Diagnostic écologique : l'état d'un plan d'eau

Les différents milieux aquatiques, les familles de végétaux aquatiques et ce qu'ils nous apprennent, les formes de pollutions Voir descriptif détaillé

Diagnostic écologique : l'état d'un plan d'eau

Les différents milieux aquatiques, les familles de végétaux aquatiques et ce qu'ils nous apprennent, les formes de pollutions Voir descriptif détaillé

Il existe de nombreux indices permettant d’évaluer la santé d’une zone aquatique ; cette fiche présente l’intérêt d’utiliser la population végétale visible à l’oeil nu (macrophytes) pour effectuer un diagnostic écologique d’un plan d’eau ou d’un cours d’eau.

Les plantes aquatiques sont en effet plus ou moins sensibles à certains paramêtres du milieu : température, pente, dureté, oxygène dissous, pollution... Connaissant les exigeances de chaques plantes et selon les observations que l’on fait sur le terrain, on peut établir un diagnostic sur la qualité du cours d’eau.
« Les macrophytes sont sensibles à la qualité de l’eau et du sédiment. La présence, la prolifération ou au contraire la disparition d’espèces de macrophytes indiquent des niveaux de pollution différents.
La végétation aquatique fait partie intégrante de l’équilibre naturel complexe d’un lac. Sa diversité est le gage d’une valeur écologique élevée et toute atteinte à son intégrité aura des répercussions sur l’ensemble de l’écosystème. » (Cipel, Commission Internationale de Protection des Eaux du Lac.)

Enjeux

Pourquoi effectuer ces évaluations ?

L’écosystème aquatique est complexe et fragile. De plus en plus, nous prenons conscience de l’impact de l’industrialisation et de nos modes de vie sur l’environnement.

Les produits utilisés en agriculture (produits phytosanitaires) et en usine, station d’épuration, finissent par être drainés par les eaux de pluies et d’écoulement pour se retrouver dans les nappes souterraines, les cours d’eau et les plans d’eau. Par la mise en place d’un diagnostic écologique, nous pouvons en déduire l’état des sols alentours et donc le degré d’atteinte à la biodiversité par nos pratiques industrielles et quotidiennes.

Lac de montagne

La généralisation de ces diagnostics, par des laboratoires et des associations, permet la mise en place d’un état des lieux régional et national sur la qualité des zones aquatiques. Ces constats agissent comme des sonnettes d’alarmes sur la prise de conscience des populations locales. Ils permettent la mise en place d’actions de sauvegarde et de réhabilitation des zones aquatiques, dans un but tant de santé publique que de protection de la biodiversité.

Milieux et écosystèmes aquatiques

En présentant les enjeux d’un diagnostic écologique, nous avons mentionnés les dangers pour l’écosystème aquatique que constituent la modification du milieu par un apport de nitrates, de phosphates, la modification de la température ou du pH...

Il ne faudrait toutefois pas confondre un déséquilibre causé par des activités humaines avec les fluctuations naturelles de cet écosystème : un écosystème est en effet avant tout un système en évolution qui naît, se développe et meurt. C’est loin d’être un système stable, figé. Il est maintenu dans un équilibre dynamique, dont on pourrait même dire qu’il dépend des fluctuations naturelles. Par exemple, des crues saisonnières permettent un renouvellement de l’eau, un remaniement des fonds, et régulent la dynamique des populations.

Ces fluctuations naturelles causent des perturbations brutales dans un écosystème. Celui-ci évolue donc par à-coups, les espèces qui le constituent étant contraintes de s’adapter vers un nouvel équilibre : le système se renouvelle. Cette capacité d’adaptation est toutefois limitée et lorsque la zone aquatique subit une pollution trop importante qui dépasse ce seuil de tolérance ; l’écosystème peut se trouver dans l’incapacité de se régénérer. Les processus d’adaptations sont en effet des processus relativement lents, et cette période de latence peut se montrer fatale pour la survie de l’écosystème.

