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Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier Discipline ou spécialité : hydrogéochimie
JURY
M. TREMOLIERES - Professeur de l'Université de Strasbourg Rapporteur I. ANTIGUEDAD - Professeur de l'Université du Pays Basque – EHU, Bilbao Rapporteur T. TOSIANI - Professeur de l'Université Central de Venezuela - Caracas Rapporteur J. VIERS - Maître de Conférence de l'Université de Toulouse III - Toulouse Examinateur
J.L. ROLS - Professeur de l’Université de Toulouse III - Toulouse Président J.M. SÁNCHEZ-PEREZ - Directeur de recherche CNRS – Toulouse Directeur de thèse
Ecole doctorale : Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (DSU2E) Unité de recherche : Laboratoire des Mécanismes et Tranferts en Géologie (LMTG, UMR 5563)
et Laboratoire d’Ecologie Fonctionnelle (Ecolab, UMR 5245) Directeur de Thèse : Michel LOUBET (Physicien, UMR LMTG)
et José Miguel SANCHEZ-PEREZ (DR CNRS, UMR Ecolab)
Présentée et soutenue par Brenda-Xiomara OCHOA-SALAZAR Le 06 Novembre 2008
Titre : Etude conjuguée géochimique/hydrologique des relations nappe-rivière dans une zone humide: cas de la zone humide alluviale de Monbéqui, France.
Remerciements
Ce travail a été réalisé au Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes, (LEH), maintenant LABoratoire de ECOlogie Fonctionnellle (ECOLAB) et Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie (LMTG), tout d’abord je remercie Monsieur Jean-Luc ROLS, Directeur du (LEH), et Monsieur Bernard DUPRE Directeur (LMTG) pour m’avoir accueillie au sein des laboratoires pour les 4 années de cette thèse.
Je tiens à exprimer mes remerciements aux membres de jury, Madame Michelle TREMOLIERES Professeur à l’Université de Strasbourg que merci a ses remarques ce thèse a été améliore énormément; Monsieur Gérard GRUAU, Directeur de Recherche à Rennes, qui a lu ce thèse dans un temp record; Monsieur Iñaki ANTIGUEDAD Professeur à l’Université du Pays Basque, Espagne d’avoir accepte d’évaluer un document qui n’est pas rédigé dans sa langue maternelle, merci a tous d’avoir accepté d’évaluer ce travail comme rapporteurs. Je tiens à remercier et à exprimer ma reconnaissance a mes directeurs de thèse Monsieur José Miguel SANCHEZ-PEREZ (ECOLAB- LEH), et Monsieur Michel LOUBET (LMTG), Merci beaucoup pour son accueil, pour m’avoir donné l’opportunité de découvrir l’hydro-géochimie et Toulouse, pour leur confiance, leur compétence, leur patience, leur disponibilité tout au long des ses années, pour sa contribution rigoureuse à ma formation scientifique et finalement pour ses qualités humaines.
Je remercie profondément à Madame Sabine Sauvage (ECOLAB) pour leur disponibilité à leur générosité, leur patience, leur temps, comme vous faite?
Je remercie à M. Jean-Luc DANDURAND (LMTG) pour leur coup de main quand j’ai eu besoin.
Je remercie Monsieur Fréderic CANDAUDAP, Carole BOUCAYRAND, Sébastien GARDOLL et Carole CAUSSERAND pour sa disponibilité et son apport à ce travail en matière d’analyses chimiques.
Je voudrais remercie a mes amies desquels j’ai reçu beaucoup de soutien dès mon arrivée à Toulouse jusqu’au aujourd’hui, Fidel Chavez, Fernando y Carmen, Hector et Rebeca, Matias Salvarredy, Fabian, Felipe et Candy, Stéphanie, Amaia, Crispin, Guillermo, Edmundo,
iii
Bernardo, Carolina, pour leur soutien jour à jour, et finalement à tous mes amies de loin… Janic, Manolo, Sandra, …
Je suis également reconnaissant pour l’effort financier que mon pays México a fait pour permettre de réaliser cette thèse, cette aide a été gérée par le programme de coopération franco-mexicain CONACYT.
En fin cette thèse est à la fois le fruit de la participation directe et indirecte d'un bon nombre de personnes et de mon travail, merci à tous (et également à ceux que j’ai oubliés) pour m’avoir aidé tout au long de cette thèse confirmant (s’il en était besoin) que la recherche est avant tout un travail d’équipe.
Finalmente agradezco a mi familia que siempre esta en mis pensamientos y en mi corazón, a lo largo de este periodo, la distancia… poco importa… a Yoda que me acompañas en este camino de la vida, tu nobleza es un ejemplo a seguir.
INDICE
INTRODUCTION 1
CHAPITRE I – LES ZONES HUMIDES 7
INTRODUCTION... 8
1-1.DEFINITION DES ZONES HUMIDES... 8
1-1-1. Difficulté de définition des zones humides ... 8
1-1-2. Définitions... 8
1-2.LES DIFFERENTS TYPES DE ZONES HUMIDES... 9
1-2-1. Zones humides marines et côtières ... 10
1-2-2. Zones humides continentales ... 11
1-2-3. Les zones humides artificielles... 12
1-2-4. Les zones humides de bas-fond en tête de bassin... 12
1-2-5. Les mares permanentes et temporaires... 12
1-2-6. Localisation des différents types de zones humides dans un bassin versant. ... 13
1-3.CARACTERISTIQUES DES ZONES HUMIDES... 13
1-3-1. Caractéristiques hydrologiques ... 15
1-3-2. Caractéristiques physiques ... 16
1-3-3. Caractéristiques biologiques ... 16
1-4.FONCTIONS DES ZONES HUMIDES... 17
1-4-1. Fonctions biogéochimiques des zones humides ... 18
1-4-2. Fonctions hydrologiques des zones humides ... 19
1-4-3. Les fonctions biologiques... 21
1-4-4. Fonctions climatiques ... 22
1-4-5. Fonctions sociales, économiques et industrielles ... 22
1-5.ASPECTS POSITIFS ET NEGATIFS DES ZONES HUMIDES... 23
1-5-1. Les zones humides: milieux utiles ... 23
1-5-2. Aspects négatifs des zones humides ... 24
1-5-3. Les zones humides productrices de gaz à effet de serre... 25
1-6.LA REGLEMENTATION DES ZONES HUMIDES... 25
1-6-1. Les zones humides en France: Milieux menacés puis réhabilités... 25
1-6-2. Les zones humides dans le monde... 26
1-6-3. La convention de Ramsar sur les zones humides ... 28
1-7.L’EAU DES ZONES HUMIDES... 28
1-7-1. Les eaux souterraines ... 29
1-7-2. Les eaux de surface... 29
1-7-3. Contribution naturelles et anthropiques dans les eaux des rivières: identification des différentes contributions... 30
– INDICE –
ii
CHAPITRE II – CYCLE BIOGEOCHIMIQUE DE L’AZOTE 35 L’AZOTE 36
2-1.LA SPECIATION DE L’AZOTE DANS L’ENVIRONNEMENT... 36
2-2.CYCLE GENERAL DE L’AZOTE... 36
2-3.LE CYCLE DE L’AZOTE DANS LES ZONES HUMIDES... 38
2-4.LA FIXATION DE L’AZOTE... 40
2-4-1. L’assimilation de l’azote par la matière vivante... 40
2-5.MINERALISATION OU AMMONIFICATION DE L’AZOTE... 40
2-5-1. Le processus de minéralisation... 40
2-5-2. Facteurs qui influencent la minéralisation ... 41
2-6.LA NITRIFICATION... 41
2-6-1. Le processus de nitrification ... 41
2-6-2. Importance de la nitrification ... 42
2-6-2. Facteurs influençant la nitrification ... 42
2-6-3. Facteurs qui inhibent la nitrification ... 43
2-7.LA DENITRIFICATION... 44
2-7-1. Le processus de dénitrification ... 44
2-7-2. La dénitrification ... 44
2-7-3. Facteurs influençant la dénitrification... 45
2-8.LE COUPLAGE NITRIFICATION-DENITRIFICATION... 46
2-9.LA REDUCTION DISSIMILATIVE DES NITRATES... 47
2-10.ANAMMOX... 48
CHAPITRE III – MATERIEL ET METHODES 49 3-1.DESCRIPTION DE LA ZONE D’ETUDE... 50
3-1-1. Le bassin de l’Aquitaine... 50
