Les anciennes cressonnières de l'Essonne : Effets de la recolonisation des zones humides artificielles sur la dynamique de l'azote

Former watercress beds in Essonne : The effects of artificial wetlands recolonization on nitrogen dynamics

• Auteur / Autrice : Jérémy Pulou
• Direction : Jacques Haury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'eau
• Date : Soutenance le 19/12/2011
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Hydrosystèmes et bioprocédés (2005-2019)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Kao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Haury, Michèle Trémolières, Michel Botineau, Julien Tournebize, Annabelle Rosel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Grimaldi, Gabrielle Thiébaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cresson de fontaine

Eau -- Teneur en nitrates

Essonne (France)

France

Eau -- Épuration -- Dénitrification

Mots clés libres

Nitrates

Zones humides

Dénitrification

Macrophytes

Cresson

Nitrate

Wetlands

Denitrification

Macrophytes

Watercress

Résumé

La rivière Essonne est influencée quantitativement et qualitativement par la nappe de Beauce. L'eau de cette nappe possède des concentrations en nitrates élevées et qui continuent d'augmenter, représentant ainsi une menace croissante pour la qualité du cours d'eau. Des cressonnières (zones humides artificielles où le cresson de fontaine [Nasturtium officinale R. Br.] est cultivé) étaient autrefois très nombreuses entre ces deux masses d'eau, mais sont aujourd'hui massivement abandonnées. Or, ces zones humides jouent potentiellement un rôle épurateur vis-à-vis des nitrates, et pourraient contribuer au bon état du cours d'eau en limitant les transferts de ces nutriments (zones tampons) de la nappe vers la rivière. Ce travail a donc pour objectif d'étudier l'élimination des nitrates dans les cressonnières, mais également l'évolution de ces zones humides après l'abandon de la culture du cresson, et ses conséquences sur l'épuration. Pour cela, nous nous sommes basés sur l'étude d'un site expérimental (Maisse, 91, France) comprenant plusieurs stades d'abandon et sur des expérimentations en laboratoire (bioréacteurs). Les successions de macrophytes après l'abandon de la culture ont été étudiées sur le site expérimental et dans 14 autres sites de la vallée de l'Essonne. Après l'abandon de la culture, le cresson ne se maintient pas dans les fosses. On observe alors une évolution progressive vers un milieu terrestre, avec la colonisation successive par des hydrophytes pionnières ou invasives (Lemna minuta Kunth.), puis par des hélophytes pionnières (Epilobium hirsutum L., Typha latifolia L., Phragmites australis (Cav.) Steud.). Enfin, il s'établit une roselière avec l'apparition d'espèces arbustives et ligneuses (Salix sp), qui s'accompagne d'un comblement des fosses et qui semble constituer une transition vers une forêt alluviale. Au cours du passage de l'eau dans les fosses du site expérimental, une partie des nitrates a été éliminée. Les fosses cultivées ont été les plus efficaces avec un taux moyen de 1770 mg NO3-/m²/jour au cours des trois années de suivi. En comparaison, les fosses abandonnées ont montré des taux d'élimination largement inférieurs allant de 550 à 750 mg NO3-/m²/jour. Toutefois, ces taux n'ont permis qu'une faible diminution des concentrations (approximativement 44 mg/L en entrée à 42 mg/L en sortie) à cause de temps de séjour trop courts de l'eau dans les fosses. Les taux d'élimination des nitrates ont varié de façon saisonnière, avec un maximum en été et un minimum en hiver. L'ampleur des variations saisonnières a cependant été beaucoup plus forte dans les fosses cultivées que dans les fosses abandonnées. L'estimation des prélèvements par les macrophytes a montré que la dénitrification est la voie majoritaire de l'élimination des nitrates (70 à 85% de l'élimination totale). Des mesures de dénitrification potentielle en bioréacteurs ont montré que ce processus était limité par la disponibilité du carbone organique. Or, le cresson des fosses cultivées représente une source de carbone très disponible, par rapport aux hélophytes (Phragmites australis) qui dominent les cressonnières abandonnées. L'effet des cressonnières sur les concentrations en nitrates de la rivière Essonne est actuellement limité, mais peut être amélioré par la gestion des sources de carbone et des temps de séjour de l'eau dans ces zones humides.

River Essonne is quantitatively and qualitatively influenced by groundwater. Nitrate concentrations of this groundwater are high and are still increasing, threatening the quality of the watercourse. In the past, watercress farms (artificial wetlands where watercress [Nasturtium officinale R. Br.] is cultivated) were numerous between this groundwater and the river, but they are nowadays massively abandoned. These wetlands potentially play the role of buffer zones, and could contribute to maintain the quality of surface water with respect to nitrate. This study aims to assess nitrate mitigation in watercress farms, but also the changes occurring in these wetlands after watercress cropping has been abandoned and their consequences on nitrate removal. This work is based upon the study of an experimental site (Maisse, France) including several stages of abandon, and on laboratory experiments (bioreactors). Macrophytes succession after the abandonment of watercress farms has been assessed at the experimental site and in 14 other abandoned sites of the Essonne valley. After the abandonment of the crop, watercress do not maintain in the beds. The wetlands progressively evolve towards a terrestrial ecosystem, being successively colonized by pioneer or invasives hydrophytes (Lemna minuta Kunth.) and by pioneer helophytes (Epilobium hirsutum L., Typha latifolia L., Phragmites australis (Cav.) Steud.). To finish with, the vegetation consists in reed beds, with the appearance of shrubby and woody species (Salix sp) which seems to indicate an evolution towards an alluvial forest. Nitrates were partially removed from the water between the inflow and the outflow of our experimental site. Cultivated beds were the most efficient with a mean removal rate of 1770 mg NO3-/m²/day during this 3-years survey. In comparison, abandoned beds exhibited lower removal rates ranging from 550 to 750 mg/m²/day. In spite of these rates, the effects on nitrate concentrations in water were limited (approximately 44 mg/L at the inflow and 42 mg/L at the outflow), because the residence times were short. Nitrate removal rates varied seasonally, and were highest in summer and lowest in winter. The amplitude of these variations was higher in cultivated beds than in abandoned beds. The estimate of nitrate uptake by macrophytes revealed that denitrification could account for 70 to 85% of nitrate removal. Measurement of potential denitrification in bioreactors showed that organic carbon availability limited denitrification in watercress farm sediments. Watercress is a readily available source of carbon, in contrast with helophytes which dominate abandoned beds such as Phragmites australis.The effects of nitrate mitigation in watercress farms on nitrate concentrations in the river Essonne are very limited, but can be improved with the management of carbon sources and hydraulic residence time in these wetlands.