L'agriculture moderne, pilier de notre sécurité alimentaire, repose sur une utilisation intensive d'intrants chimiques. Si les engrais azotés, phosphatés et potassiques ont permis d'accroître les rendements, ils sont devenus les vecteurs d'une pollution massive. Cette pratique, indissociable de notre modèle de consommation, engendre une dégradation profonde de la qualité des eaux souterraines et de surface, dont le phénomène d'eutrophisation constitue l'une des manifestations les plus critiques.
La dynamique des engrais et la pollution des sols
En agriculture, les engrais chimiques sont administrés en vue d'augmenter le rendement des cultures. Ils apportent les éléments nutritifs dont les plantes ont besoin pour se développer et qui peuvent manquer dans les sols trop exploités. Il existe trois principaux types d'engrais chimiques : les azotés, les phosphatés et les potasses. Cependant, la pollution des sols est souvent due à d’anciennes industries ayant rejeté des polluants sur leur terrain d'exploitation ou à l’utilisation agricole d’engrais et de pesticides.
L'épandage des cultures fournit des doses massives d'engrais azotés. Les nitrates étant très solubles dans l'eau, lorsqu'ils ne sont pas consommés par les plantes, s'infiltrent aisément dans le sol et atteignent progressivement les eaux souterraines, principaux réservoirs d'eau potable. Avant les années 1950, la teneur en nitrates par litre d'eau n'excédait pas 1 mg. De nos jours, elle dépasse facilement les 50 mg/l, limite fixée par l'OMS pour considérer une eau comme étant potable.
Les risques sanitaires : la méthémoglobinémie
Les nitrates en tant que tels ne sont pas dangereux pour la santé, mais ingérés par l'Homme, ils sont dégradés par une bactérie et se transforment en nitrites. Au-delà d'un certain seuil, ces nitrites peuvent empoisonner le sang en oxydant l'hémoglobine. Le fluide fixe alors mal l'oxygène et engendre des troubles respiratoires. On appelle cet empoisonnement la maladie bleue, ou la méthémoglobinémie. Les nourrissons y sont particulièrement sensibles.
Le cycle du phosphore : un équilibre naturel rompu
Le phosphore est un composant essentiel de la matière vivante (ADN, membranes cellulaires, enzymes, os, ATP) mais c’est un élément rare dans l’environnement naturel (< 0.1% de la masse des roches terrestres). On le trouve sous forme de phosphates de calcium, de fer et d’aluminium dans les roches volcaniques et sédimentaires. Sur les surfaces continentales, les phosphates sont mis en solution par l’altération - processus de dégradation minéralogique par dissolution de la roche sous l’effet de l’eau de pluie - de ces roches.
Les végétaux prélèvent les phosphates ainsi solubilisés et les utilisent pour produire de la matière organique lors du processus de biosynthèse. Le phosphore est ensuite transféré le long de la chaîne alimentaire par consommation des plantes par les animaux. À plus grande échelle, le phosphore introduit dans les écosystèmes par érosion hydrique et lessivage - processus de transport de solutés par l’eau de pluie depuis les sols vers les nappes phréatiques puis vers les rivières - est acheminé par les fleuves jusqu’aux zones côtières où il fertilise les eaux littorales. Le phosphore, qui ne présente pas de phase gazeuse, a une forte affinité pour les particules des sols et des sédiments. Lié au transport des sédiments dans les milieux aquatiques, le phosphore issu des continents sédimente dans les fonds océaniques. Son cycle global naturel n’est donc pas complétement à l’équilibre entre pertes continentales et accumulation dans les fonds océaniques. On le dit par nature « ouvert » à l’échelle de la biosphère. Ce qui le différencie nettement du cycle naturel de l’azote, qui parcourt une véritable boucle entre l’atmosphère et les autres compartiments de la Terre.
Formes et biodisponibilité du phosphore
Le phosphore se retrouve sous forme dissoute ou particulaire. Le phosphore dissous comprend les formes minérales d’ions orthophosphates (ions mono-orthophosphates HPO42- et di-orthophosphates H2PO43-), et les formes organiques en cours de minéralisation - processus de dégradation de la matière organique morte par les bactéries hétérotrophes - de la matière morte (phosphoprotéines, phospholipides).
Les ions orthophosphates (classiquement désignés PO43-) jouent un rôle essentiel pour le fonctionnement des écosystèmes car ils constituent la seule forme biodisponible pour les végétaux. Ils sont présents dans les eaux interstitielles des sols et des sédiments et dans la colonne d’eau des milieux aquatiques. Les concentrations en orthophosphates des milieux naturels sont très faibles, de l’ordre de 10 µg phosphore/litre.
Le phosphore particulaire est soit organique, soit minéral. La fraction organique correspond à l’ensemble des phosphates de la matière organique animale et végétale, vivante ou en voie de minéralisation. Elle peut représenter une part importante du phosphore particulaire : jusqu’à 50 % dans des sédiments de rivière en zone agricole par exemple. Ces formes fixées ou adsorbées, mobilisables, sont en échange permanent avec les formes dissoutes grâce aux mécanismes d’adsorption et de désorption.
