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Organisation des paysages & maîtrise des pollutions
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Le fonctionnement hydrologique d’un bassin versant – L’eau des pluies s’infiltre dans le sol puis recharge les nappes souterraines ou ruisselle à sa surface pour rejoindre les fossés et les rivières. Elle peut également être retenue par le sol puis utilisée par les plantes ou évaporée dans l’atmosphère. Des circulations d’eau existent enfin entre nappes et rivières. Le choix des cultures, de leur emplacement, les pratiques agricoles et les aménagements hydrauliques et paysagers influencent également les chemins et la disponibilité de l’eau dans les paysages. Ainsi, le travail du sol (labour, désherbage) et l’état de surface du sol (croûte, couvert végétal) ont un impact sur la répartition entre infiltration et ruissellement. Pour une même pluie, l’infiltration peut être trois fois plus importante dans un sol travaillé que dans un sol non travaillé.
Transferts des polluants dans un bassin versant – Dans un contexte d’agriculture intensive dominée par l’élevage, les substances étudiées – nitrate, phosphore, carbone organique dissous, chlorure… – ont un impact sur la qualité des eaux de nappe et de rivière. Les chercheurs distinguent deux types de transferts : un transfert lent par la nappe et un transfert rapide par ruissellement lors des pluies. Le nitrate, dissous dans l’eau, est entraîné, par lessivage à travers le sol jusqu’à la nappe. Il met plusieurs d’années pour rejoindre la rivière, selon la localisation de la parcelle dans le bassin versant. Pesticides, phosphore, matières en suspension, bactéries, métaux lourds…, facilement retenus sur le sol, sont entraînés rapidement par ruissellement jusqu’à la rivière, lorsque l’intensité d’une pluie dépasse la capacité d’infiltration du sol ou sa capacité de stockage. |
Aménagement du paysage en milieu méditerranéen
Pour l’agriculture des régions méditerranéennes, faire les choix optimaux en termes d’aménagement et de disponibilité de l’eau dans les paysages est crucial car la disponibilité en eau y est faible. L’enjeu pour les chercheurs de l’INRA est de développer des outils d’aide à la décision.
Crues et inondations : le rôle des fossés agricoles dans la maîtrise des risques – En milieu méditerranéen, des banquettes anti-érosives permettent de lutter contre l’érosion des sols en captant l’eau de ruissellement chargée de matières à suspension mais aussi de conserver de l’eau sur la parcelle. Des fossés agricoles, creusés par les agriculteurs, collectent le ruissellement en surface et l’évacuent vers les cours d’eau. Comment peut-on jouer sur leurs densités pour maîtriser le ruissellement, processus clé régissant les sensibilités aux crues, à l’érosion des sols et au transfert de pesticides ? Des chercheurs, grâce à une expérimentation numérique sur une région du sud de la France, ont exploré l’impact de réseaux de fossés dont les densités variaient entre 14 et 392 mètres par hectare. Ils ont révélé que le réseau de fossés existant, correspondant à une densité de 115 mètres/hectare, se situait parmi les meilleurs compromis théoriques. En l’absence de possibilité d’expérimenter directement ce levier d’aménagement paysager, l’expérimentation numérique reste la seule possibilité pour caractériser les impacts potentiels sur le ruissellement d’une densification de ces réseaux au sein des bassins versants agricoles.
Un millier de réseaux de drainage ont été générés par un modèle numérique tenant compte des limites parcellaires et du relief. Ils présentent des densités et des formes très différentes. Chacun de ces réseaux est ensuite utilisé dans le modèle hydrologique Mhydas (plateforme de modélisation Openfluid) qui calcule pour une pluie donnée le cheminement de l’eau sur le bassin versant. Mhydas a été développé sur la base des études menées dans le cadre de l’Observatoire méditerranéen de l’environnement rural et de l’eau – Omere à Roujan (Hérault).
Les résultats confirment que la densité des réseaux de fossés agricoles impacte fortement l’évacuation des eaux en excès à l’exutoire du bassin et la limitation du ruissellement sur les parcelles. Cependant ils montrent que cet impact s’atténue à partir de seuils au-delà desquels une densification des réseaux de fossés devient inopérante. Ainsi, le réseau de fossés construit au fil du temps par les agriculteurs représente un bon compromis entre longueur de réseau, diminution du ruissellement sur les parcelles et efficacité de l’évacuation de la crue vers l’aval.
Le travail présenté constitue une première illustration de ce que pourrait être une approche d’évaluation quantitative et d’optimisation de structures du paysages (ici les densités de réseau de fossés) vis-à-vis de fonctions attendues des paysages cultivés (ici la maîtrise du ruissellement). Une telle approche nécessitera à terme que soient représentés dans des plates-formes de modélisation intégrée du paysage, l’ensemble des éléments et processus du paysage participant à la production de services écosystémiques, et l’ensemble de ces services écosystémiques.
