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PARTIE 1 : Circulations • Polluants de l'eau • Voies de transfert PARTIE 2 : Eléments du paysage • Fossés et cours d'eau . Délimitation cours d'eau . Délimitation fossés . Fonctions . Ce qu'il faut retenir . Bibliographie • Zones humides . Définition . Critères descriptifs . Fonctions . Ce qu'il faut retenir . Bibliographie • Bandes enherbées . Définition . Fonctions . FAQ . Ce qu'il faut retenir . Bibliographie • Bordures de champs . Définition . Critères descriptifs . Fonctions . FAQ . Ce qu'il faut retenir . Bibliographie • Analyse du paysage . Végétation ZH . Transferts de subsurface . Dénitrification des ZH . Carte des ZH potentielles . Test dénitrification Liens |
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Dernière modification, le mercredi 24 mai 2017
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Les fonctions associées aux zones humides |
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Des fonctions assurant la protection de la ressource en
eau (eau potable et équilibre écologique des
cours d’eau)
A- hydrologiques : qui
permettent la régulation des ressources en eau (étalement des crues
l’hiver, soutien d’étiage l’été)
- stockage latéral de l’eau des versants,
- stockage longitudinal de l’eau du cours d’eau
- transfert des flux de surface (ruissellement,
exfiltration) et des flux de nappe (nappe du versant et nappe profonde)
B- d’épuration de polluants
- épuration des nitrates par dénitrification (transfert à
travers le sol de la zone humide vers la rivière)
- épuration des nitrates par absorption par les
végétaux (transfert à travers le sol de la zone humide vers la rivière)
- rétention et dégradation des produits phytosanitaires
et des métaux lourds dans le sol (sédimentation en surface
principalement)
C- de protection (lorsque les
pratiques sont adaptées)
- protection de la berge
- de dilution des polluants par effet de bilan
- zone possible de sédimentation des eaux de
ruissellement et de dépôt de polluants (transfert de surface de la zone
humide vers la rivière)
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Des
fonctions environnementales autres que qualité de l’eau
- réserves de biodiversité (faune, flore)
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Des
fonctions assurant une production économique
- production de bois d’œuvre (zone humide plantée)
- production de litière (valeur fourragère médiocre)
- zone de pâturage extensif
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Des
fonctions contribuant à l’amélioration du cadre de vie
- diversité biologique (intérêt patrimonial, espèces
rares, faune et flore)
- hétérogénéité du paysage
- réserve de gibier de chasse
- production de roseaux
- frayères à poissons (ex. brochet)
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Remarques générales :
- Contrairement aux bordures de champ qui sont des
structures linéaires de faible superficie par rapport aux parcelles
environnantes, les zones humides occupent tout ou partie des parcelles
agricoles et représentent donc des surfaces et des longueurs de contact
avec le versant importantes .
- La difficulté d’attribuer des fonctions à une zone
humide réside dans la prise en compte de l’hétérogénéité de
l’engorgement en eau. Les différentes fonctions et processus décrits
plus loin ne pourront donc -dans la plupart des cas- s’appliquer qu’à
une sous-partie de la zone humide.
- Dans les zones humides non cultivées, la gamme de
végétation présente offre déjà des indices intéressants pour discriminer
telle ou telle fonction.
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A- Fonctions hydrologiques : stockage latéral et longitudinal de l’eau et transfert |
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1- Principe (Figure 5) |
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• Les zones humides (de bas fond) sont
caractérisées par la présence d’une nappe à faible profondeur, peu
fluctuante et observée de façon saisonnière généralement de décembre à mars
pou une année climatique moyenne. • Elles sont situées dans des zones plates et basses topographiquement et récoltent les flux d’eau qui convergent vers elles dont les quantités varient selon : - la taille du bassin versant d’alimentation, - le cumul de pluies à une date donnée. • Ces milieux sont des zones de stockage notamment en période de recharge de la nappe (début de saison pluvieuse) mais leur capacité de stockage est faible du fait de la présence d’horizons peu perméables à faible profondeur. Elles assurent donc aussi une fonction de transfert dans le versant soit à l’échelle de la crue pour les écoulements rapides tels que ruissellement, exfiltration ou écoulement superficiel de la nappe de versant, soit à une échelle intra-annuelle, pour les écoulements plus lents comme ceux de la nappe profonde. |
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Figure 5 : Les différents réservoirs
d’alimentation des zones humides. |
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• Selon la contribution relative de ces
différents écoulements, la zone humide contrôle plus ou moins les flux d’eau
et de polluants qui y transite. Il faut noter que la période de recharge de
nappe correspond aussi au risque maximum de lessivage de nitrate. En crue,
les volumes transitant dans la zone humide dépendront de la porosité du sol
et de sa conductivité hydraulique. Hors crue ce sont les temps de résidence
de l’eau dans la zone humide qui permettront la régulation des flux
polluants.