3-2.LA ZONE HUMIDE DE MONBEQUI... 52
3-2-1. Plaine alluviale de la Garonne ... 52
3-2-2. La nappe alluviale et l’influence de l’agglomération ... 53
3-2-3. Situation de la zone humide de Monbéqui ... 54
3-2-4. Géomorphologie de la zone humide de Monbéqui... 55
3-2-5. Hydrologie de la zone humide de Monbéqui... 58
3-2-6. Caractéristiques hydrodynamiques de la zone humide de Monbéqui. ... 58
3-2-8. Le climat ... 60
3-3.TECHNIQUES D’ECHANTILLONNAGE ET ANALYTIQUES... 61
3-3-1. Equipement de la zone humide... 61
3-3-2. Prélèvements des eaux et des sédiments ... 62
3-3-3. Mesures physico-chimiques ... 64
3-3-4 Mesure de la composition des sédiments ... 67
3-3-5. Méthodologie des diagrammes de mélange ... 69
CHAPITRE IV – ETUDE GEOCHIMIQUE DE LA ZONE HUMIDE DE MONBEQUI: CAMPAGNE 2000 73 RÉSUMÉ: ... IDENTIFICATION AND QUANTIFICATION OF BIOGEOCHEMICAL AND PHYSICO-CHEMICAL PROCESSES IN AN ALLUVIAL WETLAND ZONE ALONG THE GARONNE RIVER,SWFRANCE, USING MIXING DIAGRAMS... ABSTRACT... 1.INTRODUCTION... 2.MATERIALS AND METHODS... 2-1. Study site ... 2-2. Hydrology... 2-3. Site equipment ... 2-4. Water sampling ... 2-5. Chemical analysis ... 2-6. Principles of Ci and Cj mixing diagram analysis... 3.RESULTS AND DISCUSSION... 3-1. Geochemical composition of Garonne river water and groundwaters of the wetland zone... 3-2. Nitrate content variation within the wetland zone... 3-3. Identification and characteristics of end-member water masses in water samples... 4.DISCUSSION: CONSISTENCY OF THE INTERPRETATIONS ADVANCED WITH SOIL STUDIES OBSERVATIONS... 5.CONCLUSION:SUMMARY OF THE MAIN POINTS REACHED -FUNCTIONING MODEL OF THE MONBEQUI WETLAND ZONE... Acknowledgements ... References ... Figure Caption ... Table caption ... CHAPITRE V – ETUDE COMPAREE DE LA COMPOSITION DES EAUX DE LA ZONE HUMIDE DE MONBEQUI RECUEILLIES LORS DE TROIS CAMPAGNES REALISEES EN 2000, 2003, 2005: IMPLICATIONS RELATIVES AU FONCTIONNEMENT DE LA ZONE HUMIDE ... 123
INTRODUCTION... 124 5-1.LA ZONE HUMIDE DE MONBEQUI: RAPPEL DES INTERPRETATIONS DES DONNEES RECUEILLIES LORS DE LA
– INDICE –
iv
CAMPAGNE 2000 ... 125
5-1-1. Matériel et Méthodes ... 126
5-2.CONDITIONS HYDROLOGIQUES DES CAMPAGNES REALISEES RESPECTIVEMENT EN 2000,2003 ET 2005 .. 128
5-2-1. Compositions des eaux prélevées lors des campagnes 2003 et 2005... 129
5-3.ANALYSES DES COMPOSITIONS DANS DES DIAGRAMMES DE MELANGE (CI/CL) ... 132
5-3-1. Variations de compositions d’éléments conservatifs ayant permis l’identification des pôles de mélange représentatifs de différentes masses d’eau... 132
5-3-2. Variations de compositions d’éléments non conservatifs ayant permis l’identification des zones biologiquement actives ... 143
5-4.DISCUSSION -CONCLUSIONS... 167
5-4-1. Zone humide: zone de mélange de masses d’eau:... 167
5-4-2. Modifications de compositions lors de variations de niveaux de la nappe ... 168
5-4-3. Evolutions de compositions induites par les réactions biogéochimiques... 169
CHAPITRE VI ... 173
TRAVAIL EXPERIMENTAL: ANALYSE DE LA COMPOSITION DES EAUX EN INTERACTION AVEC UNE ROCHE REPRESENTATIVE DU SUBSTRATUM MOLASSIQUE... 173
INTRODUCTION... 174
6-1.MATERIELS ET METHODES... 174
6-1-1. Matériel rocheux utilisé pour l’expérimentation ... 174
6-1-2. Préparation de matériel rocheux ... 177
6-1-3. Conditions expérimentales... 177
6-1-4. Résultats et interprétation... 180
Conclusion: Résumé des points principaux ... 198
CONCLUSION GENERALE ... 201
BIBLIOGRAPHIE... 207
Liste de figures
Chapitre I
Figure 1-1. Localisation des types des zones humides dans un bassin versant (source IFEN)
...13
Figure 1-2. Caractéristiques des zones humides dans le continuum entre écosystèmes terrestres et écosystèmes aquatiques d’eau profonde d’après Mitsch et Gosselink, 2007. ...14
Figure 1-3. Relations entre les conditions hydrologiques, l’environnement physico-chimique et les organismes vivants dans les zones humides (source NRC, 1995). ...15
Figure 1-4. Représentation schématique d’une zone humide submergée faisant apparaître les variations possibles du niveau de l’eau, la stratification éventuelle des conditions d’oxydoréduction dans les sédiments et la diversité des organismes vivants en fonction des conditions hydrologiques. a) algues; b) végétaux aquatiques ou feuilles flottantes; c) macrophytes émergents; d) végétaux ligneux. ...21
Figure 1-5. Quantité de matière vivante produite par an par les êtres autotrophes chlorophylliens selon les différents milieux. ...22
Figure 1-6. Localisation des zones humides les plus importantes dans le monde. ...27
Figure 1-7. Chronologie des problèmes de la qualité de l’eau (d’après Lévêque, 1999)...33
Chapitre II
Figure 2-1. Représentation du cycle biogéochimique de l’azote issu de Mariotti, 1997. ...38Figure 2-2. Transformations de l’azote dans une zone humide d’après Mitsch et Gosselink, 2007. ...39
Figure 2-3: Séquence chronologique des réactions de réduction attendues en zone humide ...46
(Source Reddy et D’Angelo, 1994)...46
Chapitre III
Figure 3-1. Bassin de l’Aquitaine ...50Figure 3-2. Le bassin garonnais et la localisation de la zone humide de Monbéqui...51
Figure 3-3. Schéma de la vallée de la Garonne et sa plaine alluviale ...52
– INDICE –
vi
Figure 3-5. Localisation de la zone humide de Monbéqui avec les principales crues ...55 Figure 3-6. Caractéristiques pédologiques et description d’implantations des piézomètres sur la zone humide de Monbéqui (source Ruffinoni, 1994)...56 Figure 3-7. Vue aérienne du méandre dans la zone humide de Monbéqui ...57 Figure 3-8. Représentation des écoulements souterrains dans la zone humide de ...59 Monbéqui avec des valeurs de débit journalier de la rivière de (a) 400 et (b) 150 m3/ s. La rivière de la Garonne est représente par le trait noir. Les fronts hydrauliques sont signalés par les isoclines numérotées selon leur altitude en mètre par rapport au niveau de la mer. Les directions de flux de la nappe sont indiquées par les flèches noires (D’après Weng et al.2003). ...59 Figure 3-9. Hydrogramme de la Garonne à Verdun...60 Figure 3-10. Vue aérienne de l’équipement de piézomètres dans la zone humide de Monbéqui ...61 Figure 3-11. Equipement de piézomètres dans le méandre de la zone humide de Monbéqui..62 Figure 3-12. Schéma simplifié d’une ICP-MS (source Riou 1999)...67 Figure 3-13. Formalisation graphique du modèle de mélange, diagramme de mélange (Ci,Cj). ...72
Chapitre IV
Figure 1 - (a) Localisation of the study area, (b) field plot and field equipment at the actual
wetland zone scale... Figure 2 - Hydrological flows patterns of the study area, (a) groundwater-flow patterns are
represented by darts, (b) cross section of the alluvial aquifer, down line represent the level of impermeable molassic substratum and upper line represent the topographic level, middle line
the aquifer water level. ... Figure 3a - Ci vs Cj diagram corresponding to two elements i and j. Loss (Xj) or enrichment
(Yj) of a non-conservative element (j) relative to the theoretical mixing line can be evaluated.
