Un contrôle efficient des émissions d’azote et de phosphore dans le bassin de l’Escaut

(1)

U NIVERSITE LIBRE DE B RUXELLES , U NIVERSITE D ’E UROPE

F ACULTE DES SCIENCES

Un contrôle efficient des émissions d’azote et de phosphore dans le bassin de l’Escaut

Analyse critique de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) et de la Politique Agricole Commune (PAC)

Polard Audrey

Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences agronomiques

Promoteur: Walter Hecq

Co-Promotrice: Christiane Lancelot

(2)

dans le bassin de l’Escaut

Analyse critique de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) et de la Politique Agricole Commune (PAC)

Thèse présentée par Polard Audrey en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences agronomiques

Membres du Jury

Pr Christiane Lancelot (ULB) Promotrice Pr Walter Hecq (ULB) Promoteur Pr Marjolein Visser (ULB) Présidente Pr Bertrand Hamaide (FUSL)

Pr Tom Bauler (ULB)

Pr Thomas Dogot (ULg)

Pr Jean-Claude Gregoire (ULB)

(3)

(4)

4 De nombreuses personnes m’ont soutenu et aidé durant ce long projet. Tout d’abord, je tiens à remercier mes promoteurs, Walter Hecq et Christiane Lancelot qui m’ont permis de commencer cette thèse dans le cadre du projet Timothy (BELSPO, IAP - P6/13). Je leur suis particulièrement reconnaissante pour leur rigueur, leur patience ainsi que pour leur ouverture d’esprit. En plus de leur encadrement, j’ai eu une réelle chance d’avoir dans mon comité d’accompagnement Mesdames Véronique Rousseau et Marjolein Visser ainsi que Monsieur Bertrand Hamaide. Leurs remarques et critiques ont été constructives, efficaces et précises. Le travail qu’ils ont réalisé a été considérable. Je les remercie sincérement.

Au cours du projet Timothy, j’ai eu l’honneur de collaborer avec des personnes aimables et hautement qualifiées. Je tiens à souligner les approches scientifiques et la joie de vivre de Messieurs Pierre-Alain Jayet et Paul Zakharov avec qui j’ai travaillé au centre d’économie publique de l’INRA-Agro Paris-Tech. Monsieur Jean-Marie Marsin est également une personne qui m’a profondément marqué par sa rigueur scientifique, sa capacité d’analyse et sa bonne humeur quasiment inébranlable. Enfin, je ne peux pas oublier les membres de l’équipe Sisyphe de l’Université Pierre et Marie Curie - Vincent Thieu, Josette Garnier et Gilles Billen - sans qui mon travail n’aurait pas pu aboutir.

Aucun mot ne pourra décrire la gratitude que j’éprouve envers ma famille, mes amis et mes

collègues pour leur soutien. Merci à eux.

(5)

5 Même si la réduction des apports de nutriments dans les écosystèmes aquatiques est généralement envisagée avec des approches « effects-based », ce n’est pas le cadre qui a été suivi dans cette thèse. En effet, dans une démarche de développement durable, il semble plus pertinent, de définir des mesures de contrôle de la pollution agissant sur les relations de cause à effet. Selon cette logique, la méthodologie proposée par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) pour protéger les écosystèmes aquatiques présente plusieurs faiblesses. Par le fait qu’elle réfère à certains principes de l’économie standard de l’environnement, l’analyse économique de la DCE pose plusieurs problèmes pour agir sur la causalité de la pollution. Néanmoins, la méthodologie proposée par la DCE est pertinente par le fait qu’elle recommande l’utilisation combinée de mesures techniques et d’instruments pour diminuer les dommages environnementaux. Conformément à cette disposition, l’effet de mesures techniques et d’instruments sur le secteur agricole et sur la chaine alimentaire l’englobant a été évalué puisque cette dernière est responsable de la majorité des émissions diffuses et ponctuelles d’azote et de phosphore dans les eaux de surface. La définition de mesures techniques en fonction de l’efficience de l’utilisation des nutriments (Nutrient Use Efficiency, NUE) dans la production agricole a été complétée par l’étude des instruments économiques utilisés dans la Politique Agricole Commune (PAC) pour développer une agriculture multifonctionnelle. Si la thèse concerne de manière générale l’eutrophisation des écosystèmes aquatiques, elle se penche plus particulièrement sur les pressions au sein du bassin de l’Escaut et sur leurs impacts jusqu’à la zone côtière de la mer du Nord. Des mesures techniques agissant sur les causes des émissions diffuses du secteur agricole et sur les émissions ponctuelles des stations d’épuration ont été proposées pour ce bassin. Ces mesures techniques ont été caractérisées prioritairement par leur efficacité environnementale (grâce aux modèles Sénèque-Riverstrahler et MIRO) et en fonction de leurs coûts directs.

Mots-clés: Bassin de l’Escaut, DCE, émission de nutriments, eutrophisation, PAC, relations de

cause à effet

(6)

6 Although reducing the load of nutrients in aquatic ecosystems is usually looked at through

"effects-based" approaches, this is not the context which this paper has chosen to follow. In fact, keeping in line with sustainable development, it seems more relevant to define measures to control pollution which act on cause and effect relations. According to this way of thinking, the methodology proposed by the Water Framework Directive (WFD) to protect aquatic ecosystems presents a number of weaknesses. By the fact that it refers to certain standard economic principles for the environment, the WFD’s economic analysis poses several problems towards acting on the cause of the pollution. Nevertheless, the methodology proposed by the WFD is relevant, as it recommends the combined use of technical measures and of instruments to reduce environmental damage. In accordance with this disposition, an assessment has been made of the effect of technical measures and instruments on the agricultural sector and on the food chain encompassing it, since the food chain is responsible for the majority of diffuse and point emissions of nitrogen and phosphorus in surface waters. The definition of technical measures in terms of efficient use of nutrients (Nutrient Use Efficiency, NUE) in agricultural production has been complemented by a study of economic instruments used in the Common Agricultural Politicy (CAP) to develop a multifunctional type of agriculture. Although the paper deals with the eutrophication of aquatic ecosystems in a general way, it concentrates particularly on the increasing pressures in the Scheldt basin and on their impacts as far as the North Sea coastal zone. Technical measures acting on the causes of diffuse emissions in the agricultural sector and on point emissions in the water treatment plants have been proposed for this basin.

These technical measures have been categorised in order of priority according to their environmental effectiveness (thanks to the Sénèque-Riverstrahler et MIRO models) and depending on their direct costs.

Key-words: Scheldt Basin, WFD, nutrients emission, eutrophication, CAP, cause-effect

relations

(7)

7 Remerciements ... 4

Résumé ... 5

Abstract ... 6

Table des matières ... 7

Liste des Figures ... 15

Liste des Tableaux ... 19

Liste des Encadrés ... 22

INTRODUCTION GENERALE ... 23

1. Des émissions de nutriments - azote et phosphore - dans les écosystèmes aquatiques à leur contrôle par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) ... 23

1.1. L’émission des nutriments par les agents économiques ... 23

1.1.1. L

ES EMISSIONS DE PHOSPHORE

... 23

1.1.2. L

ES EMISSIONS D

’

AZOTE

... 24

1.2. De l’émission à la pollution: la perturbation du cycle des nutriments ... 25

1.3. L’amélioration de l’état des écosystèmes aquatiques : les objectifs et les méthodes de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) ... 25

2. Contexte de travail : le projet Timothy ... 27

3. Objectifs et méthodes de la thèse ... 28

3.1. L’évaluation du bien-fondé de la méthodologie proposée par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) pour atteindre le bon état des écosystèmes aquatiques (chapitres 1 et 2) ... 28

3.2. L’étude des relations de cause à effet pour la définition de mesures techniques et

d’instruments de contrôle de la pollution (chapitres 3 à 7) ... 29

(8)

8 diminuant les émissions de nutriments dans le bassin de l’Escaut et la zone côtière

belge (chapitres 7 à 10) ... 30

4. La structure de la thèse... 31

PREMIERE PARTIE. L’ACTION DE LA DIRECTIVE CADRE SUR L’EAU (DCE) SUR LA CAUSALITE DE LA POLLUTION: UNE PRIORITE OU UNE POSSIBILITE ? ... 32

