Les phénomènes physico-chimiques en zones humides

I- Quelques notions de base : le devenir des molécules

A- L'épuration
1) Les nitrates
a) - L'azote
b) - La dénitrification
c) - Relativisons le processus de dénitrification
2) Les pesticides
B - La rétention
1) La sédimentation 
a) - Les micro-polluants
b) - Le phosphore
2) L'absorption 
a) - Le phosphore
b) - L'azote
3) La rétention de l'eau
II - Applications : de la théorie à la réalité

A - Les généralités
B - L'agriculture
1) Le nitrate
2) Les métaux
3) Le phosphore
C - Le lagunage
III - Commentaires : les réserves et les précautions à prendre

Bibliographie

I - Quelques notions de base : le devenir des molécules

Les zones humides peuvent être considérées comme des puits car elles stockent, transforment ou éliminent certains éléments. Elles peuvent aussi être des sources d'éléments soit pour les eaux souterraines, soit pour les eaux de surface, soit pour l'atmosphère.

Il faut distinguer le rôle épurateur (dénitrification et biodégradation des micro polluants) du rôle tampon (interception et rétention temporaire pour le phosphore, les métaux, les pathogènes et les phytosanitaires).

A - L'épuration

1) Le nitrate

Le cycle de l'azote dans les zones humides est caractérisé principalement par son absorption par les végétaux et par la dénitrification. Ces processus varient dans le temps et l'espace.

a) - L'azote

L'azote peut être présent dans l'eau sous différentes formes : organique, solide, dissoute, gazeuse et oxydée (nitrite) ou réduite (ammoniac). Le transfert d'azote dans les bassins versants s'effectue majoritairement sous sa forme oxydée dissoute (nitrate) qui est très peu retenue par les sols.

b) - La dénitrification

Définition : transformation de l'azote minéral en azote gazeux (NOx) sous l'action de certaines bactéries (en milieu dépourvu d'oxygène mais riche en matière organique).

Ce processus d'élimination de l'azote est difficile à mesurer in situ. Peu d'évaluations des gaz émis ont été effectuées à ce jour. La plupart des études montrent que le potentiel de dénitrification peut atteindre 40 kg d'azote /ha/jour (expériences in vitro).

Le processus global de dénitrification varie selon de nombreux facteurs (température, pH ou acidité du milieu, concentration en nitrates, source de carbone, activité des bactéries...). L'efficacité de ce phénomène dépend de deux facteurs : le temps d'immersion (quelques jours sont nécessaires pour faire disparaître l'oxygène du sol) et la connectivité des flux d'eau (qui permettent l'apport de nitrates et d'éléments carbonés). La dénitrification est à son maximum en hiver (hautes eaux) si les températures ne sont pas trop basses (baisse d'activité des bactéries).

Le potentiel épurateur de ces zones ne peut s'exprimer que partiellement car il est atténué par la présence de courts-circuits naturels (circulation profonde ou ruissellement, macropores) ou artificiels (fossés, drains).

c) - Relativisons le processus de dénitrification

En théorie, les activités potentielles de dénitrification observées sur différents sols de zones humides sont très élevées (10 à 50 kg/ha/j). Mais sur le terrain, ces valeurs sont beaucoup plus faibles (0,1 à 0,5 kg/ha/j). Les plus fortes valeurs sont mesurées en bas de pente dans des sols hydromorphes.

Les propriétés d'épuration changent d'intensité et d'efficacité selon les types de zones humides, leur localisation dans le bassin versant et les substances considérées. Les roselières sont des biotopes très efficaces.

De nombreux facteurs influencent l'activité dénitrifiante à l'échelle des bactéries (température, oxygène, carbone minéralisable, nitrate), du sol (engorgement, matière organique), du site (topographie, végétation) et de la zone humide (géomorphologie, hydrologie, usages) (Pinay et Trémolières, 2000).

2) Les pesticides

Les zones humides reçoivent plus particulièrement les éléments fins. Or c'est sur eux que de nombreux pesticides se fixent préférentiellement.

Leur dégradation peut se faire par voie physico-chimique (photo-décomposition, hydrolyse...) ou biologique (action des bactéries). Les processus restent encore à préciser.

La persistance des composés organiques est fortement modifiée selon les conditions d'oxydoréduction.

Type de molécule

Type de sol
produits chlorés monochlorophénols atrazine
En milieu réducteur
cas des sols hydromorphes
dégradation accumulation minéralisation partielle
En milieu oxydant résistance dégradation ? ?

Ainsi une alternance saisonnière des conditions d'oxydoréduction peut optimiser la biodégradation de l'éventail des polluants organiques.

