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Dossier : Climat |
 La recherche française sur le climat |
Les thèmes de recherche |
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 Cycle
de l'eau |
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L’acidification
des eaux de surface et la perte de la biodiversité : mythe, problème
du passé ou d’actualité ? |
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Extrait
de la Lettre
n°13
Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC) |
Les années
1980 ont été marquées en France par l’existence
de "pluies acides", entraînant dans certaines conditions
une acidification des eaux de surface. Quelles en sont les conséquences ?
Malheureusement et
bien qu’ayant ratifié les protocoles, la France n’ayant
engagé aucune recherche sur le long terme, apparaît virtuellement
absente de ce programme. |
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 1 : Valeur du pH en période d’étiage |
Les
signes d’acidification en France et leur conséquence
En France, les premiers signes d’acidification des ruisseaux sont apparus dans les Vosges au début des années 80. C’est ainsi que des associations de pêcheurs constatant la disparition de populations de truites alertèrent la communauté scientifique régionale. Il fût difficile de réunir des arguments permettant de démontrer une dégradation des systèmes en raison notamment de l’absence de suivi sur le long terme de la qualité des écosystèmes situés en tête de bassin versant. Toutefois certaines études ponctuelles (Nisbet, 1958) ainsi qu’un suivi sur 30 ans de la qualité de différentes sources (Dambrine et al., 1998) ont apporté des informations venant corroborer les faits rapportés par la mémoire collective (forestiers, pêcheurs). Les études menées en automne 1995 sur 394 cours d’eau (voir figure 1) montrent que plus de 50 % d’entre eux présentent un pH inférieur à 5,5 (cours d’eau fortement acidifié). Parmi ceux-ci, 15 % sont caractérisés par un Ph inférieur à 4,8. |
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 2 : Exemple de composition ionique de 2 cours d’eau |
Les eaux présentent généralement une meilleure qualité en période d’étiage mais leur chimisme varie en fonction de certains événements hydrométéorologiques tels que la fonte de neiges (influx de polluants stockés dans le manteau neigeux), pluies d’orage (lessivage des masses d’air et de la végétation après une période anticyclonique)… De nombreux cours d’eau sont alors soumis à de véritables stress acides (d’intensité et de durée variables). Durant ces stress, la concentration en protons contribue alors de façon significative à la charge cationique (figure 2). |
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| Effet
de l’acidification sur les organismes Une toxicité qui provoque un dysfonctionnement physiologique De nombreux travaux se sont attachées à étudier la toxicité des eaux acides sur les organismes aquatiques et en particulier chez différentes espèces de poissons acido-sensibles. Ces recherches ont montré que les poissons soumis à un stress acide sont confrontés à un dysfonctionnement de la régulation ionique. En effet, tout organisme animal d’eau douce présente un milieu intérieur (sang ou hémolymphe) hyperconcentré (hypertonique) par rapport au milieu ambiant. De fait, dans des conditions normales, le milieu intérieur tend à perdre des ions et à gagner de l’eau. Afin de maintenir leur milieu intérieur constant, les animaux ont développé des mécanismes de régulation. Dans des eaux acidifiées, les concentrations élevées en protons (H+) et/ou en aluminium (certaines formes) induisent un dysfonctionnement de la régulation ionique, les organismes n’arrivant plus à réguler les pertes d’ions. Cette situation est amplifiée quand les eaux présentent en plus, une carence en calcium, ce qui s’avère être généralement le cas. |
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 3 : Concentrations moyennes en chlorure dans l'hémolymphe de Gammarus fossarum |
Ceci peut être facilement mis en évidence en exposant in situ à des conditions acides, par exemple une espèce commune de déchiqueteur acido-sensible, Gammarus fossarum (Crustacés Amphipodes) (figure 3). Des résultats similaires ont été obtenus chez différentes espèces acido-sensibles appartenant à des groupes fonctionnels différents (filtreurs et prédateurs). Précisons que les valeurs présentées précédemment proviennent d’organismes survivants, une forte mortalité étant associée à l’exposition. |
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 4 : Réduction de la richesse taxonomique en fonction du pH moyen des cours d'eau |
Une forte érosion de la biodiversité Une des conséquences marquantes de l’acidification concerne sans aucun doute l’érosion de la biodiversité. Ainsi, si l’on considère par exemple le compartiment des invertébrés aquatiques, composante essentielle des écosystèmes d’eau courante, la disparition de taxons apparaît drastique, cette dernière pouvant atteindre 70 % dans les cours d’eau les plus acidifiés (figure 4). Ce constat est d’autant plus frappant, que les écosystèmes dégradés sont tous situés en amont de toute activité anthropique (effluents urbains, agricoles ou industriels, modification physique des cours d’eau…) à l’exception toutefois des activités de gestion forestière. |