Chapitre 1. La Directive Cadre sur l’Eau (DCE 2000/60/CE): Un cadre institutionnel pour la protection des écosystèmes aquatiques ... 33

1.1. La Directive Cadre sur l’Eau (DCE): une démarche intégrée ... 34

1.2. La définition des objectifs environnementaux ... 36

1.2.1. L

ES EAUX DE SURFACE

... 36

1.2.1.1. L’état écologique ... 37

1.2.1.2. L’état chimique ... 38

1.2.1.3. Les masses d’eau fortement modifiées ... 38

1.2.2. L

ES EAUX SOUTERRAINES

... 39

1.3. L’analyse économique de la DCE ... 40

1.3.1. L

ES DIFFERENTES ETAPES DEFINIES DANS LE GUIDE

WATECO ... 42

1.3.1.1. L’état des lieux et la récupération des coûts ... 42

1.3.1.2. L’écart entre le « Baseline scenario » et le « bon état » ... 43

1.3.1.3. L’évaluation économique du Programme de Mesures (PdM) ... 43

1.3.2. L

A RECUPERATION DES COUTS DES SERVICES LIES A L

’

EAU

... 44

1.3.2.1. Les coûts collectifs et les coûts privés ... 45

1.3.2.2. Les activités, les usages et les services liés à l’eau ... 46

1.3.2.3. La récupération des coûts: l’application du Principe Pollueur-Payeur au coût environnemental internalisé ... 47

1.3.3. L’

ÉTAT DES LIEUX ET LE

P

ROGRAMME DE

M

ESURES

(P

D

M) ... 49

1.3.3.1. Les mesures de base et les mesures complémentaires ... 50

1.3.3.2. Les mesures techniques et les instruments ... 51

1.3.3.3. Méthodologie de la Common Implemantation Strategy (CIS) pour la sélection des mesures complémentaires ... 53

Chapitre 2. L’intégration de la discipline économique selon la soutenabilité faible ... 57

2.1. L’analyse DPSIR, l’efficience économique et la protection de l’environnement ... 58

(9)

9 2.2.1. L

A MONÉTISATIONDE L

’

ENVIRONNEMENT

:

LA SUBSTITUTION DES VALEURS ET DES CAPITAUX

... 61

2.2.1.1. Les valeurs associées à l’environnement ... 61

2.2.1.2. La substitution du bénéfice environnemental par un montant monétaire: l’analyse coût- bénéfice représentative de la soutenabilité faible ... 63

2.2.2. L’

ANALYSE COUT

-

BENEFICEET L

’

EVALUATION CONTINGENTE

:

UNE MARCHANDISATION DE L

’

ENVIRONNEMENT

66 2.2.2.1. Les biais d’information et d’inclusion ... 67

2.2.2.2. Les biais hypothétique et stratégique et la variabilité de l’utilité marginale de la monnaie ... 69

2.2.2.3. La valeur intrinsèque ... 70

2.3. Le lien entre les activités économiques et l’environnement ... 72

2.3.1. L’

ECONOMIE DES SERVICES

... 73

Conclusions de la première partie ... 76

DEUXIEME PARTIE. LE LIEN DE CAUSALITE ENTRE LES ACTIVITES ECONOMIQUES ET LA POLLUTION DES ECOSYSTEMES AQUATIQUES ... 78

Chapitre 3. L’analyse DPSIR et le lien de cause à effet entre les secteurs économiques de la chaine alimentaire et les surplus de nutriments ... 79

3.1. L’approche DPSIR ... 80

3.2. Le lien entre les « Driving Forces » et les « Pressures »: le caractère joint de la production agricole et le concept de « Nutrient Use Efficiency » dans la chaine alimentaire ... 82

3.2.1. L

A FONCTION DE PRODUCTION AGRICOLE

:

LE CARACTERE JOINT DES DIFFERENTS

OUTPUTS ... 82

3.2.2. L’

AGRICULTURE INTENSIVE EN INTRANTS

,

L

’

AGRICULTURE RAISONNEE ET L

’

AGRICULTURE BIOLOGIQUE

:

DES FONCTIONS PARTICULIERES DE PRODUCTION AGRICOLE

... 84

3.3. Conclusions ... 91

Chapitre 4. L’influence de la PAC dans la structuration de la chaine alimentaire ... 92

4.1. La PAC à ses débuts ... 93

4.1.1. L

ES

O

RGANISATIONS

C

OMMUNES DE MARCHE

... 94

4.1.2. L

ES RÉSULTATS DE LA PREMIÈRE PHASE DE LA PAC EN TERMES D

’

ÉQUITÉ ET DE DOMMAGES ENVIRONNEMENTAUX

... 95

4.2. Le changement de perspective abordé à partir de la réforme de 1992 ... 98

(10)

10 4.2.2. L

A RÉFORME DE

1999 ... 100

4.2.3. L

A RÉFORME DE

2003 ... 102

4.2.4. L

E BILAN DE SANTÉ DE LA RÉFORME DE

2003 (2008) ... 104

4.3. Résultats du passage d’instruments couplés aux instruments découplés ... 109

4.3.1. L

ES IMPACTS DES REFORMES SUR L

’

ENVIRONNEMENT ET SUR LA POPULATION AGRICOLE

... 109

4.3.1.1. Les marchés agricoles libéralisés et la population agricole ... 109

4.3.1.2. L’effet des réformes sur l’environnement ... 110

4.3.2. L’

EVOLUTION DU BUDGET DE LA

PAC ... 112

4.3.2.1. L’évolution de la répartition du budget ... 112

4.3.2.2. L’évolution du montant du budget ... 113

4.4. L’effet de la PAC sur les systèmes de production: la spécialisation céréalière et l’importation d’aliments pour bétail ... 115

4.5. Conclusions ... 120

Chapitre 5. La nécessité de l’intervention publique et le type d’instrument utilisé dans la Politique Agricole Commune (PAC) ... 123

5.1. Les caractéristiques des marchés agricoles ... 124

5.1.1. L

ES CONDITIONS DE LA CONCURRENCE PARFAITE

... 124

5.1.2. L’

ABSENCE DE FLEXIBILITE DES FACTEURS DE PRODUCTIONDES MARCHES AGRICOLES

... 126

5.1.3. L’

ATOMICITE DU MARCHE VS L

’

OLIGOPSONE

... 126

5.1.4. L’

ELASTICITE DE L

’

OFFRE ET DE LA DEMANDEDES MARCHES AGRICOLES

... 126

5.1.4.1. La demande et l’offre à court terme des produits agricoles ... 126

5.1.4.2. L’offre à moyen terme des produits agricoles ... 127

5.1.5. L’

ABSENCE DE PRISE EN COMPTE DE L

’

ENVIRONNEMENT

... 128

5.2. Les instruments d’intervention publique nécessaires au développement d’une agriculture multifonctionnelle ... 130

5.2.1. L

ES BOITES VERTE ET ORANGE

:

L

’OMC

EN TANT QUE GUIDE DES POLITIQUES D

’

INTERVENTION PUBLIQUE

... 131

5.2.2. L

ES INSTRUMENTS DECOUPLES

... 133

5.2.2.1. L’incompatibilité entre d’une part la compétitivité renforcée par les aides directes et d’autre part la multifonctionnalité ... 133

5.2.2.2. Les instruments agissant pour la protection environnementale: les mesures agro- environnementales, l’éco-conditionnalité et la modulation... 136

5.2.2.3. Les inconvénients des instruments découplés ... 138

5.2.3. U

NE INTERVENTION COUPLEE AUX PROCESSUS DE MARCHE

... 139

5.2.3.1. Le contrôle de l’offre: une gestion quantitative de la production ... 140

(11)

11 5.3. Conclusions ... 146

Chapitre 6. Les pressions diffuses en nutriments au niveau du parcellaire agricole ... 148

6.1. Les émissions de nitrate ... 149

6.1.1. L’

OFFRE D

’

AZOTEET LES PERTES ASSOCIEES

... 149

6.1.1.1. L’azote du sol ... 149

6.1.1.2. L’(in)efficience de l’utilisation de la fertilisation azotée et les pertes associées ... 151

6.1.2. L

ES BESOINS

(

DEMANDE

)