La capacité d’adaptation de l’écosystème aquatique dépend de la capacité d’auto-régénération de celui-ci. On distingue ainsi :

- Les milieux lentiques : c’est l’eau stagnante. Le renouvellement de l’eau est lent ou inexistant. Il dépend des eaux de pluies et des fluctuations des marées ou des crues. Ce sont les mares, lacs, étangs. Il y a deux types de zonations : horizontale (du large vers le centre) et verticales (selon la température : de la surface vers le fond).

  • Lac : grande masse d’eau, profondeur généralement importante dont la grande majorité de la surface est libre de végétation.
Lac
  • Étang : Rapport profondeur et surface/volume faible. Ici, l’énergie solaire est diffusée sur toute l’étendue d’eau et jusque dans ses profondeurs, ce qui permet le développement d’une végétation importante.
Etang
http://www.visoterra.com/
  • Mare : Petite étendue d’eau, pérenne ou non (elle peut s’assécher), naturelle ou artificielle. Il est difficile de distinguer une grande mare d’un petit étang (moins d’un demi-hectare au maximum).
Mare
http://fauneetflore.haplosciences.com

- les milieux lotiques : Ils sont caractérisés par un fort renouvellement de l’eau. L’eau est courante, fluide et en constant mouvement. Cela implique des adaptations des plantes (vie fixée pour ne pas se faire emporter), mais présente des avantages : la présence d’oxygène est garantie et ce sont généralement des milieux pérennes (assèchements rares). Il existe plusieurs « eaux courantes » : des rivières ou torrents de montagnes aux ruisseaux et rivières à écoulement lent.

Cours d’eau

Il existe une zonation particulière des milieux lotiques : notées de A à E en fonction des caractéristiques abiotiques (composition du sol, pente et largeur du lit, milieux traversés, canalisation, eutrophisation naturelle...) et qui définissent des zonations phytocoeno-écologique de références (études de Meriaux). (Voir le chapitre sur l’indice IBMR)

La plante aquatique : morphologie et adaptations

La plante est un organisme autotrophe, c’est à dire qu’elle peut synthétiser sa matière organique à partir d’éléments minéraux du sol, d’eau et de carbone (CO2 de l’air principalement). L’énergie lumineuse captée par les pigments chlorophylliens des feuilles permet le déroulement de la photosynthèse. Selon les milieux, la plante cherche à s’adapter pour assurer ses besoins en lumière, eau, gaz et nutriments. Besoin d’un petit rappel sur la photosynthèse ? Tout est là

Comme il a été dit dans l’introduction, les plantes (comme tous les organismes vivants) ont une capacité d’adaptation plus ou moins grande selon les espèces. Celles qui tolèrent des grandes variations du milieux et sont peu spécialisées sont qualifiées d’euryèces. A l’inverse, celles qui sont bien spécialisées et ont une faible valence écologique sont qualifiées de sténoèces. Pour effectuer un diagnostic, on s’intéressera donc aux sténoèces : étant donné qu’elles ne sont présentes que sous certaines conditions précises, elles seront plus riches d’informations sur le milieux que des plantes que l’on observera dans de nombreux milieux différents...

La végétation aquatique d’un lac (milieu lentique) varie selon la profondeur :

Distribution des végétaux - eau stagnante
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-  Hydrophytes libres : constituées de feuilles et de racines. Elles n’ont pas de tige car elle n’ont pas besoin de hisser leurs feuilles hors de l’eau pour chercher la lumière. Mais ces végétaux sont dépendants de la force du courant ; par conséquent ils ne sont présents que dans les milieux lentiques, où l’eau est stagnante. On ne les trouve pas non plus au milieux des lacs, où le vent est plus fort que sur les berges.

Spirodela polyrhiza , typique des milieux eutrophes
http://www.aquaportail.com/

Les racines ne sont pas enfouies dans le sol : la plante capte ses nutriments dans l’eau qui doit donc être relativement eutrophe (riche en éléments nutritifs, surtout azote et phosphate)
ex : Lentilles d’eau
- Lemna trisulca
- Spirodela polyrhiza
- Lemna Gibba

-  Hydrophytes fixés, immergés : les racines ancrent la plante, qui reste entièrement sous l’eau. La lumière nécessaire à la photosynthèse ne passe que si l’eau est claire (peu turbide). Les feuilles sont en général petites et étroites. Ces plantes peuvent pousser à une profondeur de 20 à 30 mètres selon la turbidité !
Les nutriments sont prélevés dans le sol, mais aussi dans l’eau : ils sont alors captés par diffusion (la cuticule qui recouvre la plante est en effet peu épaisse, voire absente)

NB :La cuticule épaisse est à l’inverse une adaptation à la vie terrestre, où il faut limiter l’évapotranspiration. La plante aquatique n’est quant-à-elle pas vraiment concernée par des manques d’eau...

