Scénario 6. Impact de cultures intensives et de la superficie cultivée (bassin 3)

Contexte

Ce bassin présente des sols calcareux et fertiles qui conviennent au mieux à l’établissement de cultures. Jadis, ces cultures n’étaient pas soumises à l’épandage d’engrais de synthèse et d’herbicides. Elles étaient peu productives et différentes plantes typiques, appelées « messicoles » (= présentes spécialement dans les moissons) les accompagnaient (coquelicot, bleuet, chrysanthème,…). Les cultures étaient donc des milieux biologiquement riches en espèces intéressantes de plantes et animaux. Avec cette agriculture extensive, l’impact des eaux de ruissellement sur les cours d’eau était faible.

Aujourd’hui, l’agriculture vise un maximum de rendement. Les amendements chimiques, principalement nitrates et phosphates, et organiques produits en excès par l’élevage intensif (lisiers, fumiers, boues de stations d’épuration) sont utilisés pour augmenter la production végétale, mais souvent en excès. Des herbicides et insecticides divers les accompagnent. Dès le début de l’utilisation de ces substances, on a vu disparaître toutes les plantes rares et incidemment, les animaux inféodés comme des papillons par exemple. D’autre part, on a développé de nouvelles cultures particulièrement gourmandes en eau et en engrais : tournesol, maïs, betterave, colza… Une quantité importante d’engrais et de pesticides s’écoule donc vers les cours d’eau, entraînant une diminution de la faune aquatique et une eutrophisation.

On testera ici l’impact sur le cours d’eau de cultures intensives appliquées à des superficies croissantes du bassin versant. En outre, on pourra analyser l’effet autoépurateur du cours d’eau puisqu’on dispose de deux points d’analyses, l’un proche, l’autre éloigné, de la zone cultivée. Le tout par rapport à une station de référence située en zone forestière protégée.

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 différentes superficies affectées à des cultures intensives (0% - 10% - 45% - 100%, le reste étant à l’état naturel)
                   Pour chacun des points de prélèvement
                         - Observation d’un champ microscopique et détermination des diatomées (avec la clé ou automatiquement)
                         - Obtention d’un histogramme de fréquences et d’un indice global de qualité
Comparaison des indices en fonction de la superficie cultivée
Comparaison des indices en fonction de la distance entre cultures et point de prélèvement

Fiches de rapport d’activité pour les élèves

L'une de ces fiches (que l'enseignant peut adapter à ses objectifs) peut être distribuée avant de commencer l'activité. Les élèves peuvent y consigner leurs observations et l'utiliser pour interpréter leurs résultats.

>>> Voir Variante 1: synthétique (fichier Word)
>>> Voir Variante 2 : détaillée (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".
Activer l’option d’affichage des grilles-repères (cf. réglage des préférences).

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

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

3. Etablissement des indices de référence (en l’absence de toute activité humaine)

N.B. Si le scénario 0 a été réalisé au préalable, cette étape peut être supprimée, et les indices repris directement de cette activité précédente. On peut alors passer au point 4.

3.1. Prélèvement de diatomées au point S1.

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.

3.2. 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".
N.B. Pour obtenir un champ colorisé de diatomées en mode automatique: cliquer sur [T] pour afficher la liste des taxons, puis fermer cette fenêtre. Les diatomées du champ apparaissent alors colorées selon leur groupe écologique (cf. clé d'interprétation des couleurs).

3.3. 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.

3.4. Prélèvement de diatomées aux points S2 et S3

Les étapes 3.1 à 3.3 décrites ci-dessus sont répétées pour les points S2 et S3.

Interprétation :

En l’absence de cultures, les eaux sont de très bonne qualité (indices de 4,6 à 4,4, couleur bleue). Les diatomées très sensibles et sensibles dominent (95 %, en vert et en bleu).

4. Implantation de cultures intensives sur une petite surface (10 % de la superficie disponible)

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Cultiver sur une petite surface] (sous "Cultures intensives avec amendements").

Le champ apparaît à l’extérieur du bassin. Pointer le champ à l’aide de la souris puis, en maintenant le clic gauche enfoncé, faire glisser le champ jusqu’à l’emplacement 37 sur le bassin. Le nœud 37 est recommandé pour obtenir des résultats très significatifs, facilement interprétables.

N.B. Aucune culture ne peut être installée dans la réserve forestière, de sorte que le point S1 reste toujours à l’abri de l’influence humaine et peut être considéré comme référence tout au long du scénario.

4.1. Détermination de l’indice de qualité au point S1

N.B. Nous supposerons que la clé de détermination a déjà été explorée lors des étapes précédentes et que la suite du scénario se fera sur la base de la détermination automatique. Pour rappel, celle-ci peut être activée à tout moment à partir de la barre de menu : [Fichier] >>> [Options], cocher la case "Permettre la détermination automatique", puis cliquer sur [OK].

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité. Comme ce point ne subit pas l’influence de l'agriculture, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

4.2. Détermination de l’indice de qualité au point S2

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.3. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

4.4 Synthèse et interprétation

Par rapport à la station 1 de référence, la culture intensive appliquée sur seulement 10 % de la surface disponible a déjà un effet dégradant sur la station S2: l’indice passe à 3,6 (pollution faible, en vert) suite à l’arrivée par ruissellement et écoulement hypodermique, d’un peu de matières organiques et de nitrates et phosphates. On voit alors régresser les diatomées très sensibles (plus que 15 %, en bleu) au profit des sensibles (50 % , en vert) alors que les effectifs des espèces très résistantes (en rouge), résistantes (en orange) et d’eau eutrophisée (en jaune) augmentent (respectivement 5, 10 et 20 %).

