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L’interaction science/gestion au profit des écosystèmes lacustres

Gestion des milieux et qualité des eaux : le cas du territoire des lacs médocains

Environmental management and water quality: The case of the Médoc lakes territory
Pierre Anschutz, Frank Quenault, Damien Buquet, Céline Charbonnier et Frédéric Hoffmann
p. 124-152

Résumés

Les enjeux de qualité des eaux des lacs côtiers du Médoc sont importants avec les problématiques d’eutrophisation et baignade. Les suivis règlementaires sont effectués, mais ils sont insuffisants pour comprendre le fonctionnement d’un lac et de son bassin versant. Des travaux de recherche ont permis d’établir un bilan complet des nutriments (N, P et Si) et de l’eau à l’échelle du bassin versant des lacs médocains grâce à un échantillonnage dense de tous les compartiments qui affectent l’écosystème lacustre : le bassin versant (eaux souterraines et eaux de surface), les eaux pluviales, les sédiments, la colonne d’eau des lacs et les zones humides. Une cartographie des sédiments a permis de quantifier pour la première fois les flux à l’interface eau-sédiment. Il ressort de ce diagnostic que les flux azotés sont principalement liés aux apports agricoles du bassin versant du lac de Carcans-Hourtin. Les apports en phosphore sont faibles. La production biologique des lacs est limitée par ce nutriment. Les lacs jouent un rôle de tampon dans le continuum bassin versant-lac-Bassin d’Arcachon, puisqu’ils retiennent plus de 60% des nutriments sous forme de particules organiques et minérales stockées dans le sédiment. Cette capacité de rétention n’est pas infinie. Des efforts pour continuer à limiter les flux entrants sont nécessaires, en particulier dans un contexte de réchauffement climatique. Fort de ce constat, une démarche a été mise en place afin de réduire les apports azotés et surveiller les flux de phosphore. Elle se concrétise par des améliorations de pratiques agricoles, la mise en place de zones humides tampons et la restauration des zones humides naturelles.

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Texte intégral

L’étude de la biogéochimie des lacs médocains a été soutenue par plusieurs programmes : CLAQH (Contamination polymétallique des Lacs AQuitains et impacts Humains) financé par l’Agence de l’Eau Adour Garonne, par la Région Nouvelle Aquitaine et par le Labex COTE (ANR-10-LABEX-45) ; le projet LITTOLAC, financé par l’INSU, programme EC2CO-BIOHEFECT; Le projet PSDR AQUAVIT (Région Nouvelle Aquitaine et INRA); le SIAEBVELG, avec la participation de l’Agence de l’Eau Adour-Garonne, Le Conseil Général 33 et la Région Nouvelle Aquitaine. Nous remercions Dominique Poirier, Stéphane Bujan, Benoit Gouillieux, Ludovic Devaux et Thierry Corrège pour leur aide sur le terrain. Nous remercions Guillaume Bourguetou et Pascal Bartout pour leur travail éditorial qui a permis d'améliorer la qualité du texte.

Introduction

1L’eutrophisation des systèmes lacustres est un problème d’importance croissante en raison de l’augmentation des flux de nutriments d’origine anthropique dans les milieux aquatiques (Vitousek et al., 1997). Les apports en nutriments sont liés aux activités agricoles qui nécessitent des engrais azotés et phosphorés, à l’élevage qui produit des déchets organiques, et aux rejets domestiques et industriels d’eaux usées plus ou moins bien traitées (Filippelli, 2008 ; Morée et al., 2013). L’eutrophisation peut être définie comme un enrichissement en azote (N) et phosphore (P) naturel ou anthropique ayant pour conséquence un accroissement de production primaire et pour effet des conséquences diverses dont la baisse de l’oxygénation des eaux (Cloern, 2001 ; Correll, 1998 ; Hasler, 1947 ; Meybeck et Helmer, 1989 ; Smith et al., 1999). Ainsi, dans les lacs, l’augmentation des apports de nutriments entraîne une production accrue de biomasse. Etant donné le confinement de ces milieux, le recyclage de cette biomasse et la reminéralisation des nutriments peuvent maintenir la production primaire à des niveaux élevés. Les conséquences sont diverses. La première est l’accumulation excessive de matière organique, qui créé un rétrocontrôle négatif pour la production primaire en raison de la diminution de la clarté de l’eau. La deuxième concerne la dégradation de cette matière organique, qui provoque la diminution de la teneur en oxygène du milieu. Si le processus est maintenu, la dégradation de la matière organique ralentit parce que l’oxygène tend à manquer. Par conséquent, un surplus de matière organique mal dégradée, et donc labile, peut se déposer dans le sédiment. La demande benthique en oxygène augmente donc. Cet enchaînement entraîne des baisses notables de la concentration en oxygène dans l’eau et la production primaire finit par diminuer, rendant le milieu écologiquement pauvre et potentiellement anoxique.

2L’augmentation de la pression démographique en Aquitaine, et en particulier en zone côtière, peut mener à une augmentation du risque d’eutrophisation des lacs côtiers. Les lacs médocains de Carcans-Hourtin et de Lacanau sont en zone sensible à l’eutrophisation en raison des vastes surfaces agricoles présentes en tête du bassin versant. Selon une étude du CEMAGREF datant de 1992, on obtenait un export d’azote de 1 kg ha-1 an-1 pour les bassins versants forestiers contre 19 kg ha-1 an-1 pour les bassins versants mixtes (forêt et maïsiculture). Des valeurs similaires ont été mesurées en 2007-2008 sur le bassin versant de la lagune d’Arcachon (Canton et al., 2012). Des travaux de suivi des flux provenant des bassins versants ont montré des signaux précurseurs de l’eutrophisation, avec en particulier le développement de plantes invasives (Bertrin et al., 2017), des cyanobactéries, et flux élevés de nitrate. A partir de ce constat, des mesures ont été prises par les gestionnaires afin de préserver la qualité des eaux des lacs. Dans ce contexte, le dialogue entre les chercheurs et les gestionnaires a été très bénéfique pour améliorer la connaissance de l’écosystème complexe des lacs médocains et pour programmer des mesures de gestion en vue d’éviter l’eutrophisation des plans d’eau. Ces milieux constituent un laboratoire naturel de choix pour étudier la biogéochimie le long du continuum bassin versant-lac-milieu côtier. Cet article résume les principaux résultats liés à ces travaux, en se focalisant sur un suivi dense de tous les compartiments aquatiques des lacs réalisé entre 2014 et 2015.

Contexte

Le bassin versant des Lacs médocains et le SIAEBVELG

3Le bassin versant des lacs médocains et du canal du Porge représente un territoire littoral de 1 000 km² au nord-ouest de la Gironde. Ce territoire sableux est principalement recouvert de forêts de pins maritimes et de zones humides dont les eaux s’écoulent vers les lacs de Carcans-Hourtin et de Lacanau de respectivement 6 200 et 2 000 ha de superficie. Leurs eaux rejoignent ensuite vers le sud, le Bassin d’Arcachon via le canal étang au niveau de Lège Cap-Ferret (Fig. 1).

Figure  : Carte bathymétrique des lacs médocains, et occupation des sols du bassin versant

Figure  : Carte bathymétrique des lacs médocains, et occupation des sols du bassin versant

4Le Syndicat Intercommunal d’Aménagement des Eaux du Bassin Versant des Etangs du Littoral Girondin (SIAEBVELG) a été créé en 1964 suite à des inondations majeures autour des lacs de Carcans-Hourtin et de Lacanau pendant l’hiver 1960-61. Les communes de ce territoire ont souhaité mutualiser leurs moyens pour mieux gérer ce type d’événements. Ce syndicat avait ainsi initialement une compétence de prévention des inondations avec l’entretien des cours d’eau et des ouvrages de régulation. Depuis 2001, le syndicat porte également l’animation du Schéma d’Aménagement et de Gestion des Eaux, SAGE des lacs médocains. Cette démarche a permis d’associer aux décisions l’ensemble des acteurs de l’eau du territoire et d’élargir le champ des thématiques abordées en particulier pour travailler sur la qualité des eaux.