(a) Mixing between two water end-member components G and N. ... Figure 3b - Ci vs Cj diagram corresponding to two elements i and j. Loss (Xj) or enrichment
(Yj) of a non-conservative element (j) relative to the theoretical mixing line can be evaluated (b) Mixing between three water end-member components G, B and N is represented by
straight lines joining these components... Figure 4 - Spatial distribution of nitrate (NO3-) concentrations at the alluvial scale (Garonne
nitrate content 0.2 mmolL-1). ... Figure 5 - (a) Na vs Cl diagram showing a close two end member evolution, (b) Ca vs Cl
diagram, (c) 87Sr/86Sr vs 1/Sr, diagram showing the existence of a third end-member pole, and (d) “excesses of carbonates” (HCO3-) (see text) vs Cl- diagram of surface waters and
groundwaters. ... Figure 6 - (a) Dissolved Organic Carbon (DOC) (b) Dissolved Oxygen (DO), (c) Nitrate
(NO3-) vs Cl- diagram of surface waters and groundwaters. The interpretation of these data in
a two end-member mixing diagram evidences variations in composition relative to the mixing line which can be assigned to losses (consumption) or surpluses (production) of these
compounds. ... Figure 7 - Spatial repartition within the meander actual wetland zone of (a) the evaluated
percentage of Garonne River water within the aquifer, (b) the two distinct types of Ca2+ which in the CCa vs CCl diagram of the fig. 5b rely third end-member component (B) to the two respective other end members (Garonne (G) and groundwater (N)); the variations in colour indicate different proportions of the end members; this representation allows to localise the shell rich calcareous end-member (corresponding to the R9 composition); Losses and enrichments within the groundwater of (c) excesses of carbonates (HCO3-), (d) Dissolved
Organic Carbon (DOC), (e) Dissolved Oxygen (DO), (f) Nitrate (NO3-), (g) Mn and (h) Fe,
deduced from analysis of two end members mixing diagrams. ... Figure 8 - Spatial extension within the meander (actual wetland zone) of four zones
distinguished within the Monbequi wet zone area displaying distinct geochemical
characteristics. See text for explanation. ... Figure 9 - Evolution of the estimated losses and excesses of Dissolved Organic Carbon
(DOC), Dissolved Oxygen (DO), Nitrate (NO3-), PO43-, Mn, Fe and excesses of carbonates
(HCO3-) along three transects of the wetland zone; (a) transect g-h (b) transect i-j (c) transect
k-l...
Chapitre V
Figure 5-1. La zone humide de Monbéqui, en jaune la Zone Humide Propre Modélisée (ZHPM) en rouge la plaine alluvial amont. ...127 Figure 5-2. Evolution des variations de débits de la Garonne du 01/01/2000 au 30/12/2005 et
– INDICE –
viii
positionnement des campagnes de prélèvement. ...130
Figure 5-3. (a) Hydrogramme des trois campagnes avec le jour d’échantillonnage avant la crue et (b) niveau de la nappe dans 3 piézomètres le jour de prélèvement de chaque campagne d’échantillonnage. ...131
Figure 5-4. Diagramme Sodium (Na+) vs Chlore (Cl-) ...136
Figure 5-5 Répartition spatiale des pourcentages d’eau de Garonne des campagnes (a) 2000, (b) 2003,(c) 2005...137
Figure 5-6. Diagramme de Calcium (Ca) vs Chlore (Cl-) ...140
Figure 5-7. Répartition spatiale des taux de production ou de consommation en Calcium (∆Ca) de la campagne 2000. ...141
Figure 5-8. Diagramme de Calcium (Ca) vs Sulfate (SO4)...142
Figure 5-9. Diagramme Carbone Organique Dissous (COD) vs Chlore (Cl-)...145
Figure 5-10. Diagramme de Potentiel Redox vs Chlore (Cl-)...148
Figure 5-11. Diagramme des nitrates (NO3-) vs Chlore (Cl-) ...151
Figure 5-12. Répartitions géographiques de nitrates (NO3-) des campagnes 2000, 2003, 2005 ...152
Figure 5-13. Diagramme des Manganèse (Mn) vs Chlore (Cl-) ...156
Figure 5-14. Répartitions géographiques de Manganèse (Mn) des campagnes 2000, 2003,
2005 ...157
Figure 5-15. Diagramme Fer (Fe) vs Chlore (Cl-) ...161
Figure 5-16. Diagramme Fer (Fe) vs Calcium (Ca2+) ...162
Figure 5-17. Répartitions géographiques de Fer (Fe) des campagnes 2000, 2003, 2005...163
Figure 5-18. Diagramme de sulfate (SO4 2-) vs Chlore (Cl-)...166
Chapitre VI
Figure 6-1. Localisation spatiale des piézomètres P17 –P21 dans la zone humide de Monbéqui. ...175Figure 6-2. Descriptif des coupes des sédiments alluviaux prélevés sur le bassin de la Garonne ...176
dans le cadre de la campagne 2000 dans la zone humide de Monbéqui ...176
Figure 6-3. Diagramme du protocole des analyses pour l’expérimentation roche-eau et les analyses des sols...177 Figure 6-4. Matériel utilisé pour la réalisation de ces analyses (a) milieu ouvert (O) (b) milieu
fermé (F). ...179 Figure 6-5. Diagrammes représentatifs des évolutions de teneurs (ppm) en fonction du temps (jours) (système fermé F21. a) grand échelle 0-100 ppm et b) petit échelle 0-14 ppm. ...182 Figure 6-6. Diagrammes représentatifs des évolutions de teneurs (ppm) en fonction du temps (jours) (système ouvert O21. a) grand échelle 0-40 ppm et b) petit échelle 0-2...183 Figure 6-7. Diagrammes représentatifs des évolutions de teneurs (ppm) en fonction du temps (jours), rapport système ouvert O21/ système fermé F21. ...184 Figure 6-8. Diagrammes représentatifs des évolutions de teneurs (ppm) en fonction du temps (jours) (système fermé F17. a) grand échelle 0-90 ppm et b) petit échelle 0-25 ppm. ...185 Figure 6-9. Diagrammes représentatifs des évolutions de teneurs (ppm) en fonction du temps (jours) (système ouvert F17. a) grand échelle 0-50 ppm et b) petit échelle 0-4 ppm. ...186 Figure 6-10. Diagrammes représentatifs des évolutions de teneurs (ppm) en fonction du temps (jours), rapport système ouvert O17/ système fermé F17. ...187 Figure 6-11. Composition Sodium (Na+) vs Magnésium (Mg2+) des eaux expérimentales (roches P17 et P21) des eaux de Monbéqui campagne 2000, et du substratum alluvial (forages des sédiments des piézomètres) ces dernières valeurs ont été divisées par un facteur de 140). ...189 Figure 6-12. Composition Sodium (Na+) vs Calcium (Ca2+) des eaux expérimentales (roches P17 et P21) des eaux de Monbéqui campagne 2000, et du substratum alluvial (forages des sédiments des piézomètres) ces dernières valeurs ont été divisées par un facteur de 140). ...189 Figure 6-13. Représentation d’évolutions de Magnésium (Mg2+) vs Chlore (Cl-), du P17 et P21 (interaction-roche), eux campagne 2000. ...191 Figure 6-14. Représentation d’évolutions de Sodium (Na+) vs Chlore (Cl-), du P17 et P21 (interaction-roche), eux campagne 2000. ...192 Figure 6-15. Représentation d’évolutions de Potassium (K+) vs Chlore (Cl-), du P17 et P21 (interaction-roche), eux campagne 2000. ...193 Figure 6-16. Représentation d’évolutions de Nitrates (NO3-) vs Chlore (Cl-), du P17 et P21
(interaction-roche), eux campagne 2000. ...194 Figure 6-17. Représentation d’évolutions de pH vs Chlore (Cl-), du P17 et P21 (interaction-roche), eux campagne 2000. ...195 Figure 6-18. Représentation d’évolutions de COD vs Chlore (Cl-), du P17 et P21 (interaction-roche), eux campagne 2000. ...196 Figure 6-19. Représentation d’évolutions de Silice (Si) vs Chlore (Cl-), du P17 et P21
– INDICE –
x
(interaction-roche), eux campagne 2000. ...197
Liste de Tables
Chapitre I
Tableau 1-1a. Types de zones humides selon l’emplacement, salinité et végétation (Turner, 1992)...17 Tableau 1-1b. Fonctions et services des zones humides selon leurs rôles physiques, chimiques et biologiques d’après Turner, 1992...18
Chapitre II
Tableau 2-1 Les formes de l’azote ...36
Chapitre IV