Sources anthropiques et intensification agricole
Comme tous les êtres vivants, l’homme a besoin de phosphore. Sa ration quotidienne alimentaire est de l’ordre de 1,5 g de phosphore. L’augmentation de la population mondiale a considérablement accru les besoins alimentaires. Pour nourrir l’humanité, l’agriculture a connu une large croissance au siècle dernier et s’est progressivement intensifiée et industrialisée.
L’utilisation du guano, puis la découverte au cours du 20e siècle de procédés de production industrielle d’engrais phosphatés à partir des roches riches en phosphore ont conduit à une expansion de l’utilisation de cette ressource à l’échelle mondiale. L’utilisation d’engrais phosphatés s’est largement répandue en Europe et en Amérique du Nord, avec des apports largement en excès par rapport aux besoins des plantes cultivées.
Par ailleurs, la baisse des coûts de production à partir des années 1960 a généralisé l’utilisation du phosphate minéral dans des produits usuels industriels (agroalimentaire, allumettes, métallurgie, détergents sous forme de polyphosphates dans les lessives). L’utilisation des polyphosphates dans les lessives a entraîné une très forte augmentation de la quantité de phosphore dans les eaux usées domestiques. Des stocks importants se sont constitués dans l’environnement comme les sols agricoles surfertilisés ou les sédiments des rivières qui accumulent le phosphore.
Le processus d'eutrophisation : causes et mécanismes
Étymologiquement, le mot eutrophisation signifie « bien nourri ». On entend par le terme eutrophisation la conséquence d’une hyperfertilisation des eaux en éléments nutritifs (phosphore et azote) dont le point ultime est la dystrophisation (déséquilibre écologique). L'eutrophisation se définit comme un processus d’enrichissement excessif d’un milieu aquatique en nutriments.
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Lorsqu’il est incontrôlé, ce phénomène entraîne un déséquilibre écologique marqué par une prolifération excessive d’algues et une diminution de l’oxygène dissous dans l’eau, ce qui peut asphyxier la faune aquatique. Il s'ensuit une production végétale accrue (algues) qui réduit progressivement la pénétration de la lumière dans l'eau. En bloquant la lumière et en consommant l’oxygène du milieu lorsqu’elles se décomposent, ces algues asphyxient peu à peu l’écosystème. Leur décomposition par des bactéries induit un appauvrissement ou un épuisement en oxygène du milieu, voire l’émission de gaz toxiques (gaz carbonique, méthane ou hydrogène sulfuré).
La croissance des algues est conditionnée par le rapport dans lequel elles prélèvent les éléments nutritifs (rapport de Redfield C : N : P = 106:16:1). Si ces éléments sont présents dans ces ratios dans le milieu aquatique, il n’y a pas de limitation de croissance. Si un de ces éléments vient à manquer, on parle de facteur limitant. Dans ce rapport, le phosphore est souvent désigné comme le principal facteur limitant du développement des algues en eau douce.
Géographie et manifestations de l'eutrophisation
Les rivières, les lacs et les mers ont toujours accueilli une quantité de nutriments naturels, essentiels à la vie aquatique. Mais avec l'urbanisation, l'artificialisation des sols et l'agriculture intensive, cet équilibre a été profondément perturbé. L'urbanisation et la bétonisation extrême ont perturbé le cycle de l’eau, empêchant l’eau de pluie de s’infiltrer naturellement dans le sol. L’eau ruisselle alors sur des surfaces imperméables et entraîne avec elle des déchets organiques urbains - ainsi que des résidus présents dans les détergents et lessives - et finit par se déverser dans les cours d’eau.
Les lacs ont été les premiers à subir les conséquences de l’eutrophisation. Comme ce sont des systèmes semi-fermés, ils sont particulièrement sensibles à ce phénomène. L’eutrophisation des eaux littorales est plus difficile à évaluer en raison du phénomène de dilution, mais l'excès de nutriments pourrait avoir un impact significatif sur la faune aquatique, entraînant la formation de zones mortes ou perturbant les récifs coralliens.
En France, le cas des marées vertes sur les côtes bretonnes est emblématique. Apparu dans les années 1960-1970, ce phénomène est la conséquence d’une agriculture intensive qui a bouleversé les pratiques des agriculteurs avec des élevages toujours plus grands, en négligeant la nature.
Vers une gestion durable : prévention et solutions
La lutte contre l’eutrophisation peut être préventive (de loin le plus efficace) ou curative. Les mesures curatives passent par des procédés coûteux et parfois risqués en matière d’impact sur le vivant, comme l’oxygénation, la déstratification, ou la lutte chimique contre les algues. Le traitement poussé dans les stations d’épuration, par l’élimination de l’azote et surtout du phosphore, est un moyen de prévention lié aux eaux usées.
Compte tenu des volumes, il faut surtout réduire l’apport de nutriments dans les milieux aquatiques par l’agriculture. Pour cela, il est nécessaire de limiter l’utilisation des engrais en agriculture. Le passage des bassins versants à l’agroécologie montre ainsi des résultats déterminants. La lutte contre le phénomène d’eutrophisation passe par une lutte contre l’érosion des sols agricoles. Les bandes enherbées, les cultures en couverts permanents, les arbres et haies champêtres sont autant d’alliés déterminants qui permettent de structurer les sols, d’augmenter leur capacité de rétention d’eau et de métaboliser les polluants. Le boisement systématique des berges par ripisylviculture se révèle très efficace également, et peut être facilement mis en place par les collectivités.
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