EN AZOTE DE DIFFERENTES CULTURES ET LES RISQUES DE PERTES EN AZOTE

... 155

6.1.2.1. Le rendement objectif et les surplus en azote ... 155

6.1.2.2. Les besoins en azote des différentes cultures et leur adéquation avec l’offre d’azote ... 156

6.1.2.3. Les pratiques agricoles sous prairie et les risques de perte de nitrate ... 160

6.1.3. C

ONCLUSIONS

... 162

6.2. Les émissions de phosphore ... 165

6.2.1. L

ES EMISSIONS DE PHOSPHORE DISSOUT

... 165

6.2.1.1. L’offre en phosphore du sol ... 165

6.2.1.2. La fertilisation phosphatée ... 167

6.2.2. L

ES EMISSIONS DE PHOSPHORE PARTICULAIRE

(PP)

ET LA DIFFERENCIATION DES PERTES EN FONCTION DU COUVERT VEGETAL

... 168

6.2.3. C

ONCLUSIONS

... 169

Chapitre 7. La valorisation des nutriments au niveau de l’exploitation agricole ... 170

7.1. La valorisation des nutriments par les bovins: de l’alimentation à la production animale ... 172

7.2. Les pressions en azote des exploitations avec un élevage bovin ... 175

7.2.1. L

ES SURPLUS EN AZOTE DES EXPLOITATIONS MODELES

... 175

7.2.2. L

ES EXPLOITATIONS ISSUES DE COMPTABILITE AGRICOLE

... 179

7.3. Conclusions ... 181

Conclusions de la deuxième partie ... 182

TROISIEME PARTIE. L’EUTROPHISATION DU BASSIN DE L’ESCAUT ET DE LA ZONE COTIERE DE LA MER DU NORD ... 186

Chapitre 8. Les émissions de nutriments dans le bassin de l’Escaut ... 187

(12)

12 8.1.1. L

OCALISATION

... 188

8.1.2. C

ARACTERISATION DES ACTIVITES HUMAINES

... 190

8.2. L’estimation des émissions diffuses et ponctuelles par le modèle Sénèque- Riverstrahler ... 197

8.2.1. L

E MODELE

S

ENEQUE

-R

IVERSTRAHLER

... 197

8.2.2. L

ES EMISSIONS DIFFUSES

... 198

8.2.3. L

ES EMISSIONS PONCTUELLES

... 201

8.3. Définition des mesures de contrôle de la pollution ... 202

8.4. Conclusions ... 205

Chapitre 9. Evaluation de l’efficacité environnementale des mesures sur le bassin de l’Escaut et sur la zone côtière de la mer du Nord... 206

9.1. Méthodologie utilisée dans l’application SIG Sénèque pour évaluer la réduction des apports de nutriments des scénarios WCC, EXF, OA et WWT ... 207

9.1.1. L

A DIMINUTION DES ÉMISSIONS DIFFUSES

:

LES SCÉNARIOS AGRICOLES

(WCC, EXF, OA) ... 207

9.1.1.1. L’introduction de culture intermédiaire et la diminution de la fertilisation azotée (WCC) .... 207

9.1.1.2. Les systèmes herbagers (EXF) ... 208

9.1.1.3. L’agriculture biologique ... 208

9.1.2. L

A DIMINUTION DES EMISSIONS PONCTUELLES

:

LE TRAITEMENT TERTIAIRE DANS LES STATIONS D

’

EPURATION

(WWT) ... 209

9.1.3. L

ES SCENARIOS COUPLES

... 210

9.2. L’efficacité des mesures sur le réseau hydrographique du bassin de l’Escaut ... 211

9.2.1. L’

EFFICACITE DES SCENARIOS SUR LA QUALITE DES EAUX DE SURFACE

:

PHOSPHATE

... 212

9.2.2. L’

EFFICACITE DES SCENARIOS SUR LA QUALITE DES EAUX DE SURFACE

:

NITRATE

... 214

9.3. La zone côtière belge et le couplage des modèles Sénèque-Riverstrahler (SR) et MIRO ... 216

9.3.1. L

ES TROIS BASSINS VERSANTS

: S

EINE

, S

OMME ET

E

SCAUT

... 216

9.3.2. L

A RÉDUCTION DES APPORTS EN AZOTE ET PHOSPHORE À L

’

EXUTOIRE DES TROIS BASSINS VERSANTS

... 217

9.3.2.1. La réduction des apports de phosphore ... 218

9.3.2.2. La réduction des apports d’azote ... 219

9.3.3. L

A RÉDUCTION DES CHARGES EN AZOTE ET PHOSPHORE AU NIVEAU DE LA ZONE CÔTIÈRE BELGE

... 220

9.3.3.1. Les réductions des apports de phosphore et d’azote à la zone côtière belge simulées par les

modèles Sénèque-Riverstrahler et MIRO ... 220

(13)

13 belge ... 222

9.3.3.3. Le contrôle des efflorescences de Phaeocystis ... 223

9.4. Discussions et conclusions ... 226

Chapitre 10. L’évaluation du coût des scénarios de réduction des émissions de nutriments 228 Cost assessment and ecological effectiveness of nutrient reduction options for mitigating Phaeocystis colony blooms in the Southern North Sea: an integrated modeling approach ... 229

ABSTRACT ... 230

1- INTRODUCTION ... 231

2- MATERIAL AND METHODS ... 234

2.1 The SENEQUE/RIVERSTRAHLER-MIRO (SR-MIRO) model ... 234

2.2 SR-MIRO simulations ... 235

2.3. Cost valuation of the nutrient reduction scenarios ... 238

3- RESULTS AND DISCUSSION ... 241

3.1 Validation of the SR-MIRO tool: the present state ... 241

3.2 Ecological effectiveness of scenarios ... 245

3.3. Cost assessment of scenarios ... 251

3.4 Hydro-climatic effects ... 255

ACKNOWLEDGEMENTS ... 259

REFERENCES ... 260

The understanding of cause-effect relationships in order to define nutrient mitigation measures and the assessment of their costs: the case of the Scheldt watershed ... 265

A

BSTRACT

... 266

I. I

NTRODUCTION

... 267

II. T

HE

S

CHELDT WATERSHED

:

NUTRIENT PRESSURES AND REDUCTION MEASURES

... 269

II.1. Nutrient pressures and the Nutrient Use Efficiency (NUE) concept ... 269

II.2. Nutrient pollution mitigation measures ... 271

III. E

CONOMIC VALUATION OF NUTRIENT LOSSES CONTROL MEASURES

... 273

III.1. Winter Catch Crop (WCC) introduction and integrated N fertilization ... 274

III.2. Extensive Farming (EXF) and Organic farming (OF) measures ... 276

III.3. Waste Water Treatment Plant (WWTP) retrofitting ... 281

IV. D

ISCUSSION

... 283

V. C

ONCLUSION

... 286

A

CKNOWLEDGMENTS

... 286

R

EFERENCES

... 288

(14)

14 Conclusions de la troisième partie ... 294

4. CONCLUSIONS GENERALES ... 296

4.1. Objectifs poursuivis et enseignements... 296

4.1.1. Analyse de la pertinence de la méthodologie de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) pour contrôler la pollution des écosystèmes aquatiques ... 296

4.1.2. L’étude des relations de cause à effet dans la chaine alimentaire pour définir des mesures techniques et des instruments de contrôle de la pollution ... 298

4.1.2.1. L

A

PAC

AVANT LA REFORME DE

M

AC

S

HARRY

(1992) ... 298

4.1.2.2. L

A

PAC

APRES LA REFORME DE

M

AC

S

HARRY

(1992) ... 299

4.1.2.3. L’

EFFICIENCE DANS L

’

UTILISATION DES NUTRIMENTS

(NUE)

DANS LA CHAINE ALIMENTAIRE

... 300

4.1.3. L’évaluation de l’efficacité et des coûts des mesures de contrôle de la pollution dans le bassin de l’Escaut et à la zone côtière belge ... 302

4.2. Développements futurs ... 304

Annexe 1. Les principales orientations technico-économiques sur le bassin de l’Escaut .... 305

Annexe 2. Le modèle STICS et l’évaluation économique du scénario WCC ... 306

Annexe 3. Le réseau comptable RICA et l’évaluation économique des exploitations herbagères et biologiques ... 325

Annexe 4. Evaluation de la rentabilité économique des systèmes d’élevage herbager ... 327

Annexe 5. Différence méthodologique pour l’évaluation des coûts des scénarios WWT et WCC dans les articles Lancelot et al. , 2011 et Polard et al. ... 333