Au point S3, après quelques kilomètres sans nouveaux apports polluants, la qualité de l’eau augmente par autoépuration (l’indice passe à 3,9, pollution faible). Les matières organiques sont minéralisées et les fertilisants minéraux sont assimilés par les végétaux aquatiques. Les diatomées très résistantes deviennent très rares et les sensibles et très sensibles augmentent de 10 %.

Les diatomées mettent donc bien en évidence le processus d’autoépuration.

5. Implantation de cultures intensives sur une grande parcelle (45 % de la superficie disponible)

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Cultiver une grande parcelle] (sous "Cultures intensives avec amendements").
Le logiciel vous demande d'abord d'annuler l'action précédente (supprimer la petite pâture). Cliquer sur [Oui], puis cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Cultiver une grande parcelle] (sous "Cultures intensives avec amendements").
Le champ apparaît à l’extérieur du bassin. Pointer le champ à l’aide de la souris puis, en maintenant le clic gauche enfoncé, faire glisser le champ jusqu’à l’emplacement 37 sur le bassin. Pour la comparaison, il faut positionner le champ au même point que la petite culture précédente.

5.1. Détermination de l’indice de qualité au point S1

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité. Comme ce point ne subit pas l’influence de l'agriculture, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

5.2. Détermination de l’indice de qualité au point S2

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

5.3. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

5.4. Synthèse et interprétation

Par rapport à la station 1 de référence, la culture intensive appliquée sur 45 % de la surface disponible a un effet dégradant sur la station S2: l’indice passe à 3,4 (pollution modérée, en jaune) suite à l’arrivée par ruissellement et écoulement hypodermique, de l’excédent de matières organiques et de nitrates et phosphates. On voit alors régresser les diatomées très sensibles (plus que 15 %, en bleu) au profit des sensibles (45 % , en vert) alors que les effectifs des espèces très résistantes (en rouge), résistantes (en orange) et d’eau eutrophisée (en jaune) augmentent (respectivement 10, 15 et 15 %).

6. Implantation de cultures intensives sur toute la surface disponible

Dans la barre de menu, cliquer sur [Aménagements à tester] >>> [Cultiver toute la surface disponible]. Le logiciel vous demande d'abord d'annuler l'action précédente (supprimer la grande parcelle). Cliquer sur [Oui], puis cliquer à nouveau sur [Aménagements à tester] >>> [Cultiver toute la surface disponible] (sous "Cultures intensives avec amendements").
Toute la surface, à l'exception de la réserve forestière, apparaît maintenant cultivée intensivement.

6.1. Détermination de l’indice de qualité au point S1

Cliquer une fois sur le point S1 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité. Comme ce point ne subit pas l’influence de l'agriculture, son indice ne varie pas par rapport à la référence établie en début de scénario.

6.2. Détermination de l’indice de qualité au point S2

Cliquer une fois sur le point S2 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

6.3. Détermination de l’indice de qualité au point S3

Cliquer une fois sur le point S3 pour faire apparaître un champ microscopique de diatomées, qui peut être colorisé en cliquant sur [T]. Cliquer sur le bouton [Histogramme] pour visualiser l’histogramme de fréquences des différentes classes de diatomées, ainsi que l’indice de qualité.

6.4. Synthèse et interprétation

Par rapport à la station 1 de référence, la culture intensive appliquée sur toute la surface disponible a un effet dégradant sur la station S2: l’indice passe à 3,4 (pollution modérée, en jaune) suite à l’arrivée par ruissellement et écoulement hypodermique, de l’excédent de matières organiques et de nitrates et phosphates. On voit alors régresser les diatomées très sensibles (plus que 15 %, en bleu) au profit des sensibles (45 % , en vert) alors que les effectifs des espèces très résistantes (en rouge), résistantes (en orange) et d’eau eutrophisée (en jaune) augmentent (respectivement 10, 15 et 15 %). Cette situation est semblable à celle du cas précédent (45 % de la surface en culture) puisque en amont du point S2 se trouve plus ou moins la même surface cultivée.

Entre les points S2 et S3, le cours d’eau parcourt quelques kilomètres parmi les cultures et continue donc à recevoir les excédents de matières organiques et de fertilisants minéraux. Il passe en pollution forte (indice de 2,9, couleur orange). Les diatomées très résistantes (en rouge) et résistantes (en orange) progressent (+ 5 et + 10 %) et les sensibles (en vert) et très sensibles (en bleu) chutent fortement ( - 45 %). Enfin, l’augmentation des diatomées d’eau eutrophisée (en jaune) indique l’apport important de nitrates et phosphates.

Dans ce cas, le processus d’autoépuration, bien que présent, ne suffit pas à résorber l’excès des fertilisants : l’indice diminue donc entre S2 et S3.

7.  Comparaison des indices en fonction de la superficie cultivée

Cultures intensives sur 10% de la superficie disponible

Cultures intensives sur 45% de la superficie disponible

Cultures intensives sur 100% de la superficie disponible

Nous rassemblons ici les résultats des analyses de diatomées pour la station S3. L’impact de la surface de cultures intensives sur le cours d’eau est évident ! La charge organique et minérale augmente, l’excès lessivé par les pluies étant de plus en plus important.

Pour l’interprétation détaillée des histogrammes, voir ci-dessus les commentaires à la fin de chaque cas.

8. Comparaison des indices en fonction de la distance entre cultures et point de prélèvement

Nous avons vu cas par cas l’effet bénéfique de l’autoépuration. Le troisième cas (point 6) montre qu’elle a cependant des limites: elle n’arrive plus à résorber au fur et à mesure les polluants quand ils dépassent un certain seuil. Il faut alors beaucoup plus de kilomètres pour voir l’amélioration se marquer dans la valeur de l’indice

9. 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 Variante 1: synthétique
>>> Voir Variante 2 : détaillée

[SOMMAIRE]