Déterminisme de I'eutrophisation de la retenue de Grangent (Loire) : Etude des apports en nutriments, de la dynamique des populations phytoplanctoniques et des relations phyto-zooplancton en 1990-1991

Impact of eutrophication in Grangent reservoir (Loire, France) : Study of the nutrient loads, the dynamics of phytoplankton populations and phyto-zooplankton relations in 1990–1991

¹ Université Jean Monnet – Laboratoire de Biologie animale et appliquée, 23 rue du Docteur Paul Michelon, 42023 Saint-Etienne Cedex
² Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand II
³ Université de Franche-Comté, Besançon
⁴ Eco-Hydro Services, 63670 Orcet

Résumé

Dans le cadre d'une approche pluridisciplinaire de l'eutrophisation de la retenue de Grangent (Loire), nous avons étudié, en 1990-91 : – les cycles biogéochimiques de divers éléments chimiques et notamment du phosphore et de l'azote; – la physico-chimie de la colonne d'eau; – la dynamique des populations phyto et zooplanctoniques; – le couplage développement de Microcystis aeruginosa (M.a.)/ rapport massique N/P. Les apports externes en azote ont trois sources diffuses : le lessivage des sols couverts de végétation, les épandages d'engrais et les rejets urbains. Les apports en orthophosphates ont eux, une origine ponctuelle et urbaine. L'évolution du rapport N/P confirme cette origine : il prend des valeurs très faibles (2,5-5) en fin de période d'étiage en été. Les flux d'entrée de phosphore ont été estimés à 159 t par an (99 t pour la Loire, 38 pour I'Ondaine et 22 pour le Lizeron et la Semène, affluents arrivant directement dans la retenue). Le flux de sortie est de 86 t par an. Le stockage interne est donc de 73 t pour 1990. S'agissant du sédiment, le rapport N/P mesuré sur le matériel particulaire oscille autour de 2,3 (faible). La matière organique (MO) produite dans la retenue ne constitue qu'une part minoritaire du flux de sédimentation, le phosphore est associé a des complexes minéraux. Le rôle du sédiment dans l'enrichissement de la colonne d'eau est faible lorsque I'hypolimnion est oxygéné. Dans les eaux surnageantes du sédiment, le phosphore est sous forme organique. Dans les eaux interstitielles, le P-PO₄ est assez abondant. C'est une source potentielle de P biodisponible en cas d'anoxie. Mais de ce fait, cela ne constitue pas le facteur déterminant des blooms cyanobactériens, l'anoxie ne survenant qu'après leur développement. Toute tentative de restauration de la retenue par oxygénation de I'hypolimnion et/ou l'épandage de composés accepteurs d'électrons sur le sédiment, parait donc illusoire. A la confluence de I'Ondaine on note une forte teneur en métaux lourds dans les sédiments, directement apportés par la rivière. Dans la partie amont de la retenue, la colonne d'eau est très stratifiée en été. En juillet, la forte minéralisation des eaux en profondeur témoigne de la dégradation de la MO sédimentée. Le développement des fleurs d'eau phytoplanctoniques, constituant la manifestation la plus évidente de l'eutrophisation, dépend directement des apports externes en phosphore et en azote. Toutefois, l'apparition des blooms de M.a. résulte de la chute du rapport massique N/P en dessous du seuil exigé par les algues (soit 7 ). Lorsqu'il atteint des valeurs inférieures à 5, les algues périclitent et laissent la place aux cyanobactéries qui acceptent un N/P faible. Cependant dès que ce rapport réaugmente en automne, les algues réapparaissent et M.a. régresse sans doute à cause du brassage des eaux et de ses médiocres qualités de compétiteur. Lorsque M.a. se développe, le contenu énergétique de la biomasse zooplanctonique chute de façon importante. La plupart des animaux refuse cette cyanobactérie dans leur nourriture. Ils survivent alors en consommant les réserves accumulées tant que le phytoplancton était composé d'algues, pour compenser le jeûne partiel. Ceci conduit à un dysfontionnement de l'ensemble du réseau trophique et même à la disparition de certaines populations dont le maintien est lié à la constitution de réserves importantes, avant une époque précise (p. ex. pour se reproduire).

Abstract

In the framework of a multidisciplinary study of the eutrophication of Grangent reservoir (Loire, France), we focused in 1990-1991 on: – the biogeochemical balance of several chemical elements, most particularly phosphorus and nitrogen, – the physico-chemical characteristics of the water column, – the dynamics of phyto- and zooplankton populations, – the coupling of development of Microcystis aeruginosa (M.a.) and the N/P ratio. External nitrogen loads have three diffuse sources: leaching of ground covered with vegetation, chemical fertilizers and urban sewage. P-PO₄ supplies are point loads of urban origin. The evolution in the N/P ratio confirms this observation: it reaches very low values (2.5-5) at the end of the summer low-water period. lnflows of phosphorus were estimated at 159 tons per year (99 t for the Loire, 38 for the Ondaine and 22 for the Lizeron and Semène; affluents arriving directly in the reservoir). The outflow is 86 tons per year. Internal storage thus represent 73 tons for 1990. The N/P ratio measured in sedimented particulate matter varies around 2.3 (low). The organic matter produced in the reservoir contributes only slightly to the sedimentation flux, and the phosphorus is associated with mineral compounds. When the hypolimnion is oxygenated, sediment plays only a minor role in enriching the water column. The phosphorus in overlying waters is mainly organic. In the interstitial waters, P-PO₄ is relatively abundant, providing a potential source of bioavailable phosphorus in the case of anoxia. Because of this, however, it is not the decisive factor in Cyanobacteria blooms, as anoxia occurs only aftertheir development. Any attempt to regenerate the reservoir by oxygenating the hypolimnion or injecting electron acceptor compounds in the sediment would therefore appear to be fruitless. At the confluence of the Ondaine, a high concentration of heavy metals is observed in the sediment, directly supplied by the river. In the upstream part of the reservoir, the water column is highly stratified in summer, In July, the extreme mineralization of deep waters indicates the degradation of sedimented organic matter. The development of phytoplankton blooms, the most evident sign of eutrophication, is directly dependent on external phosphorus and nitrogen loads. The appearance of M.a. blooms is the result of the drop in the N/P ratio below the threshold needed by alga (7). When it reaches values below 5, algae collapse, yielding to Cyanobacteria which accept a low N/P ratio. As soon as the ratio rises again in autumn, however, the algae reappear and M.a. regresses, no doubt due to the mixing of the water and because M.a. is a weak competitor. When M.a. develops, the energy content in the zooplankton biomass drops significantly. Mots animals refuse this Cyanobacteria as food. They survive by consuming the stores accumulated when the phytoplankton included algae, compensating for their partial fast. This results in a disruption of the entire trophic system and even in the disappearance of certain populations which, to survive, require the building up of large reserves before a specific period (e.g. to reproduce).