Bernard Clément - Zones Humides Finistère

Intérêts hydrologiques et
écologiques: comment évaluer les
fonctions des zones humides?
Bernard Clément
Maître de Conférences, HDR
Université de RENNES 1
UFR Sciences de la Vie et de
l’Environnement
Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution
IFR 90 – Centre Armoricain de
Recherche en Environnement
La gestion à l’interface des 3 pôles caractérisant l’écosystème zone humide
ETATS
FONCTIONS
F. hydrologiques
F. biogéochimiques
F. écologiques
- Géomorphologie
- Hydrologie
- Faune, Flore
- Végétation, sols
GESTION
ET
AMENAGEMENT
VALEURS ET USAGES
V. Patrimoniale U. Récréatifs
V. Culturelle
Ressource eau
U. Agricoles
Réservoir biodiversité
Modèle de hiérarchisation des zones humides
Zone humide
effective
potentielle
efficace
• ZH effective : végétation naturelle caractéristique de zones humides
• ZH potentielle : absence de végétation naturelle mais quelques caractères pédologiques et
hydrologiques rémanents
• ZH efficace : définie par rapport à une fonction donnée (si n fonctions = n zones humides efficaces)
Modifications introduites par l’arrêté du 1/10/2009
unes
m
m
o
es c
n
i
a
RPN
ert
S
c
C
r
Possibilité d’exclusion par le préfet
u
Pou
vis d
a
s
de région
è
Apr
Réductisols
Histosols
Zones humides arrêté du 24/06/2008
Zones humides arrêté du 01/10/2009
Source : classes d’hydromorphie du Groupe d’Etude des Problèmes de Pédologie Appliquée (GEPPA, 1981)
Terres non
humides
Fossé de drainage
Terres humides drainées
Zone Humide potentielle
Terres humides
Zone humide effective
Redoxisols
Classes V, IV ou III
Cours d’eau
temporaire
Réductisols VI
et/ou Redoxisols (V)
et/ou Histosols H
Cours d’eau permanent
Modèle d’organisation des terres humides en tête de bassin versant
(typologie des sols : GEPPA, 1981) (B. Clément, inédit)
Sols : Indicateurs physico-chimiques
+ Sols minéraux :
- drainés
- rédoxisols
Indicateurs du fonctionnement
(évaluation) :
- réductisols
- hydrodynamique
- planosols
- flux de carbone
(puits/source)
+ Sols organo-minéraux
+ Histosols :
- tourbe saprique
- tourbe mésique
- tourbe fibrique
- tourbe liquide
+ Sols composés/complexes
ex. : Histosol saprique recouvert d’un rédoxisol
++++++
- type de végétation
- type de gestion historique
Evolution de la saturation en eau à la surface du sol de la zone humide en fonction des saisons (et du cumul de pluies associé)
Source : Territ’Eau (http://agro-transfert-bretagne.univ-rennes1.fr/Territ_Eau/CONNAISSANCES/Zones_humides/definition.asp)
Cartographie de l’état rédox (que l’on peut assimiler à l’absence d’oxygène) de l’horizon 0-20 cm du sol de la zone humide du
Mercy
(Bidois, 1999)
Source : Territ’Eau (http://agro-transfert-bretagne.univ-rennes1.fr/Territ_Eau/CONNAISSANCES/Zones_humides/fonctions.asp)
Végétation : Indicateur biologique
- Hydrodynamique surface
- Hydrodynamique hypodermique
- Type de sol : niveau 0-30 (50) cm
- Nature chimique des eaux :
- minéralité / acidité
- trophie (disponibilité N et P)
- Type de perturbations (récurrentes)
+++++
Evaluation
- Productivité biologique
- Flux de carbone (puits / source)
- Dynamique du système
- Diversité biologique / fonction habitat
- Type de gestion / non gestion
Indicateurs opérationnels : Critères d’état
Sol + Végétation
Référentiel / Typologie
+ Evaluation fonctionnelle
- Eléments de fonctionnement du système
- Dynamique du système
- Eléments de valeur patrimoniale:
- biologique
- culturelle
- éducative / récréative
+ Détermination des seuils et des risques par rapport
aux aménagements et aux usages envisagés/
souhaités par le gestionnaire
+ Couplage avec indicateurs socio-économiques
passés, présents et conditionnels
Fonctions des zones humides
•Fonctions hydrologiques
-
Rétention eau bassin versant
Ecrêtement des crues
Soutien d’étiage
Recharge des nappes
…
•Fonctions biogéochimiques
- Dynamique de l’azote
Prélèvement plantes
Dénitrification bactérienne
- Dynamique du phosphore
Piégeage phosphore particulaire
Déphosphatation