Table 1 – Monbequi waters compositions: Physico-chemical data from the samples taken in 29-30 march 2000; Coord X and Y= Lambert coordinates of sampling site, topographical (meter), WTD= water table depth in meters, T= temperature, EC= Electrical conductivity, DO= Dissolved oxygen, DOC= Dissolved Organic Carbon, G= Evaluated percentage of Garonne River water (see text), HCO3- and HCO3- excesses = calculated hydrogenocarbonate content (from alkaminity measurement) and calculated inorganic carbonate excesses (see text), NICB = Normalized Inorganic Charge Balance, defined as (∑+-∑-)/∑+) (Stallard and Edmond, 1983), ∑+ and ∑-= total cationic and anionic charges in
µeq./L...120 Table 2 – Garonne water and groundwater end-members mean contents for DOC, DO, NO3-, PO4, Mn, Fe, ∑Cinorganique (approximativelye equal to HCO3-) and maximum excess or déficit (∆DOC, ∆DO, ∆NO3-, ∆PO4, ∆Mn, ∆Fe, ∆∑Cinorganic) relative to mixing line between end-member components, of corresponding elements or compounds in the active zones distinguished within the Monbéqui wetland. ...122
Liste des Sigles
ADN = Acide désoxyribonucléique AEAG = Agence de l’Eau Adour-Garonne
BRGM = Bureau de recherches géologiques et minières CBAG = Comité de bassin de l’Adour Garonne
CEMAGREF= Institut de recherche pour l'ingénierie de l'agriculture et de l'environnement) CNRS= Centre National de la Recherche Scientifique
COD = Carbone organique Dissous DCE = Directive Cadre Européenne
DIREN= Direction Régionale de l’Environnement DPF = Domaine Public Fluvial
GES = Gazes à Effet de Serre
GIEC = Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat IFEN= Institut Français de l’environnement
IGN = Institut Géographique National
INRA = Institut national de la recherche agronomique IPCC= Intergouvernemental Panel on Climate Change NRC= National Research Council
OCDE = Organisation de coopération et de développement économiques
PIREN= Programme Interdisciplinaire de Recherche sur l'Environnement de la Seine PNRZH = Programme National sur les Zones Humides
PPB= Parties par billion PPM= Parties par million Q = Débits
QMJ = Débit moyen journalier
RDNA = Réduction dissimilative du nitrate en ammonium SMEPAG = Schéma de protection contre les eaux de la Garonne Z = Surface libre
ZH = Zone humide Propre ZH = Zones Humides
– INDICE –
Introduction
Les zones humides
L’importance des zones humides ne tient pas à leur superficie globale, car elles couvrent seulement 1,5% environ de la planète. Cependant les zones humides sont essentielles pour le cycle de la vie, elles constituent des zones d’interface entre les systèmes terrestres et aquatiques et sont des zones de transition et de régulation des flux de matière et d'énergie. Ces zones sont déterminantes pour la gestion de l’eau: elles régulent les débits et les crues des fleuves, entre le cours d’eau et les zones adjacentes, entre les eaux de surface et les eaux souterraines, elles épurent les eaux des bassins versants en dégradant les excès de nutriments de la matière organique et des pesticides.
Malgré les bénéfices qu’apportent les zones humides, les hommes ont procédé à leur assèchement en vue d’éliminer les nuisances d’ordre sanitaire dues à la présence d’eau stagnante car donc considérées pendant longtemps comme des milieux insalubres. Des raisons économiques (zones de villégiature) ont aussi contribué à leur régression. Dans les années cinquante, la régression des zones humides a été très inquiétante. Cependant, les résultats d’études scientifiques ont plaidé en faveur des zones humides montrant qu’elles représentent des écosystèmes inestimables. Afin de stopper leur régression, un traité international a vu le jour: la convention de Ramsar 1971. Dans sa première formulation, la convention ne visait que la protection des oiseaux d’eau et migrateurs et non la protection générale de l’écosystème « zone humide ».
Les études scientifiques menées cette dernière décennie ont montré la valeur inestimable de ces écosystèmes, leur rôle comme régulateur des excès de nitrates et phosphore ainsi que leur rôle dans le contrôle des crues, la qualité des eaux, la pureté des nappes aquifères, sans oublier leur importance au niveau socio-économique.
- Introduction –
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Aujourd’hui, on estime que les zones humides sont des écosystèmes très menacés partout dans le monde du fait de drainages, des constructions, des pollutions, de la surexploitation de leurs ressources… On s’aperçoit que toute destruction ou transformation des zones humides ont comme conséquences : des inondations, la libération des émissions de dioxyde de carbone, le réchauffement climatique, pertes économiques… Enfin les zones humides rendent beaucoup plus de services que les aménagements artificiels sur les rivières car elles sont un élément moins couteux et parfois plus sûr.
Il convient donc de poursuivre et d'accélérer la connaissance des phénomènes propres à ce milieu afin de mieux évaluer leur valeur. En France, faisant suite à une prise de conscience de la nécessité d’une mise en œuvre de la protection des zones humides, le Programme National de Recherche pour les Zones Humides (PNRZH) a été mis en place. Ce programme visait, en considérant les zones humides comme des infrastructures naturelles, à préciser leurs fonctionnalités et à quantifier écologiquement et économiquement leur valeur.
Etude la zone humide de Monbéqui: objectifs de l’étude
Dans le cadre du programme PNRZH, une zone d’étude expérimentale a été retenue comme site pilote en bordure de Garonne à 50 km à l’aval de Toulouse (Sud-Ouest de la France), à côté de la petite ville de Monbéqui. Il s’agit d’une zone humide alluviale de 25 ha, zone de contact entre la rivière de la Garonne et la nappe alluviale. Cette zone humide est soumise à des fortes pollutions d’origine agricole, des rejets d’origine industrielle et domestique. Les concentrations d’azote dans la rivière de la Garonne sont de 12 mgL-1 et dans la zone agricole de 120 mgL-1.
Pour réaliser l’étude de cette zone, le site a été équipé d’un réseau de piézomètres. L’étude a donné lieu à une collaboration multidisciplinaire entre biologistes, géomorphologues, géochimistes, géologues, chercheurs en études sociales… Elle a été menée par deux laboratoires universitaires: le Laboratoire des Mécanismes et Transferts en Géologie (LMTG) et le LABoratoire d’ECOlogie fonctionnelle (ECOLAB) en collaboration et soutien de divers organismes (Agence de l’Eau Adour-Garonne (AEAG), Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), DIrection Régionale de l’Environnement (DIREN).
D’un point de vue géochimique, les zones humides constituent des milieux complexes où se déroulent de nombreuses réactions : zones de contact entre eaux de rivière et de nappe, elles sont soumises à l’apport d’effluents divers (agricoles, domestiques) et elles sont le lieu de nombreuses réactions biogéochimiques et physico-chimiques.
Les objectifs d’étude de la zone humide de Monbéqui d’un point de vue géochimique ont été:
(a) d’identifier les processus qui se déroulent dans cette zone et qui déterminent la composition géochimique de l’eau de ces zones, contrôlent la qualité de l’eau, en s’intéressant particulièrement au comportement des nitrates.
(b) de caractériser certains facteurs influant sur ces processus: facteurs hydrologiques, physico-chimiques, biogéochimiques, environnementaux.
(c) de proposer sur la base de ces observations et analyses un modèle de fonctionnement de la zone humide.