Annexe 6. Liste des acronymes ... 334

Bibliographie ... 336

(15)

15 Figure 1.1. L’internalisation du dommage environnemental selon la méthodologie suivie par la DCE 42 Figure 1.2. Les activités, les usages et les services liés à l’eau (adapté de Laurans et Guenegou, 2003) ... 47 Figure 1.3. L’élaboration du Programme de Mesures (adapté d’Interwies et al., 2004) ... 50 Figure 2.1. Les trois sphères Environnement-Economie-Société ... 62 Figure 2.2. La relation entre le système socio-économique et l’environnement (adapté de Tietenberg and Lewis, 2009) ... 72 Figure 2.3. Le triangle de service (Aznar et al., 2007) ... 73 Figure 3.1. L’approche DPSIR appliquée au cas des pertes de nutriments dans les écosystèmes aquatiques en différenciant les « Responses » agissant sur les causes des « Pressures » (1) et les

« Responses » ayant une action sur le transport des nutriments (2) (adapté d’après Smeets and Weterings, 1998) ... 80 Figure 3.2. Le lien entre les produits marchands et non marchands de la production agricole ... 83 Figure 3.3. Les flux azotés (kg N/ha/an) d’une exploitation agricole: la caractérisation de la fonction de production reliant les INPUTS (flèches entrant dans l’exploitation agricole) avec les OUTPUTS marchands (« production végétale » et « production animale ») et non marchands (1), (2) et (3) de l’exploitation (résultats illustratifs de l’Ecobilan d’Ecoferme, Debouche et Lambin, 2004) ... 84 Figure 3.4. Le lien entre les différents sous-systèmes de la chaine alimentaire ... 88 Figure 4.1. Relation entre les prix institutionnels des OCM avec soutien par les prix (cas du blé tendre) (Butault et al., 2004) ... 95 Figure 4.2. Les différences entre les mécanismes d’intervention de la PAC entre les deux phases:

action de la PAC en amont des marchés agricoles par les prix garantis durant la première phase et

action de la PAC en aval du fonctionnement des marchés agricoles par les aides directes durant la

deuxième phase ... 97

Figure 4.3. Les nouvelles dispositions apportées par le bilan de santé de la réforme de 2003

(« réforme 2008 ») ... 105

Figure 4.4. Ligne du temps reprenant les événements marquants de la PAC ... 106

Figure 4.5. Evolution de l’allocation et du montant du budget de la PAC (euros courant) au cours des

différentes réformes (Renard, 2008) ... 113

Figure 4.6. Les flux de nutriments dans les exploitations mixtes et spécialisées (adapté de Weissbach

and Ernst, 1994) ... 118

Figure 6.1. Les équilibres entre l’azote organique et l’azote minéral du sol et les émissions d’azote

dans l’atmosphère (dénitrification) et vers les écosystèmes aquatiques (lixiviation) (la taille des

rectangles est proportionnelle à la quantité d’azote impliquée) (Addiscott, 2005) ... 150

Figure 6.2. Flux d’azote transitant dans un sol agricole: seulement une partie des excédents d’azote

minéral est lixiviée (adapté d’après Vertès et al., 2007) ... 151

(16)

16 2007)... 153 Figure 6.4. Relation entre le rendement, la fertilisation azotée d’une culture et les reliquats en azote après la récolte où Oe1, Oe2 et Oe3 représentent différents optima économiques fonction de la valeur économique de la culture et du prix de la fertilisation azotée, Op est le rendement maximal atteint avec les plus petites doses d’azote possible (au delà de ce point le rendement n’augmente plus tandis que les quantités d’azote augmentent), M représente le rendement maximal pour des quantités d’azote fournies supérieures à l’optimum physique (au-delà de ce point, augmenter les quantités d’azote fait diminuer le rendement), Ymin sur l’axe des ordonnées illustre le rendement obtenu sans ajout de fertilisant azoté (adapté d’après Godard et al., 2008 et Machet et al., 1997) 156 Figure 6.5. Dynamique du phosphore dans le sol (adapté d’après Gros, 1967) ... 166 Figure 8.1. Le bassin hydrographique de l’Escaut et ses régions agricoles ... 188 Figure 8.2. Bilan d’azote sur le réseau hydrographique du bassin de l’Escaut calculé par le modèle Riverstrahler-Sénèque pour une année sèche (1996) et humide (2001) (Billen et al., 2009). La pollution diffuse du secteur agricole est deux fois plus importante en année humide qu’en année sèche... 190 Figure 8.3. La répartition des principales cultures dans les différentes régions agricoles pour l’année 2000. Figure réalisée d’après les données d’Agreste, 2000; INS, 2000; AIPreshume Atlas: Silvestre and Billen, 2008 ... 195 Figure 8.4. L’action des mesures définies (WCC, EXF, OA et WWT) sur les facteurs responsables des émissions de nutriments ... 204 Figure 9.1. L’effet des scénarios GAP (Good Agricultural Practices, WCC + EXF), WWTP (WWT3), OA3 et OA6 sur les concentrations en phosphate des eaux de surface du bassin de l’Escaut sur le long terme (LT) et le court terme (Thieu, 2010) ... 213 Figure 9.2. L’effet des scénarios GAP (Good Agricultural Practices, WCC + EXF), WWTP (WWT3), OA3 et OA6 sur les concentrations en nitrate des eaux de surface du bassin de l’Escaut sur le long terme (LT) et le court terme (Thieu, 2010) ... 215 Figure 9.3. La représentation des trois bassins versants Escaut, Seine et Somme et la zone côtière belge (BCZ) (Lancelot et al., 2011)... 216 Figure 9.4. Simulation des modèles Sénèque-Riverstrahler et MIRO des flux d’azote (a) et de phosphore (b) provenant d’une part de l’Atlantique (rectangle gris clair) et d’autre part de l’Escaut (rectangle noir). Ces flux arrivant dans la mer du Nord conduisent à des concentrations en azote inorganique dissout (DIN) (c) et en phosphate PO

₄³⁻

(d). Les ratios N:P et Si:P dans la zone côtière de la Mer du Nord sont représentés respectivement dans les figures e et f. Chacune des figures (a, b, c, d et e) montre les variations de ces indicateurs pour les différents scénarios (PRS: pristine, REF:

référence 2000, WWT1: STEP > 500 000 EH; WWT2: STEP > 100 000 EH; WWT3: STEP > 20 000 EH;

WWT4: STEP > 0 EH; WCC: introduction de CIPAN et réduction de la fertilisation azotée; EXF: élevage

herbager; IAP: pratiques agricoles améliorées = WCC+EXF; MIX=IAP+WWT3; ORF: OA6+WWT3)

(Lancelot et al., 2011) ... 221

(17)

17 cellules de Phaeocystis atteints au printemps (a) et leur durée (b) obtenues pour le scénario de référence et pour les scénarios de réduction des apports en azote et phosphore. PRS: pristine, REF:

référence 2000, WWT1: STEP > 500 000 EH; WWT2: STEP > 100 000 EH; WWT3: STEP > 20,000 EH;

WWT4: STEP > 0 EH; WCC: introduction de CIPAN et réduction de la fertilisation azotée; EXF: élevage herbager; IAP: WCC+EXF; MIX: IAP+WWT3; ORF: OA6 + WWT3 (Lancelot et al., 2011) ... 224 Fig. 1. SR-MIRO implementation geographical domain: the 3S watersheds, the coastal Eastern Channel and Southern North Sea. Dotted line indicates the boundaries of the Exclusive Economic Zone (EEZ) ... 232 Fig. 2. Schematic representation of the impact assessment method showing the insertion of the integrated SR-MIRO modeling approach (grey line and box) in the DPSIR causal loop (black line) ... 234 Fig. 3. SR-MIRO simulations and observations of NO

3-

(a), DSi (b), PO

43-

(c), Chl a (d) diatoms (e) and Phaeocystis colonies (f) in the BCZ for year 2000 ... 244 Fig. 4. SR-MIRO performance statistics: C function calculated for nutrients and phytoplankton ... 245 Fig. 5. SR-MIRO simulations of N (a) and P (b) Atlantic (light grey block) and Scheldt (black block) loads to the BCZ; of winter DIN (c) and PO