Ceratophyllum
http://www.pluct.fr/

La plante utilise l’O2 et le CO2 dissous dans l’eau. Cependant, certains végétaux ne peuvent pas bien capter le CO2 de l’eau, d’autant que celui-ci est plus faiblement présent dans l’eau que dans l’air. Elles utilisent alors une autre source de carbone : les ions carbonates dont les eaux basiques en sont riches. A l’inverse, les eaux acides, oligotrophes (peu d’ions carbonates) sont plus sélectives : seules les plantes capables de capter le CO2 dissous dans l’eau peuvent de développer dans ces eaux.
Cette capacité ou non qu’ont les plantes de capter le CO2 dissous, nous renseigne donc sur le caractère acido-basique de l’eau, rien qu’en observant quelles plantes sont présentes...

NB : on peut observer des variations de morphologie au sein d’une même espèce, capable de s’adapter à des variations de concentration de carbonates. Exemple de l’Elodée : en conditions de stress, dans des eaux turbides (troubles) et avec peu de carbonates, l’Elodée étend sa tige vers la surface pour réaliser au mieux sa photosynthèse. Au contraire, dans des eaux claires et riches en carbonates, l’Elodée croît en largeur et étend sa surface foliaire.

Elodée
www.nikrou.net

Autres exemples : myriophylle, cératophylle, callitriche, tillée de nouvelle Zélande (échapée des aquariums)

- Hydrophytes fixés, feuilles flottantes : La lumière est captée par les feuilles, plutôt larges, posées sur l’eau.
La plante prélève le CO2 de l’air par les stomates, orifices situées sur les feuilles, sur la face supérieure (la face inférieure étant en contact avec l’eau).

NB : Chez les plantes terrestres, les échanges gazeux sont réalisés par des stomates situés sur les faces inférieures pour limiter l’évapotranspiration.

Comme la plante ne puise pas le CO2 et l’O2 dans l’eau, elle peut se développer dans des eaux relativement pauvres en oxygène (eutrophes, cf chapitre sur l’eutrophisation ). En revanche, même si la plantule est peut exigeante, elle doit pouvoir atteindre rapidement la surface de l’eau. Elles poussent donc des faibles profondeurs.
Ex : Nénuphar, renoncule aquatique, fougère azolle

Nénuphar

Renoncule d’eau
www.noilhat.com

- Hélophytes : seules les racines sont dans l’eau. Par conséquent, l’organisation tissulaire est semblable aux plantes terrestres. Les feuilles sont linéaires, dressées. L’eau et les nutriments sont captés par les racines. La lumière est captée par les feuilles aériennes, qui réalisent également des échanges gazeux avec l’air.

Massette
http://sites-nature.aquitaine.fr/

Certaines vivent avec les racines dans quelques cm d’eau, d’autres aiment simplement profiter de l’humidité à proximité d’un plan d’eau.
Exemples d’hélophytes : Sagittaires, Massettes, Roseaux, Carex, Joncs...
Les roseaux, en s’étendant et en envahissant l’eau, peuvent être responsable de la transformation d’étangs en marais, jusqu’à leur colmatation totale. Cela n’arrive cependant pas à toutes les étendues d’eau : les crues, broutages, fauches, maladies... régulent la population des roseaux.

Fermeture d’un étang par les roseaux

A prendre en compte lors du diagnostic :

Lors des observations de la végétation aquatique, il faut tenir compte de la saison : certaines plantes ont en effet un cycle de vie court et ne sont visibles qu’à une seule période de l’année.