Les approches pour l’étude de ces zones sont diverses. Elles recouvrent : a) des études expérimentales réalisées en laboratoire à partir de matériaux prélevés sur le terrain ou d’expériences directement réalisées sur le terrain. Ces approches expérimentales visent à identifier les processus (quantification de la dénitrification par prélèvement puis culture en laboratoire, cultures bactériologiques …), b) des études de terrain et des matériaux prélevés sur le terrain, c) des modélisations. Les études de matériaux prélevés sur le terrain sont essentielles pour l’identification des caractéristiques du milieu, des réactions qui s’y déroulent et la mesure de leur étendue spatiale. L’approche que nous avons adoptée pour identifier les caractéristiques des eaux et l’identification des réactions est une analyse en multi-composants, dans des diagrammes de mélange.
Plan du manuscrit de thèse
Ce manuscrit se compose de 5 chapitres.
Le Chapitre 1 présente les zones humides sur la base d’une revue bibliographique. Nous rappelons dans ce chapitre quelques notions importantes relatives aux zones humides, leur définition, leurs caractéristiques, fonctionnalités, et discutons la question relative à leur utilité ou nuisance, enfin les réglementations relatives à ces zones sont aussi présentées.
Le chapitre 2 analyse le cycle de l’azote. Ce élément jouent un rôle essentiel dans l’environnement, et les zones humides constituent une étape déterminante de leur cycle. Dans ce chapitre est rappelée la dynamique de l’azote dans les écosystèmes, leur cycle général et leur cycle biogéochimique dans les zones humides. L’analyse se focalise ensuite plus
- Introduction –
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spécifiquement sur les principales formes de cet élément dans la nature, les différents processus qui amènent à des modifications de ces formes, l’estimation des facteurs qui favorisent ou inhibent ces processus.
Le chapitre 3 décrit le matériel et les méthodes et présente la zone d’étude ainsi que les techniques analytiques utilisées. Il se compose de deux parties :
(1) une description du site d’étude : nous abordons premièrement la description du bassin versant où se localise la zone humide agricole de Monbéqui, ensuite décrivons la géomorphologie de la zone avec ses quatre domaines : la peupleraie, la ripisylve, le banc de galets et la zone agricole. Nous présentons ensuite l’équipement de la zone par des piézomètres pour le prélèvement des eaux et des sols ainsi que leur distribution spatiale dans la zone humide propre.
(2) une description des techniques analytiques : dans ce chapitre sont explicitées les méthodes de prélèvement des échantillons des eaux et des sédiments in situ, puis les techniques analytiques mises en œuvre pour le traitement et l’analyse des échantillons au laboratoire.
Le Chapitre 4 aborde l’étude géochimique des eaux souterraines de la zone humide de Monbéqui sous la forme d’un article (rédigé en anglais) soumis à Chemical Geology. Cet article concerne l’analyse de la composition des eaux recueillies lors d’une campagne d’échantillonnage réalisée en Mars 2000. L’interprétation des données est réalisée sur la base d’une analyse en multi-composants.
Cette analyse permet tout d’abord l’identification de différentes masses d’eau, que nous identifions comme «end-members» ou composants dans les représentations graphiques de deux éléments conservatifs.
Ces diagrammes de mélange permettent ensuite d’identifier des composants présentant un comportement non conservatif relativement au mélange de ces différentes masses d’eau. L’analyse de la répartition spatiale des excès ou pertes de ces éléments non conservatifs (COD, O2, NO3-, Fe, Mn, HCO3- (excès carbonates)) permet alors d’identifier des zones
présentant des caractéristiques biogéochimiques distinctes. Les résultats obtenus permettent alors de préciser des zones de réactions et finalement de proposer un modèle de fonctionnement de la zone humide de Monbéqui.
campagnes réalisées dans des conditions hydrodynamiques différentes (campagnes 2000, 2003, 2005). L’objectif de cette étude est de mettre en évidence les facteurs entraînant une évolution des caractéristiques des eaux de Monbéqui et donc des processus à l’origine de ces caractéristiques.
Le Chapitre 6 présente les résultats d’une étude expérimentale réalisée parallèlement. Il s’agit d’une étude en laboratoire de la composition d’eaux interagissant avec des roches du substratum de Monbéqui, prélevées lors des forages effectués pour la mise en place des piézomètres.
Une conclusion générale reprend les principaux résultats obtenus et présente quelques questions soulevées par ce travail.
- Introduction –
Chapitre I – Les Zones Humides
Dans ce chapitre nous précisons un certain nombre de notions relatives à ces zones. Nous décrivons d’abord ce que l’on entend par une zone humide, et nous verrons que cette définition ne va pas de soi. Du fait de cette difficulté plusieurs définitions sont proposées. Nous nous intéresserons ensuite à la typologie des zones humides, nous décrirons leurs diverses caractéristiques (prenant compte de l’emplacement, la salinité, la végétation….) et leurs diverses fonctionnalités. Prenant en compte leurs divers caractères et fonctionnalités nous essayerons d’analyser les divers aspects «positifs» et «négatifs» de ces zones, puis les réglementations relatives à ces zones. Enfin, nous reviendrons sur l’importance de l’eau dans les zones humides, et sur les réglementations régissant l’eau de ces zones.
Chapitre I – Les zones humides –
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Introduction
Le terme « zone humide » recouvre des milieux très divers: marais, lagunes littorales, les prairies humides, les forêts alluviales, les tourbières, etc. Ces milieux ont en commun d’être des zones intermédiaires entre le milieu terrestre (sols bien drainés) et le milieu aquatique (eau libre). Comme nous allons le voir, ces milieux jouent un rôle important à différents niveaux. Ainsi, par exemple, dans les bassins versants ils jouent un rôle déterminant dans la régulation des flux de nutriments circulant dans la rivière. De manière plus générale, les zones humides interviennent dans le cycle de l’eau sur Terre, celui des éléments nutritifs ou encore les flux d’énergie (Fustec et al., 1996; Sánchez-Pérez et Trémolières, 1997; Mitsch et Gosselink, 2007).
1-1. Définition des zones humides
1-1-1. Difficulté de définition des zones humides
La définition de zone humide pose problème, provenant du fait qu’il s’agit d’espaces de transition entre la terre et l’eau. A l’interface entre ces deux domaines (terre et eau) existe un gradient d’humidité, dont les limites sont difficiles à préciser. Selon Turner (1992), l’appellation de zone humide peut désigner tout élément de continuum reliant l’environnement aquatique à l’environnement terrestre. Mais naturellement, ces zones sont soumises à des inondations variables dans l’espace et dans le temps, la phase «inondation» varie d’une année à l’autre selon les conditions climatiques. Comme le notent Mitsch et Gosselink depuis (1986), l’intervention humaine modifie aussi les limites en séparant dans certaines zones la terre de l’eau par drainage, endiguement et poldérisation. Pourtant le facteur dominant qui distingue les zones humides des autres écosystèmes est un excès d’eau. Les autres caractéristiques propres aux zones humides sont leurs sols qui se différencient nettement des sols essentiellement terrestres et elles présentent une végétation adaptée aux conditions d’humidité du sol d’inondation (Mitsch et Gosselink, 2007).
1-1-2. Définitions
Du fait des difficultés mentionnées ci-dessus, les zones humides ont donné lieu à plusieurs définitions. Quatre sont rapportées ci-dessous:
(1) Cowardin et al. (1979) Etats-Unis: les zones humides sont des terres de transition entre les systèmes terrestres et aquatiques, la nappe phréatique, étant habituellement couverte d’une
couche d’eau peu profonde. Les zones humides doivent avoir un ou plusieurs des trois attributs suivants (a) le terrain est occupé de manière prédominante par des hydrophytes (les plantes qui vivent dans des habitats fortement humides), (b) le substrat correspond à un sol hydromorphe non drainé et (c) le substrat correspond à un «non sol» (roche, galets) saturé en eau ou couvert d’une couche d’eau peu profonde à certains moments.