Cartographie de l’évapotranspiration de la vigne à l’échelle régionale – Des chercheurs de l'INRA ont mis au point une méthode simple de cartographie de l’évapotranspiration de la vigne à partir d’images satellites. La combinaison de cartes de températures de surface et de taux de ouverture du sol par la végétation, obtenues avec une résolution spatiale de 90 mètres, permettent d’estimer l’évapotranspiration journalière des parcelles de vigne avec une précision d’un milimètre/jour, à l’échelle de petites régions viticoles. Cette méthode pourra être utilisée pour la quantification des besoins en eau de la vigne et la gestion spatialisée de pratiques viticoles, comme l'aptitude à l'enherbement.
Le statut hydrique de la vigne est connu pour avoir une influence déterminante sur la production viticole, tant en termes de quantité que de qualité. Si les méthodes de détermination du statut hydrique de la vigne sont opérationnelles à l’échelle de la parcelle, il existe un besoin important pour sa quantification à l’échelle de petites régions – quelques dizaines de km2 – aussi bien pour la gestion d’aires de production (conduite des vignes, récolte, irrigation…) que pour se préparer à faire face à l’action du changement climatique (modifications de la répartition temporelle de la pluviométrie par exemple). Les recherches menées depuis plusieurs dizaines années par différentes équipes dans le monde, dont des équipes françaises, ont permis la mise au point de méthodes de cartographie de l’évapotranspiration des couverts végétaux à partir d’images de télédétection dans l’infrarouge thermique. Toutefois, ces méthodes n’avaient jamais été utilisées de manière probante sur des couverts viticoles, en grande partie à cause de leur complexité géométrique (cultures en rangs). Ceci a motivé le lancement d’un projet de recherche visant à la cartographie de l’évapotranspiration de la vigne à partir d’images satellite, dans la région Languedoc-Roussillon. Cette région présente en effet deux caractéristiques a priori favorables : la vigne y est une quasi-monoculture et son alimentation hydrique est fortement limitée lors de la saison estivale, habituellement très sèche.
L'étude a porté sur la basse vallée de la Peyne, affluent de l’Hérault, où la vigne occupe plus de 70 % de la surface. Au cours de la période juillet 2007 à octobre 2008, douze images satellites ASTER ont été acquises. Les images de température de surface, à 90 mètres de résolution spatiale, ont été converties en cartes d’évapotranspirations journalières à l’aide de deux indices, le WDI (water deficit index) et le S-SEBI (simplified surface energy balance index) qui n’avaient jusqu’à présent pas été utilisés sur vigne.
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Cartographies de l'évapotranspiration sur la basse vallée de la Peyne, obtenues pour deux dates, avec la localisation des 7 parcelles de validation. Seules les parcelles de vigne sont représentées. |
Pour valider ces cartes d’évapotranspiration, un dispositif de mesures a été mis en place sur sept parcelles de vigne, représentatives de la variabilité pédo-paysagère de la vallée de la Peyne. D’une part, des mesures directes de l’évapotranspiration, par covariances turbulentes, ont été réalisées sur deux de ces parcelles. D’autre part, un suivi régulier de l’évolution de l’humidité des sols (mesures neutroniques) et du niveau des nappes (mesures piézométriques), conduit sur les sept parcelles, a permis d’évaluer avec précision leur évapotranspiration journalière. Les cartes d’évapotranspiration issues des images satellites ont ainsi pu être validées avec succès, l’indice S-SEBI étant légèrement plus précis (0,8 mm/ jour) que l’indice WDI (1,0 mm/jour). De plus, les cartes d’évapotranspiration ainsi obtenues présentent une structure spatiale stable dans le temps, semblable à celle de la carte des sols au 1:25 000.
Outre l’utilisation de ces cartographies de l’évapotranspiration des vignes pour l’estimation de leurs besoins en eau, par exemple pour l’irrigation, les perspectives de ce travail portent sur la gestion spatialisée de pratiques viticoles (par exemple aptitude à l’enherbement). Elles constituent par ailleurs une information potentiellement mobilisable pour la cartographie des propriétés hydrodynamiques des sols.