• Selon l’ordre de Strahler du bassin versant,
l’interaction cours d’eau-zone humide (lorsqu’ils sont connectés) est
différente. Au delà de l’ordre 3, c’est l’écoulement dans la rivière qui va
en grande partie contrôler le fonctionnement de la zone humide (figure 6).
Les petits cours d’eau (ordre 1 à 3) influencent peu la zone humide.
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Figure 6 : Représentation schématique
de la zone d’interaction entre le cours d’eau et la zone humide selon
l’ordre du bassin versant. Extrait de Hill (1997). |
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2- Résultats |
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Remarque
préalable :
- Le fonctionnement hydrologique des zones humides en
Bretagne a été analysé soit en étudiant différentes zones humides de bas
fonds, soit en modélisant sur l’ensemble d’un bassin versant l’extension
de la zone saturée en surface au cours de l’année, selon une
pluviométrie moyennée.
-
Deux aspects ont été particulièrement
abordés : 1- la compréhension des mécanismes hydrologiques au sein de la
zone humide qui permet d’évaluer ses potentialités de dénitrification,
2- la problématique de la délimitation de ces milieux.
-
Seules les zones humides en bordure des
cours d’eau (ripariennes) ont été étudiées.
-
Ceci ne signifie pas que les résultats qui
seront présentés ici ne sont pas applicables aux deux autres types de
zones humides que nous avons identifié (de résurgence et de source) mais
avec certaines précautions.
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• Etudes de cas locales : zones humides à
proximité des cours d’eau
Caractériser l’origine des flux d’eau entrant
dans les zones humides, leurs volumes et leurs variations au cours
des saisons a permis de mettre en évidence :
- la participation de quatre réservoirs
principaux à l’alimentation de la zone humide, comme
l’illustre schématiquement la figure 7.
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Figure 7 : Schématisation des
4 réservoirs alimentant la zone humide en bordure de cours d’eau (ZH)
: ruissellement (eau de pluie) (R), nappe superficielle de versant
(NSV), nappe profonde (NP), réseau hydrographique (H). Extrait de
Durand et al., 2000. Remarque : Les autres types de zones humides ne sont pas alimentés par le réseau hydrographique. Cette figure illustre donc l’évolution de la zone saturée au cours du temps pour les zones humides de bas fond les plus étudiées. |
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- l’influence locale d’aménagements anciens
Des études précises sur une zone humide dont le cours d’eau attenant a été déplacé et recalibré montrent aussi que l’ancien lit d’un ruisseau recalibré joue le rôle de récupérateur des flux hydriques (sorte de drain). Ce bras mort reste en effet le point topographique le plus bas vers lequel convergent les flux. Ceci montre l’importance des aménagements passés dans la zone humide qui influencent encore son fonctionnement présent. - les volumes d’eau qui transitent par la
zone humide varient au cours de l’année et dépendent du niveau
d’hygrométrie général du bassin versant.
Une étude réalisée sur Pleine Fougères (figure
8) montre que :
• La contribution de la nappe profonde est relativement stable au cours du temps et représente environ 37 % du flux total annuel. • Une partie de l’eau provenant de la nappe superficielle de versant ne passe pas par le sol de la zone humide (déjà inondée) au printemps. Dans cette étude, cela représenterait de 0 à 44 % du flux selon la saison. • La zone humide alimente la rivière surtout à l’automne, au moment de la recharge de la nappe profonde, sa contribution au flux total pouvant alors atteindre 85 %. Au final, on peut donc grossièrement différencier deux périodes : • la période des hautes eaux (mois d’octobre-novembre à juin) période pendant laquelle la rivière est essentiellement alimentée par la nappe de versant (0-4 m), et un peu par la nappe profonde. • la saison sèche (juillet à septembre) : la rivière est alors alimentée par la nappe profonde essentiellement ( > 4 m), et très peu par la nappe de versant. |
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Figure 8 : a- Contribution
respective des trois réservoirs alimentant la rivière à proximité
d’une zone humide (Pleine Fougères, 35). Les flux sont exprimés en
proportion du débit de la rivière et ont été calculés sur une base
mensuelle. Deep aquifer : nappe profonde ; wetland reservoir :
zone humide ; hillslope reservoir : nappe superficielle du
versant. b- Evolution pour la même période des précipitations,
évapotranspiration et température. Extrait de Clément, 2001. |
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La délimitation précise de ces deux périodes dépend
chaque année de la date de reprise des pluies. Plus celle ci est
tôt dans l’année (début de l’automne), plus la contribution de la
nappe superficielle sera précoce. A l’opposé, si la reprise des
pluies est tardive, la contribution de la nappe profonde sera
étalée sur une plus grande période.