₄^3-

(d) concentration in the BCZ and their N:P (e) and Si:P (f) ratios: reference and mitigation scenarios. PRS: Pristine, REF: 2000, WWT1: WWTP>500,000 IE;

WWT2: WWTP>100,000 IE; WWT3: WWTP>20,000 IE; WWT4: WWTP>0 IE; WCC: introduction of WCC and reduced mineral fertilization; EXF: Extensive farming; IAP: Improved agricultural practices = WCC+EXF; MIX= IAP+WWT3; ORF: full organic farming + WWT3 ... 247 Fig. 6. SR-MIRO simulations of Phaeocystis maximum cells (a) and duration (b) obtained for the reference and mitigation scenarios. PR: Pristine, RF: 2000, WWT1: WWTP>500,000 IE; WWT2:

WWTP>100,000 IE; WWT3: WWTP>20,000 IE; WWT4: WWTP>0 IE; WCC: introduction of WCC and

reduced mineral fertilization; EXF: Extensive farming; IAP: Improved agricultural practices =

WCC+EFX; MIX= IAP+WWT3; ORF: full organic farming + WWT3 ... 250

Fig. 7. Relationship between the specific cost of the nutrient mitigation measure and the achieved

nutrient reduction for P (a) and N (b) ... 253

Fig. 1. Situation of the Scheldt watershed and its agricultural regions... 267

Fig. 2. The concept of OUTPUT and surplus recycling between the four subsystems - crop land (1), the

farm (2), food processing (3) and food consumption (4) - of the supply-demand food chain. The lines

A, B, C represent respectively the INPUT (supply of nutrient), OUTPUT (demand of nutrient) and the

surpluses of these subsystems ... 268

Fig. 3. Intensification of agriculture and resulting losses of nutrient recycling leading to diffuse and

point nutrient pressures ... 271

Fig. 4. Relation between the INPUT / OUTPUT structure of farming production and its economic

indicators ... 273

Fig. 5. Yield decrease with the implementation of the WCC measure for 5 types of crops (potato,

forage maize, grain maize, sugar beet, winter wheat), three types of soils and mixed and inorganic

fertilization ... 275

(18)

18 Godard, 2005)... 307

(19)

19 Tableau 1.1. Mise en œuvre de la Directive 2000/60/CE (adapté d’Andugar, 2008) ... 35

Tableau 2.1. Les services-fonctions des écosystèmes aquatiques (zone côtière, estuaire, zone humide, rivière/lac) (adapté d’après Costanza et al., 1997) ... 68

Tableau 2.2. Les différentes manières d’aborder le bénéfice environnemental: une caractérisation en fonction de l’action des pouvoirs publics et du lien avec l’activité économique (adapté d’après Aznar et al., 2007) ... 75

Tableau 3.1. Les différents types d’agriculture en relation avec la gestion des nutriments (adapté de Schwartz et al., 2005) ... 86

Tableau 6.1. Nombre et valeurs des mesures de lixiviation de nitrates réalisées de 1989 à 1992 au printemps sur les principaux couverts végétaux du site Vittel (ces concentrations ont été relevées sur 14 parcelles équipées de bougies poreuses, celles-ci recouvraient 5 communes (bassin d’alimentation karstique en Lorraine) (Gaury, 1992) ... 157

Tableau 7.1. Composition moyenne en nutriments (N, P), PDIE (protéines digestibles dans l’intestin du bovin, permises par l’énergie) et PDIN (protéines digestibles dans l’intestin du bovin, permises par l’azote) de différents fourrages et concentrés (Dulphy et Grenet, 2001)... 174

Tableau 7.2. Bilan azoté sur les surfaces en herbe pour les deux types d’exploitations (Vertès et al., 2002 b)... 177

Tableau 7.3. Bilan en azote apparent: Comptabilité des entrées et des sorties d’azote au niveau de l’exploitation agricole (Alard et al., 2002 b) ... 178

Tableau 7.4. Bilan en azote et en phosphore pour les exploitations laitières du Réseau d’Elevage bovins lait français (Raison et al., 2008) ... 180

Tableau 8.1. Caractéristiques du bassin de l’Escaut (Thieu, 2009) ... 191

Tableau 8.2. Caractéristiques des différentes régions agricoles (Agreste, 2000; INS, 2000; ... 194

AIPreshume Atlas: Silvestre and Billen, 2008) ... 194

Tableau 8.3. Concentrations en nutriments et matière en suspension dans les flux de ruissellement et de drainage pour différentes occupations du sol (Thieu et al., 2009) ... 199

Tableau 8.4. Traitements principaux dans les stations d’épuration du bassin de l’Escaut pris en compte dans le modèle Sénèque-Riverstrahler et émissions correspondantes par Equivalent Habitant (EH) (MES : matières en suspension; MO : matière organique; NO3: nitrate; NH4: ammonium; PO4: phosphate; DSi: silice dissoute; BSi: silice particulaire biogénique (Thieu et al., 2009) ... 201

Tableau 9.1. Effet des mesures WCC et EXF sur les concentrations sous racinaires en nitrates selon les régions agricoles (Thieu et al., 2010) ... 208

Tableau 9.2. Les seuils de qualité environnementale « Seq-eau » (Très bon, Bon, Moyen, Médiocre)

pour les eaux de surface (NH4: ammonium; NKJ: azote Kjeldahl; NO2: nitrite; NO3: nitrate; PO4:

phosphate; MES: matière en suspension) (MEDD et Agence de l’eau, 2003) ... 211

Tableau 9.3. Simulations des apports d’azote et de phosphore et de leur réduction à l’exutoire des

trois bassins versants Seine, Somme et Escaut pour les différents scénarios (PRS: pristine, REF:

(20)

20 WWT4: STEP > 0 EH; WCC: introduction de CIPAN et réduction de la fertilisation azotée; EXF:

élevages herbagers; IAP: pratiques agricoles améliorées = WCC+EXF; MIX=IAP+WWT3; ORF:

OA6+WWT3) (Lancelot et al., 2011) ... 218 Table 1. Characteristics and nutrient (nitrogen and phosphorus) inputs to the 3S watersheds in 2000.

Redrawn from Thieu et al., 2009 ... 233 Table 2: The integrated SR-MIRO approach: Seneque/Riverstrahler simulations of nutrient loads at the 3S river outlets: references and mitigations scenarios as used for constraining the MIRO model.

PRS: Pristine, REF: 2000, WWT1: WWTP>500,000 IE; WWT2: WWTP>100,000 IE; WWT3:

WWTP>20,000 IE; WWT4: WWTP > 0 IE; WCC: introduction of nutrient winter catch crops; EXF:

Extensive farming; IAP: Improved agricultural practices (=WCC+EXF); MIX: IAP+WWT3; ORF: organic farming + WWT3. ... 242 Table 3. SR-MIRO simulations scenarios: total cost and unit cost of N and P reduction at the 3S outlet ... 252 Table 4. SR-MIRO scenarios: total cost and effectiveness of Phaeocystis maximum and duration reduction in the BCZ. REF Phaeocystis maximum= 45.8 10

⁶

cell L

^-1

; REF ‘undesirable’ bloom duration:

33 days... 254 Table 5. Mean and Standard Deviation (SD) of nutrient winter concentration and Phaeocystis maximum cell density and bloom duration simulated by the SR-MIRO tool in the BCZ for contrasted meteorological conditions of 1996, 2000 and 2001. Significant nutrient reduction scenarios with respect to present-day reference REF are indicated in bold ... 256 Table 6. Sensitivity analysis of SR-MIRO nutrient mitigation scenarios to hydro-climatic conditions 257 Table 1. Direct cost (€/ha) of the WCC measure per agricultural region of the Scheldt watershed (P:

