Scénario 0. Typologie des peuplements de diatomées en rivière en conditions naturelles

Contexte

Dans des conditions naturelles, une partie des eaux de pluies s’infiltre pour alimenter les nappes aquifères. Avant de rejoindre un cours d'eau, cette eau est en contact plus ou moins prolongé avec les roches du bassin versant, s’y chargeant lentement d’éléments dissous : calcium, magnésium, sodium, potassium, chlorures, sulfates, carbonates et(ou) bicarbonates. Ce sont les éléments majeurs. S’y ajoutent de très faibles quantités de nitrates et de phosphates indispensables pour la croissance des végétaux aquatiques et qui proviennent de la décomposition de petites particules organiques, principalement des fragments de végétaux morts.

La chimie des eaux courantes naturelles sera donc essentiellement déterminée par la nature géologique du sous-sol. Et les peuplements végétaux compteront des espèces bien différentes selon que l’on est sur des roches très anciennes pauvres en carbonate de calcium ou sur des roches calcareuses. Ce scénario compare 3 cours d’eau sur des contextes géologiques différents. Le sol du bassin 1 est composé de roches siliceuses très pauvres en carbonate de calcium sur lesquelles les eaux sont très pauvres en minéraux dissous et très acides (dystrophes: pH 4 à 5,5) à acides (oligotrophes: pH 6 à <7). Le bassin 2 est composé de roches siliceuses un peu plus riches en carbonate de calcium; la quantité de minéraux dissous dans les eaux courantes est encore faible mais le pH est neutre (eaux mésotrophes). Le sol du bassin 3 est formé de roches calcaires donc riches en carbonate de calcium qui se dissout facilement dans les eaux de l’aquifère: le cours d’eau est donc riche en minéraux dissous, principalement le calcium, et son pH est basique (eaux eutrophes: pH 7,5 à 8,5).

Une étude de la qualité de l'eau peut suivre deux approches différentes. Soit on analyse directement la chimie de l’eau (par exemple la matière organique, les nitrates, les phosphates, l’ammonium). Si l’analyse chimique permet d’identifier et de quantifier les polluants en présence, elle est cependant très variable suivant le moment où on fait le prélèvement et suivant par exemple l’importance des pluies qui peuvent diluer les amendements. La deuxième approche, adoptée ici, est celle des bio-indicateurs. Le principe est d’utiliser comme indicateurs de pollution les communautés vivantes qui enregistrent en permanence les variations des conditions du milieu. Parmi ces indicateurs, on utilise surtout des algues microscopiques du groupe des diatomées qui présentent trois avantages: on les récolte facilement en brossant quelques pierres immergées dans le courant; elles intègrent les variations chimiques, spécialement les éléments qui nous intéressent (matières organiques, nitrates, phosphates); enfin, on connaît bien les exigences de chaque espèce vis à vis de ces éléments. Ces algues appartiennent à la famille des algues brun-jaune, unicellulaires qui fabriquent un squelette externe d’opale (SiO4) dont la morphologie (taille, ornementation, symétrie) sert à identifier les espèces du relevé (voir: les diatomées)

Chaque fois que vous cliquez sur un point de prélèvement, un champ de diatomées apparaît. En cliquant sur chaque diatomée, on est dirigé vers une clé d’identification. Quand toutes les espèces sont identifiées, on obtient l’indice de qualité qui varie de 5 (pollution nulle) à 1 (pollution très forte) (voir: clé d'interprétation des couleurs). Une fois compris les critères qui permettent de reconnaître les espèces, on pourra activer l’option de détermination automatique (voir: procédure de détermination). Les deux procédures aboutissent au même résultat: un indice de qualité et un champ microscopique colorisé en fonction de la sensibilité des espèces à la pollution (voir: clé d'interprétation des couleurs).

Déroulement résumé de l’activité

Pour chacun des trois bassins versants (eaux oligotrophes - mésotrophes - eutrophes)
                   Pour chacun des points de prélèvement
                         - Observation d’un champ microscopique et détermination des diatomées (avec la clé ou automatiquement)                          - Obtention de la liste des espèces et de leur abondance
                         - Obtention d’un histogramme de fréquences et d’un indice global de qualité
Comparaison sur un même bassin
Comparaison entre bassins versants

Fiche de rapport d’activité pour les élèves

Cette fiche que l'enseignant peut adapter à ses objectif peut être distribuée avant de commencer l'activité.
Les élèves peuvent y consigner leurs observations et l'utiliser pour interpréter leurs résultats.