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 5 : Réduction de la richesse taxonomique des différents groupes |
La perte de taxons acido-sensibles touche tous les groupes faunistiques majeurs. Ainsi, Mollusques, Crustacées et Ephémèroptères sont éradiqués dès que le pH moyen des cours d’eau devient inférieur à 6.3. D’autres groupes comme les Plécoptères, Trichoptères, Diptères et Coléoptères s’appauvrissent progressivement quand la qualité du milieu se dégrade. Abordée sous l’angle fonctionnel, l’érosion de la biodiversité concerne tous les groupes fonctionnels trophiques (définis selon Merrit et Cummins, 1996) : déchiqueteurs, collecteurs actifs, filtreurs, prédateurs et racleurs de substrats (figure 5). |
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| Le
ralentissement du cycle de la matière organique : un dysfonctionnement
des écosystèmes acidifiés Compte tenu de l’appauvrissement des communautés de macroinvertébrés, il devient alors légitime de s’interroger sur les conséquences potentielles que pourrait engendrer cette érosion sur le fonctionnement des écosystèmes. Cet aspect complexe, qui depuis quelques années soulève un intérêt croissant (voir article de M. Loreau) peut être appréhendé à travers l’étude du processus de dégradation de la matière organique allochtone. La dégradation de la matière organique allochtone En effet, les écosystèmes concernés par l’acidification des eaux sont exclusivement, dans le massif vosgien, des cours d’eau forestiers. Ainsi, à chaque automne, ces systèmes reçoivent une quantité importante de feuilles mortes essentiellement de hêtre, cette nécromasse végétale constituant alors un apport trophique important pour le réseau trophique. La dégradation et la transformation de la litière de hêtre est principalement contrôlée par deux types d’acteurs : la microflore bactério-fongique et les macro-invertébrés détritivores. Parmi ceux-ci, les déchiqueteurs jouent un rôle primordial en assurant la fragmentation des feuilles en particules de tailles inférieures (fèces et pseudofèces), feuilles qui, une fois fragmentées, pourront être utilisées par d’autres organismes comme les collecteurs actifs et les filtreurs. |
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 6 : Valeurs du coefficient de dégradation de la matière organique |
L’étude
de la dégradation est possible en immergeant des masses connues de
feuilles mortes. Pour cela, des sachets présentant deux types de
mailles (0.3 et 5 mm) ont été utilisés. Les sachets
à «fines mailles» permettent la colonisation par la microflore
mais pas par les invertébrés tandis que les sachets à
«grosses mailles» permettent à la microflore et aux invertébrés
de coloniser la matière organique. L’étude de la dégradation
de feuilles de hêtre (principale essence à feuilles caduques
dans les Vosges) a dont été entreprise dans 7 cours d’eau
caractérisés par différents degrés d’acidification.
A différents temps, des triplicatas de paquets sont prélevés,
séchés et les masses sèches sans cendres déterminées.
Les cinétiques de dégradation peuvent alors être établies
en ajustant différents types de modèles. La figure 6 donne
les valeurs des coefficients de dégradation linéaire (-K)
pour chaque type de maille en fonction du pH moyen de chaque cours d’eau
pendant la période expérimentale. |
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 7 : Valeurs du coefficient de dégradation de la matière organique |
Ralentissement de cette dégradation L’étude du processus de dégradation de la matière organique montre que celle-ci est fortement ralentie dans les cours d’eau acidifiés. Si l’activité bactério-fongique semble significativement plus faible dans les ruisseaux dégradés, elle contribue toutefois peu à la perte de masse quelle que soit la qualité du milieu. Par contre, l’activité des invertébrés déchiqueteurs qui apparaît déterminante dans les cours d’eau typiques du massif, est quasiment inexistante dans les ruisseaux les plus acidifiés. Cette observation semble confirmée si l’on considère la relation hautement significative entre le coefficient de dégradation et la richesse en invertébrés déchiqueteurs (figure 7). La perte de biodiversité semble donc bien se traduire par un ralentissement du cycle de la matière organique. |
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 8 : Emissions françaises d’oxydes de soufre et d’azote |
Quel avenir pour ces cours d’eau ? Trop d’optimisme Compte tenu de la réduction des émissions de SO2 amorcée il y a déjà plus de deux décennies (figure 8), une restauration de la qualité physico-chimique des écosystèmes était attendue ainsi qu’une amélioration spontanée de l'état d'acidification des écosystèmes. En conséquence, l'intérêt tant scientifique que politique porté à cette problématique a donc rapidement diminué et l'acidification des eaux de surface était alors "en passe" d'appartenir au passé. Pourtant de nombreuses questions restaient sans réponses. Parmi ces questions, celles concernant l'évolution des écosystèmes et leur temps de résilience n'ont que peu été abordées. Pouvait-on espérer que ce qui avait été détruit en un siècle pouvait être restauré en quelques années ? |