• Modélisation du fonctionnement hydrologique des zones humides
La modélisation permet de localiser les zones
humides et leur extension dans le temps par une approche
automatique. La méthode utilisée actuellement est basée sur un
indice topographique qui est calculé à partir de la topographie du
bassin versant et la pluviométrie ce qui permet de localiser une
partie des surface en zone humide (figure 9).
C’est une méthode encore à améliorer mais qui devrait permettre prochainement de localiser plus facilement les zones humides sur de grands territoires. En l’état actuel de son développement, elle demande cependant la maîtrise des outils de modélisation. |
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Figure 9 : Localisation des
zones saturées de bas fond (type a, figure 45) à trois dates (1 2
3) et pour trois états hydriques différents sur le bassin de Kervidy Naizin. a- par simulation via un modèle hydrologique basé
sur la topographie, b- par des observations de terrain |
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3- Récapitulatif des processus hydrologiques associés aux zones humides |
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Tableau 3 : Les processus élémentaires
hydrologiques associés à la zone humide. |
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B- Fonction d'épuration des polluants |
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1- Epuration des nitrates par dénitrification hétérotrophe (transfert à travers le sol de la zone humide vers la rivière) |
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a- Principe |
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L’eau qui alimente la zone humide provient des versants et de la nappe
profonde, deux réservoirs qui sont chargés en nitrate du fait de la
relative faible profondeur de la nappe en Bretagne (massif ancien sur
socle) et de l’intensification de l’agriculture en Bretagne.
Les zones humides sont des espaces
où l’eau réside un certain temps à faible profondeur ce qui
permet la mise en place de conditions physico-chimiques particulières
favorables à la dénitrification.
Les conditions à remplir pour qu’elle se produise sont (selon leur ordre
d’importance):
- la
richesse en nitrate du milieu,
- la
présence de matière organique facilement dégradable,
- l’absence
d’oxygène (elle est acquise après une
saturation en eau peu renouvelée
d’environ 5 jours),
- le
développement de microorganismes spécifiques à la dénitrification,
- une
température > 4°C,
- un
pH plutôt acide.
Ces conditions dépendent de facteurs liés au
milieu et de la saison
mais aussi des conditions micro-locales ce qui rend leur quantification
difficile (forte variabilité dans l’espace). La figure 10 illustre les
gammes où les paramètres du milieu sont favorables.
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Figure 10 : Conditions favorables à la
dénitrification |
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b- Résultats |
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Sur les zones humides où la dénitrification peut a priori
se produire, les résultats acquis mettent en évidence :
- une très forte hétérogénéité spatiale de la dénitrification (figure 11). |
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Figure 11 : Cartographie de l’état
rédox (que l’on peut assimiler à l’absence d’oxygène) de l’horizon 0-20 cm
du sol de la zone humide du Mercy (Bidois, 1999) |
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Cette hétérogénéité est le résultat de
vitesses d’écoulement différentes au sein d’une zone humide qui entraîne des
conditions d’oxygénation (ou de potentiel d’oxydoréduction) du sol variées,
propices ou non à la dénitrification. L’abattement de la teneur en nitrate
peut ainsi varier de 5 à 100 % en fonction de la période de mesure et peut
être faible sur l’ensemble de la zone humide (figure 12). |
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Figure 12 : Abattement en nitrates en
fonction du temps par rapport à l’entrée de la zone humide sur l’ensemble de
la zone humide et en un pont (Drain). Zone humide de la Rousselière (Merot,
communication personnelle). |
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- une localisation de l’abattement des
flux dans les premiers mètres de la zone humide, ce qui montre le rôle
prépondérant de l’interface versant - zone humide. Ainsi, la teneur en
nitrate peut passer de 60 mg/l à l’entrée de la zone humide à 6 mg/l en
quelques mètres (figure 13). |
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Figure 13 : Décroissance des teneurs en
nitrates de la périphérie vers le centre de la zone humide (et en
surface)(Pleine Fougères, Clément, 2000). |
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- une diminution de la capacité de
dénitrification avec la profondeur, à relier à la teneur en matière