>>> Voir la fiche (fichier Word)

Déroulement détaillé de l’activité

1. Ouverture du logiciel.

Lancer l’application Virtval selon la procédure décrite dans le paragraphe "démarrage du logiciel".
L'affichage des grilles-repères n'est pas utile ici.

2. Choix du bassin versant 1 : roches siliceuses, sols acides, eaux oligotrophes

Cliquer une fois sur le bassin choisi pour le faire apparaître en détail.

3. Prélèvement de diatomées au point S1.

N.B. Les points peuvent être choisis dans n’importe quel ordre.

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique. Ce champ comprend 20 diatomées dont l’assemblage est caractéristique du type d’eau prélevé.

N.B. La disposition des diatomées dans le champ est produite de façon aléatoire par le logiciel. Le champ que vous obtiendrez aura donc une apparence différente de l’exemple ci-dessus.

4. Détermination des diatomées

Deux options sont offertes : la détermination à l’aide de la clé ou la détermination automatique, qui peut être activée dans les options du menu [Fichier]. La procédure détaillée est décrite dans le paragraphe "Procédure de détermination", Après détermination, les diatomées prennent une couleur correspondant à leur groupe écologique (cf. clé d'interprétation des couleurs)

5. Obtention de la liste des taxons (uniquement en mode de détermination automatique)

On peut afficher la liste des taxons (espèces ou variétés), en cliquant sur le bouton [T] sous le champ microscopique. A partir de cette liste, l'utilisateur peut compléter le tableau phytosociologique fourni dans la fiche de rapport d'activité.

Le logiciel exige que cette liste soit refermée avant qu’une autre action soit entreprise.
Après avoir consulté cette liste, toutes les diatomées du champ prennent une couleur correspondant à leur groupe écologique (cf. clé d'interprétation des couleurs).

N.B. Si vous travaillez en mode de détermination manuelle (à l'aide de la clé), il suffit d'activer momentanément l'option "Permettre la détermination automatique" (cf. réglage des paramètres) pour avoir accès à la liste des taxons. Le bouton [Recommencer] vous permet ensuite de "décolorer" les diatomées, si vous souhaitez reprendre une détermination manuelle.

6. Obtention de l’histogramme de fréquences des groupes

Le pourcentage des diatomées appartenant à chacun des 5 groupes écologiques (cf. clé d'interprétation des couleurs) est représenté sous la forme d’un histogramme de fréquences. Ce graphique se construit progressivement lorsqu’on détermine les diatomées à l’aide de la clé. Il peut être consulté à tout moment en cliquant sur le bouton [Histogramme] sous le champ microscopique. En mode de détermination automatique, l’histogramme complet est directement accessible via ce même bouton. Cette fenêtre indique, en outre, la valeur de l'indice diatomique. Dès que l’histogramme complet a été consulté, la valeur de l’indice apparaît à côté du point de prélèvement sur le bassin versant, avec la couleur correspondante.

7.  Prélèvement de diatomées aux points S2 et S3

Les étapes 3 à 6 décrites ci-dessus sont répétées pour les points S2 et S3.

8. Comparaison sur un même bassin (roches siliceuses, sols acides, eaux oligotrophes)

Point S1	Point S2	Point S3

Interprétation :

Les trois stations sont de très bonne qualité en l’absence de toute influence humaine.

La comparaison entre les trois stations se situe à deux niveaux.

Niveau 1 : Les espèces sensibles (en bleu et vert) ne sont pas les mêmes.

	Espèces d'eau très acide : Eunotia bilunaris, Eunotia exigua, Eunotia minor, Frustulia rhomboides, Tabellaria flocculosa	Espèces d'eau acide : Achnanthes helvetica, Fragilaria virescens, Gomphonema gracile, Surirella roba	Espèces d'eau neutre : Achnanthes minutissima, Diatoma mesodon, Diatoma moniliformis, Fragilaria arcus, Fragilaria capucina var. Ianceolata, Frustulia vulgaris, Nitzschia recta
S2	45%	25%	30%
S1	30%	20%	50%
S3	15%	10%	65%

Pourquoi ?

La branche avec la station S2 coule sur des roches siliceuses très anciennes (Cambrien) et très pauvres en carbonate de calcium. Les eaux sont plus acides qu’en S1. Les diatomées d’eau très acide et acide dominent (70 %).