Fixation sur substrat organique
- Dynamique du carbone
Fonction « puits »
•Fonctions écologiques
-
Production de biomasse
Ressources nutritives
Macrohabitats
Microhabitats
…
Les différents écoulements en interaction avec la zone humide
ETP
P
R
NS
D
ZH
H
N
R
ZH
NS
N
D
H
P
ETP
Ruissellement (eau de pluie et exfiltration)
Ecoulement de nappe : nappe affleurante de la zone humide
Ecoulement de nappe : nappe superficielle de versant
Ecoulement de nappe : nappe profonde
Ecoulement par débordement du réseau hydrographique
Ecoulement dans le réseau hydrographique
Pluie
Evapo-transpiration potentielle
Un exemple : la fonction puits de carbone
CO2
CO2
CO2
CH4
Fixation de carbone
(photosynthèse)
Plantes
(Roseaux,
Carex, …)
Chaîne
trophique
herbivore
Tourbe aérobie
Bactéries, champignons
aérobies
Méthanotrophie
Piégeage du carbone
dans la tourbe
Méthanogenèse
L’épaisseur des flèches est
proportionnelle à l’intensité des
flux
Tourbe anaérobie
Archaea
Bactéries anaérobies
CO2
Décroissance des teneurs en nitrates de la périphérie vers le centre de la zone humide (et en surface)
(Pleine Fougères, Clément, 2000)
Source : Territ’Eau (http://agro-transfert-bretagne.univ-rennes1.fr/Territ_Eau/CONNAISSANCES/Zones_humides/fonctions.asp)
Schéma récapitulatif des zonations verticale et transversale
que l’on peut identifier dans une zone humide par rapport à la fonction de dénitrification
(Adapté de Regimbeau, 1999 et Clément, 2001)
Source : Territ’Eau (http://agro-transfert-bretagne.univ-rennes1.fr/Territ_Eau/CONNAISSANCES/Zones_humides/fonctions.asp)
Biodiversité
30% des espèces végétales protégées ou en danger du territoire métropolitain
se développent dans les zones humides qui occupent environ 3% du territoire
(rapport 10 / 1)
La Swertie (Swertia
perennis)
La Potentille fraise
(Potentilla palustris)
La gentiane (Gentiana asclepiadea)
La Sphaigne de la Pylaie (Sphagnum pylaisii)
Délimitation des unités hydro-géomorphologiques
Concept des Unités Hydrogéomorphologiques
Espace non homogène, déterminé par des états et des
fonctions différentes
BRINSON (1993) : Zones Humides – USA
Concept hydrogéomorphic unit – HGMU
MALTBY et al. (1996) : Zones Humides
(cas des Z. H. riveraines)
européennes
Définition :
. Une unité hydrogéomorphologique est un élément du
paysage caractérisé par un type géomorphologique et un
régime hydrologique uniforme, présentant un même type de
sol
Procédure opérationnelle : 3 étapes successives :
- Délimiter : cartographie/S.I.G.
- Caractériser : critères d’état
- Evaluer : fonctions - hydrologiques
- biogéochimiques
- écologiques
- socio-économiques
Délimitation des unités hydro-géomorphologiques
2a
2b
5
1b
3
1a
4
Evaluation fonctionnelle d’unités spatialisées pour trois fonctions
Unités hydro-géomorphologiques
Fonctions
H1
H2
H3
H4
H5
H5’
H6
Dénitrification
bactérienne
0/+
++
0/+
+++
++
+
+
Prélèvement
d’azote par les
plantes
++
++
+
+++
++
+
+++
++
+
+++
+
+
+++
0/+
Biodiversité
Niveaux d’efficacité relative:
Activité biogéochi-mique
(azote) faible Biodiversité
élevée
+++ = maximale, ++ = moyenne, + = faible et 0 = nulle
Valeur fonctionnelle
intermédiaire
Activité biogéochi-mique
(azote) forte Biodiversité
faible
Zone non
humide
Caractérisation
automatique des
fossés par
approche
orienté-objet
Typologie fossé :
Type 1 : profondeur 0 à 20 cm, n’induit pas de variation
entre la végétation du lit et la parcelle attenante, fossés dit
de « drainage »
Type 2 : profondeur 20 à 50 cm, induit une variation entre
la végétation du lit et la parcelle adjacente, fossés dit de
« circulation »
Type 3 : profondeur >50 cm, induit de grandes variations
entre la végétation du lit et parcelle adjacente, fossés dit
« d’évacuation »
Type 4 : profondeur >50 cm et largeur > 1 m, larges
canaux
Référentiel ELLENBERG
Chaque espèce est qualifiée par une valeur ou
indice de 1 à X dans différents gradients
. Humidité du substrat (F)
. Disponibilité en azote (N)
. Etc…
Mais : Valeur ou indice = preferendum
plasticité écologique !