(2) Clean Water Art section 404 (1977) Etats-Unis: zones qui sont inondées ou saturées par des eaux de surface ou souterraines avec une fréquence et une durée suffisantes pour permettre, et dans des circonstances normales, le développement d’une végétation dominante typiquement adaptée aux conditions de vie dans un sol saturé en eau. Les zones humides comprennent généralement les marais ; les marécages, les tourbières et les zones similaires. (3) Loi sur l’eau, France (loi du 3 janvier 1992): on entend par zone humide les terrains exploités ou non, habituellement inondés ou gorgés d’eau douce, salée ou saumâtre de façon permanente ou temporaire; la végétation, quand elle existe, y est dominée par des plantes hygrophiles pendant au moins une partie de l’année(1). Cette définition est apportée, pour la première fois en France, par la loi sur l’eau du 3 janvier 1992 des zones humides. Elle comprend des dispositions particulières précisées par les «décrets nomenclature(2)» de 1993, les assèchements et drainages de zones humides au-delà d’un certain seuil de surface(3). (4) National Research Council (NRC), Etats-Unis 1995: une zone humide est un écosystème qui dépend de l’inondation peu profonde, constante ou récurrente d’un substrat ou de la saturation de ce substrat à la surface ou à proximité de celle-ci. Les caractéristiques essentielles minimales d’une zone humide sont l’inondation soutenue, récurrente ou la saturation à la surface ou à proximité de celle-ci, ainsi que la présence de caractéristiques physiques, chimiques et biologiques reflétant ce type d’inondation ou de saturation. Les caractéristiques communes du diagnostic des zones humides sont les sols hydromorphes et la végétation hydrophytique. Ces caractéristiques doivent être présentes, sauf là où des facteurs spécifiques physico-chimiques, biotiques ou anthropogéniques les ont éliminées ou ont empêchées leur développement.
1-2. Les différents types de zones humides
Les zones humides occupent en France actuellement, dans des emplacements divers, environ 1,5 million d’hectares soit 3% du territoire (hors vasières, milieux marins, cours d’eau et lacs). Environ 50% des oiseaux, 30% des espèces végétales dépendent des zones humides. L’Observatoire National des Zones Humides (ONZH) créé en 1995 et animé par l’Institut
Chapitre I – Les zones humides –
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Français de l’Environnement (IFEN) fait une classification des zones humides prenant en compte leur variété d'espèces végétales et animales, le régime d’eau et leur capacité d’épuration.
1-2-1. Zones humides marines et côtières
Elles sont soumises aux grandes marées dans la partie haute des estuaires et baies, présentent une végétation dense, et résistent au sel et à des immersions périodiques. En France ce type de zones humides couvre une superficie de 10 000 ha. Elles sont très fréquentées par les oiseaux migrateurs et se localisent sur les côtes de la Manche et de l’Atlantique, parmi elles se trouvent la Loire, la Gironde, la Seine, la Somme, les baies du Mont-St-Michel.
Dans ce type de zones humides marines l’interface entre le milieu marin et côtier est à l’origine d’une grande diversité biologique liée à la teneur en sel. De plus les transferts d’énergie et nutriments favorisent la reproduction et le développement des organismes vivants comme mollusques, insectes, crustacés, poissons, oiseaux.
Dans ce type de zone humide se rencontrent les types suivants prenant en compte les caractéristiques déjà mentionnées:
1. Les mangroves: ce sont des forêts tropicales, localisées au sein des baies et des estuaires dans la zone de balancement des marées. Ce type de zone humide se rencontre par exemple en Guyane (50 000 ha), en Guadeloupe (20 000 ha).
2. Les marais et lagunes côtiers: localisés dans une lagune en communication avec la mer ils se caractérisent par la présence de sables littoraux. Ce type de zone humide est un lieu de pêche, de productions aquacoles, et d’aménagements touristiques. Comme exemples, on y trouve les étangs saumâtres du Roussillon et du Languedoc, étangs de Berre, sur la côte méditerranéenne. Ces zones couvrent une superficie d’environ 50 000 ha.
3. La Camargue (Le Rhône): localisée dans une mosaïque de milieux salés voués à l’agriculture (riziculture, élevage…), cette zone humide se caractérise aussi par la présence de tourisme en raison de sa faune sauvage. L’embouchure du Rhône constitue la plus vaste zone humide méditerranéenne d’Europe de l’ouest (145 000 ha).
4. Les marais agricoles: ces zones humides fonctionnelles résultant de l’histoire géologique et des aménagements humains, mosaïque de milieux qui incluent un gradient allant de l’eau douce à l’eau salée, des plus humides aux desséchés. On y trouve les Marais du Cotentin, Breton, Poitevin... (Environ 60 000 ha).
artificiels créés par l’homme avec l’objectif de produire du sel. Dans ce type de zone humide se trouvent les marais d’Olonne, de Guérande, salins de Giraud.... Elles couvrent une superficie d’environ 40 000 ha.
1-2-2. Zones humides continentales
Ce type de zone humide est difficile à délimiter du fait des nombreuses imbrications et interdépendances. Parmi les principaux types se trouvent les suivants.
1. Les zones humides alluviales: elles sont situées en fond de vallée des fleuves et des rivières. Les prairies inondables, marais tourbeux, bras morts, ripisylves, forêts alluviales sont des zones humides annexes de ces zones humides alluviales (appelées de ce fait annexes). L’étude de ces zones humides doit tenir compte de l’alternance des eaux basses et hautes. Les crues influencent le fonctionnement écologique de la zone inondable de ces zones avec l’apport de sédiments et de matières nutritives. Ces zones favorisent la biodiversité, avec une productivité biologique élevée. Elles recouvrent (en France) environ 700 000 ha. Notre site d’étude se classe dans cette catégorie, la zone humide alluviale de Monbequi, 25 km2 (chapitre 3).
2. Les régions d’étangs: les étangs sont caractérisés par un gradient d’humidité important favorisant le développement d’une grande diversité d’espèces animales comme les poissons, insectes (libellules…), amphibiens (grenouilles…), les oiseaux (hérons…). Dans cette catégories se trouvent: la Sologne, Brenne, Dombes; les plans d’eau ponctuels et arrière littoraux marais: d’Orx, lac de grand Lieu, lacs d’Hourtin; et les bordures de lacs: lac Léman, du Bourget... Ces étangs couvrent environ 550 000 ha.
3. Les prairies humides: ces milieux ont une grande valeur patrimoniale au niveau national et international. Ces zones sont composées d’une flore spécifique liée à une submersion hivernale temporaire et modifiée par des cycles de pâturage. Ils constituent l’habitat privilégié pour de nombreuses espèces menacées. Ces zones sont recherchées par les oiseaux migrateurs qui trouvent une nourriture abondante. Par exemple, se trouvent parmi elles: Val-de-Saône, alsacien, marais de l’Ouest... Elles représentent un enjeu majeur pour le maintien des zones humides dans un contexte de transformation des pratiques agricoles. Elles occupent environ 1 000 000 ha.
4. Les tourbières: la tourbe résulte de l’accumulation de matière végétale non décomposée et les tourbières se forment lorsque le sol est constamment engorgé d’eau, sous un climat frais et humide. Elles se caractérisent par la présence des végétaux hygrophiles. Ce sont des milieux
Chapitre I – Les zones humides –
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fragiles dont l’édification se réalise sur une période de 2 000 à 5 000 ans. L’intérêt écologique des tourbières réside notamment dans la présence d’espèces végétales et animales originales, témoins des périodes climatiques froides passées. Ces caractéristiques leur confèrent une valeur primordiale au niveau national et international. Dans cette catégorie se trouvent: le Jura, les Vosges, les Alpes, les Pyrénées, le massif Central, les Monts d’Arrée, le Morvan et les Ardennes en France. Ces zones occupent environ 55 000 ha du territoire.
1-2-3. Les zones humides artificielles.
Ces zones humides ont pour origine l’aménagement de certains réservoirs, exemple les lacs de Champagne humide ou la réhabilitation des gravières (exploitation de granulats alluvionnaires). Leur principal intérêt est l’accueil des oiseaux d’eau migrateurs et hivernants (canards, échassiers…). Elles sont dispersées dans tout le territoire français. Elles ont une superficie d’environ 90 000 ha.
1-2-4. Les zones humides de bas-fond en tête de bassin.
Ces milieux formés de ripisylves, de petites prairies et tourbières disposées en tâches, bordent de manière plus ou moins continue le chevelu des réseaux hydrographiques. Ils interviennent de manière prépondérante dans l’épuration de l’eau dans les bassins versants largement voués à l’agriculture, et jouent un rôle écologique important. Leur superficie est difficile à estimer car ils sont disséminés sur le territoire national.