organique du sol. En surface, la richesse du sol en matière organique (2 à 12 % selon les sites) permet le développement des bactéries et une dénitrification estimée deux fois plus importante qu’en profondeur quelque soit le couvert végétal présent (prairie, friche, forêt). En profondeur, les horizons sont pauvres en matière organique, la dénitrification est faible ou localisée dans des spots de dénitrification liés à des conditions micro-locales très favorables (Clément, 2001). - une zonation de la zone humide en termes d’efficacité de dénitrification (figure 14) • la zone particulière d’interface entre le versant et la zone humide : elle est riche en nitrates et matière organique (beaucoup d’intrants), la saturation est fréquente ce qui permet aux bactéries spécifiques de se développer. On l’a vu, c’est la zone active où se produit la majorité de l’épuration. • la zone pas toujours inondée (elle englobe la première mais est moins favorable), elle n’est pas toujours inondée mais toujours humide (par remontée capillaire), ce qui favorise la minéralisation de la matière organique. Il s’y produit une alternance de conditions aérobies- non aérobies qui favorise la production de bactéries. La production d’ammonium et de nitrate est importante mais les réactions de dénitrification peuvent être incomplètes ce qui peut favoriser la production de gaz a effet de serre. Le facteur limitant est l’aérobie à certains moments (inondations pas assez fréquentes) • la zone très souvent inondée (la plus basse topographiquement) : la matière organique s’y transforme en ammonium (NH4+), souvent en faibles quantités, mais pas en nitrate. Le facteur limitant est le manque de nitrate s’il n’y a pas d’apport du versant. • la zone pas souvent inondée (surélevée): la décomposition de la matière organique est rapide mais se produit en faibles quantités. Elle est peu utilisée pour la dénitrification car la saturation en eau (et l’anaérobie) n’est pas durable. |
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Figure 14 : Schéma récapitulatif des
zonations verticale et transversale que l’on peut identifier dans une zone
humide par rapport à la fonction de dénitrification. Adapté de Regimbeau,
1999 et Clément, 2001). |
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- un test de caractérisation des
conditions redox d’un sol pour connaître les potentialités dénitrifiantes
d’une zone. Le cycle de l’azote et notamment la dénitrification étant fortement influencé par les conditions d’oxydoréduction du sol, un test simple a été mis au point pour délimiter les zones potentiellement dénitrifiantes (Bidois, 1999). Ce test applicable sur un échantillon de sol est un indicateur coloré qui permet de révéler les zones oxydées où sont présents des nitrates et des zones très réduites sans nitrates. Sa calibration définitive devrait bientôt être achevée (étude prévue en 2004-2005). |
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B- Fonction d'épuration des polluants |
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2- Epuration des nitrates par absorption par les végétaux |
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a- Principe |
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Les végétaux pendant leur période de
croissance prélèvent de l’azote sous forme de nitrate et d’ammonium dans les
premiers horizons et le stockent dans les feuilles, tiges et racines. Une
partie est restituée via les débris végétaux, la chute des feuilles ou les
exsudats racinaires, une autre partie est conservée via le phénomène de
translocation qui permet de faire migrer l’azote assimilé vers les racines
ce qui permettra la reprise de croissance au printemps suivant (figure 15).
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Figure 15 : Principaux processus de
transformation de l’azote entre le couvert végétal de la zone humide et le
sol. La décomposition est la combinaison de la diffusion, l’immobilisation
par les micro-organismes et la minéralisation. |
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Le stockage d’azote est donc temporaire
sauf si la végétation est exportée (par fauche, coupe de bois etc …).
Quelques chiffres permettent de quantifier les différents compartiments de
stockage. |
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b- Résultats |
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L’estimation de la production de biomasse par différents
types de couverts permet d’estimer les prélèvements par la végétation.
Ces résultats sont issus de l’étude d’une zone humide à Pleine Fougères
(figure 16) qui présente trois types de végétation : une friche, une
prairie et une forêt d’arbres en croissance. |
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Figure 16 : Le site de Pleine
Fougères (35). Z I, II, III délimitent la zonation amont- aval du site.