La branche avec la station S1 coule sur des roches siliceuses moins anciennes (Dévonien inférieur) pauvres en carbonate de calcium. Les eaux sont oligotrophes et moins acides et de ce fait, les diatomées d’eau neutre sont mieux représentées (50 %).

Après confluence des deux branches, on reste sur le Dévonien inférieur et comme on s’éloigne des sources, l’eau devient légèrement acide à neutre. Les diatomées d’eau neutre dominent (65 %).

Niveau 2 : Des espèces d’eau polluée (en jaune et en orange) apparaissent à la station 3. Pourquoi ?

Le bassin versant est beaucoup plus grand et la vallée plus encaissée : dès lors, un peu plus de matières organiques (surtout de très petites particules de feuilles mortes) viennent avec l’eau de ruissellement. Simultanément la pente de la rivière diminue donc aussi la vitesse de l’eau : de petites zones de dépôts organiques (débris de feuilles et d’organismes morts) peuvent se former. Là peuvent vivre quelques diatomées d’eau polluée.

De façon tout à fait normale, ces matières organiques font partie du milieu naturel. Elles serviront de nourriture pour la flore et la faune. Comme elles sont consommées au fur et à mesure, elles ne sont jamais en excès et les indices diatomiques correspondent à des eaux de très bonne qualité (en bleu).

9. Choix du bassin versant 2 : roches siliceuses, sols acides, eaux mésotrophes

Dans la barre de menu, cliquer sur [Fichier] >>> [Terminer] pour revenir à la page principale (carte des 3 vallées).
Cliquer sur le deuxième bassin versant pour le faire apparaître en détail.

Répéter les étapes 3 à 7 décrites ci-dessus.

10. Comparaison sur un même bassin (roches siliceuses, sols acides, eaux mésotrophes)

Point S1 (amont)	Point S2 (aval)

Interprétation :

Les deux stations sont de très bonne qualité en l’absence de toute influence humaine.

La comparaison entre les deux stations se situe à deux niveaux.

Niveau 1 : Les espèces sensibles sont les mêmes avec des proportions un peu différentes.

	Espèces d'eau acide : Eunotia minor, Pinnularia brebissonii var. diminuta, Pinnularia microstauron, Surirella roba	Espèces d'eau neutre : Achnanthes minutissima, Cocconeis placentula var. euglypta, Diatoma mesodon, Fragilaria arcus, Fragilaria capucina var. Ianceolata, Gomphonema rhombicum, Meridion circulare, Nitzschia hantzschiana, Nitzschia recta
S1	30%	65%
S2	15%	80%

 

Pourquoi ?

Les deux stations se trouvent sur une seule assise géologique :  le Dévonien inférieur. On trouve donc les mêmes espèces. Mais comme la station S1 est plus proche des sources, l’eau y est légèrement acide et moins minéralisée qu’à la station S2. Les diatomées d’eau acide sont ainsi mieux représentées en S1 qu’en S2.

Niveau 2 : Des espèces d’eau polluée (en jaune ) sont présentes en petit nombre. Pourquoi ?

Un peu  de matières organiques (surtout de très petites particules de feuilles mortes) viennent avec l’eau de ruissellement du bassin versant. De petites zones de dépôts organiques (débris de feuilles et d’organismes morts) peuvent se former. Là peuvent vivre quelques diatomées d’eau polluée.

De façon tout à fait normale, ces matières organiques font partie du milieu naturel. Elles serviront de nourriture pour la flore et la faune. Comme elles sont consommées au fur et à mesure, elles ne sont jamais en excès et les indices diatomiques correspondent à des eaux de très bonne qualité (en bleu).

 

11. Choix du bassin versant 3 : roches calcaires, sols basiques, eaux eutrophes

Dans la barre de menu, cliquer sur [Fichier] >>> [Terminer] pour revenir à la page principale (carte des 3 vallées).
Cliquer sur le troisième bassin versant pour le faire apparaître en détail.

Répéter les étapes 3 à 7 décrites ci-dessus.

12. Comparaison sur un même bassin (roches calcaires, sols basiques, eaux eutrophes)

Point S1 (amont)	Point S2 (milieu)	Point S3 (aval)

Interprétation :

Les trois stations sont de très bonne qualité en l’absence de toute influence humaine.

La comparaison entre les trois stations se situe à deux niveaux.

Niveau 1 : Les espèces sensibles sont les mêmes avec des proportions peu différentes.

Pourquoi ?