1-2-5. Les mares permanentes et temporaires
Elles sont caractérisées par une alternance annuelle d’inondation et d’exondation. Ces zones humides présentent un intérêt floristique majeur parce qu’elles hébergent des espèces végétales spécialisées, rares et menacées au niveau national. Les mares constituent des sites privilégiés de reproduction des populations d’amphibiens, donc elles possèdent un rang d’une valeur patrimoniale; leur disparition est liée aux modifications des pratiques agricoles. Elles occupent une part infime de la superficie totale des zones humides. Ce type de zones humides joue un rôle important dans les fonctions écologiques mais il est difficile d’estimer leurs superficies car elles sont disséminées sur le territoire national.
1-2-6. Localisation des différents types de zones humides dans un bassin
versant.
La figure 1-1 montre selon leur localisation les différents types des zones humides dans un bassin versant.
Figure 1-1. Localisation des types des zones humides dans un bassin versant (source IFEN)
1-3. Caractéristiques des Zones Humides
Les caractéristiques des zones humides sont déterminées par leur situation spécifique, entre milieu terrestre et aquatique. La figure 1-2 présente de façon synthétique certaines caractéristiques de ces zones et de leur fonctionnement, qui les distinguent des milieux terrestres et aquatiques. L’eau est le moteur fonctionnel majeur des zones humides et son analyse est très importante pour comprendre l’état actuel des sites: leur fonctionnement hydrologique (Takatert et al., 1999; Weng et al., 2003; Baker et Vervier, 2004), le rôle biogéochimique (Jacobs et Von Gunten, 1988; Bourg et Bertin, 1993; Grischeck at al., 1998; Takatert, 1999) les dimensions socio-économiques (Roberts, 2001; Becerra, 2003).
La présence d’eau au moins une partie de l’année, celle de sols hydromorphes (ce sont des sols saturés en eau, soit par nature (sols peu perméables), soit par apports (inondations, ruissellement, nappes) constitue une caractéristique majeure de ces zones. Les conséquences de cette présence d’eau sont diverses. L’excès d’eau conduit notamment à un déficit en
1 - Estuaires – vasières 2 - Prés salés ou schorres
3 – Slikkes : vasière nue découverte à marée basse
4 - Marais et lagunes côtiers 5 – Delta
6 - Marais agricoles aménagés 7 - Marais saumâtres aménagés 8 - Zones humides alluviales 9 - Ilots 10 - Bras-morts 11 - Prairies inondables 12 - Ripisylves 13 - Régions d'étangs 14 - Lacs 15 - Prairies humides 16 – Tourbières
Chapitre I – Les zones humides –
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oxygène, à l’origine de processus anoxiques. La présence de végétation hygrophile, composée d’espèces ayant développés des adaptations à la submersion et/ou aux sols saturés représente une autre conséquence de cette présence d’eau. Enfin l’eau en contact avec le milieu terrestre est à l’origine des ressources propres de ces zones (ressources biologiques, économiques). De manière générale, comme l’indique le schéma de la figure 1-2 (d’après Mitsch et Gosselink, 2007), une zone humide est la siège d’interactions entre les compartiments qui la composent : l’eau, les sédiments (sols), les organismes vivants. Les zones humides constituent des zones d’interface entre le fleuve et les écosystèmes adjacents, et notamment les agrosystèmes. Ces interactions se manifestent par la transition et régulation des flux de matière, et d'énergie entre le cours d’eau et les zones adjacentes, entre les eaux de surface et les eaux souterraines (Décamps et Naiman, 1989; Fustec et al., 1996).
Figure 1-2. Caractéristiques des zones humides dans le continuum entre écosystèmes terrestres et écosystèmes aquatiques d’eau profonde d’après Mitsch et Gosselink, 2007.
Le volume et la composition des compartiments dépendent étroitement du contexte hydrologique, géomorphologique et climatique (figure 1-3), (Source: wetlands: characteristics and boundaries, NRC, 1995).
Certaines caractéristiques majeures, hydrologiques, physiques et biologiques de ces zones déterminées par leur situation spécifique entre système terrestre et aquatique, et par la
présence d’eau (à l’origine de processus et d’environnements spécifiques) sont mentionnées ci-dessous.
Figure 1-3. Relations entre les conditions hydrologiques, l’environnement physico-chimique et les organismes vivants dans les zones humides (source NRC, 1995).
1-3-1. Caractéristiques hydrologiques
1-3-1-1. Lieu de rétention d’eau et d’échanges hydriques
Les zones humides possèdent une capacité de stockage de l’eau, superficielle ou souterraine, propre à retenir des volumes souvent importants et à les restituer ensuite progressivement. Elles contribuent ainsi à prévenir les inondations en écrêtant des crues et en atténuant les pointes responsables des dégâts les plus graves; elles participent également au renforcement des débits d’étiage. Les échanges entre les eaux superficielles et les eaux souterraines s’effectuent de façon réversible et variable au cours de l’année selon leurs niveaux respectifs, et cela d’autant plus intensément que l’on se trouve dans les zones de contact entre le fleuve et la nappe.
1-3-1-2. Milieu auto-épurateur
Grâce à des caractéristiques écologiques comme: fonds superficiels riches en matière organique, une faune et une flore abondantes très diversifiées, capacités d’assimilation et de résistance, les zones humides améliorent considérablement la qualité des eaux en assurant la transformation des apports solides et dissous. Les fonds de graviers assurent une véritable filtration biologique (Leynaud, 1993). La végétation filtre et retient les matières en suspension (Etchanchu et Probst., 1986; Brunet R.C., 1994; Maneux E., 1998; Probst J.L. et Bazerbachi
Geo-morphologie Climat Niveau, Hydrologie Flux d’eau, etc. Temps Environnement Physico-chimique (chimie des sols, etc)
Biota (végétation, faune, microbes) Rétroaction biotique Effet direct Zone Humide
Chapitre I – Les zones humides –
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A., 1986). Les formations végétales de bordure disposent en outre d’une capacité d’oxydation et de réduction provoquant une importante dénitrification (Peterjohn & Correll, 1984; Lowrance et al., 1985; Cooper, 1990; Haycock & Burt, 1993; Sanchez-Perez et al., 2003) qui allège la charge en nitrate des eaux souterraines et superficielles (Fustec, 1992). Par le biais des processus de production végétale et animale les zones humides assurent aussi la fixation et la transformation d’éléments nutritifs.
1-3-2. Caractéristiques physiques
1-3-2-1. Lieu de fixation des sols
Dans les zones humides se développe la végétation dite hygrophile (paysages naturels et variés, des tourbières aux mangroves en passant par les forêts galeries). Cette végétation augmente la rugosité, accroît l’effet brise-vent et la diversité des paysages; les zones humides sont colonisées spécialement par une végétation herbacée, arbustive ou arborée, cette végétation fixe les sols, les berges dans les plaines alluviales, les rivages dans les régions maritimes et protège les terres contre l’action des vents et des eaux. Ce rôle est particulièrement significatif et bien connu dans le cas des mangroves (Dugan, 1992).
1-3-2-2. Régulateur de flux de matière entre terre et fleuve
Zones d’interface entre le fleuve et les écosystèmes adjacents, et notamment les agrosystèmes, dans ces zones transitent et sont régulés les flux de matière et d'énergie entre le cours d’eau et les zones adjacentes, entre les eaux de surface et les eaux souterraines.
1-3-3. Caractéristiques biologiques
1-3-3-1. Milieu génétiquement très divers
Les zones humides constituent des écosystèmes à haute productivité primaire et présentent des mosaïques de peuplements végétaux dont la diversité repose sur la variabilité des conditions hydriques. Ces conditions très particulières de milieu en font des zones refuges pour de nombreuses espèces végétales; plus de 30% des espèces végétales remarquables et menacées en France vivent en zones humides (Pautou, 1980; Pautou et Décamps, 1985; Trémolières et al., 1998). Ces secteurs hébergent une faune particulière également remarquable par la présence d’espèces rares; ils abritent par exemple d’importantes colonies d’oiseaux d’eau et constituent des étapes indispensables pour l’avifaune migratrice.
1-3-3-2. Lieu de production végétale intense et d’habitat animal
Les zones humides assurent une production de végétaux exploitables: bois, écorces, roseaux ou utilisables par l’intermédiaire des filières d’élevage. Elles présentent des substances nutritives que les poissons recherchent pour se reproduire, se nourrir ou vivre (Aguilar-Ibarra, 2004). Les deux tiers des poissons consommés dans le monde passent à l’un ou l’autre moment de leur cycle par les zones humides (Dugan, 1992). Les régions de contact entre les eaux marines et les eaux continentales sont particulièrement importantes pour la reproduction et le développement des poissons amphihalins dont certains, comme l’anguille ou le saumon, effectuent des migrations impressionnantes et complexes au cours de leur cycle de vie.