Extrait de Clément, 2001. |
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Pour les trois types de zones, les
différents processus intervenant dans la rétention de l’azote ont été
quantifiés pour la strate herbacée, les arbres et les arbustes (Tableau 4)
puis la production de la strate herbacée a été évaluée (figure 17). |
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Tableau 4 : Taux moyens annuels des
différents processus jouant un rôle dans la rétention de l’azote sur les 3
sites d’étude. |
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Figure 17 :
Evolution de la biomasse vivante (a) et morte (b) de la strate herbacée sur
les trois sites d’étude au cours de l’année. Moyenne des trois zones de
chaque site et erreur standard. |
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Les résultats
montrent que : - la friche se démarque des autres milieux car sa strate herbacée présente la plus forte biomasse tant vivante que morte et sa production primaire est la plus importante, notamment à l’interface avec le versant où la production est plus importante encore, vraisemblablement reliée à la richesse en nitrate de cette zone. - La présence d’un couvert végétal quel qu’il soit permet de stocker l’azote assimilé au printemps pendant plusieurs mois. Les quantités absorbées sont importantes pour la friche qui est un milieu très productif (252 kg N/ha/an en moyenne) et équivalentes pour la forêt en croissance (dans le cas étudié ici) et la prairie (97 et 91 respectivement). - Les quantités d’azote restituées au sol (débris végétaux, chute de feuilles) sont différentes pour les 3 couverts, la friche restituant les plus fortes quantités, puis la forêt puis la prairie. Entre 75 à 90 % de la biomasse annuelle produite retourne ainsi au sol sous forme de litière, soit 41 à 82 % de l’azote assimilé. La translocation plus importante dans la prairie comparée aux deux autres couverts influence cette restitution au sol. - La vitesse de libération de l’azote contenu dans la litière dépend ensuite du processus de décomposition, plus ou moins rapide selon les couverts : une petite partie est très vite minéralisée et diffusée dans le milieu, une autre stockée par les micro-organismes et une autre minéralisée. Cela représente globalement 100 à 150 jours de stockage supplémentaire avant qu’une partie ne devienne mobilisable –car soluble- par l’eau. En résumé, l’azote prélevé est plus rapidement remis en circulation dans la friche et la prairie et reste plus longtemps dans la forêt. Environ 17 % de l’azote de la prairie est libéré la 1ère année, 14 % pour la friche et 5 % pour la forêt. |
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3- Rétention et dégradation des métaux lourds et des produits phytosanitaires dans le sol (transfert à travers le sol de la zone humide vers la rivière) |
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a- Principe pour les métaux lourds |
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Le cuivre et le zinc sont des
compléments alimentaires donné au bétail qui sont très peu retenus au
niveau de l’animal (80-95 % rejetés dans les déjections) et qui finalement
se retrouvent dans les sols et s’accumulent. |
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b- Résultats |
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• Etude du devenir du cuivre et du zinc le
long d’un transect culture-zone humide.
Cette étude réalisée a permis de mettre en évidence
une succession de processus. Lors de la période de reprise des pluies
(qui se traduit par des transferts d’eau superficiel), les deux métaux
lourds étudiés migrent du versant labouré vers la zone humide où ils
sont temporairement piégés. Puis lorsque la surface saturée en eau
diminue, les horizons du sol s’oxygènent ce qui fait précipiter les
métaux lourds sous forme d’oxydes en interaction avec le cycle du fer.
Les teneurs en métaux sont alors deux fois plus fortes dans la zone
humide par rapport à celle cultivée.
En revanche, lors de la période de hautes eaux
suivantes, le processus de réduction peut conduire à une libération
des métaux qui peuvent repasser en solution et migrer de nouveau
notamment vers la rivière (figure 18).
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Figure 18 : Devenir des métaux
lourds sur un versant en fonction de l’alternance oxydation réduction des
sols. |
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Si les mécanismes sont connus, ils sont en revanche
complexes. Il est cependant certain que les zones humides jouent un rôle
de piège saisonnier pour les métaux lourds mais ce rôle peut être donc
temporaire ou permanent selon les caractéristiques de la zone étudiée.
• Etude du devenir des produits
phytosanitaires dans la zone humide
Le suivi a été réalisé en laboratoire par marquage
radioactif. Du fait de la diversité des molécules de produits
phytosanitaires utilisée en agriculture (rétention et persistance
variable) et du peu d’études réalisées, ces résultats sont encore
partiels (sol calcaire). |
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4- Récapitulatif sur les processus de transformation et d’épuration de polluants associés aux zones humides |
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L’efficacité des zones humides pour
améliorer la qualité de l’eau dépend du chemin pris par l’eau, des flux qui
transitent dans la zone et d’une combinaison de facteurs locaux ce qui rend
souvent difficile la quantification de ces processus. |
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Tableau 5: Les processus élémentaires associés à
l’azote et aux produits phytosanitaires dans la zone humide.
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Dernière mise à jour du site, le 01 février 2019 |
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