La démarche scientifique appliquée à la question des "algues vertes" en Bretagne
Les marées vertes sont la conséquence des phénomènes d’eutrophisation, c’est-à-dire d’excès de nutriments au regard de la vulnérabilité de l’écosystème littoral. Des concentrations excessives en nitrate entraînent le développement de macro-algues dans des baies littorales fermées, à faible renouvellement des eaux. Les bassins versants touchés par ces phénomènes représentent 7 % de la Bretagne. L’INRA mène un programme de recherche, avec les acteurs de terrain, pour mieux connaître et maîtriser les transferts de nitrate dans les bassins versants afin d’adapter et d’accompagner l’évolution des pratiques agricoles sur ces territoires très vulnérables. La démarche scientifique mise en oeuvre est basée sur l’acquisition de données et un suivi sur le long terme - possibles grâce à un Observatoire de recherche en environnement - et l’articulation des recherches avec les attentes de la société. Les modèles et les scénarios élaborés sont ensuite testés dans des fermes et sites pilotes.
Pâturages contre marée verte – Depuis 2008, les chercheurs de l’INRA travaillent avec les acteurs locaux (collectivités territoriales et chambres d’agriculture) du bassin versant de la Lieue de Grève dans les Côtes d’Armor sur un programme d’actions pour lutter contre les algues vertes. Malgré une évolution importante des pratiques agricoles et une stabilisation des concentrations en nitrates des cours d’eau aux alentours de 30 mg/l, les algues vertes continuent de se développer chaque été sur les plages de la Baie de Saint-Michel-en-Grève. Rapidement, un constat s’impose : au vu de la sensibilité de ce bassin versant, réduire la quantité d’algues vertes suppose une baisse drastique du taux de nitrate jusque 10 mg/l. Les différents acteurs du bassin versant sont unanimes : un changement de pratiques ne suffira pas, il faut modifier profondément les systèmes de production.
"L’histoire commence fin 2006, se souvient Luc Delaby, chercheur au sein de l'URM PEGASE, Physiologie, Environnement et Génétique pour l'animal et les systèmes d'élevage, associée au programme ACASSYA de recherche sur les algues vertes, lorsque Lannion Trégor Agglomération et les chambres d’agriculture bretonnes nous ont sollicités pour les aider à élaborer des actions innovantes pour limiter les fuites de nitrate vers les rivières". Le bassin versant de la Lieue de Grève est un bassin d’élevage en production bovine, laitière et allaitante. L’idée de développer des systèmes à base d’herbe s’impose naturellement, l’herbe étant une culture pérenne adaptée à l’alimentation des bovins qui valorise l’azote toute l’année. Pour tester sur le terrain les solutions imaginées ensemble par les chercheurs, les acteurs locaux (développement agricole, collectivités locales) et les agriculteurs, le dispositif "Fermes pilotes" est mis en place, avec au départ dix fermes pilotes volontaires.
Début 2011, les dix agriculteurs volontaires signent une charte individuelle d’évolution. "Après la phase d’audit des exploitations, indispensable pour identifier au cas par cas les possibilités d’évolution vers un système plus herbager, nous avons défini des seuils qui nous semblaient intéressants pour limiter les fuites de nitrates" précise Luc Delaby. Deux indicateurs guident ainsi l’évolution de ces exploitations : d’une part le taux de chargement en animal, fixé à 1,4 UGB (unité de gros bétail) par ha d’herbe, et d’autre part l’entrée d’azote sur l’exploitation, limité à 100 unités d’azote/ha de surface agricole utile. "L’idée toujours présente est de réduire les entrées d’azote, de favoriser le recyclage interne et de stopper les pratiques favorables au lessivage" souligne Luc Delaby. Couplée à l’expérimentation in vivo, la modélisation permet de tester a priori la validité et l’efficacité économique, environnementale et sociale des changements proposés. C’est aussi un outil essentiel pour simuler l’impact de l’évolution des exploitations sur la charge azotée totale du bassin versant. Chaque éleveur du dispositif Fermes pilotes bénéficie ainsi d’un accompagnement technique. "Les premiers résultats sont encourageants même si le rythme d’évolution varie selon les exploitations" note Luc Delaby. L’expérience va s’étendre dès l’automne aux 170 exploitations du bassin versant. Selon le plan national Algues vertes, 30 % des engagements pris par les bassins versants devront avoir été tenus en 2015 et la totalité en 2027.
Les zones humides : indispensables purificateurs d’eau – Les zones humides en bordure de rivière sont des milieux naturels qui ont une grande valeur écologique car elles éliminent et consomment une partie du nitrate produit en excès par l’agriculture et l’élevage. Des chercheurs de l'INRA de Rennes ont effectué une étude d’une année sur le bassin versant du Scorff, dans le Morbihan, afin de mieux connaître le rôle épurateur de ces zones humides et d’en mesurer l’efficacité. Leurs travaux ont montré que ces milieux peuvent éliminer plus de la moitié du flux de nitrate qu’elles reçoivent. De plus, les chercheurs ont pu établir les critères, tels que l’étendue des zones humides ou l’ordre des rivières, qui contrôlent les flux de nitrate sortant de la zone humide. Cette étude apporte des données précieuses pour une meilleure protection des ressources en eau et a permis d’améliorer certains outils de gestion agricole.