1-4. Fonctions des Zones Humides
Le terme de fonction peut designer des propriétés des écosystèmes reconnues comme des avantages ou des bienfaits pour la société, ces propriétés découlent de la structure des écosystèmes et de leur fonctionnement naturel, les tableaux 1-2a, 1-2b montrent les principaux fonctions et services des zones humides selon leurs rôles physiques, chimiques et biologiques (d’après Turner, 1992).
a. Marais d’eau douce intérieurs f. Marécages boisés
b. Marais salants intérieurs g. Prés humides, plaines alluviales et autres habitats fluviaux
c. Tourbières h. Marais salants côtiers
d. Toundras i. Mangroves
e. Marécages à arbustes j. Marais d’eau douce maritimes
Tableau 1-1a. Types de zones humides selon l’emplacement, salinité et végétation (Turner, 1992).
Fonctions et services des zones humides Selon classification tableau 1.1a
1. Recyclage et stockage des éléments nutritifs entraînant une amélioration potentielle de la qualité de l’eau.
a,b,e,f,g
2. Fonction de stockage des eaux et de recharge des nappes souterraines
a,c,e,f,g
3. Retardement de la propagation des eaux de crue ; protection contre les tempêtes, les fortes marées et les vents.
Toutes sauf d (peut être)
Chapitre I – Les zones humides –
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Tableau 1-1b. Fonctions et services des zones humides selon leurs rôles physiques, chimiques et biologiques d’après Turner, 1992.
1-4-1. Fonctions biogéochimiques des zones humides
Les zones humides sont le siège des processus biogéochimiques qui jouent un rôle majeur dans les processus d’épuration des eaux, à l’échelle de bassin versant. Les usages de l’eau dépendent étroitement du bon fonctionnement des zones humides (Ferren et al., 1995; Fustec et al., 1996). L’autoépuration des eaux, transfert des eaux et solutés sont autant de fonctions subordonnées à l’existence des zones humides, assurées à l’échelle des bassins versants et dont dépend directement l’ensemble des activités humaines.
Les zones humides ont été reconnues par leur capacité à retenir des éléments nutritifs (Lowrance et al., 1985; Cooper, 1990; Gregory et al., 1991; Ruffinoni, 1991; Sánchez-Pérez et al., 1991a; Correl et al., 1992; Sánchez-Pérez, 1992; Haycock et Burt, 1993). Ces zones sont le lieu de réactions particulières du cycle de l’azote, en particulier des réactions telles que:
(1) La Nitrification: processus qui conduit à la production des nitrates. La nitrification est en fait la transformation de l’ammonium (NH4+) en nitrates (NO3-) (Bowden, 1986; Lensi et
Lescure, 1991; Ambus et al., 1992). Les taux de nitrification dans les zones humides varient de 0,1 à 56 mg.m-2.h-1 de N-NO3- (Howard-William et Downes, 1993). Ils sont du même ordre
4. Consolidation du rivage (côtier et fluvial) faisant tampon contre l’érosion
a,b,g,h,i,j
5. Influences bénéfiques sur les microclimats locaux et rôle éventuel de stabilisation de la biosphère, réservoir de carbone, etc.
Toutes
6. Régulation des cycles tropiques (localement et à distance). Toutes, à des degrés divers)
7. Produits commerciaux : poissons, fourrures, bois, sauvagine, tourbe, roseaux et pâturages extensifs.
Toutes, à des degrés divers)
8. Possibilités de récréation Toutes, à des degrés
divers) 9. Autres : habitats naturels, patrimoine paysager, valeurs de
non-usage vraisemblablement très importantes pour les zones uniques et de rang élevé
Toutes, à des degrés divers)
de grandeur que ceux de la dénitrification. Cela confirme l’existence d’un couplage actif et important nitrification /dénitrification, l’un étant le facteur limitant de l’autre (Klingensmith et Van Cleve, 1993; Helmer de Almeida, 1994; Sjodin et Lewis, 1997)
(2) La Dénitrification: qui conduit à l’élimination des nitrates, (Groffman & Tiedje, 1989; Correll et al., 1992; Hanson et al., 1994; Pinay et al., 1998; Sánchez-Pérez et al., 2003a, 2003b). On estime que dans les zones humides s’effectue par dénitrification l’élimination de 15 à 100% des nitrates transportés à travers les sédiments alluviaux de l’aquifère (McMahon et Böhlke 1996; Ruffinoni et al. 2003).
Nous aborderons ces deux processus plus en détails dans le chapitre II: cycle de l’azote dans les zones humides.
1-4-1-1. Epuration de la qualité des eaux
On parle du rôle d’épuration ou fonction d’épuration des zones humides comme la conséquence directe de processus naturels, comme la dénitrification qui peut se manifester dans les zones humides et qui conduit à l’élimination des nitrates présents dans les eaux (Maitre et al., 2002; Kjellin et al. 2007; Van Cleemput et al. 2007;), durant la période où la pollution des eaux par les nitrates atteignait des niveaux alarmants et où l’eutrophisation des rivières et des lacs se généralisait, les travaux se sont surtout focalisés sur la mise en évidence et la quantification des capacités d’épuration des zones humides.
1-4-1-2. Rétention et élimination des sédiments, des nutriments et des contaminants
La rétention des particules et des polluants associés, dans une zone humide fluviale, dépend de la submersion de ce milieu par des eaux de débordement de la rivière et du ralentissement de ces eaux qui favorisent la sédimentation des particules (Eichhorn, 1998). Ces processus physiques de débordement et de ralentissement sont eux-mêmes dépendants des conditions hydrologiques, de la topographie et du type de végétation (NRC 1995).
1-4-2. Fonctions hydrologiques des zones humides
La caractéristique principale qui différencie les zones humides des milieux terrestres est leur capacité à conserver l’eau en excèdent dans le sol et à sa surface. Les zones humides peuvent n’exister que de façon temporaire sous certains climats, à l’occasion d’apports massifs d’eau pendant de courtes périodes (Ferren et Pritchett, 1988). Les principales fonctions
Chapitre I – Les zones humides –
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hydrologiques d’une zone humide sont: le contrôle des crues, recharge/décharge des nappes, dissipation des forces érosives.
Les conditions hydrologiques des zones humides sont les caractéristiques principales qui permettent de les différencier des milieux terrestres bien drainés et des écosystèmes aquatiques d’eau profonde et de déterminer aussi leurs caractéristiques physico-chimiques (Sánchez-Pérez et Trémolières, 1997; Takatert et al., 1999; Weng et al., 2003; Baker et Vervier, 2004). Ces conditions sont extrêmement variées selon l’origine des eaux, l’importance relative des entrées et des sorties, le niveau de l’eau et ses variations (Brinson, 1993; Mitsch et Gosselink, 1993). Elles conditionnent aussi les apports de matières solides et dissoutes, en particulier d’éléments nutritifs, parfois de contaminants, et leur devenir au sein des zones humides. Selon l’origine des eaux (ruissellement, précipitations, eaux souterraines, marées…), celles-ci ont des valeurs de pH, des taux de salinité, des charges en particules et composés dissous différents.
1-4-2-1 Recharge/décharge des nappes
Le comportement des zones humides d'un bassin peut être comparable à une éponge. Quand elles ne sont pas saturées en eau, les zones humides retardent le ruissellement (Etchanchu et Probst, 1986) des eaux de pluies et le transfert immédiat des eaux superficielles vers les fleuves et les rivières situés en aval. Elles "absorbent" momentanément l'excès d'eau puis le restituent progressivement lors des périodes de sécheresse et participent à l'alimentation en eau des nappes phréatiques superficielles.
1-4-2-2. Contrôle des crues
Les zone humides diminuent l'intensité des crues et soutiennent les débits des cours d'eau en période d'étiage (basses eaux). La figure 1-4 (d’après Fustec et al. 2000), montre les compartiments majeurs d’une zone humide submergée, avec une épaisseur d’eau au-dessus des sédiments, la submersion peut se produire régulièrement et durant certaines saisons de manière aléatoire avec des hauteurs d’eau variables, dans les milieux inondables en période des crues.