Gradient écologique ou écocline
+
Ex: gradient d’humidité
Espèces
ß
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3, 5, 4 (1)
Assemblage d’espèces à
Communauté végétale à
?
A
6, 7, 4, 8
8, 4, 7, 9
B
C
?
Amplitude écologique ou expression de la plasticité phénotypique de l’espèce
Préferendum (/optimum) écologique (ici valeur indicatrice d’Ellenberg)
Solution : Communauté – Association végétale
Valeur ou indice plus restreint sur le
gradient :
Meilleure délimitation
Pas d’a priori, base inductive via calcul
Quelle procédure ?
Valeur Indicatrice d’Ellenberg
à Europe centrale
à zone atlantique
(Ellenberg et al.,1991)
(Hill et al., 1999)
Lum
L
12
9
Indice
spécifique
pH
R
Sel
S
9
9
9
1
1
1
à
1
1
F
Humidité
N
Azote
Indice d’humidité (du substrat) (adapté d’après Ellenberg, 1992)
1 – Plantes adaptées à la survie sur substrat extrêmement sec
3 – Plantes tolérantes des sols à déficits hydriques temporaires et réguliers
5 – Plantes préférant les sols frais, bien alimentés en eau et bien aérés
7 – Plantes tolérantes aux sols humides à hydromorphie temporaire (rédoxisols)
9 – Plantes adaptées aux sols saturés en eau et mal aérés (réductisols)
10 – Plantes adaptées aux milieux régulièrement ou occasionnellement submergés
et sols mal aérés en phase d’exondation (plantes amphibies)
11 – Plantes enracinées sous l’eau et saisonnièrement exposées hors de l’eau
(plantes amphibies)
12 – Plantes constamment submergées (plantes aquatiques strictes)
Procédure opérationnelle :
Propositions de mise en œuvre in situ
Etape 1 : Réalisation de relevés phytosociologiques =
Echantillon
+ homogénéité du milieu
+ surface > aire minimale (cercle de 3
pas de rayon)
+ Inventaire des espèces (+ : présence)
Etape 2 : Tableaux de 1 à X relevés ou échantillons
. Calcul de la fréquence des espèces
Etape 3 : Report des indices d’Ellenberg/espèces
Etape 4 : Calcul d’1 indice d’Ellenberg/communauté
Etape 5 : Identification du niveau du gradient
écologique
. Position sur l’écocline
Questions :
. Définir les seuils
Eau/ZH et ZH/terre
. Limites d’application
- saisonnalité
- présence de végétation
- validité en zone méditerranéenne
- influence perturbations
Discussion :
. Quels seuils ?
. Prévision sur la procédure
(ex. : nombre d’échantillons)
. Vers la caractérisation des HGMU’s
ou Unités Hydrogéomorphologiques
WWW.ceh.ac.uk/products/publications/
untitled.html
Rechercher : « ECOFACT 2a technical
annex- Ellenberg’s indicators values
for British Plants »
Gestion des zones humides de bas-fonds
en vue de l’abattement des nitrates
- 2 processus interviennent :
A. dénitrification bactérienne
favoriser la diffusion des intrants via des fossés peu profonds
et à faible débit avec débordement si possible
proscrire fossés drainant de la zone source à la rivière
à proscrire sur habitat prés maigres et landes
(inefficacité et destruction de l’habitat)
B. assimilation par les plantes
B1. En milieu riche en nutriments (N et P),
favoriser pâturage et fauche avec exportation
proscrire pâturage sur sol détrempé (Jonc diffus !)
B2. En milieu pauvre en nutriments (caractère oligotrophe)
fauche avec exportation ou ne rien faire !
Gestion par fauche (avec exportation)
Effets :
- pas d’accumulation de litière
- réduit effet négatif des plantes dominantes
Réponses :
- réduit effet de la compétition des plantes sociales
- maintien ou réduction du niveau des nutriments
Limites :
- mécanisation (accès)
- portance sol
Bilan :
- biodiversité maintenue ou accrue mais
homogénéisation possible
- à recommander pour prés maigres* (oligotrophes)
*paradoxe : pauvre/riche !
Pâturage (extensif !) et parcours
Différentes modalités et différents broûteurs
Effets :
- pas d’accumulation de litière
- réduit effet négatif des plantes dominantes
- recyclage partiel des nutriments
- piétinement (micro vs macro)
Réponses :
- réduit effet de la compétition
- microsites pour augmentation biodiversité
- risque de destruction des espèces sensibles et rares
Limite :
- portance du sol très humide (printemps) et
envahissement par Jonc diffus
Bilan :
- à recommander pour prairies en friches et prés
riches (méso-eutrophes)
Et pourquoi pas préconiser la
non-intervention ?