B - La rétention

Contrairement à l'épuration qui transforme les éléments, la rétention est un processus qui retient les polluants, ce qui sous-entend un possible retour dans le milieu (surtout lors de la destruction de la zone humide). Les facteurs influençant la rétention sont la quantité de matière organique, le régime hydrologique et la nature des sédiments. Les zones favorables à la sédimentation des particules fines transportées par les eaux de ruissellement, les drains agricoles ou les eaux de débordement de cours d'eau peuvent donc recevoir des apports importants de micro-polluants.

1) La sédimentation 

C'est une rétention et un stockage des matériaux particulaires (sédiments) et des éléments associés aux particules (phosphore, micro polluants...).

a) - Les micro-polluants

Présentes à de faibles concentrations, ces particules se comportent comme des éléments plus ou moins toxiques à l'égard des organismes vivants. On les regroupe sous l'intitulé ETPT (éléments en traces potentiellement toxiques). La concentration des ETPT est toujours beaucoup plus faible dans les végétaux que dans les sédiments. Dans beaucoup de zones humides ces éléments semblent immobilisés de façon durable (importance de la quantité de matière organique).

Les zones humides étant favorables à la sédimentation des particules fines, elles peuvent recevoir des apports importants de pesticides. Une partie des stocks immobilisés dans les sédiments peut être remobilisée par désolidarisation avec les éléments du sol, dissolution et/ou dégradation de la matière organique. Cela dépend des métaux considérés et des conditions du milieu (pH, potentiel redox, activité microbienne...).

b)- Le phosphore

On assiste à une sédimentation du phosphore particulaire, étroitement associé aux éléments fins du sol. Il est transporté par ruissellement. Les zones humides retiennent plus ou moins bien le phosphore en fonction de son origine, son état, les microsites du sol, la saisonnalité des apports, la capacité de rétention et d'adsorption du sol. Cette rétention dépend également du fait que la zone humide est traversée par un flux important d'eau (5 à 90% du phosphore est retenu) ou qu'elle présente très peu de mouvements d'eau (entrée significative et croissante du phosphore particulaire) (Fardeau et Dorioz, 2000).

2) L'absorption 

La végétation assimile les nutriments pour sa croissance (azote, phosphore) et donc immobilise pendant un temps donné une partie des éléments fixés.

a) - Le phosphore

Les organismes vivants (végétation, les algues et les micro-organismes) sont des accumulateurs de phosphore. Ce dernier est relargué dans le milieu lors de la décomposition de leurs tissus. Mais ceci n'est possible que lorsque le phosphore est à l'état d'ion phosphate (état dissous).

Un équilibre existe entre la phase adsorbée aux particules du sol et la phase dissoute dans l'eau. Quand la concentration en phosphore dissous diminue, le phosphore accroché aux éléments du sol est relargué dans l'eau et profite à nouveau à des organismes vivants, ou sort de la zone humide pour aboutir dans le cours d'eau, lacs et finalement la mer.

b) - L'azote

Si on considère le bilan d'une année, le prélèvement de l'azote et le stockage par la végétation sont insignifiants pour le milieu lorsque le relargage par la décomposition organique et le lessivage ont lieu sur place. Il apparaît donc fondamental d'exporter la matière organique produite dans les zones humides (produits de fauche ou de coupe de ligneux).

3) La rétention de l'eau

Les zones humides jouent un rôle tampon et réservoir. Elles se comportent comme une grande éponge qui retient l'eau lorsqu'elle est en excès et la restitue dès qu'elle vient à manquer dans le milieu. Ce phénomène, qui a lieu tout au long de l'année en fonction des saisons, est particulièrement marqué lors des périodes de crue ou de sécheresse.

II - Applications : de la théorie à la réalité

A - Les généralités

Il existe une grande différence entre la capacité d'épuration potentielle des zones humides de fonds de vallée (notamment la dénitrification), liée à leurs caractéristiques intrinsèques, et leurs capacités réelles, intimement liées au flux d'azote les traversant, véhiculés par l'eau et donc liées à leur connectivité.

Le temps de transfert de l'eau et des éléments dissous dans les nappes peu profondes des zones humides est très important pour les processus physico-chimiques. Ainsi, une durée de 5 jours semble optimale pour la dénitrification.

B - L'agriculture

1) Les nitrates

Les sols cultivés en terrain humide ne présentent pas une dénitrification suffisante pour diminuer la contamination en nitrates des aquifères. Clément (2000) a démontré que les nitrates provenant du versant agricole étaient éliminés dès les premiers mètres de la zone humide à l'interface avec le versant. Au centre de la zone humide, on n'observe plus d'activité de dénitrification, notamment parce que les nitrates n'arrivent pas sur ces sites potentiels de transformation (courts-circuits hydrauliques). Les zones riveraines des rivières sont d'autant plus dénitrifiantes qu'elles présentent une nappe d'eau superficielle.