Potato, MF: forage Maize, MG: grain Maize, SB: Sugar beet, WW: Winter Wheat) ... 276 Table 2. Comparison of organic farming (OF) economic results with conventionnal ones (CONV) (2000-2008 period - FADN database) for the type of farming (TF) 41: dairy farming and TF 42: cattle rearing and/or fattening and comparison of EXF economic results with bs ones (2000-2008 period - FADN database) for the type of farming (TF) mixed system crop-livestock. “=” (1), “>” and “<” (2) means respectively that the results of Tukey test show (1) no significant difference between the two groups or (2) a significant difference ... 279 Table 3. Investment and additional operating cost of adding a tertiary treatment to WWTP > 20000 IE existing in 2000 in the Scheldt watershed ... 282 Tableau 1. Principaux paramètres utilisés pour caractériser les trois sols lors de simulations du modèle STICS nécessaire à la détermination du coût de la mesure WCC (introduction de CIPAN) sur le bassin de l’Escaut ... 310 Tableau 2. Les itinéraires techniques pour quatre cultures de printemps et la culture de blé d’hiver ... 311 Tableau 3. Agrégation des itinéraires techniques à l’échelle des régions agricoles ... 312 Tableau 1. Prix de revient des cultures fourragères (Moyenne Belgique) (MS : Matière Sèche, MAT:

Matière Azotée Totale, UFL: Unité Fourragère Lait) (Deprez et al., 2005) ... 328

(21)

21 ... 329

(22)

22 Encadré 1.1. L’internalisation des externalités environnementales négatives: la prise en compte du

coût environnemental externe ou l’attribution de droits de polluer ... 40

Encadré 1.2. Internalisation du coût environnemental externe selon l’analyse coût-bénéfice ... 44

Encadré 1.3. Le Principe Pollueur-Payeur: l'emploi rationnel des ressources limitées de

l'environnement tout en évitant des distorsions dans le commerce et les investissements

internationaux ... 45

Encadré 1.4. Les taxes et redevances: une efficacité limitée ... 48

Encadré 1.5. Efficacité et efficience: l’analyse coût-efficacité et l’analyse coût-bénéfice... 53

Encadré 2.1. La notion de valeur dans le système socio-économique: l’influence des objectifs

poursuivis ... 65

Encadré 4.1. Le découplage de l’intervention opérée par la PAC ... 99

Encadré 5.1. Théorie du bien être, allocation efficace et (absence d’) équilibre concurrentiel ... 125

Encadré 5.2. Les marchés et les biens privés et collectifs ... 128

Encadré 5.3. La responsabilité partagée entre agriculteurs, consommateurs et le secteur agro-

alimentaire ... 129

Encadré 5.4. La définition d’une politique agricole visant une agriculture multifonctionnelle: la

position des pays hors UE comme le Canada par rapport aux contraintes imposées par l’OMC ... 135

(23)

23 I NTRODUCTION GÉNÉRALE

Dans cette introduction générale, nous commençons par aborder la problématique des émissions de nutriments - azote et phosphore - dans les écosystèmes aquatiques. Ensuite et avant d’introduire les trois objectifs de la thèse et les méthodes utilisées pour y répondre, nous précisons le contexte dans lequel cette thèse a été réalisée. Enfin, l’introduction générale termine en donnant la structure de la thèse.

1. Des émissions de nutriments - azote et phosphore - dans les écosystèmes aquatiques à leur contrôle par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE)

1.1. L’émission des nutriments par les agents économiques

Dans nos pays, les activités humaines de la chaine alimentaire (secteur agricole - entreprises de transformation - consommation) constituent les principales sources d’émissions de nutriments (azote et phosphore) dans les écosystèmes aquatiques. Les émissions peuvent être différenciées en émissions ponctuelles et diffuses. Les principales émissions ponctuelles de nutriments dans les eaux de surface proviennent des rejets des stations d’épuration (STEP) tandis que les eaux ruisselant sur les aires de production agricole constituent les principaux apports diffus de nutriments.

1.1.1. L ES EMISSIONS DE PHOSPHORE

Deux formes de phosphore - le phosphore particulaire, c'est-à-dire le phosphore attaché à des particules de sol, et le phosphore dissout - peuvent être différenciées. Le phosphore inorganique dissout (PID) est le phosphore directement disponible pour la vie végétale. Il est formé principalement d’orthophosphate (o-PO

4

).

Le secteur agricole constitue une des plus grandes sources diffuses de phosphore même si

toute source confondue (diffuse et ponctuelle) ce secteur ne représente que 20 à 40 % des

émissions en Europe (OCDE, 2001 cité par Öborn et al., 2003). Le phosphore, dans les eaux

de ruissellement, se retrouve, majoritairement, sous la forme particulaire (CEEW, 2007). Les

(24)

24 émissions diffuses en phosphore inorganique dissout (PID) sont généralement petites (Guggenberger et al., 1996) étant donné que le PID est fortement retenu par le sol (Ekholm et al., 2005; Oenema et al., 2005). Des pertes de PID importantes surviennent notamment lorsque le sol est saturé (Hooda et al., 2001), résultat d’une fertilisation excessive pendant de longues périodes (entre 10 et 150 ans).

Les flux sortant des stations d’épuration (STEPs) sont des sources ponctuelles qui constituent le plus souvent la plus grande source de PID dans les rivières (Ekholm et Krogenus, 2003; Jarvie et al., 2006; Van Der Zee et al., 2007). Les émissions par habitant pour le phosphore tournent autour de 2 g/jour (AGW, 2005). En fonction du type de traitement dans les STEPs, les formes sous lesquelles se trouvent le phosphore sont différentes: avec un traitement biologique, le phosphore sortant des STEPs se présente majoritairement sous la forme dissoute tandis qu’avec un traitement biologique et chimique, le phosphore se trouve principalement sous une forme particulaire (Ekholm et Krogerus, 2003).

1.1.2. L ES EMISSIONS D ’ AZOTE

L’azote inorganique dissout (azote biologiquement actif) est présent dans l’eau essentiellement sous une forme réduite (azote ammoniacal NH

4+

) et deux formes oxydées (les nitrites et les nitrates) ainsi que sous une forme de gaz dissout (N

2

).

Il est estimé, en Europe, que 40 à 80 % des émissions d’azote dans les écosystèmes aquatiques proviennent de l’agriculture (OCDE, 2001 cité par Öborn et al., 2003). La majorité des apports diffus d’azote biologiquement actif proviennent des eaux ruisselant sur les sols agricoles. Les ions nitrite et nitrate, à l’inverse de l’azote ammoniacal, sont peu retenus par les sols des régions tempérées (Carlotti, 1992; Courtois et al., 2006). De ce fait, les eaux des sols agricoles sont principalement concentrées en nitrate, les concentrations en ammonium sont généralement faibles (Billen et al., 2007, Tableau 8.3).

Les stations d’épuration sont des sources ponctuelles d’azote. Ces apports ponctuels d’azote

des eaux usées oscillent autour de 10 - 15 g N.hab

^-1

. j

^-1

(avant traitement), pour l’Europe

occidentale (Laurent et al., 1993; Thieu et al., 2009). L’azote contenu dans les eaux usées

sortant des stations d’épuration se retrouve sous différentes formes en fonction du

traitement en place (nitrification ou nitrification + dénitrification).

(25)

25 1.2. De l’émission à la pollution: la perturbation du cycle des nutriments

En général, les eaux de surface atteignent naturellement un état d’équilibre écologique, mais celui-ci peut être profondément perturbé lorsque des apports de nutriments et de matières organiques exogènes dépassent les capacités d’assimilation et d’auto-épuration du milieu. Dans les eaux de surface continentale et côtière, un apport externe important d'azote et de phosphore entraine un accroissement de la production primaire, ce phénomène est appelé eutrophisation. Le développement excessif de certaines algues peut ne pas bénéficier aux maillons supérieurs de la chaine alimentaire. Dès lors, les algues produites s’accumulent dans le système et sont ensuite dégradées par les bactéries. En plus d’une réduction de la biodiversité des milieux aquatiques, de hautes concentrations en nutriments s’accompagnent d’un risque accru de libération de toxines par certaines cyanobactéries (eaux de surface) et dinoflagellés (eaux marines) et d’une dégradation des qualités chimique et organoleptique de l’eau (Sigee, 2005).

Le développement algal est également régi par des besoins déterminés de nutriments dans les eaux de surface selon un rapport 40 g C: 7 g N: 1 g P (Redfield et al., 1963). Cette loi des minimums suggère que lorsque le rapport massique de l’azote disponible sur le phosphore disponible dans l’eau excède 7: 1 (ou le rapport atomique N/P supérieur à 16), la production d’algue est limitée par le phosphore. A l’inverse, quand le ratio est moindre que 7: 1 (ou le rapport atomique N/P inférieur à 16) le développement algal est limité par l’azote (Oviatt and Gold, 2005). Ce sont ces déséquilibres qui permettent le développement d’algues indésirables, soit formant des biomasses élevées, soit produisant des toxines.

