moyenne 0,039 kg de CO2 est expiré par jour et par kilogramme de phytoplancton. L’O2 émis lors de la photosynthèse n’est pas considéré dans notre modélisation.
3.3.2. Les macrophytes
Cinq intrants sont nécessaires afin que les macrophytes produisent de la biomasse. Les macrophytes reçoivent la même quantité d’énergie solaire que le phytoplancton. Les quantités d’azote et phosphore captées pour la croissance sont estimées de la même manière que pour le phytoplancton. La quantité de CO2 captée est estimée de la même manière, en prenant en compte le CO2 expiré durant la nuit (cf. ci-dessous). La quantité d’oxygène n’est pas quantifiée pour cette étude.
Nous supposons que la couverture en macrophytes est nulle en début de cycle. La biomasse présente en fin de cycle est estimée à partir des données de recouvrement en macrophytes (données de l’ISARA). La biomasse produite durant le cycle correspond à la différence entre la biomasse présente à la fin et au début dans l’étang, la biomasse broutée et la biomasse morte. La biomasse broutée et morte est estimée à partir d’un modèle de chaîne trophique.
Il n’existe pas de modèle (même spécifique) de la respiration des macrophytes des étangs ou du CO2 capturé lors de la photosynthèse. Nous utiliserons par défaut les mêmes approximations et modèles que pour le phytoplancton. Nous estimons qu’en moyenne 0,039 kg de CO2 est expiré par jour et par kilogramme de macrophytes. L’O2 émis lors de la photosynthèse n’est pas considéré.
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3.3.3. Le zooplancton
Le zooplancton nécessite deux intrants pour produire de la biomasse: de l’oxygène et de la biomasse de niveau trophique inférieur. La quantité d’oxygène inspirée ne sera pas prise en compte lors de cette étude. La biomasse en MOP (boues), phytoplanctons et zooplanctons nécessaire à la croissance du zooplancton est évaluée ci-dessous.
Il est possible d’obtenir une estimation de la biomasse en zooplancton lors de la fin de cycle, en fonction de la présence d’alimentation exogène ou non et / ou d’une lagune (Aubin, et al., 2019a). Ainsi, nous pouvons estimer une présence de 2,28 kg / m2 de lagune sans apport d’aliment exogène, 2,5 kg/m2 de lagune avec l’apport d’aliments exogènes et 4,78 kg / m2 avec une lagune plantée et apport d’aliments exogènes. Une de ces trois valeurs est attribuée à un étang en fonction de l’apport ou non d’aliments et du pourcentage de couverture par les macrophytes. La biomasse de début de cycle est considérée comme nulle. Les quantités broutées et mortes de biomasse sont estimées à l’aide d’un modèle de chaine trophique (cf. chaine trophique).
En plus de la biomasse, le zooplancton produit du CO2 et des déchets organiques (MOP, MOD). Le CO2 expiré est obtenu à partir des équations de Banse (1992) ; Pour chaque mole d’O2 inspirée, quatre moles de CO2 sont expirées, ainsi on estime que 8,34 kg de CO2 sont émis par kg de zooplancton durant le cycle de production. La quantité de déchet organique produite durant le cycle est estimée à partir d’un bilan de masse du carbone au sein des zooplanctons. Nous connaissons la biomasse ingérée par le zooplancton et son origine, la biomasse produite, broutée et morte du zooplancton, ainsi que le CO2 expiré. Cette quantité de carbone produite sous forme de déchet organique est transformée en matière organique moyenne en multipliant la masse par deux (en supposant que la matière organique est composée de 50% de carbone en moyenne). Les émissions d’azote et phosphore se font via les MID, ces matières sont issues de la digestion du zooplancton.
3.3.4. Les invertébrés
Les invertébrés nécessitent trois intrants pour produire de la biomasse : de l’oxygène, de la biomasse des niveaux trophiques inférieurs et ils peuvent s’auto-prédater. La biomasse en MOP (boues), phytoplanctons et zooplanctons nécessaire à la croissance du zooplancton est évaluée ci-dessous.
Il est possible d’obtenir une estimation de la biomasse des invertébrés en fonction de la présence d’alimentation exogène ou non et / ou d’une lagune (Aubin, Baizeau, Jaeger, Roucaute, Nahon, Gamito, 2019a). Ainsi, nous pouvons estimer une présence de 5.59 kg / m2 de lagune sans apport d’aliment exogène, 0.61 kg/m2 de lagune avec l’apport d’aliments exogènes et 2.72 kg / m2 avec une lagune plantée et apport d’aliments exogènes. Une de ces trois valeurs est attribuée à un étang en fonction de l’apport ou non d’aliments et du pourcentage de couverture par les macrophytes. La biomasse de début de cycle est considérée comme nulle. Les quantités broutées et mortes de biomasse sont estimées à l’aide d’un modèle de chaine trophique.
91 En plus de la biomasse, les invertébrés produisent du CO2 et des déchets organiques (MOP, MOD). Le CO2 expiré est obtenu à partir des équations de Banse (1982) ; Pour chaque mole d’O2 inspirée, quatre moles de CO2 sont expirées, ainsi on estime que 8,34 kg de CO2 sont émis par kg d’invertébrés durant le cycle de production. La quantité de déchets organiques produite durant le cycle est estimée à partir d’un bilan de masse du carbone au sein des zooplanctons. Nous connaissons la biomasse ingérée par les invertébrés et son origine, la biomasse produite, broutée et morte du zooplancton, ainsi que le CO2 expiré. Cette quantité de carbone produite sous forme de déchets organiques est transformée en matière organique moyenne en multipliant la masse par deux (en supposant que la matière organique est composée de 50% de carbone en moyenne). Les émissions d’azote et phosphore se font via les MID, ces matières sont issues de la digestion des invertébrés.
3.3.5. Les poissons
La biomasse stockée en début de cycle et la biomasse pêchée (en fin de cycle) sont directement obtenues dans les données de l’ISARA. Les biomasses de poissons prédatées et mortes, ainsi que la biomasse des organismes prédatée sont obtenues grâce à un modèle de chaine trophique (cf. ci-dessous)
Le CO2 expiré est obtenu à partir des résultats de Beamish (1964). Ainsi, nous estimons qu’un kilogramme de poisson expire environ 0,026 kg de CO2 par jour durant le cycle de production. Les déchets solides et liquides servent à l’équilibrage du modèle de poisson. Les poissons rejettent majoritairement leurs déchets azotés sous forme d’ions ammonium directement dans l’eau. Par simplification, les déchets solides seront donc principalement composés de carbone et de phosphore.