Quel est le rôle et l’héritage des pratiques agricoles passées sur l’évolution passée et future des concentrations en nitrate dans les rivières ?

Article dans STOTEN Science of The Total Environment

L’augmentation des intrants causée par l’intensification agricole de la Bretagne a généré un excès d’azote par rapport aux besoins des plantes. Cela a engendré une diffusion massive de nitrate (NO3-) vers les aquifères et au sein des milieux aquatiques. Il en a résulté des effets néfastes sur l’environnement et pour la consommation en eau qui ont généré de nombreuses études et une transformation progressive des pratiques agricoles. Le développement de blooms d’algues vertes sur certaines baies du littoral breton a focalisé l’attention de la puissance publique et des acteurs locaux depuis le début des années 2000 avec notamment le programme Prolittoral. Cette démarche a pris la forme de Plan de lutte contre la prolifération des algues vertes (PLAV) à partir de 2011.

Dans ce cadre, un effort de modélisation a été mené sur chaque baie avec le logiciel TNT2 [1] développé par l’INRAE (Patrick Durand, UMR SAS). Ce logiciel permet de réaliser un bilan du devenir de l’azote à l’échelle de la parcelle en intégrant les données sur les pratiques et les cultures de ces parcelles. Cependant, le devenir des nitrates dans les milieux souterrains reste mal connu. En effet, plusieurs milieux (sol, sous-sol proche, sous-sol profond, rivière en elle-même) possèdent chacun une dynamique propre et se superposent entre le moment où l’eau des pluies touche le sol et celui où elle parvient dans la rivière. De plus, les propriétés majeures des milieux souterrains - i.e. les aquifères - en Bretagne (le volume, la capacité à laisser circuler l’eau, la capacité à dénitrifier) sont très difficiles à connaître car elles sont très variables et ne sont accessibles que d’après les données de forage existantes sur l’ensemble de la région. Pourtant, de par leur volume important, les aquifères ont un rôle prépondérant dans la réponse à long-terme des bassins suite à un changement de pratiques agricoles.

Cette étude publiée dans la revue Science of The Total Environment en octobre 2021, pilotée par Luc Aquilina, a été menée dans le cadre du second plan algues vertes et a été financée par la Région Bretagne, l’Agence de l’Eau Loire-Bretagne et l’Etat avec le soutien du Creseb. Elle a consisté d’une part à compléter les données d’observation existantes (débits, concentrations en nitrate) par la mesure du temps de résidence de l’eau dans le milieu souterrain. D’autre part, une approche parcimonieuse de modélisation tirant profit des données disponibles a été développée. Les résultats et leur interprétation ont permis de :

  • reproduire les principaux processus contrôlant les temps de transit de l’eau et donc des nitrates au sein des bassins versants
  • définir les principales propriétés des aquifères
  • interpréter ces propriétés en terme de structure géologique
  • tester deux scénarios extrêmes de changement de pratiques agricoles.

Le schéma illustre les principaux processus qui ont été modélisés. Représenter ces processus de façon simple mais avec une base physique a permis de reproduire les différentes observations disponibles : les débits de rivière, les temps de résidence de l’eau dans les aquifères (échantillonnés dans le cadre du projet MORAQUI) par l’intermédiaire d’Aurélie Guillou, Camille Vautier et Virginie Vergnaud (OSUR) et surtout les concentrations en nitrate dans les rivières. Une approche de modélisation originale a été mise en œuvre par Luca Guillaumot, Jean-Raynald de Dreuzy, Jean Marçais, Rémi Dupas et Camille Bouchez. Chaque bassin versant (~30 km²) a été simplifié à un versant équivalent dont la morphologie suit la morphologie moyenne des versants du bassin (pente moyenne de 6% et longueur de 1 km). Les transferts d’eau au sein des aquifères suivent la physique des écoulements en milieu poreux, en prenant en compte la profondeur afin de reproduire la stratification des écoulements (plus l’écoulement est profond plus le temps de transit est long).