1.3. L’amélioration de l’état des écosystèmes aquatiques : les objectifs et les méthodes de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE)

La Directive Cadre sur l’Eau (DCE 2000/60/CE) a été adoptée en l’année 2000 pour diminuer les pressions, notamment en nutriments, s’exerçant sur les écosystèmes aquatiques. Elle constitue le cadre législatif européen en la matière et vise l’atteinte du « bon état » chimique et écologique des écosystèmes par une approche multidisciplinaire. La DCE est innovatrice, en plus d'intégrer les différents objectifs des Directives précédentes dans le domaine de l'eau, elle propose une analyse économique des dommages environnementaux.

Le Principe Pollueur-Payeur, qui impose aux acteurs des secteurs économiques (ménages,

industries, agriculture) de payer pour les dommages environnementaux occasionnés, occupe

(26)

26 une place centrale dans la Directive. Outre ce principe, la DCE se base également sur les

notions d’optimum et d’efficience propre à l’analyse économique. Pour atteindre les

objectifs environnementaux de bon état, la DCE requiert l’élaboration d’un Programme de

Mesure (PdM) « coût-efficace » et une analyse coût-bénéfice permettant de situer

l’ « optimum » de dommages environnementaux et les coûts disproportionnés.

(27)

27 2. Contexte de travail : le projet Timothy

Le thème de cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet Timothy (Tracing and Integrated

Modeling of Natural and Anthropogenic Effects on Hydrosystems). L’objectif général de ce

projet était de développer, valider et appliquer des outils permettant de décrire et évaluer

les changements passés (jusqu’aux années 1950), présents et futurs (à l’horizon 2050) de la

qualité des eaux continentales souterraines, de surface et marines côtières et de relier ceux-

ci aux modifications des activités humaines (dont les changements climatiques) sur le bassin

versant de l’Escaut et la zone côtière adjacente. L’approche méthodologique comprend et

combine la compilation de données historiques et l’acquisition de nouvelles données de

terrain, l’étude de processus et des développements expérimentaux et numériques. Ce

projet avait, parmi ses objectifs, l’établissement d’une analyse socio-économique des

pressions anthropiques sur le bassin de l’Escaut conformément à la DCE. Ainsi, des mesures

de contrôle de la pollution, permettant de diminuer les pressions en nutriments, ont été

définies et soumises à une analyse coût-efficacité.

(28)

28 3. Objectifs et méthodes de la thèse

La thèse comprend trois objectifs décrits au niveau des sous-sections 3.1. ^, 3.2. ^et 3.3 ^de

cette introduction générale. Le premier objectif de cette thèse - l’analyse critique de la méthodologie de la DCE - a permis de définir une méthodologie propre pour le contrôle des émissions de nutriments dans le bassin de l’Escaut et dans la zone côtière belge. La méthodologie commence par l’application de la méthode DPSIR c'est-à-dire l’étude des relations de causes à effet liant la chaine alimentaire aux émissions de nutriments dans les écosystèmes aquatiques pour définir des mesures de contrôle de la pollution agissant sur les causes de la pollution (efficientes). L’efficience étant une mesure de l’atteinte d’un objectif en fonction des moyens mis en œuvre pour y arriver, nous envisageons l’efficience environnementale d’une action comme une action agissant sur les causes directes des dommages environnementaux. La deuxième étape consiste à examiner si les instruments utilisés dans la Politique Agricole Commune (PAC) ne freinent pas l’implémentation de mesures techniques de contrôle de la pollution pertinentes. En d’autres termes, il a été analysé si les instruments utilisés dans la PAC permettent l’établissement d’une agriculture multifonctionnelle c'est-à-dire le développement suffisant des côtés non marchands dont la protection environnementale fait partie. Ces deux premières étapes de la méthodologie répondent au deuxième objectif. Enfin, la troisième étape de la méthodologie (troisième objectif) s’attèle à la définition de mesures techniques de contrôle des émissions de nutriments dans le bassin de l’Escaut et la zone côtière belge. Le coût et l’efficacité de ces mesures techniques ont été évalués à l’aide respectivement de données comptables agricoles (réseau comptable RICA) et de modèles hydrobiologiques (Sénèque - Riverstrahler et MIRO).

3.1. L’évaluation du bien-fondé de la méthodologie proposée par la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) pour atteindre le bon état des écosystèmes aquatiques (chapitres 1 et 2)

La Directrice Cadre sur l’Eau (DCE) s’annonce être progressiste étant donné qu’elle prend en

compte les différents piliers du développement durable : l’environnement (atteinte du « bon

état » des écosystèmes) et le système socio-économique (analyse économique). Toutefois, la

manière dont l’analyse économique et l’atteinte des objectifs environnementaux sont reliés

a une influence directe sur le « type » de développement durable, notamment en termes

d’actions sur les causes de la pollution.

(29)

29 Dans la DCE, l’analyse économique et l’atteinte des objectifs environnementaux sont connectées au niveau de deux approches. La première approche consiste en l’évaluation de la répartition (Principe Pollueur-Payeur) et de l’importance des coûts de l’atteinte du « bon état ». La deuxième concerne l’explication des facteurs ayant un rôle clé dans la formation des dommages environnementaux c’est-à-dire les facteurs conduisant le système socio- économique à des impacts négatifs sur les écosystèmes. Plus d’attention est donnée dans la DCE à la première approche. Cette dernière se base sur les principes de l’économie de l’environnement et consiste, outre l’application du PPP, à réaliser une analyse coût-efficacité et coût-bénéfice des programmes de mesures de contrôle de la pollution. La deuxième approche est peu représentée dans la DCE et consiste à appliquer de manière biaisée la méthode DPSIR (Driving Forces - Pressures - State - Impact - Responses). Sur ces bases, il a été questionné si la méthodologie de la DCE est propice à la définition de mesures agissant sur les causes de la pollution.

3.2. L’étude des relations de cause à effet pour la définition de mesures techniques et d’instruments de contrôle de la pollution (chapitres 3 à 7)

Les facteurs qui ont conduit les activités économiques à émettre les nutriments azote et phosphore dans les écosystèmes aquatiques ont été étudiés en suivant la méthode DPSIR (Driving Forces - Pressures - State - Impact - Responses) pour que les mesures et instruments de contrôle de la pollution (R) soient définis sur base d’une séquence cause - conséquence - contrôle. Etant donné que les activités économiques responsables de la majorité des émissions d’azote et de phosphore font partie de la chaine alimentaire, ce sont ces dernières et plus particulièrement la production agricole qui ont été considérées dans la méthode DPSIR.

Une attention particulière a été donnée à la Politique Agricole Commune (PAC) puisqu’au

cours de ces dernières décennies, elle a contribué à la formation d’une chaine alimentaire

entrainant d’importantes pressions en nutriments. Aujourd’hui, la PAC a mis en place des

instruments réglementaires et économiques pour protéger l’environnement. Il a été

examiné si ces instruments de contrôle de la pollution respectent le schéma cause -

conséquence - contrôle. En d’autres termes, la possibilité qu’offrent ces instruments en

termes de développement d’une agriculture multifonctionnelle c'est-à-dire une agriculture

où les côtés marchands et non marchands sont tous les deux représentés. Pour ce faire, les

instruments de la PAC ont été analysés en fonction du principe de production jointe puisque

(30)

30 celui-ci rend compte du lien de causalité entre les côtés marchands et non marchands d’une production.

Au niveau technique, le lien entre les « Driving Forces » et les « Pressures » en nutriments est analysé en fonction de l’efficience de l’utilisation des nutriments (Nutrient Use Efficiency, NUE) dans la chaine alimentaire. En effet, les émissions en nutriments vers les écosystèmes aquatiques sont dépendantes des surplus de nutriments c'est-à-dire des quantités de nutriments non valorisées. Pour cette raison, les variations de l’efficience de l’utilisation des nutriments dans les pratiques de production végétale et animale ont été étudiées pour définir celles ayant la plus grande efficience comme mesure de contrôle de la pollution.