La Bretagne est l’une des régions les plus affectées par le nitrate provenant de l’agriculture et de l’élevage. Par exemple, en vingt ans, la teneur en nitrate du Scorff a été multipliée par six. Ceci a pour effet principal de dégrader la qualité de l’eau et de modifier les écosystèmes. Les marées vertes qui apparaissent sur le littoral breton en sont un effet spectaculaire. Les zones humides qui bordent les cours d’eau prennent là toute leur importance : véritables stations d’épuration naturelles, elles éliminent une partie du nitrate qu’elles reçoivent. Ce nitrate (NO3-) est consommé par les plantes et les microorganismes et, finalement, relâché dans l’atmosphère soit sous forme d’azote neutre (N2), soit sous forme d’oxydes d’azote, puissants gaz à effet de serre.
La zone que les chercheurs ont choisie pour leur étude est un bassin versant de 400 km2 entre le nord du Morbihan et Lorient. Les milieux naturels y sont bien conservés, et notamment les prairies humides en fond de vallée. C’est aussi une zone d’agriculture intensive, émettant une grande quantité de nitrate. En comparant la quantité d’azote déversée par les agriculteurs en amont, les flux d’azote entrant dans la zone humide et les flux sortant, ils ont pu évaluer le rôle épurateur de cet écosystème. Seize points localisés sur autant de rivières et ruisseaux ont été choisis pour y recueillir des échantillons d’eau en surface ou dans les nappes phréatiques.
D’après les résultats obtenus, sur une base annuelle, cette zone humide peut éliminer jusqu’à 53 % du flux de nitrate qui la traverse, soit 21 kg d’azote par hectare. Les cours d'eau les plus importants, ceux situés en aval, contribuent également à éliminer le nitrate. En effet, la végétation et les microorganismes des rivières d’ordre plus important participent, de concert avec la zone humide en bordure, à l’élimination du nitrate. Le type de sol, la superficie de la zone humide et la distance entre la parcelle agricole et le cours d'eau participent au contrôle des flux de nitrate. Enfin, les chercheurs ont montré qu'en été, lorsque le niveau des rivières est bas, l'efficacité des zones humides est plus grande (64 % d’efficacité à la saison sèche, seulement 9 % d’efficacité en hiver). Néanmoins, vu que le flux de nitrate est 10 fois plus important en hiver, la quantité d'azote est aussi plus importante durant la saison froide.
Les résultats de cette étude sont très importants à un moment où les pouvoirs publics cherchent à prendre en compte la valeur des zones humides. Cette évaluation de l’élimination du nitrate par les zones humides a aussi permis d’améliorer les modèles agro-hydrologiques utilisés pour gérer les ressources en eau et pour concevoir un aménagement du territoire plus rationnel. Par ailleurs, ces résultats pourraient servir à des recherches en bio-engineering cherchant à modifier les zones humides afin d’accroître leur efficacité (par exemple en jouant sur la longueur de la période où l’eau est présente). .
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| Centre INRA de Montpellier Unité mixte de recherche INRA-Montpellier SupAgro-IRD Département scientifique Environnement et Agronomie Laboratoire d’étude des interactions Sol Agrosystème Hydrosystème – LISAH Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir – Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir – Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir Centre INRA de Rennes Unité mixte de recherche INRA-Agro Campus Ouest Département scientifique Environnement et Agronomie Sol, Agro-hydrosystème spatialisation – SAS Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir – Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir Programme ACASSYA (Algues vertes) Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir – Cet e-mail est protégé contre les robots collecteurs de mails, votre navigateur doit accepter le Javascript pour le voir Levasseur F., Bailly J., Lagacherie P., Colin F., Rabotin M., in press, Simulating the effects of spatial configurations of agricultural ditch drainage networks on surface runoff from agricultural catchments, Hydrological Processes. DOI:10.1002/hyp.8422. Galleguillos M., Jacob F., Prévot L., Lagacherie P. and Liang S. (2011), Mapping daily evapotranspiration over a Mediterranean vineyard watershed, Geoscience and remote sensing letters, IEEE, 8(1): 168-172. Montreuil O., Mérot P., and Marmonier P., Estimation of nitrate removal by riparian wetlands and streams in agricultural catchments: effect of discharge and stream order, Freshwater Biology, novembre 2010. INRA – L'eau, recherches pour une ressource vitale |