Les enjeux de qualité des eaux

5Sur le bassin versant des lacs médocains, les enjeux de qualité des eaux peuvent être regroupés autour de trois problèmes principaux. Le premier concerne l’eutrophisation qui peut affecter tant les cours d’eau, les canaux, les lacs que le Bassin d’Arcachon, exutoire de ce bassin versant. Les lacs médocains, ont des temps de renouvellement des eaux de plusieurs mois (Buquet, 2017), ce qui permet l'accumulation et le recyclage de nutriments fixés par le phytoplancton (Dillon et Evans, 1973 ; Schindler, 2012). Ils sont de ce fait particulièrement exposés et sensibles à des phénomènes d’eutrophisation. Les conséquences pourraient être le développement de cyanobactéries, l’extension des herbiers de plantes exotiques envahissantes (Bertrin et al., 2017), la dégradation globale de la biodiversité de ces écosystèmes naturellement pauvres en nutriments et globalement, un impact sur les activités touristiques et de loisirs liées aux lacs.

6Le deuxième problème est celui de la qualité des eaux de baignade tant lacustres que sur les plages du Bassin d’Arcachon à l’exutoire du canal des étangs à Lège Cap-Ferret. En effet, du fait de l’importance économique du tourisme balnéaire sur ce territoire, la bonne qualité des eaux est cruciale. Cet enjeu sanitaire est analysé au regard des paramètres de bactéries pathogènes et de développement de cyanobactéries productrices de toxines. De façon synthétique, on note que les problèmes de bactéries pathogènes sont peu observés sur le bassin versant et toutes les zones baignades sont qualifiées depuis de nombreuses années en « qualité excellente » par la Directive Européenne correspondante. Par contre, le risque de développements de cyanobactéries n’est pas négligeable et est potentiellement lié au phénomène d’eutrophisation.

7Le dernier problème concerne les substances dangereuses et toxiques. Sur la base des connaissances actuelles, le bassin versant des lacs médocains est peu concerné par de fortes concentrations en produits phytosanitaires, en hydrocarbures aromatiques polycycliques ou encore en métaux lourds. Seul le paramètre « mercure dans les poissons » a été actuellement identifié comme un enjeu pour le territoire avec un programme de recherche spécifique pour comprendre son origine (Canredon et al., 2019 ; Maury-Brachet et al., ce volume).

Sources de connaissances et programmes de recherches

8Pour suivre l’évolution des différents paramètres de qualité des eaux, des programmes de suivis ou de recherche ont été mis en place sur le bassin versant des lacs médocains. Le réseau de suivi de la Directive Cadre Européenne sur l’Eau de l’Agence de l’Eau Adour Garonne, avec des protocoles élaborés avec l’IRSTEA, permet en particulier de suivre la qualité physico-chimique et écologique des lacs depuis 2007. Les multiples paramètres mesurés tous les trimestres permettent ainsi d’évaluer l’évolution de l’eutrophisation. On note par exemple grâce à ces suivis réguliers une nette amélioration sur la transparence des eaux depuis les années 2010 sur les deux lacs. De la même façon, l’Agence Régionale de Santé suit depuis les années 2000 la qualité des eaux conformément à la Directive Européenne Baignade sur les huit sites de baignades surveillées du bassin versant. On observe ainsi sur le lac de Hourtin-Carcans une diminution des concentrations de cellules de cyanobactéries depuis 2013 (http://www.lacsmedocains.fr/​baignades.html).

9Ces suivis sont précieux car ils permettent une évaluation de la qualité des eaux des lacs sur différents paramètres et de voir les évolutions. Ils ont toutefois des limites pour une gestion visant à assurer sur le long terme la bonne qualité des eaux et des écosystèmes lacustres. En effet, ces suivis ne permettent pas d’évaluer les flux de polluants entrant dans les lacs pour prioriser ou localiser les interventions de protection. Ils ne permettent pas non plus d’évaluer le devenir de ces polluants : quelles sont les interactions avec les écosystèmes, le phytoplancton, avec les zones humides ? Existe-t-il des seuils critiques de concentrations de certains nutriments ? Ces nutriments sont-ils stockés dans les sédiments des lacs, et existe-il des limites au stockage et des risques de relargage ? Quels sont les liens avec le bassin d’Arcachon, exutoire du bassin versant ? Quelles sont les actions prioritaires d’intervention pour préserver la qualité des eaux des lacs ?

10Toutes ces questions sont importantes si on souhaite pouvoir intervenir et améliorer la gestion de ces lacs et de leur bassin versant. Ainsi depuis 2011, le SIAEBVELG a sollicité le Département de Géographie de l’Université Bordeaux Montaigne pour évaluer les flux de nutriments depuis le bassin versant des lacs et le laboratoire EPOC de l’Université de Bordeaux pour réaliser un bilan complet des nutriments.

Les facteurs influençant le fonctionnement biogéochimique des lacs 

Stratégie d’échantillonnage du suivi de 2014-2015

11La stratégie d’échantillonnage a consisté à couvrir l’ensemble du système hydrographique durant deux cycles hydrologiques entre janvier 2014 et juillet 2015. Les prélèvements ont été mensuels pour les eaux superficielles, comprenant la colonne d’eau des lacs, l’eau des canaux et celle des cours d’eau. Les prélèvements des eaux souterraines ont été réalisés tous les deux mois compte tenu de la sensibilité moindre de la nappe aux variations saisonnières. Les prélèvements de sédiments ont été réalisés une fois par saison.

12L’eau des lacs a été échantillonnée à différentes profondeurs et en de nombreux points en utilisant une bouteille Niskin de 2L. Les résultats des analyses ont montré que pour une campagne donnée, les valeurs mesurées étaient homogènes à l’échelle de chaque lac, à partir du moment où l’échantillon était éloigné de l’embouchure d’un cours d’eau. Les points d’échantillonnage des rivières étaient situés à proximité de l’embouchure afin d’intégrer les flux issus du bassin versant. Les eaux souterraines ont été récoltées à partir d’une douzaine de puits de l’organisation de Défense de la Forêt Contre les Incendies (DFCI) situés à l’est et à l’ouest des lacs. Les eaux de pluies ont été collectées à chaque précipitation en un point situé au sud du système, proche du bassin d’Arcachon. Toutes les eaux ont été filtrées et conditionnées pour l’analyse des composés dissous en lien avec le cycle de l’azote, du phosphore et de la silice. Les sédiments des lacs ont été prélevés à l’aide d'une benne de type Ekman afin de réaliser une cartographie sédimentaire. Les différents types de sédiments rencontrés ont été échantillonnés soigneusement par des plongeurs pour obtenir des carottes sédimentaires avec une interface eau-sédiment parfaitement préservée. L’extraction des eaux porales par centrifugation avec une résolution verticale centimétrique a permis d’évaluer les flux de nutriments entre le sédiment et la colonne d’eau. L’étude des composés biogènes dissous et solides des sédiments a permis de déterminer les processus responsables de ces flux. Afin de comprendre la dynamique de la température et de l’oxygène dissous au sein de la colonne d’eau de chaque lac, des sondes autonomes ont été placées à la surface (2 m) et au fond (8,8 m à Carcans-Hourtin et 5,5 m à Lacanau) de la zone la plus profonde de chacun des lacs. Les mesures ont été réalisées à une fréquence de 30 minutes entre avril 2014 et juillet 2015.

13Le bilan hydrique a été réalisé à partir des données de précipitation, les chroniques de hauteur d’eau des lacs, les débits mesurés ou extrapolés des cours d’eau et des canaux et le calcul des flux d’eau souterraines à partir des niveaux piézométriques et la loi de Darcy. L’ensemble des méthodes est détaillé dans la thèse de D. Buquet (Buquet, 2017).