Il existe entre les plantes une compétition pour la lumière : dès le printemps, les algues minuscules et les lentilles d’eau sont les premières à pousser car elles ont peu de besoins nutritifs. Un envahissement de l’étendue d’eau par un tapis de lentilles est un risque pour la richesse en biodiversité : elles empêchent en effet la diffusion de la lumière dans l’eau et le développement des hydrophytes immergés. La nuit, leur respiration peut faire baisser le taux d’oxygène jusqu’à un seuil insupportable pour de nombreuses espèces (état d’anoxie). Un étang trop ombragé, privé de lumière, perdra lui aussi sa vitalité, sa richesse en plantes... et en animaux qui en dépendent.

Bio-indication et indice IBMR (Indice Biologique Macrophytique en Rivière) :

Les cours d’eau peuvent être découpés en 5 zones (d’après les travaux de Meriaux), de A à E, qui traduisent un enrichissement naturel en azote et phosphore, depuis la source vers l’aval.
Les méthodes de suivi se font par comparaison avec un milieu de référence (cours d’eau sans pollution anthropique, études biologiques anciennes mais suffisamment précises, ...).

L’IBMR traduit le statut trophique du plan d’eau ou du cours d’eau, c’est à dire la teneur en nitrates et phosphates (ainsi que les grosses pollutions organiques). Il se calcule à partir du prélèvement d’espèces représentatives, ayant chacune une côte selon leur degré de contribution. On calcule aussi leur pourcentage de recouvrement et l’on tient compte de leur valence écologique (espèces sténoèces et euryèces). On obtient une note de 0 à 20, les eaux étant notées au delà de 14 étant considérées de très bonnes qualités.

Roseaux

Pour caractériser le milieu d’après une observation sur le terrain, il faut connaître les caractéristiques propres de chacune des plantes prélevées, leur simple morphologie n’apportant que des premiers renseignements (généralement imprécis). Pour cela, on s’aidera d’une flore de la région, d’une table de regroupement des végétaux, d’un document répertoriant les coefficients de trophie (c.à.d leurs besoins en azote et phosphore) des végétaux sténoèces.

De nombreux organismes d’éducation à l’environnement (FCPN, Ariena, la Hulotte...) fournissent des documents cadres aidant au diagnostic.

Les différentes formes de pollutions et déséquilibres

Lorsque que l’on a une idée de l’état de l’eau, il est bon de s’interroger sur le type de pollution éventuelle, et sur ses causes. Un diagnostic écologique demande en effet un effort qui n’a d’utilité que si l’on souhaite mettre en place un plan d’action adapté, pour limiter la pollution et parfois réaménager ou restaurer un milieu aquatique menacé. Il ne sert pas au suivi régulier d’une zone aquatique ; il existe d’autres méthodes plus simple pour cela.

Les pollutions peuvent être d’origine anthropiques ou naturelles ; elles ne sont pas toujours dues à des rejets de substances chimiques dans la nature, mais entrainent toutes une perturbation du milieu.

Eau turbide
http://gsc.nrcan.gc.ca/landscapes/

- La pollution décantable est due à des matières en suspension qui augmentent la turbidité de l’eau, empêchent les rayons solaires de passer et qui se déposent sur les végétaux. Elle provoque souvent la mort d’une partie de la faune aquatique. Dans la nature, la turbidité n’est jamais nulle mais elle peut être néfaste si elle est trop importante.

- La pollution oxydable : les matières en suspension s’oxydent au contact de l’eau ; cela peut provoquer l’apparition d’un état d’anoxie (absence d’oxygène).

- La pollution toxique minérale ou organique Elle est dûe à des composés qui se révèlent être toxiques à plus ou moins long terme. Lorsque ces substances sont ingérées, elles se concentrent dans les organismes. Plus on progresse dans la chaine trophique, plus les stocks de matières toxiques ingérés par le prédateur sont importants. Cette pollution est souvent délicate à éliminer, car en plus de se stocker dans les être vivants, elle se dépose dans les sédiments. Les produits toxiques minéraux sont par exemple : mercure, arsenic, plomb, antimoine... Quant aux substances toxiques organiques, elles sont souvent dues aux activités agricoles.