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 9 : Valeurs du coefficient de dégradation de la matière organique |
Dans les Vosges : la déminéralisation des cours d’eau Dans les Vosges, des analyses physico-chimiques réalisées depuis plusieurs années montrent que l’on observe ni restauration ni dégradation de la situation en terme d’acidification. Par contre un phénomène tout aussi inquiétant et non attendu, semble se manifester désormais. Cette déminéralisation rapide des eaux (figure 9) touche aussi bien des cours d’eau acidifiés que certains cours d’eau non acidifiés à ce jour. Ce processus qui résulte conjointement de l’épuisement des sols et de la réduction des dépôts atmosphériques (y compris des dépôts alcalins) se traduit par une diminution des concentrations en anions d’acides forts (NO3- et SO42-) et en cations (Ca2+ et Mg2+). Sans adopter un ton alarmiste, nous ne pouvons que nous interroger sur les conséquences que cette déminéralisation peut entraîner sur les communautés aquatiques. Mais, outre cette inquiétude à propos des écosystèmes aquatiques, qu’adviendra-t-il des écosystèmes terrestres et en particulier des peuplements forestiers, si l’on considère que les milieux aquatiques sont les récepteurs ultimes des bassins versants, reflétant en cela les processus qui s’y déroulent ? |
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| Les nitroxydes, relais des sulfates dans l’acidification En fait, il est récemment apparu que le rôle de certains facteurs concourant à l'acidification des écosystèmes avait été sous-estimé. Ainsi, il semble de plus en plus évident qu'en raison du cycle complexe de N, les dépôts azotés aient été considérés comme ayant un rôle mineur comparativement aux SO2. S'il semble relativement aisé de maîtriser les émissions de SO2, (tout du moins dans de nombreux pays occidentaux), il est beaucoup plus difficile de contrôler celles de NOx, ne serait-ce qu'en raison de l'accroissement constant du parc automobile mondial. Au Canada… Si des signes évidents de restauration des écosystèmes acidifiés ont été observés dans certains secteurs de l'hémisphère nord (Likens et al. 1996 ; Mattson et al., 1997 ; Soulsby et al. 1997), nombreuses sont les régions où le problème demeure entier. On estime ainsi qu'au Canada, 95 000 lacs couvrant une surface de 800 000 km2 recevront encore en 2010, des niveaux d'acidité excessifs provoquant des effets négatifs sur l'environnement, et ce malgré l'entrée en vigueur des programmes canadien et américain de réduction des émissions (Spurgeon, 1997). Par ailleurs, si localement une restauration progressive du pH et de l'ANC a été constatée, cette dernière ne s'accompagne pas toujours d'un rétablissement des communautés biologiques (Soulsby et al., 1997). En Asie… Enfin, si les problèmes de retombées atmosphériques acides sont apparus il y a plus de 3 décennies dans les pays occidentaux, on peut craindre leur émergence dans de nombreux pays d'Asie en raison de leur démographie galopante et de leur taux de croissance économique. Ainsi, des dépôts atmosphériques acides ont déjà été mis en évidence depuis plusieurs années, dans différentes régions de Chine (Larssen et al., 1998). Par ailleurs, Arndt et al., (1997) ont démontré qu'il existe des risques écologiques réels en Corée, au Japon, en Thaïlande, en Inde, au Népal, au Bangladesh, à Taiwan, aux Philippines, en Malaisie, en Indonésie et au Vietnam, eu égard aux taux très élevés d'émissions de SO2 dans cette partie du monde. Conclusion : des "zones refuges" touchées L’acidification des eaux de surface témoigne, s’il en est encore besoin, des profondes modifications des cycles biogéochimiques (N, S, Ca, Mg…). La situation dans le massif vosgien montre à l’instar d’autres régions de l’hémisphère nord, que de nombreux cours d’eau sont touchés à divers degrés par l’acidification. Nous aurions certainement tort de penser qu’en France un tel problème ne se manifeste que dans le Nord-est, d’autres régions (Massif central, Ardennes, Morvan, Limousin, Landes) présentant également des sols très sensibles aux dépôts atmosphériques. D’un point de vue biodiversité, les écosystèmes touchés ou susceptibles de l’être étant situés en amont des activités anthropiques, représentent bien souvent des zones refuges pour de nombreuses espèces animales et végétales. Même si des signes de restauration de la qualité physico-chimique s’annonçaient (ce qui n’est pas le cas actuellement), une recolonisation à court ou moyen terme apparaît fortement hypothéquée, compte tenu notamment de la fragmentation actuelle des populations et de la faible capacité de propagation de certaines espèces. Dans ces conditions, le retour (s’il est possible) vers un fonctionnement originel des écosystèmes actuellement touchés prendra certainement une durée non estimable actuellement. Contact : François Guerold - guerold@sciences.univ-metz.fr Laboratoire Ecotoxicologie, Biodiversité, Santé Environnementale Equipe de Production des Ecosystèmes et Ecotoxicologie Université de Metz, Campus Bridoux Rue du Général Délestraint - F-57070 Metz |
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