Le cycle de l’eau

14L’hydrologie des lacs a été étudiée lors de recherches financées par le SIAEBVELG et associant la DIREN, le BRGM et l’Université de Bordeaux 3 (Gardaix, 2012a et b). Ces travaux ont permis la mise en place de mesures de débits sur les rivières alimentant les lacs. Le volume d’eau du lac de Carcans-Hourtin est de 190±20 Mm3 et celui du lac de Lacanau est de 50±6 Mm3. Les volumes, corrélés à la hauteur d’eau, suivent un marnage annuel qui est en moyenne de 60 cm, avec les niveaux les plus hauts en hiver. En été, les niveaux sont maintenus grâce à la fermeture des écluses, mais ils décroissent en raison de l’évaporation estimée à 4 mm par jour en moyenne en été (SIAEBVELG, 2015 ; Buquet, 2017). Les apports d’eau de pluie qui arrivent directement sur le miroir d’eau des lacs correspondent à la surface des lacs multipliée par les précipitations. La pluviométrie moyenne est de 930 mm avec des variations interannuelles qui peuvent aller de près de 600 mm à 1300 mm (SIAEBVELG, 2015). Une année moyenne apporte ainsi près de 58 Mm3 et 18 Mm3 d’eau de pluie directement sur les deux lacs. Les flux superficiels provenant des cours d’eau qui drainent le bassin versant varient d’un facteur 33 entre les années aux automnes et hivers secs et les années humides. Ainsi, pour le lac de Carcans-Hourtin ce flux a été estimé à 6 Mm3 entre l’automne 2016 et l’été 2017 et à 200 Mm3 pour la même période en 2000/2001. La différence entre le facteur de variation des précipitations (x2) et celui des flux issus du bassin versant (x33) vient de l’effet tampon de la nappe superficielle où s’infiltrent les eaux de pluie. En effet, en raison de la topographie et de la nature très perméable de l’aquifère, les eaux des ruisseaux représentent l’exfiltration de la nappe qui affleure au niveau du lit des cours d’eau. En été, la plupart des cours d’eau sont à sec parce que le niveau de la nappe est bas en raison de l’évapotranspiration. Si les précipitations hivernales sont trop faibles comme en 2017, la hauteur de la nappe atteint à peine le niveau du lit des ruisseaux et les débits demeurent ceux des basses eaux.

15Les flux souterrains qui se font directement dans les lacs par exfiltration de la nappe représentent une part très faible, inférieure à 2% des entrées totales du bilan en eau des lacs dans un contexte pourtant très favorable de forte perméabilité. Les flux souterrains restent faibles parce que le gradient piézométrique est faible. Il le reste grâce à la présence des écluses à la sortie des deux lacs, qui permettent le maintien des niveaux d’eau après les périodes de recharge. La faible proportion des eaux souterraines dans le bilan en eau des lacs provient également du drainage intense du bassin versant oriental des lacs par un réseau dense de petites crastes. Le rôle des écluses sur ces flux montre l’impact de l’Homme sur les flux souterrains. Une baisse de 1 à 2 m du niveau des lacs par la suppression des écluses multiplierait immédiatement par 2 la quantité d’eaux souterraines se déversant dans les lacs. A plus long terme, les flux souterrains retrouveraient un état d’équilibre car le bassin versant s’équilibrerait avec l’exutoire. En période de recharge, l’élévation du niveau des lacs est synchrone avec la recharge de la nappe. Si les écluses étaient supprimées, les flux souterrains augmenteraient aussi durant les périodes de recharge.

16Le lac de Lacanau se renouvelle le plus rapidement, en particulier en hiver : le volume du lac a été remplacé 6 fois durant les 18 mois du suivi réalisé de janvier 2014 à juillet 2015. Dans le même temps d’étude, le lac de Carcans-Hourtin ne renouvelle son volume d’eau qu’une seule fois. Son volume, sa position en amont du bassin versant et son exutoire vers le lac de Lacanau explique cette différence. La fermeture des écluses empêche les sorties d’eau durant la période estivale, augmentant ainsi fortement le temps de résidence des eaux. La principale sortie d’eau durant cette période est l’évaporation (Buquet, 2017).

Cartographie sédimentaire

17Les lacs médocains reposent sur le sable des Landes et les formations Plio-Quaternaires antérieures. Les sédiments de ces lacs sont donc essentiellement sableux (environ 80% de la surface des lacs). Cependant, le sable des zones profondes est tapissé de vases riches en matière organique (21% de la surface de Carcans-Hourtin et 20% de la surface de Lacanau) qui s’accumulent sur plus de 2 m d'épaisseur aux profondeurs supérieures à 5 m (Cf Figure 5 dans Maury-Brachet et al., ce volume). Elles sont également présentes à la surface des sédiments dans les zones moins profondes qui sont colonisées par les herbiers denses de plantes invasives qui représentent 10% de la surface du lac de Lacanau. Les données sur la composition de ces boues ont été déterminées par des analyses microscopiques, minéralogiques et géochimiques. Elles contiennent près de 50% de matière organique, un grand nombre de frustules de diatomée (silice amorphe), des pollens de pins mais également une large part d’amas de particules contenant de la matière organique et des particules minérales (Fig. 2). Ces particules fines ont été caractérisées par diffraction des rayons-X (Canredon et al., 2019). Elles sont composées de quartz en majeure partie, d’argiles (illite et kaolinite) et de feldspaths. La matière organique a été caractérisée à partir de la comparaison de son rapport C/N et de la signature isotopique en carbone et en azote avec les signatures des différentes sources possibles, à savoir, les sols du bassin versant, le phytoplancton des lacs et les macrophytes. Les résultats ont montré que la matière organique autochtone phytoplanctonique contribuait majoritairement aux dépôts sédimentaires organiques accumulés dans les lacs (Anschutz et al., 2019).

Figure 2 : Photographie de l'observation microscopique d’une vase organique du lac de Carcans-Hourtin

Figure 2 : Photographie de l'observation microscopique d’une vase organique du lac de Carcans-Hourtin

Le cycle des nutriments

L’azote

18L’azote inorganique dissous (NID) sous ses formes principales, nitrate, nitrite et ammonium a été mesuré dans tous les compartiments aquatiques des lacs afin de déterminer les principales sources et les puits, d’évaluer l’évolution pluriannuelle des sources et de réaliser un bilan de masse de l’azote du système. Les sources identifiées sont les précipitations, les ruisseaux qui drainent le bassin versant et les sédiments.

19Les eaux de pluie ont été étudiées sur plusieurs années entre 2008 et 2018. Les concentrations en nitrate et ammonium sont corrélées entre elles et varient entre 0 et 1,68 mg N L-1 selon les événements de précipitations. La moyenne des concentrations annuelles pondérées par les précipitations est de 0,21±0,06 mg N L-1 pour le nitrate et de 0,15±0,08 mg N L-1 pour l’ammonium. Ceci correspond à un flux direct moyen de 339 mg de N m-2 an-1, soit 20,6 tonnes et 6,5 tonnes qui arrivent par les précipitations en moyenne chaque année sur les miroirs d’eau des lacs de Carcans-Hourtin et de Lacanau.