- La pollution bactérienne est souvent due aux eaux urbaines qui contiennent des matières fécales.

- La pollution thermique concerne surtout les fleuves avec les centrales thermiques et nucléaires qui se servent des eaux fluviales comme vecteur de refroidissement. Cela modifie la composition de la faune et de la flore.

Eutrophisation

Elle peut être d’origine naturelle ou anthropique. Elle n’a pas les mêmes impacts dans un milieu lentique ou lotique. L’eutrophisation caractérise un enrichissement en éléments minéraux nutritifs (azote et phosphore principalement). Dans le cas d’une origine anthropique de cette pollution, ce sont les engrais, fumiers, mauvaises installations septiques qui sont à l’origine de ces apports.
Dans la nature, l’azote et le phosphore sont des éléments limitants, c’est à dire qu’ils freinent la prolifération des plantes car ils sont peu biodisponibles.

- Dans le cas d’un point d’eau lentique (mare, lac, étang) : l’augmentation des concentrations d’azote et de phosphate entrainent une prolifération des algues et autres plantes aquatiques. En mourant, ces plantes se déposent au fond de l’eau. Là, les bactéries qui les décomposent se multiplient et consomment de plus en plus d’oxygène.

Canal recouvert de lentilles d’eau
http://www.pluct.fr/

Au bout d’un moment, comme l’eau n’est pas renouvelée, le fond devient anoxique et la décomposition s’arrète. On observe alors un developpement de bactéries anaérobies (évoluent sans oxygène) et qui dégagent des gaz délétères ( thiols, methane). Les organismes qui ont besoin d’oxygène meurent, se déposent au fond. La chimiocline (limite physique de présence d’oxygène) monte de plus en plus vers la surface.
Ainsi, une fois que le phosphore à été apporté, le processus s’auto-entretient et s’emballe... Lors des phénomènes naturels, l’eutrophisation peut prendre des siècles, mais la pollution humaine accélère considérablement le processus. Tant que les sédiments et la vase, riches en phosphore, demeurent, l’eutrophisation ne s’arrête pas.

Schéma : eutrophisation d’un point d’eau
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- Dans le cas d’une eutrophisation d’un cours d’eau , depuis un émissaire d’égout par exemple (pollution organique), on définit cette fois une zonation longitudinale, dans le sens du courant :

-* zone polysaprobe : tout de suite après la sortie d’égout, donc présente une forte pollution organique. Développement de bactéries aérobies qui décomposent, et font baisser la teneur en oxygène.

-* zone mésaprobe alpha : toujours fortement polluée, mais légèrement aérobie tout de même (le courant crée un renouvellement de l’eau). Apparition de bactéries tirant leur énergie de l’oxydation des nitrates.

-* zones mésaprobe bêta : la minéralisation s’accentue. Des bactéries autotrophes se développent, la concentration d’oxygène se rapproche de la saturation grâce à la diffusion (interface air/eau) et grâce à la photosynthèse algale.

-* zone oligosaprobe : presque toute la matière organique a été assimilée. On observe un retour aux conditions et peuplement originels mais les eaux sont enrichies en azote et phosphate. Il y a une faune d’eau propre et une augmentation de la biodiversité.

Sortie d’égout dans un petit cours d’eau
www.botrange.be

Compléter le diagnostic...

Le diagnostic de la qualité de l’eau peut être complété par de nombreuses autres informations :

Libellule

les animaux sont eux aussi des bio-indicateurs car, comme les plantes, ils présentent des critères pour pouvoir se développer et se multiplier dans un milieu. Certaines larves, par exemple celles des éphémères, sont des indicatrices de la pureté de l’eau car elles sont très sensibles.
Le plancton, des algues microscopiques (diatomées...) sont observables par loupe binoculaire ou microscope. Référencées, elles sont utilisées en laboratoire pour caractériser l’état d’un plan d’eau ou d’un cours d’eau.

Grenouille

Bibliographie et sources

- http://www.cipel.org/
- http://www.cnrs.fr/
- http://www.les-mares.com/
- http://www.eaufrance.fr/docs/qualit...

- Crédit photographies libres de droits : http://www.photo-libre.fr

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