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Comportement du phosphore dans les sédiments du lac de Lugano
SPAN, Daniel Gilbert
Abstract
Les échanges du phosphore entre les phases soluble et particulaire sont étudiés à l'interface eau - sédiment de trois sites bien distincts du Lac de Lugano. Les facteurs qui influencent directement la distribution du phosphore dans les sédiments sont: les propriétés redox des eaux profondes au contact avec la surface des sédiments, les teneurs en fer dans les sédiments qui limitent les flux du phosphore vers l'hypolimnion, le caractère hétérogène de la sédimentation. La présence de couches détritiques intercalées dans la colonne sédimentaire bloque par effet de "barrière lithologique" le phosphore dans les sédiments.
SPAN, Daniel Gilbert. Comportement du phosphore dans les sédiments du lac de Lugano. In:
Vernet, Jean-Pierre. Hommage à F.-A. Forel: troisième Conférence internationale des limnologues d'expression française . Morges : J.-P. Vernet, 1991. p. 115-118
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:152496
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COMPORTEMENT DU PHOSPHORE DANS LES SEDIMENTS DU LAC DE LUGANO.
D. Span *
RESUME
Les échanges du phosphore entre les phases soluble et particulaire sont étudiés à l'interface eau - sédiment de trois sites bien distincts du Lac de Lugano. Les facteurs qui influencent directement la distribution du phosphore dans les sédiments sont:
-les propriétés redox des eaux profondes au contact avec la surface des sédiments
-les teneurs en fer dans les sédiments qui limitent les flux du phosphore vers l'hypolimnion
- le caractère hétérogène de la sédimentation. La présence de couches détritiques intercalées dans la colonne sédimentaire bloque par effet de "barrière lithologique" le phosphore dans les sédiments.
INTRODUCTION
Le comportement du phosphore dans les sédiments lacustres superficiels dépend de facteurs internes (nature des apports, composition géochimique, état redox) et externes au milieu sédimentaire (morphologie, climat, qualité de l'oxygénation des eaux). Selon les conditions redox des couches d'eaux profondes, il peut être soit piègé dans le sédiment, soit être relargué depuis ce dernier vers l'hypolimnion (ref 1). Ces deux processus varient en fonction des cycles saisonniers mais, à plus long terme une réaction globale de piège ou de source peut dominer. La présence de fer dans ces environnements est aussi un paramètre déterminant pour le cycle du phosphore.
Dans cette étude, les comportements du phosphore dans les sédiments et les relations entre les phases dissoute et particulaire sont suivis dans trois milieux sédimentaires différents du Lac de Lugano.
SITES ETUDIES ET METHODES
Le Lac de Lugano situé entre la Suisse er l'Italie, se subdivise en 2 bassins principaux, nord et sud (Fig. 2). Leurs caractéristiques morphologiques, hydrologiques et la qualité de leurs eaux sont bien distinctes.
Le bassin nord (site de Gandria) très encaissé a une profondeur moyenne de 171 m (prof. max.
288m). Ce site est exceptionnel par son hypolimnion en permanence anoxique sur les derniers 200m. Les couches d'eaux de l'hypolimnion présentent des concentrations moyennes en phosphore dissous de 250 µg/I (ref2). Dans ce cas extrême d'anoxie,les sédiments superficiels sont fortement réduits dès leur interface.
Dans le bassin sud, la profondeur moyenne est de
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m. Cette partie du lac est constituée de plusieurs sous-unités séparées par des seuils peu profonds. Les eaux profondes subissent les variations saisonnières de température et de teneur en oxygène dissous. Les concentrations en phosphore dissous dans les eaux profondes à la fin de la période de stratification varient selon les sites étudiés: 800µg/I à Melide et seulement 300 µg/I à Figino, bien que les apports allochtones soient plus importants sur ce dernier site, notamment avec les rejets traités des eaux usées de l'agglomération de Lugano.•Université de Genève, Institut F.-A. Forel, 10 route de Suisse CH-1290 Versoix Suisse
Les 3 sites étudiés ont été échantillonnés par le sous-marin F.-A. Farel, lors de la campagne Endüceresiü de juin 1989 à mars 1990. Pour étudier la composition de l'eau interstitielle, des sondes à dialyse sont plantées directement dans le sédiment par le sous-marin, puis relevées 3 semaines après. Le carbone organique total (C.O.T) et les carbonates (CaC03) sont analysés par titrimétrie, le fer et le manganèse par ICP-AES. Le phosphore dissous est mesuré par colorimétrie.
La spéciation du phosphore particulaire est obtenue après un traitement acido-basique pour différencier les trois formes suivantes (ref 3):
-Phosphore Inorganique Apatitique (PIA) d'origine naturelle détritique et peu soluble.
-Phosphore Inorganique Non Apatitique (PINA) d'origine artificielle liée aux hydroxides de Fe
·sensible aux variations redox.
-Phosphore Organique (PO) lié à la matière organique naturelle ou à l'activité humaine.