20Les flux de NID par les cours d’eaux dépendent des activités sur le bassin versant. Compte tenu de l’activité agricole sur le bassin versant oriental du lac de Carcans-Hourtin (20% de sa surface), les apports directs de NID dans le lac de Carcans-Hourtin sont plus importants que pour le lac de Lacanau (2,6% de surfaces agricoles). Néanmoins, le lac de Lacanau reçoit des apports indirects en azote venant du lac de Carcans-Hourtin par l’intermédiaire du canal des étangs lorsque l’écluse s’ouvre durant les périodes de recharge. Les cours d’eau qui drainent uniquement des terrains forestiers avaient des concentrations comprises entre 0 et 0,14 mg L-1 de N-NH4+, 0 et 1,4 mg L-1 de N-NO3- et 0 et 0,007 mg L-1 de N-NO2- lors du suivi de 2014-2015. En revanche les cours d’eau qui drainent des parcelles agricoles (Lambrusse, Garroueyre, Lupian + Caillava, Pipeyrous) présentaient des concentrations allant de 0,07 à 0,42 mg N L-1 pour NH4+, de 1,4 à 14 mg N L-1 pour NO3- (soit 62 mg L-1 de nitrate) et de 0,007 à 0,05 mg N L-1 pour NO2-. La moyenne des concentrations en N-nitrate des cours d’eau qui se jettent dans le lac de Carcans-Houtin, pondérée par les débits, était de 2,66 mg N L-1, alors qu'elle était de 0,21 mg N L-1 pour le lac de Lacanau. Ces concentrations sont en adéquation avec les valeurs d’exportation de N en fonction de l’occupation des sols dans la région. Il a été montré ici (Gardaix, 2012 ; Buquet et al., 2017) et sur le bassin versant de la Leyre (Canton et al., 2012) que les parcelles forestières exportaient environ 60 kg N km-2 an-1, alors que les parcelles agricoles exportaient 3700 kg N km-2 an-1. Les flux sont essentiellement dépendants du débit des cours d’eau. C’est la raison pour laquelle les flux sont les plus importants en période de crue et que les concentrations en nitrate dans les lacs sont les plus fortes en hiver. Le suivi pluriannuel des flux d’azote sous forme de nitrate indique pour les dernières années une amplitude allant de 11 tonnes en 2017 à 230 tonnes en 2014 (Fig. 3). Cette variation est directement liée au bilan hydrologique annuel.

Figure 3. Flux d’azote par les cours d’eaux arrivant dans le lac de Carcans-Hourtin entre 2012 et 2018. Haut : flux totaux en tonnes par an ; bas : flux pondérés par le débit exprimés en tonnes par millions de m3 d’eau arrivant au lac.

Figure 3. Flux d’azote par les cours d’eaux arrivant dans le lac de Carcans-Hourtin entre 2012 et 2018. Haut : flux totaux en tonnes par an ; bas : flux pondérés par le débit exprimés en tonnes par millions de m3 d’eau arrivant au lac.

21L’étude des carottes sédimentaires et l’établissement des cartes de distribution des sédiments nous ont apporté de nouvelles informations sur le rôle des processus benthiques dans le cycle de l’azote des lacs. Les gradients de concentrations mesurés sous l’interface eau-sédiment ont été traduits en flux en utilisant l’équation de la diffusion moléculaire (Berner, 1980) qui prend en compte ce gradient, la porosité des sédiments et le coefficient de diffusion qui dépend entre autres de la température. Nous avons constaté que dans les différents types de sédiment, les processus benthiques liés aux réactions d’oxydo-réduction de minéralisation de la matière organique étaient une source d’ammonium pour la colonne d’eau et un puits pour le nitrate. En considérant les surfaces des différents types de sédiments et les variations saisonnières de flux, nous avons calculé des apports d’ammonium en provenance des sédiments de 49 t N-NH4 an-1 à Lacanau et 46 t N-NH4 an-1 à Carcans-Hourtin. Les flux sont les plus importants en été et automne, lorsque la température des eaux de fond est la plus élevée. En effet, les processus métaboliques sont dépendants de la température : une augmentation thermique de 10°C entraîne un doublement de l’activité métabolique (Brown et al., 2004). Les valeurs sont relativement similaires pour les deux lacs, alors que la surface du lac de Lacanau est trois fois plus petite que celle du lac de Carcans-Hourtin. Les plus fortes teneurs en matière organique des sables de Lacanau par rapport à Carcans-Hourtin font que l’ensemble des sédiments de Lacanau (vases et sables) participe significativement au recyclage benthique, alors que les sables de Carcans-Hourtin ne représentent que 20% du recyclage benthique du lac pour 80% de la surface. Ces flux moyens estimés pour l’année 2014 varient probablement peu d’une année sur l’autre, parce qu’ils dépendent essentiellement de la température et de la nature de la matière organique qui s’accumule au fond (Berner, 1980). Ces deux propriétés n’évoluent pas de manière drastique, parce que les réactions biogéochimiques se font à partir d’un stock de matière organique accumulé sur plusieurs années et les chroniques saisonnières de température des eaux se répètent chaque année.

22Le gradient de concentration en nitrate entre la colonne d’eau et le sédiment est presque tout le temps négatif (Fig. 4). Ceci signifie que les sédiments sont un puits de nitrate. La consommation benthique de nitrate est liée à la dénitrification, un processus de respiration bactérienne anaérobie qui transforme le nitrate en di-azote. La présence d’un pic de concentration en nitrite sous l’interface eau-sédiment, un composé intermédiaire lors de la dénitrification, confirme la présence de ce processus. La majeure partie du flux de nitrate a lieu durant le printemps, lorsque les concentrations dans la colonne d’eau entretiennent un gradient élevé entre la colonne d’eau et le sédiment. La dénitrification s’arrête quand il n’y a plus de nitrate dans la colonne d’eau. C’est le cas dans les sédiments du lac de Lacanau en été et automne. On note un flux de nitrate du sédiment vers la colonne d’eau à ces moments-là. Le nitrate présent dans les niveaux superficiels du sédiment est probablement le résultat de la nitrification de l’ammonium qui diffuse vers l’interface eau-sédiment. La nitrification est une oxydation de l’ammonium en nitrate en présence d’oxygène. Elle se produit probablement dans la colonne d’eau, mais aussi dans les premiers millimètres de sédiments où pénètre l’oxygène dissous. A l’échelle d’une année, les flux négatifs liés à la dénitrification sont largement dominants par rapport aux flux positifs dus à la nitrification. Au bilan, les flux benthiques de nitrate représentent un flux de la colonne d’eau vers le sédiment de 19 t N-NO3 an-1 à Carcans-Hourtin et 7 t N-NO3 an-1 à Lacanau, soit des valeurs inférieures au flux sortant d’ammonium : le sédiment est une source brute d’azote pour la colonne d’eau.

Figure 4. Profils verticaux de la distribution des composés biogéochimiques sous l’interface eau-sédiment dans les vases organiques et les sédiments sableux des lacs de Lacanau et Carcans-Hourtin obtenus à partir de carottes récoltées à différentes saisons.

Figure 4. Profils verticaux de la distribution des composés biogéochimiques sous l’interface eau-sédiment dans les vases organiques et les sédiments sableux des lacs de Lacanau et Carcans-Hourtin obtenus à partir de carottes récoltées à différentes saisons.

23En 2014, les entrées totales de NID étaient de 280 tonnes à Carcans-Hourtin et 122 tonnes à Lacanau (Fig. 5). Le pourcentage que représentent les flux issus des eaux de rivières était de 82% à Carcans-Hourtin. Pour le lac de Lacanau les flux issus des cours d’eau qui se jettent directement dans le lac ne représentaient que 17% du total. Les apports venant du lac de Carcans-Hourtin via le canal des étangs représentaient 48%. Les flux souterrains étaient négligeables, puisque les concentrations en NID des eaux de la nappe étaient bien plus faibles que celles des eaux de surface. Les flux benthiques étaient importants à Lacanau, où ils représentaient 32% des entrées en 2014. Ils ne représentaient que 11% des sources à Carcans-Hourtin. Les sources additionnelles étaient les précipitations sur le miroir d’eau (Fig. 5).

24La comparaison entre les sources totales de NID et les sorties par les canaux indique que le lac de Carcans-Hourtin retenait près de 80% de l’azote alors que le lac de Lacanau n’en retenait que 52%. La différence entre l’azote entrant dans le lac de Carcans-Hourtin et l’azote sortant était de 222 tonnes en 2014. Nous avons calculé que 19 tonnes de nitrate, soit 9% de l’azote retenu dans le lac, diffusait vers le sédiment. Cet azote a été probablement converti en N2 au travers de la dénitrification. Par conséquent, la majeure partie de l’azote (91%) a été retenue dans les sédiments sous forme de N-organique et n’a pas été transformée en N2.

Figure 5. Flux d’azote (haut) : NO3- : nitrate ; NH4+ : ammonium, NID : azote inorganique dissous ; N : azote organique particulaire. Flux de phosphore et de silicium (bas) : PID : phosphore inorganique dissous ; P : phosphore particulaire ; Sid : silice dissoute. Les valeurs sont en tonnes par an pour l’année 2014.