3.3. La définition et l’évaluation des coûts et de l’efficacité de mesures

techniques diminuant les émissions de nutriments dans le bassin de l’Escaut et la zone côtière belge (chapitres 7 à 10)

Les impacts des surplus de nutriments au sein de la chaine agro-alimentaire sur les

écosystèmes aquatiques du bassin de l’Escaut et de la zone côtière de la mer du Nord ont

été évalués à l’aide des modèles Sénèque-Riverstrahler et MIRO. L’approche DPSIR a été

appliquée sur le bassin de l’Escaut pour définir des mesures techniques de contrôle de la

pollution (Responses). La mise aux normes des stations d’épuration au traitement tertiaire

constitue la mesure pour les pressions ponctuelles en nutriments tandis que les systèmes

herbagers, l’agriculture biologique ainsi que les cultures intermédiaires associées à une

diminution de la fertilisation azotée sont les mesures choisies pour diminuer les pressions

diffuses en nutriments. Ces mesures ont été évaluées par une analyse coût-efficacité. D’une

part, l’efficacité de ces mesures sur le bassin de l’Escaut et sur la zone côtière de la mer du

Nord a été analysée à l’aide des modèles Sénèque-Riverstrahler et MIRO. D’autre part, la

viabilité économique de ces mesures a été examinée, notamment sur base de données

comptables (RICA et SPGE) et du modèle agronomique STICS.

(31)

31 4. La structure de la thèse

La thèse est structurée en trois parties et dix chapitres. La première partie, composée des deux premiers chapitres, traite des objectifs et de la méthodologie de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE). Le premier chapitre, en décrivant l’objectif de bon état écologique et chimique des écosystèmes aquatiques, montre que les enjeux de la DCE s’étendent à d’autres polluants que les surplus de nutriments. La méthodologie proposée pour atteindre l’objectif de bon état est décrite en regard de certains principes de l’économie standard de l’environnement. Le deuxième chapitre montre que la méthodologie de la DCE présente des faiblesses pour agir sur la causalité de la pollution.

La deuxième partie est composée de 5 chapitres (chapitres 3 à 7) ayant pour thème commun la définition de mesures (mesure technique et instrument) agissant sur la cause des surplus de nutriments dans la chaine alimentaire. Le chapitre 3 met en avant l’importance d’une approche DPSIR (Driving Forces - Pressures - State - Impact - Responses) continue pour établir les relations de cause à effet et décrit les concepts de « production jointe » et d’ « efficience dans l’utilisation des nutriments » (Nutrient Use Efficiency, NUE). Le chapitre 4 évoque le rôle important de la Politique Agricole Commune (PAC) dans l’établissement de systèmes de production et de consommation non efficients dans l’utilisation des nutriments.

Les instruments utilisés dans la PAC pour protéger l’environnement ont été étudiés dans le chapitre 5. Enfin, les chapitres 6 et 7 analysent la production agricole en fonction de la NUE.

La troisième partie est composée de trois chapitres (chapitres 8 à 10), elle concerne les

surplus de nutriments présents dans le bassin de l’Escaut et la zone côtière de la Mer du

Nord. Dans le chapitre 8, les mesures techniques ont été définies pour ce bassin en suivant

l’approche DPSIR. Les chapitres 9 et 10 concernent respectivement l’évaluation de

l’efficacité et des coûts directs des mesures.

(32)

32 L ’E AU (DCE) SUR LA CAUSALITÉ DE LA POLLUTION : UNE PRIORITÉ OU UNE POSSIBILITÉ ?

En réponse à la dégradation de la qualité des eaux, la DCE 2000/60/CE a été créée. Elle est ambitieuse au vu des objectifs fixés et du calendrier imposé: elle astreint tous les Etats membres à atteindre le bon état chimique et écologique des écosystèmes aquatiques pour 2015. Elle pose le cadre d’une gestion des écosystèmes aquatiques par district hydrographique. Ce cadre s’articule autour de trois axes: l’atteinte d’objectifs environnementaux (1), la participation du public (2) et l’analyse économique (3) (Laurans et Guenegou, 2003).

Bien que la Directive Cadre soit essentiellement un texte législatif visant une amélioration de l’état des écosystèmes aquatiques, elle s’inscrit, par l’utilisation de principes et d’outils économiques, dans une logique de « développement durable » (Morris, 2007). Plus précisément, le volet économique de cette Directive est divisé en trois parties. La première (article 9) concerne le coût vérité de l’eau et réfère au Principe Pollueur-Payeur. La deuxième, développée dans l’article 11, vise la sélection de mesures de contrôle de la pollution les plus « coût-efficaces ». Enfin, la troisième (article 4) réfère à l'analyse des coûts disproportionnés de ces mesures (Jacobsen, 2007). Le guide WATECO (Water Economics) suggère une analyse coût-efficacité pour choisir les mesures de réduction de la pollution les plus « coût-efficaces » et une analyse coût-bénéfice pour apprécier si oui ou non les coûts des mesures sont disproportionnés (European Commission, 2003).

La pertinence d’une méthodologie basée sur les principes de l’économie de l’environnement

pour atteindre le bon état est questionnée dans cette partie. Le chapitre 1 détaille les

objectifs et la méthodologie de la DCE tandis que le chapitre 2 pointe les limites de la

méthodologie proposée par le groupe WATECO pour l’analyse économique.

(33)

33 Chapitre 1. La Directive Cadre sur l’Eau (DCE

2000/60/CE): Un cadre institutionnel pour la protection des écosystèmes aquatiques

Avant d’expliciter les trois étapes de la méthodologie de l’analyse économique de la DCE, ce chapitre tend à montrer les efforts réalisés au niveau européen pour établir un cadre de protection des écosystèmes intégré et uniforme sur le territoire européen ( section 1.1 ^{). La} section 1.2 rend compte du cœur de la DCE, l’atteinte du « bon état » pour tous les écosystèmes aquatiques en 2015. Ce « bon état » ne concerne pas uniquement les nutriments azote et phosphore mais un nombre assez élevé de substances chimiques ainsi que des paramètres écologiques (régime hydrologique, morphologie, biodiversité des cours d’eau).

La section 1.3 décrit la méthodologie du guide WATECO (Water Economics). Une plus

grande importance a été accordée aux deux dernières étapes de la méthodologie du guide

WATECO, à savoir la définition des mesures complémentaires et leur analyse coût-efficacité

et coût-bénéfice. Toutefois, la première étape, c’est-à-dire la récupération des coûts de

services liés à l’eau, a été explicitée pour rendre compte du fait qu’une mise en place des

redevances sur la consommation de l’eau conforme au Principe Pollueur Payeur (PPP) est

limitée, notamment par la compétitivité du marché.

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34 1.1. La Directive Cadre sur l’Eau (DCE): une démarche intégrée

La DCE constitue une démarche intégrée pour plusieurs raisons. Premièrement, elle rassemble les différentes Directives dans le domaine de l’eau qui ont été rédigées avant sa création (dont la Directive des eaux résiduaires urbaines 91/271/CEE et la Directive Nitrates 91/676/CEE). Elle concerne tous les écosystèmes aquatiques continentaux et de transition (eaux de surface, souterraine, estuarienne et côtière - jusqu’à un mille nautique des côtes) et la majorité des dommages environnementaux dont les écosystèmes aquatiques peuvent souffrir.

Deuxièmement, la gestion des écosystèmes aquatiques y est envisagée sur base de leurs limites physiques (échelle des bassins versants) et non sur base de délimitations administratives des Etats membres. Pour ce faire, une « stratégie commune de la mise en œuvre » (CIS) a été mise en place pour que les différents Etats membres d’un même bassin versant travaillent sur les mêmes bases (Andugar, 2008). Le Programme de Mesures (PdM) nécessaire à l’amélioration de l’état des écosystèmes doit être le résultat d’une réflexion commune entre les différents Etats ou régions présents dans un même bassin versant de telle sorte qu’un seul plan de gestion et Programme de Mesures soit élaboré par bassin versant.

Troisièmement, la Directive Cadre intègre la participation des citoyens dans les décisions prises ainsi qu’une dimension économique. Le lien entre les activités économiques et la pollution des écosystèmes aquatiques est réalisé d’une part par l’état des lieux et par le principe de récupération des coûts des services liés à l’eau et d’autre part par l’établissement d’un programme de mesures. Les citoyens sont partie prenante dans la mise en œuvre de la Directive. Notamment, l’élaboration du Programme de Mesures est soumise à la consultation publique.