2) Les métaux

Bien que la majorité des métaux provenant des effluents d'élevage reste sur le sol épandu, dans la mesure ou il y a peu d'érosion (densité de talus), des études montrent qu'une partie plus ou moins importante des métaux passe tout de même en solution. Ces désorptions sont causées par la force ionique importante des déjections animales et par la quantité de matière organique soluble, facilement dégradable, qui s'associe avec les métaux. L'assimilation par la plante des métaux issus des fumures animales est en général faible.. En définitive, les métaux restent très majoritairement dans les premiers centimètres du sol de la zone humide.

3) Le phosphore

L'agriculture constitue la deuxième source de phosphate pour les eaux de surface après les eaux usées et les rejets des stations d'épuration. Mais cette position tend à s'inverser (Fardeau et Dorioz).

C - Le lagunage

Des zones humides artificielles sont utilisées pour l'épuration des eaux : ce sont les systèmes de lagunage à macrophytes. L'activité épuratrice est induite par la présence des plantes et des bactéries libres en suspension dans l'eau ou fixées sur les végétaux.

Dans ces lagunes artificielles, le taux d'abattement du phosphore atteint 75%. Cet abattement doit être relativisé car lorsque le milieu est saturé, la zone humide non seulement ne retient plus le phosphore mais peut même le relarguer dans le milieu. De plus la limite légale de rejet de 2 mg/l de phosphore n'est que très rarement respectée (Fardeau et Dorioz).

La diminution des concentrations en nitrates des nappes phréatiques lors de leur transfert dans les zones humides est le plus souvent attribuée au processus de dénitrification plutôt qu'à l'absorption par les plantes ou à l'immobilisation par les micro-organismes.

La construction de zones humides artificielles pour épurer les eaux est adaptée pour de petites activités mais cette démarche présente de nombreux risques (présence d'animaux fouisseurs, démoustication, écoulements d'eau non traitée...). Un aménagement en vue d'une reconquête de la qualité de l'eau modifie en outre profondément l'hydrologie de l'ensemble du corridor fluvial. Ce processus est toutefois intéressant dans le cas de traitement tertiaire (affinage) des stations d'épuration (diminution de la teneur de l'eau en bactéries, nitrates et phosphores à la sortie).

III - Commentaires : les réserves et les précautions à prendre

Depuis le début des années quatre vingt, on assiste à un intérêt croissant pour l'utilisation des zones humides dans la régulation des pollutions diffuses. Mais c'est sans compter sur les processus de cette régulation ainsi que les capacités réelles et la diversité des zones humides et des pollutions. Ces mauvaises appréciations ont conduit à de nombreux échecs de transformation des zones humides en station d'épuration (Pinay et Trémolières, 2000).

Le devenir des micro-polluants dans les zones humides est encore assez peu documenté comparé au phosphate et au nitrate. Il faut attendre les résultats des recherches qui se développent dans ce domaine.

Les zones humides ne constituent pas des systèmes homogènes. Les facteurs hydrologiques et pédologiques influencent significativement leur capacité propre à réguler les apports en azote provenant des versants adjacents.

Il ne faut pas oublier un point essentiel : la dénitrification nécessite que les nitrates soient en contact avec ces milieux réduits (en anaérobiose, c'est-à-dire sans oxygène). Or soit les écoulements de surface dans les zones humides sont court-circuités, soit ils empruntent des chenaux préférentiels. De plus, pour délimiter les secteurs potentiellement dénitrifiants, il apparaît important de déterminer quelles sont les zones anaérobies (sans oxygène) au sein de ces zones humides. Il s'agit bien la d'une transformation des zones humides, comportant des dangers quant à l'évolution de la faune et de la flore face à des arrivées d'éléments fertilisants et éléments indésirables (métaux, phytosanitaires..), mais aussi quant au rôle de ressource en eau potable et de soutien d'étiage.

Les zones humides sont des milieux naturels majeurs dans la régulation de l'hydrologie des bassins versants. Les dernières crues nous l'ont encore rappelé. Elles nécessitent aujourd'hui des entretiens de base qui doivent être intégrer dans l'optique de la protection de l'eau, de la faune, de la flore, bref, de la biodiversité

Reste que les zones humides jouent un rôle majeur dans la régulation hydrologique des bassins versants. Les dernières crues nous l'ont encore rappelé.

Bibliographie

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