Figure 5. Flux d’azote (haut) : NO3- : nitrate ; NH4+ : ammonium, NID : azote inorganique dissous ; N : azote organique particulaire. Flux de phosphore et de silicium (bas) : PID : phosphore inorganique dissous ; P : phosphore particulaire ; Sid : silice dissoute. Les valeurs sont en tonnes par an pour l’année 2014.

Le phosphore

25Le phosphore inorganique dissous (PID) sous forme de phosphates a une concentration moyenne de 8,4 µg P-PO4 L-1 dans les eaux de pluie. Ceci se traduit par un flux annuel sur le miroir d’eau de 480 kg an-1 sur le lac de Carcans-Hourtin et de 160 kg an-1 sur le lac de Lacanau. Les concentrations en PID des cours d’eau étaient très faibles en 2014/2015. Elles étaient généralement inférieures à 12 µg P-PO4 L-1. Toutefois, le PID apporté par les rivières représentait une proportion importante des flux vers les lacs. Pour les crastes passant par des parcelles agricoles, les concentrations moyennes en PID n’étaient pas significativement plus fortes que pour celles qui circulaient uniquement dans des zones forestières. L’ajout de phosphore lié à l’activité agricole ne se répercutait donc pas directement sur les flux de PID dans les rivières à l’aval. Ceci est probablement lié à la faible mobilité du PID dans les sols et au très faible taux d’érosion dans la région en raison de l’absence de pente. Les podzosols médocains sont riches en oxyde de fer (Achat et al., 2009), ce qui leur confère une forte capacité d’adsorption des phosphates et limite la mobilité de ce composé dans la nappe et les cours d’eau. Au final, les flux issus du bassin versant drainé par les eaux superficielles représentaient 650 kg P-PO4 pour le lac de Carcans-Hourtin et 340 kg P-PO4 pour le lac de Lacanau en 2014 (Fig. 5). Pour ce dernier se sont ajoutés les flux issus du canal des étangs, estimé à 240 kg P-PO4.

26L’aquifère des sables landais est anoxique (Buquet, 2017 ; Deirmendjian et al., 2019). En milieu anoxique, les oxydes de fer peuvent être réduits et les phosphates associés peuvent être solubilisés. On observe en effet dans les eaux de la nappe connectée aux cours d’eau des concentrations en fer et en PID relativement élevées, avec des valeurs moyennes de P-PO4 de 158 µg à l’ouest des lacs et de 15 µg à l’est. Ces valeurs sont très élevées par rapport aux eaux de surface. Elles sont cependant caractéristiques des eaux de la nappe des sables des Landes et de la nappe dunaire (Anschutz et al., 2016). Ainsi, même si la quantité d’eau provenant des eaux souterraines est faible à l’échelle d’un lac, ce flux peut représenter une partie importante des flux de PID (Kidmose et al., 2013 ; Lewandowski et al., 2015), voire induire des conditions eutrophes pour les eaux de surface (Burkart et al., 2004 ; Holman et al., 2010 ; Tomer et al., 2010). Les flux souterrains directs d’eau vers les lacs médocains sont faibles et représentent moins de 2% des flux totaux au maximum. Cependant, ces eaux souterraines véhiculent des quantités de PID non négligeables, avec une estimation de 12% (62 kg) des flux totaux pour le lac de Lacanau et 14% (155 kg) pour le lac de Carcans-Hourtin.

27Les flux sédimentaires diffusifs de PID sont très faibles : les gradients à l’interface eau-sédiment sont presque nuls (Fig. 4). Les flux benthiques intégrés sur la surface totale des lacs représentent au maximum 4% des flux totaux. Les flux benthiques de PID dans des lacs sont limités par la capacité d’adsorption des sédiments (Einsele, 1936 ; Mortimer, 1941). Celle-ci dépend de nombreux facteurs (Hupfer et Lewandowski, 2008). Elle dépend de la quantité et de la nature des phases capables de fixer le phosphate, en particulier les oxydes de fer et les hydroxydes d’aluminium, de la quantité et de la labilité de la matière organique qui arrive au sédiment et des processus diagénétiques qui se produisent dans les sédiments. Dans les lacs médocains, nous avons montré que les processus diagénétiques permettaient la création de conditions anoxiques dans le sédiment dès les premiers centimètres. Les profils d’ammonium montrent qu’une partie de la matière organique sédimentaire est minéralisée et donc que potentiellement le phosphore organique est libéré sous la forme de phosphate. Mais nos données montrent également que les oxydes de fer sont présents dans la zone oxique et les premiers centimètres de la zone anoxique des sédiments (Canredon et al., 2019). Dans les sédiments des lacs médocains, les rapports Fe/P des oxydes de fer sont supérieurs à 20. Ces valeurs traduisent une sous-saturation des particules d’oxyde de fer par rapport au potentiel d’adsorption du P par ces oxydes (Jensen et al., 1995 ; Krom et Berner, 1980 ; Anschutz et al., 1998). De ce fait, les oxydes de fer sont et restent un puits pour le P dans les lacs.

28Au final la comparaison de la somme des flux de PID entrant dans chaque lac et les flux sortants par les canaux indique qu’en 2014, année où les écluses ont été largement ouvertes, près de 80% du PID entrant a été retenu dans le lac de Carcans-Hourtin. Le taux de rétention a été de 30% pour le lac de Lacanau. Ce phosphore s’est accumulé dans les sédiments organiques des lacs (Fig. 5).

29Le bilan du phosphore des lacs médocains présente encore de nombreuses incertitudes, essentiellement dues aux faibles concentrations des différentes formes du P mesurées dans les eaux. Toutefois, ce bilan révèle que les sources de P sont limitées : les rivières apportent peu de PID. Les eaux souterraines sont chargées en phosphate, mais leur flux est très faible. Les flux benthiques sont presque nuls et le PID est piégé par les oxydes de fer dans les sédiments. Nous avons en revanche montré que les flux d’azote sont beaucoup plus grands, ce qui suggère que la production primaire des lacs médocains est très certainement limitée par la disponibilité du phosphore (voir section 6.4.).

La silice dissoute

30Les concentrations moyennes en silice dissoute (Sid) des cours d’eau étaient comprises entre 4,2 et 5,4 mg L-1 en 2014 et 2015. Ces valeurs relativement constantes ne montraient pas de lien avec l’occupation des sols. Les teneurs en silice dissoute sont essentiellement le résultat de la dissolution lente du quartz, minéral dominant de l’aquifère sableux, ainsi que des phytolites, des formes de silice amorphe liées à la végétation en décomposition dans les sols (Gérard et al., 2008). En 2014, les entrées totales de Sid étaient de 400 ± 84 tonnes à Carcans-Hourtin et 550 ± 76 tonnes à Lacanau, dont 60 tonnes issues du canal des Etangs (Fig. 5). Les eaux de rivière représentaient l’essentiel des flux de Sid dans les deux lacs. Les flux benthiques représentaient moins de 5% des apports (10 tonnes à Carcans-Hourtin et 27 tonnes à Lacanau en 2014). Dans les sédiments organiques, les flux benthiques de Sid sont liés à la solubilisation partielle de la silice biogène provenant de la sédimentation des frustules de diatomées. Une partie importante de la silice reste piégée dans les sédiments.

Colonne d’eau des lacs

31La concentration en sels nutritifs dans les lacs traduit la chronologie et l’amplitude des flux issus du bassin versant, ainsi que les processus biogéochimiques internes à la colonne d’eau. Le suivi de 2014/2015 (Fig. 6) montre que les concentrations en nitrate et en silice dissoute sont les plus élevées lors des périodes de haut débits hivernaux parce que les cours d’eau en sont la principale source. Plus précisément, les concentrations en nitrate sont les plus élevées dans le lac de Carcans-Hourtin en raison des flux issus des cours d’eau qui drainent les surfaces agricoles. Les pics de concentration dans le lac de Lacanau dépendent essentiellement des apports issus du lac de Carcans-Hourtin via le canal des Etangs, et donc de l’ouverture de l’écluse de Montaut qui régule ces flux. Les concentrations sont diluées par les eaux issues du bassin versant du lac de Lacanau, qui sont moins chargées en azote, ce qui explique les valeurs plus faibles en nitrate pour ce lac. Au printemps et en été les concentrations diminuent et atteignent des minimales en raison de l’assimilation des nitrates par les producteurs primaires.