Cette étude a montré que la stratification des écoulements dans le milieu souterrain contrôlait la dynamique temporelle des concentrations observées en rivière. Durant cet écoulement, une dénitrification fonction du temps de transit est prise en compte. Enfin, l’aquifère déborde en aval du versant afin d’alimenter les rivières et les sources. Plus, l’aquifère se remplit au gré des évènements pluvieux (la période d’alimentation de l’aquifère depuis la surface, dite recharge, se produit en général entre novembre et avril) plus la zone débordement s’agrandit et alimente la surface. Les taux de recharge mensuelle des aquifères ainsi que les concentrations en nitrates associées ont été obtenus par des simulations de Patrick Durand (INRAE, SAS) avec le modèle agro-hydrologique TNT2.

Sur les trois bassins étudiés, le temps de transit moyen de l'eau varient de 10 à 32 ans et est associé à une dénitrification limitée dans l'aquifère (10 à 20 %). Pour le bassin du Ris, 60 % des nitrates infiltrés dans l’aquifère entre 1955 et 2010 se sont échappés par les rivières. En moyenne, le temps de transit entre la recharge et la rivière était de 21 ans, mais 10% de l’eau a mis seulement moins de 1 an à rejoindre la rivière. Une partie de la réponse du bassin est donc relativement rapide. Sur la même période, 9% des nitrates infiltrés ont été supprimés par dénitrification. Fait majeur, 31 % de la masse de nitrates était toujours stocké dans l’aquifère.

Deux scénarios extrêmes (horizon 2050) ont été effectués :

  • un scénario dans la continuité des intrants agricoles observés ces dernières années (« business as usual »)
  • un scénario dans lequel les intrants seront nuls à partir de 2025.

Les résultats du premier scénario illustrent que les concentrations en nitrate dans la rivière ne diminuent plus de façon importante depuis ces dernières années. L’inertie du système a joué son rôle depuis les efforts de pratique entamés dans les années 90. Il faudra faire plus afin de réduire à nouveau sensiblement les concentrations en rivière.

Comme l’illustre le deuxième scénario, un changement important des pratiques qui génère une modification des concentrations dans la recharge sera suivi d’une réduction rapide des concentrations, de 20 à 30 % de la réduction finale (équivalente à la modification dans la recharge) au bout de 5 ans. Puis, le long temps de résidence de l’eau dans l’aquifère et la dénitrification impliqueront une réponse diluée dans le temps. Par exemple, 60 à 80 % de la réduction finale sera accomplie au bout de 25 ans. Cette dynamique de la réponse est vraie quelle que soit l’importance du changement de pratique.

Cette étude constitue un apport sur l’approche de modélisation et la compréhension du fonctionnement des aquifères et de leurs liens avec les rivières. Ces résultats sont également importants d’un point de vue pratique. Ils permettent de quantifier la réactivité des bassins versants et de montrer que tout changement de pratique est suivi d’une réponse très rapide (de l’ordre de l’année), d’une réponse un peu plus lente mais conséquente (de 20 à 80 % de la modification de la recharge) se produira dans les 5 à 15 années suivantes. La partie finale du transfert via le milieu souterrain sera la plus lente et requerra plusieurs décades. Si nous héritons pendant dix ou vingt ans des pratiques passées, c’est bien notre action aujourd’hui qui déterminera les évolutions des années qui viennent et des années futures. 

 

Référence
Luca Guillaumot, Jean Marçais, Camille Vautier, Aurélie Guillou, Virginie Vergnaud, Camille Bouchez, Rémi Dupas, Patrick Durand, Jean-Raynald de Dreuzy, Luc Aquilina, A hillslope-scale aquifer-model to determine past agricultural legacy and future nitrate concentrations in rivers, Science of The Total Environment, Vol 800, 2021, 149216, doi:10.1016/j.scitotenv.2021.149216


 

[1] Topography-based Nitrogen Transfert and Transformations : modèle agro-hydrologique distribué maillé, basé sur le couplage d’un modèle hydrologique et d'un modèle agronomique
TNT2 :
Beaujouan, V., Durand, P., Ruiz, L., Aurousseau, P., & Cotteret, G. (2002). A hydrological model dedicated to topography‐based simulation of nitrogen transfer and transformation: rationale and application to the geomorphology–denitrification relationship. Hydrological Processes, 16(2), 493-507. doi : 10.1002/hyp.327