Efficacité de zones tampons humides à réduire les teneurs en pesticides des eaux de drainage

Effectiveness of constructed wetlands to reduce the pesticide concentrations in drain water

• Auteur / Autrice : Romain Vallée
• Direction : Sylvie Dousset, Marc Benoît
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 24/04/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire des Environnements Continentaux (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Enrique Barriuso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Landry, Béatrice Marin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Enrique Barriuso, Véronique Gouy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Épuration -- Biofiltration

Zones humides artificielles

Drainage

Eau -- Pollution par les pesticides

Mots clés libres

Dissipation

Drainage

Pesticides

Remédiation

Sorption

Zone humide

Dissipation

Drainage

Pesticides

Remediation

Sorption

Constructed wetland

Résumé

En Lorraine, le drainage fréquent des sols argileux favorise les transferts des intrants agricoles (pesticides et engrais) vers les eaux de surface. Dans ce cas, les bandes enherbées réglementaires (BCAE de la PAC) installées en bordure de cours d’eau sont court-circuitées et ne jouent plus leur rôle épurateur vis-à-vis des eaux de surface. Ainsi, des zones tampons humides artificielles (ZTHA) sont préconisées pour prendre le relais des bandes enherbées. Généralement, ces ZTHA sont installées à l’échelle du bassin versant ou du groupe de parcelles et sont donc de taille conséquente, les rendant concurrentielles de la surface agricole utile (SAU). L’objectif de ce projet de recherche est donc d’évaluer l’efficacité de deux ZTHA de taille réduite, installées dans la bande enherbée entre la parcelle drainée et le ruisseau. Pour cela, une approche multi-échelles intégrant des expériences de laboratoire en batch, des suivis dynamiques en bacs pilotes et un monitoring à la parcelle a été mise en place. Afin d’évaluer l’efficacité des ZTHA au cours des saisons de drainage 2012/13 et 2013/14, le suivi des teneurs en nitrate et de 79 pesticides a été réalisé dans les eaux en entrée et en sortie des ZTHA, ainsi que dans diverses matrices environnementales (sols, sédiment, paille, végétaux). Pour les deux dispositifs, la réduction du flux de nitrate s’est montrée stable, comprise entre 5,4 et 10,9 %, alors que la réduction du flux de pesticides s’est montrée très variable, comprise entre -618,5 et 100 %. Cette variabilité a été expliquée par quatre comportements distincts des molécules. Les fortes valeurs négatives d’efficacité ont été expliquées par une contamination des dispositifs à la suite d’épisodes de ruissellement connexes pour des molécules solubles telles que le 2,4-MCPA ou l’isoproturon. Pour ces deux molécules, l’étude de sorption a montré leur faible affinité avec les matrices environnementales, facilitant leur transport par les eaux de ruissellement et de drainage. D’autres molécules, telles que le boscalide ou l’OH-atrazine, ont présenté des abattements proches de 0. Pour le boscalide, ce comportement a été montré au laboratoire, en accord avec ses fortes capacités d’adsorption et de désorption observées lors des études de sorption et en bacs pilotes. Enfin, certaines molécules ont montré des abattements, allant de 9,9 à 100 %, en lien avec leur faible persistance (2,4-MCPA, clopyralid, mésosulfuron-méthyl,…) ou leur forte affinité pour les matrices environnementales (diflufenicanil, propiconazole, propyzamide,…). Ces ZTHA de taille réduite, installées dans les bandes enherbées, sont donc efficaces pour limiter la contamination des eaux de surface par les eaux de drainage agricole. Ainsi, la multiplication de ces dispositifs à l’échelle de la parcelle dans le paysage agricole permettrait de réduire la contamination des eaux de surface par les pesticides et les nitrates tout en préservant la SAU. Toutefois, l’efficacité de ces ZTHA restant limitée vis-à-vis de certains pesticides présentant un Koc faible et une DT50 élevée, leur installation ne doit pas remettre en cause la réduction en amont des apports phytosanitaires sur les parcelles

In Lorraine, the drainage of clay soils contributes to transfer of agricultural inputs (pesticides and fertilizers) towards surface waters. In this case, the regulatory grass strips (CAP regulation) installed along rivers are bypassed and no longer effective in purifying surface water. Thus, constructed wetlands (CWs) are recommended to take over grass cover bands. Generally, these CWs are installed at watershed scale or at that of several plots and they are therefore quite huge, making them competitive in the cultivated land. The objective of this project is to assess the effectiveness of two small CW, installed in the grass cover band between the drained plot and the river. For this, a multi-scale approach was set up integrating laboratory experiments in batch, pilot study taking into account the water dynamics and monitoring at field scale. The effectiveness of CW was assessed during the 2012/13 and 2013/14 drainage seasons. The nitrate and 79 pesticides concentrations were monitored at inlet and outlet of CWs and in various substrates (soils, sediment, straw and plants). For both devices, the removal efficiencies measured for nitrate were stable and ranged from 5.4 to 10.9 % of inlet amounts while the reduction of pesticide flows was very variable, ranging from -618.5 to 100 %. This variability was explained by four distinct behaviors. The high negative efficiency values were attributed to neighboured runoff events after heavy rains, for soluble molecules such as 2,4-MCPA or isoproturon. For both molecules, the sorption study showed low affinity for environmental substrates, facilitating their transport by runoff and drainage water. Other molecules such as boscalid or OH-atrazine showed effectiveness close to 0 %. For boscalid, this behavior has been observed in laboratory sorption and pilots studies, in agreement with its strong adsorption and desorption capacities. Finally, some molecules have shown reductions ranging from 9.9 to 100 %, in agreement with their low persistence (2,4-MCPA, clopyralid, mesosulfuron-methyl, ...) or their high affinity for environmental substrates (diflufenican, propiconazole or propyzamide). These small CWs, located in the grass cover bands, are effective in minimizing the contamination of surface waters by agricultural drainage water. Thus, multiplying the number of these devices at the plot scale in the agricultural landscape would reduce the contamination of surface waters by pesticides and nitrates while preserving the cultivated land. However, the effectiveness of these CWs are limited for pesticides with a low Koc and a long DT50; thus their installation in plot must not call into question the reduction in the use of pesticides