Figure 6 : Chroniques mensuelles des concentrations en N-NO3, N-NH4 et azote inorganique dissous (NID = N-NO3 + N-NH4 + N-NO2), P-PO4 et Si dissous dans les lacs de Carcans-Hourtin et Lacanau (haut), et graphique des rapports molaires des nutriments (bas). Les limites correspondent aux rapports de concentration en N, P et Si dans le phytoplancton et permettent d’illustrer en gris les champs qui définissent le nutriment limitant pour la production primaire phytoplanctonique dans la colonne d’eau.

Figure 6 : Chroniques mensuelles des concentrations en N-NO3, N-NH4 et azote inorganique dissous (NID = N-NO3 + N-NH4 + N-NO2), P-PO4 et Si dissous dans les lacs de Carcans-Hourtin et Lacanau (haut), et graphique des rapports molaires des nutriments (bas). Les limites correspondent aux rapports de concentration en N, P et Si dans le phytoplancton et permettent d’illustrer en gris les champs qui définissent le nutriment limitant pour la production primaire phytoplanctonique dans la colonne d’eau.

32Les concentrations en silice dissoute suivent également le cycle saisonnier avec des valeurs maximales en mars et une forte décroissance au cours du printemps en raison de la production de diatomées (Cellamare et al., 2012). Les concentrations en silice atteignent des valeurs proches de zéro à la fin de la période de basses eaux, ce qui limite à ce moment-là la production de diatomées. Les concentrations hivernales en silice du lac de Lacanau sont supérieures à celles du lac de Carcans-Hourtin, probablement en raison des temps de résidence des eaux différents pour les deux lacs. Le lac de Lacanau, dont les eaux peuvent être entièrement renouvelées en hiver, reflète en hiver lors de la période peu active biologiquement, les concentrations des cours d’eau qui l’alimentent. En revanche, le temps de résidence des eaux du lac de Carcans-Hourtin est plus long. Les eaux ne sont pas renouvelées durant les périodes de hautes eaux ; les apports hivernaux par le bassin versant sont dilués par des eaux du lac plus anciennes dont la silice a été assimilée par le phytoplancton et séquestrée sous forme de frustules de diatomées dans les sédiments.

33L’ammonium représente une part importante de l’inventaire de NID dans la colonne d’eau des lacs. Les concentrations sont du même ordre de grandeur que celles du nitrate, bien que les flux issus du bassin versant soient beaucoup plus faibles. L’ammonium est essentiellement un produit du recyclage de la matière organique dans la colonne d’eau et dans le sédiment. Cette forme d’azote est soit directement réassimilée par les producteurs primaires, ce qui explique la diminution des concentrations en été, soit elle est oxydée en nitrate par nitrification, ce qui maintient des concentrations en nitrate assez élevées tout au long du printemps.

34Les concentrations en PID restent très faibles, en-dessous de 10 µg L-1. Le PID importé du bassin versant vers les lacs est soit assimilé par le biota, soit adsorbé sur les oxydes de fer (Cooke et al., 1993; Giles et al., 2015). Le bilan de masse du P indique que les teneurs en PID observées durant les périodes de mai à juillet et d’octobre à novembre 2014 ne sont pas expliquées par les flux entrants. Les teneurs mesurées à ces périodes correspondent à des périodes où les concentrations en chlorophylle-a sont maximales pour les deux lacs (Buquet, 2017 ; Laplace-Treyture et Moreira, 2016). Ceci suggère que le phosphore biodisponible provient essentiellement de la minéralisation par des organismes hétérotrophes d’un stock de P organique présent dans le lac. Ainsi, le PID peut être assimilé et reminéralisé une ou plusieurs fois dans la colonne d’eau avant d’être finalement piégé par les oxydes de fer.

35Comme beaucoup de systèmes de lacs peu profonds (Guildford et Hecky, 2000 ; Lewis et Wurtsbaugh, 2008 ; Likens, 1972 ; Schindler et Fee, 1974), la production biologique des lacs médocains est limitée par le phosphore (Fig. 6). Dans le contexte des landes de Gascogne, dont les sols sont riches en oxydes en fer et donc avec une capacité de rétention du phosphore élevée, seuls des milieux hautement contaminés par le phosphore, saturant ainsi les oxydes de fer, pourraient se retrouver limités en azote. C’est probablement le cas pour le lac de Parentis-Biscarrosse qui a connu par le passé une contamination industrielle en phosphate.

Scénarii futurs

Export des nutriments vers le Bassin d’Arcachon

36Les lacs, barrages et zones humides ont un rôle tampon dans les échanges entre le milieu continental et côtier (Reddy et al., 1999 ; Seitzinger et al., 2002 ; Van Cappellen et Maavara, 2016). La rétention des nutriments permet de restreindre les exports des rivières vers les zones côtières et limite l’eutrophisation côtière (Kronvang et al., 1999). Le bassin d’Arcachon a connu des épisodes d’eutrophisation par le passé (Auby et al., 1994). Depuis, un meilleur contrôle des eaux usées a permis d’améliorer l’état trophique de la lagune. Toutefois, l’augmentation de la population et les surfaces agricoles sur le bassin versant de la lagune rendent le bassin d’Arcachon vulnérable à l’eutrophisation. Pour cette raison, de nombreuses études ont été réalisées sur la biogéochimie de la lagune et de son bassin versant (Canton et al., 2012 ; de Wit et al., 2001 ; Deborde et al., 2008 ; Delgard et al., 2016 ; Rimmelin et al., 1998).

37La rivière Leyre est la principale source d’eau douce et de nutriments du Bassin d’Arcachon ; elle ne contient aucune retenue d’eau le long de son cours. La deuxième source est le canal du Porge, dont la majeure partie du bassin versant correspond à celui des lacs médocains. Nous avons montré que les nutriments étaient piégés en grande partie dans les sédiments des lacs. Ils sont immobilisés sous forme particulaire organique ou minérale après avoir été impliqués dans plusieurs des cycles de production biologique-minéralisation. En 2014, près de 80% des flux de NID, PID et Sid entrant dans le lac de Carcans-Hourtin étaient retenus dans le lac (Fig. 5). Les flux étaient proportionnellement moins piégés dans le lac de Lacanau, en raison du temps de résidence plus court des eaux dans ce lac, en particulier en hiver (Seitzinger et al., 2002). Pour l’ensemble du bassin versant des deux lacs, nous avons calculé que la rétention des nutriments dans les lacs était de 83% pour le NID et 64% pour le PID et la Sid (Buquet et al., 2017). En 2015, année plus sèche, la capacité de rétention avait augmenté pour tous les paramètres de 10 à 20%. En effet, la fermeture des écluses en période sèche avait favorisé le piégeage des nutriments.

38La limitation des apports en nutriments vers le milieu côtier se traduit par une accumulation dans les milieux aquatiques continentaux. En d’autres termes, les lacs limitent le risque d’eutrophisation du bassin d’Arcachon. En revanche, à l'échelle de l'hydrosystème le risque lié aux apports de nutriment du bassin versant n’est pas enrayé, il reste présent au niveau des lacs. Ces deux lacs sont donc dans une dynamique d’accumulation de la matière organique associée à la rétention des nutriments. L’accumulation de cette matière organique a pour impact le comblement naturel des lacs.