RESULTATS ET DISCUSSIONS
Les sédiments varvés sont entrecoupés par des couches détritiques de nature et d'épaisseur très variables. Dans le bassin sud, les intercalations sont peu épaisses et silteuses. Leur présence est plus fréquente à Figino par rapport à Melide. A Gandria, plusieurs turbidites sableuses se sont déposées au centre de ce bassin. L'irrégularité des apports se répercute sur la nature géochimique des dépôts. Les sédiments superficiels (Fig. 2) du bassin nord sont riches en Fe. Les conditions réductrices qui y régnent ne permettent pas le stockage du Mn, les concentrations étant
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fois inf.aux autres sites. Les 2 sites du bassin sud se différencient surtout par les teneurs en Fe et en carbonates, Figino étant riche en Fe et pauvre en carbonates, état opposé à celui de Melide.
Dans ce contexe, la répartition du phosphore dans les sédiments sera hétérogène. Son comportement varie aussi en fonction du temps avec une évolution annuelle et/ou pluriannuelle (ref4).
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Figure 1: Evolution du phosphore dans les sédiments superficiels de Me/ide, en fonction des concentrations en 02 dissous des couches d'eaux profondes.
La figure 1 montre les processus d'échanges qui interviennent à l'interface eau/sédiment. A la suite du brassage hivernal des eaux (situations de mars et de juin), la présence d'oxygène permet le piègeage du P des eaux profondes dans le sédiment. Essentiellement sous la forme PINA, où il est associé aux hydroxides de Fe . Parallèlement, les concentrations en P dissous dans l'eau interstitielle diminuent, les flux de P du sédiment vers l'eau du fond sont faibles (0.8 à 1.3 mgP/m2/j).
Au contraire pendant la période de stratification des eaux, l'oxygène est rapidement consommé. La micro- couche d'hydroxides de Fe est détruite, libérant le P dans l'eau interstitielle. Les flux de diffusion peuvent atteindre
4.2
mgP/m2/j en décembre.Ainsi les sédiments du bassin sud réagissent aux variations du milieu, et se comportent alternativement comme piège de P pendant quelques semaines puis comme source interne durant plusieurs mois.
0 2 4km
Gand ria
(·285m)
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Figure 2: Teneurs moyennes de certains éléments majeurs dans les sédiments superficiels du Lac de Lugano (O à 5 cm de profondeur).
Gand ria
0 2 4km
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DPO
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PIAFigure 3: Teneurs moyennes en Phosphore total et spéciation du phosphore dans les sédiments superficiels (O
à
5 cm de profondeur). Moyennes effectuées sur 4 prélèvements pour les 2 sites du bassin sud.La distribution du phosphore dans les cinq premiers centimètres des sédiments (Fig. 3 ), correspondant à plusieurs années de dépôts, présentent des différences importantes. Pourtant, dans les sites du bassin sud, soumis aux mêmes variations du milieu (teneur en 02 dissous), le comportement du P devrait être similaire. Les sédiments de Figino contiennent 4 fois plus de P par rapport à ceux de Melide (Fig.3). Deux facteurs expliquent cette différence, la nature géochimique
dans les sédiments de Figino limite les flux de P vers l'hypolimnion, entraînant des concentrations relativement faibles en P dans ces eaux. Deuxièmement, la présence de fines couches détritiques très resserrées jusqu'à la surface bloquent entre elles le P. Cette sédimentation hétérogène ainsi que la nature géochimique spécifique favorisent le stockage du P dans ce type de sédiment. Pour le site de Melide, l'environnement sédimentaire est opposé. L'absence de couche "barrière" dans les premiers centimètres ne permet pas de stocker: le P efficacement. En période d'anoxie, le P diffuse librement vers les couches d'eaux profondes augmentant leur concentration.
Dans le bassin nord, les conditions très réductrices font que le P n'est plus stocké au sein du sédiment. Seule la forme d'origine détritique (PIA), qui n'est pas dégradée durant sa descente dans la colonne d'eau anoxique, présente des teneurs élevées. Le principal stock de P dans ce type de bassin profond se trouve dans l'hypolimnion, pouvant alimenter les eaux de surface.
CONCLUSIONS
A partir des résultats obtenus sur les 3 milieux sédimentaires bien distincts du Lac de Lugano, il est possible de définir les principaux facteurs qui conditionnent le comportement du phosphore (Table 1).
Facteurs externes 11 Facteurs internes
détennlnant l'état redox composition 1 mode de chimique sédimentation
Stock en phosphore
sédiment
1 hypollmnlon
faible 1
élevé
en période d'anoxie
Mel ide
Anoxlque / Oxique 11 1
(-85m) Fe 1 régulier
Figino
Anoxique / OxiqueFe irrégulier élevé
1 faibleen période d'anoxie
(-94m) nombreu-
couches détritiques
absence de 1
élevé
stockage en permanence
Gandria
1Anoxique
1
Fe
irrégulier(-285m)
Table 1: Principaux facteurs influençant le comportement du phosphore dans les sédiments.
Les facteurs externes au milieu sédimentaire (morphologie, hydrologie, climat, l'activité biologique et humaine) influencent directement l'état redox de la colonne d'eau, et indirectement celui de l'interface sédimentaire. Les facteurs internes (composition chimique, nature des apports, mode de dépôt ... ) influencent la capacité de blocage ou de relargage du P dans les sédiments.
REFERENCES
1. C Forsberg,
Hydrobiologia,
176/177, 263-277 (1989).2. Laboratorio Studi Ambientali, Comm.int.prot.eaux.Ital.Suisses, Milano, p 93 (1989).
3.JDH Williams
et al., Limnol. Oceanogr.,25,
1-11 (1980).4. D Span