Les trois stations se trouvent sur une seule assise géologique riche en carbonate de calcium dont la dissolution rapide enrichit l’eau en minéraux et explique sa tendance basique. Pour cette raison, les espèces dominantes d’eau calcaire sont présentes dans les trois relevés. A cause de cette richesse en éléments dissous, l’eau est plus tamponnée et il n’y a pas de différence notable entre la zone de source (S1) et la zone aval (S2 et S3).  Dès lors on trouve dans les trois stations la même proportion entre les espèces d’eau neutre et les espèces d’eau calcaire.

Niveau 2 : Des espèces d’eau polluée (en jaune) sont présentes en petit nombre. Pourquoi ?

Un peu de matières organiques (surtout de très petites particules de feuilles mortes) viennent avec l’eau de ruissellement du bassin versant. De petites zones de dépôts organiques (débris de feuilles et d’organismes morts) peuvent se former. Là peuvent vivre quelques diatomées d’eau polluée.

De façon tout à fait normale, ces matières organiques font partie du milieu naturel. Elles serviront de nourriture pour la flore et la faune. Comme elles sont consommées au fur et à mesure, elles ne sont jamais en excès et les indices diatomiques correspondent à des eaux de très bonne qualité (en bleu).

 

13. Comparaison entre les trois bassins versants

Rassembler les listes des stations de référence (c’est à dire celles se trouvant en réserve naturelle ou forestière) permet de comparer les peuplements des trois bassins en fonction de leur géologie.

Bassin 1 (eaux oligotrophes) Point de référence S2	Bassin 2 (eaux mésotrophes) Point de référence S1	Bassin 3 (eaux eutrophes) Point de référence S1

Les différences apparaissent bien en représentant les principales espèces de diatomées de chaque liste.

Diatomées caractéristiques d'eaux dystrophes et oligotrophes (bassin 1) Trait d’échelle = 10 µm

Diatomées caractéristiques d'eaux mésotrophes (bassin 2) Trait d’échelle = 10 µm

Diatomées caractéristiques d'eaux eutrophes (bassin 3) Trait d’échelle = 10 µm

Conclusions

Tant que la présence humaine était nulle ou faible, la plus grande partie de l’Europe était couverte de forêts et les pollutions étaient nulles, très faibles et dispersées. Les cours d’eau étaient naturels, avec un apport organique très faible venant du bassin versant (débris végétaux) fournissant par décomposition les matières minérales (nitrates et phosphates) indispensables au fonctionnement équilibré de l’écosystème (production de végétaux servant de nourriture aux animaux). Dans ces conditions où les apports organiques et minéraux sont consommés au fur et à mesure de leur arrivée et ne sont donc jamais en excès, les indices de qualité sont très élevés (dans le bleu) pourles trois bassins versants présentés ici. Toutes les stations de prélèvement sont des STATIONS DE REFERENCE.

Ce scénario établit ensuite la typologie des eaux courantes dans des conditions strictement naturelles. C’est une typologie de référence. Suivant le type de roche dans le bassin versant, les eaux sont dystrophes (très acides et très peu minéralisées, avec des acides humiques), oligotrophes à mésotrophes (légèrement acides à neutres et peu à modérément minéralisées), eutrophes (eaux à tendance basique, très minéralisées).

En Belgique, ces types caractérisent
-l’Ardenne au sein de laquelle les diatomées permettent de distinguer les zones dystrophes sur Cambrien (surtout bien représenté sur les plateau des Hautes-Fagnes) des zones sur Dévonien inférieur. On parlera donc de « type fagnard » et de « type ardennais »  sur ces roches à dominante siliceuse;
-le Condroz, la Calestienne et la Lorraine belge drainés par des eaux eutrophes. On parlera de type condruzien.

Comme les sols du bassin 1 sont très pauvres en calcium et très acides, cultures et élevage peuvent difficilement y être envisagés. De façon imagée, nous réserverons ce bassin à l’installation de zones habitées.

Les sols du bassin 2 sont encore pauvres en calcium mais sont moins acides : ils seront consacrés à l’élevage après déboisement. Cette zone correspond à l’Ardenne.

Les sols calcaires et plus filtrants du bassin 3 conviendront bien aux cultures plus exigeantes. Cette zone correspond au Condroz.

 

14. Sortie du scénario

Dans la barre de menu, cliquer sur [Terminer]. Le logiciel affiche la carte générale des 3 bassins versants. Un autre scénario peut être entrepris.

Fiches de rapport d’activité avec réponses-types

>>> Voir la fiche

[SOMMAIRE]