Accumulation des sédiments

39Le taux d’accumulation de sédiment peut être évalué à partir de la rétention de l’azote. En considérant un rapport molaire C:N de 5,7 dans le phytoplancton qui se dépose à la surface des sédiments (rapport de Redfield), l’accumulation de C dans les sédiments devrait être de près de 1000 tonnes par an. Pour les lacs médocains, 1 m3 de sédiment organique contient 40 kg de particules avec des teneurs en C organique d’environ 20% (Canredon et al., 2019). Il y a donc 8 kg de carbone par mètre cube de sédiment. L’accumulation de 1000 tonnes par an représente une accumulation de sédiment organique de 125000 m3, soit un taux de sédimentation moyen de 1 cm.a-1 pour les 12,7 km² que représentent les dépôts organiques de Carcans-Hourtin. Ceci correspond à un taux d'accumulation de 400 g m-2 an-1. Un calcul similaire pour le lac de Lacanau donne une accumulation de vase similaire, avec un taux de sédimentation de 1,2 cm.a-1 pour une surface de sédiments organiques de 3,2 km². A titre de comparaison, ces valeurs sont proches de celles qui ont été estimées pour le lac de Pavin dont le flux sédimentaire moyen de 500 g m-2 an-1 est essentiellement d'origine phytoplanctonique, comme pour les lacs médocains.

40Les boues organiques ne s’accumulent pas dans les zones peu profondes des deux lacs, probablement en raison des effets de l’agitation par les vagues. Il semblerait donc que l’impact du vent sur la sédimentation disparaisse à partir de 5 m de profondeur, niveau sous lequel les vases ont été cartographiées. Si les hauteurs d’eau des lacs et les flux d’azote restent stables, le lac de Carcans-Hourtin peut accumuler le sédiment organique entre les zones les plus profondes et 5 m pendant encore 200 ans. Le volume sous la profondeur de 5 m du lac de Lacanau est bien plus restreint que celui du lac de Carcans-Hourtin. Par conséquent, la capacité de stockage des boues organiques est limitée dans le temps. Ce lac finirait par être saturé avant la fin du siècle si les flux de nutriment n’étaient pas réduits. Au-delà de ce seuil, les lacs commenceraient à exporter vers le bassin d’Arcachon des particules organiques.

41Le développement d’herbiers denses de macrophytes envahissants s’est accru ces dernières années (Ribaudo et al., 2014). Ces herbiers représentent de vastes surfaces sur les rives du lac de Lacanau. Ils créent des environnements où l’hydrodynamisme est ralenti (Bertrin et al. 2017) et où les vases organiques peuvent s’accumuler, même à faible profondeur (Anschutz et al., 2019). Ainsi, un accroissement des surfaces colonisées pourrait à terme amplifier le comblement des lacs par des vases. Le lac de Lacanau a une biomasse de macrophytes proportionnellement bien plus importante que celle du lac de Carcans-Hourtin (Ribaudo et al., 2016 ; Bertrin et al., 2017). Les plantes aquatiques pompent les nutriments de la colonne d’eau et le sédiment et leur dégradation en hiver recycle en interne les éléments (Coppens et al., 2016; Ribaudo et al., 2016). La limitation des apports nouveaux de nutriments et le moissonnage des végétaux permettrait de diminuer le stock de nutriment piégé dans le système (Carpenter et Adams, 1977 ; Petru et Vymazal, 2018).

Changements climatiques

42Outre les changements d’occupation des sols qui peuvent intervenir sur un bassin versant, le climat peut modifier profondément le cycle de l’azote et du phosphore dans les lacs (Jeppesen et al., 2011). Les précipitations et l’évaporation contrôlent les flux d’eau et influencent la profondeur des lacs, les temps de résidence et les apports externes. Les variations de température affectent les réactions biogéochimiques incluant les processus de reminéralisation de la matière organique. L’augmentation des températures stimule la reminéralisation de l’azote et du phosphore et a un effet négatif sur la rétention des nutriments (Gomez et al., 1998). La plupart des études qui décrivent les capacités de piégeage des nutriments ont été réalisées sous climat tempéré (e.g. Jensen et al., 1990 ; Jeppesen et al., 2005 ; Kaste et Dillon, 2003 ; Windolf et al., 1996) et quelques-unes dans des régions méditerranéennes et semi-arides (Cook et al., 2010 ; Özen et al., 2010 ; Romero et al., 2002). Selon l’ensemble des études réalisées, les changements climatiques renforceraient les conséquences de l’eutrophisation (Jeppesen et al., 2010 ; Moss et al., 2011). La relation entre les conditions climatiques et la capacité de rétention des nutriments des lacs médocains est un paramètre à inclure dans les études futures afin de prédire au mieux le risque d’eutrophisation.

43Les organismes photosynthétiques se développent dans la colonne d’eau en réponse aux apports en nutriment. L’accumulation de matière organique qui découle de cette biomasse stimule les processus de respiration aérobie dans la colonne d’eau et anaérobie dans les sédiments. La photosynthèse et la respiration aérobie dans la colonne d’eau entraînent des variations diurnes de l’oxygène dissous. L’amplitude des variations est importante en été (Fig. 7). La demande en oxygène liée à la respiration pélagique et benthique est compensée en grande partie par les échanges gazeux à l’interface eau-atmosphère. Les eaux de fond peuvent être isolées de l’influence de ces échanges lorsqu’une thermocline se met en place. Pour les lacs peu profonds, les faibles profondeurs couplées au forçage atmosphérique et à des amplitudes thermiques journalières suffisantes empêchent l’établissement d’une stratification durable (Lewis, 1983). Les lacs polymictiques connaissent des épisodes de stratification thermique estivale instable et facilement détruite par le vent.

Figure 7 : Dynamique horaire de l’oxygène et de la température à la surface et au fond de la zone la plus profonde des lacs de Lacanau et de Carcans-Hourtin du 10 juin 2014 au 18 septembre 2014. Les traits pointillés noirs présentent les vitesses de décroissance de l’oxygène des eaux de fond et permettent de visualiser la durée de stratification nécessaire pour que les eaux de fond deviennent anoxiques. La stratification se produit lorsque les températures de surface deviennent supérieures à celles du fond. Elle est détruite lors d’épisodes de vent.

Figure 7 : Dynamique horaire de l’oxygène et de la température à la surface et au fond de la zone la plus profonde des lacs de Lacanau et de Carcans-Hourtin du 10 juin 2014 au 18 septembre 2014. Les traits pointillés noirs présentent les vitesses de décroissance de l’oxygène des eaux de fond et permettent de visualiser la durée de stratification nécessaire pour que les eaux de fond deviennent anoxiques. La stratification se produit lorsque les températures de surface deviennent supérieures à celles du fond. Elle est détruite lors d’épisodes de vent.

44Dans les lacs médocains, le gradient de densité lié au gradient de température stabilise la colonne d’eau et isole transitoirement les niveaux profonds de la surface (Fig. 7). La stratification des eaux a été observée sur des périodes de quelques jours au printemps et en été. Les sondes placées en zone profonde montrent la décroissance progressive de la concentration en oxygène dissous durant la période de stratification (Fig. 7). Les épisodes de stratification s’interrompent brutalement lorsque les vents dépassent un seuil qui permet le mélange des eaux. Ainsi, les étés de 2014 et de 2015 n’ont pas connu de périodes de canicule suffisamment longue et intense pour parvenir à l’anoxie des eaux de fond. En extrapolant la pente de décroissance de l’oxygène dissous, on a estimé que les eaux de fond doivent rester isolées de la surface durant 10 à 15 jours à Carcans-Hourtin et 1 à 2 jours pour le lac de Lacanau. Il n’est pas exclu que des anoxies prolongées à la surface des sédiments puissent s’établir certains étés chauds et calmes. De tels épisodes ont été relevés dans des lacs suisses pendant la canicule de 2003 (Jankowski et al., 2006). L’anoxie des eaux de fond déplace le front d’oxydo-réduction entre les zones anoxiques et oxiques de l’interface eau-sédiment à la colonne d’eau. Ceci permet la diffusion vers la colonne d’eau des espèces chimiques sensibles aux conditions d’oxygénation, tels que l’ammonium et le phosphate et a pour effet d’augmenter significativement les flux benthiques de nutriments. La sensibilité des lacs médocains à de tels épisodes de forte chaleur est à surveiller dans le contexte du réchauffement climatique.

Conclusions : quelles ont été les actions de gestion suite aux travaux de recherche

45Suite aux travaux de recherches sur les nutriments, plusieurs actions ont pu être engagées sur le bassin versant. Il est tout d’abord apparu que le phosphore était l’élément déterminant dans le processus d’eutrophisation des lacs. Il était donc prioritaire d’intervenir sur les flux de ce nutriment essentiellement lié aux eaux usées des collectivités. Pour réduire les flux de phosphore correspondant, des adaptations des stations d’épuration ont donc été mises en place. Ainsi, des traitements spécifiques sur le phosphore ont été ajoutés par exemple sur la station d’épuration de la commune de St-Hélène dont les rejets rejoignent par les cours d’eau le lac de Lacanau. Ensuite, les communes de Hourtin, Carcans, Lacanau et Le Porge ont installé des systèmes d’infiltration des eaux après traitement. Ces dispositifs sont implantés en zone dunaire de façon à ce que les éléments phosphorés résiduels ne puissent jamais atteindre les lacs ou le canal des étangs.

46Les études ont également montré que le phosphore était plus concentré dans les nappes superficielles que dans les cours d’eau. Les flux d’eau de ces nappes vers les lacs et donc les flux de phosphore, sont actuellement faibles grâce à la gestion des niveaux d’eau plutôt élevés sur les lacs. En effet, tout en assurant un marnage annuel, des niveaux élevés sont globalement maintenus par des ouvrages hydrauliques du SIAEBVELG à l’aval des lacs pour préserver les zones humides et les usages lacustres. Ces ouvrages ont été restaurés en 2016 et 2017 pour maintenir cette action de gestion et en augmentant même les capacités de stockage des eaux sur les zones humides pour s’adapter aux changements climatiques.

47Les recherches ont également permis de quantifier les flux d’azote depuis les zones agricoles du nord-est du bassin versant. Un travail partenarial a alors été engagé dès 2011 avec les exploitants agricoles concernés, la chambre d’Agriculture de Gironde, le GRCETA, les universitaires et le SIAEBVELG pour améliorer cette situation. Des actions d’amélioration des pratiques ont ainsi été mises en place, avec un suivi permanent de la qualité des eaux de ce secteur et un bilan annuel partagé entre les partenaires de cette opération. Une expérimentation de zones humides tampons artificielles (ZHTA) à l’aval des drains agricoles a également été réalisée en 2016 sur une des exploitations. Un des processus recherché en implantant ces ZHTA est de créer des conditions favorables à la dénitrification ou à tout autre processus de transformation de l'azote inorganique dissous en N2 (Vymazal, 2007). De telles conditions nécessitent un milieu hypoxique à anoxique. Les résultats montrent déjà une diminution par deux des concentrations en nitrates sur le cours d’eau de ce secteur entre 2011 et 2018 (Fig. 3). Cependant, ceci crée un milieu propice au relargage du phosphore fixé sur les oxydes de fer. Il conviendra de surveiller les flux entrants et sortant des ZHTA.

48Le SAGE avait enfin identifié des secteurs potentiels pour devenir des zones stratégiques pour la gestion des eaux. Il s’agissait de zones humides déconnectées des flux d’eau des cours d’eau par les travaux passés de recalibrage et qui pouvaient avoir un intérêt majeur pour la biodiversité, l’expansion des crues et l’amélioration de la qualité des eaux par l’auto-épuration. Il est en effet connu que les zones humides peuvent stocker le phosphore et dénitrifier les nitrates. Dans le cadre de son plan d’actions pour les zones humides des lacs médocains, le SIAEBVELG a ainsi restauré le fonctionnement de plusieurs sites correspondant à plus de 1000 ha. Ainsi, ces marais ont été restaurés entre 2013 et 2017 et en particulier, les zones humides connectées aux cours d’eau qui drainent les secteurs agricoles ou les grandes zones humides entre les deux lacs.

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Bibliographie

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Table des illustrations

Titre Figure  : Carte bathymétrique des lacs médocains, et occupation des sols du bassin versant
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Fichier image/jpeg, 1,2M
Titre Figure 2 : Photographie de l'observation microscopique d’une vase organique du lac de Carcans-Hourtin
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Fichier image/jpeg, 1,9M
Titre Figure 3. Flux d’azote par les cours d’eaux arrivant dans le lac de Carcans-Hourtin entre 2012 et 2018. Haut : flux totaux en tonnes par an ; bas : flux pondérés par le débit exprimés en tonnes par millions de m3 d’eau arrivant au lac.
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Fichier image/jpeg, 218k
Titre Figure 4. Profils verticaux de la distribution des composés biogéochimiques sous l’interface eau-sédiment dans les vases organiques et les sédiments sableux des lacs de Lacanau et Carcans-Hourtin obtenus à partir de carottes récoltées à différentes saisons.
URL http://journals.openedition.org/dynenviron/docannexe/image/5057/img-4.jpg
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Titre Figure 5. Flux d’azote (haut) : NO3- : nitrate ; NH4+ : ammonium, NID : azote inorganique dissous ; N : azote organique particulaire. Flux de phosphore et de silicium (bas) : PID : phosphore inorganique dissous ; P : phosphore particulaire ; Sid : silice dissoute. Les valeurs sont en tonnes par an pour l’année 2014.
URL http://journals.openedition.org/dynenviron/docannexe/image/5057/img-5.jpg
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Titre Figure 6 : Chroniques mensuelles des concentrations en N-NO3, N-NH4 et azote inorganique dissous (NID = N-NO3 + N-NH4 + N-NO2), P-PO4 et Si dissous dans les lacs de Carcans-Hourtin et Lacanau (haut), et graphique des rapports molaires des nutriments (bas). Les limites correspondent aux rapports de concentration en N, P et Si dans le phytoplancton et permettent d’illustrer en gris les champs qui définissent le nutriment limitant pour la production primaire phytoplanctonique dans la colonne d’eau.
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Titre Figure 7 : Dynamique horaire de l’oxygène et de la température à la surface et au fond de la zone la plus profonde des lacs de Lacanau et de Carcans-Hourtin du 10 juin 2014 au 18 septembre 2014. Les traits pointillés noirs présentent les vitesses de décroissance de l’oxygène des eaux de fond et permettent de visualiser la durée de stratification nécessaire pour que les eaux de fond deviennent anoxiques. La stratification se produit lorsque les températures de surface deviennent supérieures à celles du fond. Elle est détruite lors d’épisodes de vent.
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Pour citer cet article

Référence papier

Pierre Anschutz, Frank Quenault, Damien Buquet, Céline Charbonnier et Frédéric Hoffmann, « Gestion des milieux et qualité des eaux : le cas du territoire des lacs médocains »Dynamiques environnementales, 43-44 | 2019, 124-152.

Référence électronique

Pierre Anschutz, Frank Quenault, Damien Buquet, Céline Charbonnier et Frédéric Hoffmann, « Gestion des milieux et qualité des eaux : le cas du territoire des lacs médocains »Dynamiques environnementales [En ligne], 43-44 | 2019, mis en ligne le 01 avril 2022, consulté le 21 juin 2024. URL : http://journals.openedition.org/dynenviron/5057 ; DOI : https://doi.org/10.4000/dynenviron.5057

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Auteurs

Pierre Anschutz

pierre.anschutz@u-bordeaux.fr

Université de Bordeaux – CNRS, EPOC, UMR 5805, 33615 Pessac, France

Articles du même auteur

Frank Quenault

Syndicat Intercommunal d’Aménagement des Eaux du Bassin Versant des Etangs du Littoral Girondin (SIAEBVELG) 2A rue de la Poste – 33121 Carcans, France

Articles du même auteur

Damien Buquet

Université de Bordeaux – CNRS, EPOC, UMR 5805, 33615 Pessac, France

Céline Charbonnier

Université de Bordeaux – CNRS, EPOC, UMR 5805, 33615 Pessac, France

Articles du même auteur

Frédéric Hoffmann

Université Bordeaux-Montaigne, Département de Géographie, 33607 Pessac, France

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