FAUCHE ET PATURAGE
GESTION TRADITIONNELLE
Système durable (+ microdiversité ; - compétition
PRAIRIE HUMIDE
ABANDON - COUPE
(maintien des espèces peu compétitives
Contraintes et perturbations
Dynamique des espèces ligneuses (refus)
SUCCESSIONS
PRE - FRICHE
Impact
Compétition
+
Dominance
ABANDON DU PATURAGE
Var. méso eutrophe
FRICHE ET
FOURRE
MEGAPHORBIEE
ROSELIERE
Si dominance
Grandes herbes (Forbes)
Si dominance
des Graminoïdes
Si espèces ligneuses
Var. oligotrophe
FOURRES ET BOIS
HYGROPHILES
PRAIRIES A
TOURADONS
PARVOROSELIERES
Ici dominance
de graminoïdes
Ici dominance
de graminoïdes
STABILITE VERSUS DYNAMIQUE DE LA VEGETATION DES SYSTEMES HERBACES
Active dirches
Hydrological processes
Abandonned dirches
River
S1
Discharge from adjacent area
S1
Ground water level fluctuation
Recharge only
Long flooding
Overland flow
F3
Run-off
F1
F2
F1
Communautés végétales
F4
HGMUs:
F: flood plain; S: slope
F1: flood plain (main level)
F2: slight elevation
I
II
III or IV
V
VII
F3: moderate elevation
F4: slight depression
S1: gentle slope
Bloc-diagramme résumant les usages, l’hydrologie au sein des unités hydrogeomorphologiques (HGMUs) et des
communautés végétales : I: Juncus meadows; II: Filipendula stands; III: Molinia meadows; IV: Myrica scrubs; V: Potentilla rafts; VII: Festuca
meadows.
Bilan global si arrêt des usages
Dimension spatiale :
• Augmentation diversité paysagère (diversité γ)
Ø via dynamique naturelle des communautés biologiques
Ø via changement de l’hydrodynamique du système alluvial, ex recréation
de communautés pionnières du fait de la rétention d’eau (rupture du
drainage, comblement des fossés)
Dimension temporelle
• Réponses fonctionnelles sur des pas de temps plus ou moins longs
Ø Baisse diversité α puis augmentation ultérieure
Ø Fixation du carbone et de l’azote organique dans les sols via augmentation de
la saturation en eau du substrat
Ø Capacité dénitrification bactérienne augmentée (diffusion ralentie)
Des capacités de restauration et de réappropriation –
l’exemple du marais du Mesnil
Marais du Mesnil en phase inondée au printemps
Dispositif du contrôle des niveaux d’eau
Un exemple de compatibilité des usages :
Aménagement du marais grâce à un contrat
nature : en vue d’optimiser la reproduction du
brochet au début du printemps et assurer la
production herbagère de ces communaux.
Le marais en fin de printemps
Choix de gestion dépendra d’un diagnostic via
Procédure Evaluation Fonctionnelle
Opérationalité
La spatialisation (cartographie)
Caractérisation des unités hydro-géomorphologiques
- Le fonctionnement
Evaluation des fonctionnalités et des processus
- Définition des objectifs à atteindre et des opérations et
techniques à mettre en œuvre
- Recherche des moyens
- techniques/usagers
- financiers/partenaires
- Mise en œuvre et évaluation de l’efficacité des procédures
Maltby & al., 2009 : Woodhead publishing limited
Un outil d’aide à la décision à destination des
gestionnaires
projets de recherche
PROJETS EUROPÉENS
1991-1996. FAEWE "Functional Analysis of European Wetland Ecosystems"
1996-1999.PROTOWET "Procedural operationalisation of techniques for the FAEWE"
2000-2004. EVALUWET "European Valuation and Assessment tools supporting Wetland Ecosystem
Legislation"
2004-2009. EUROLIMPACS "To evaluate the impacts of Global Change on European Freshwater
Ecosystems"
PROJETS NATIONAUX
1997-2000. Programme Recréer la Nature : "Réhabilitation de la Tourbière de BAUPTE"
1998-2001. PNRZH Ty-Fon: "Typologie Fonctionnelle des zones humides de bas-fonds"
1998-2001. PNRZH Tourbières de France "Fonctionnement hydrologique et diversité biologique"
www.uhb.fr/gstb
PROJETS LOCAUX
1991-2000. Restauration de la tourbière de Landemarais C. G. 35
1998-2000. Restauration de la zone humide de la Glaume C. C.de Châteaugiron 35
2000-2002. Restauration de la vallée humide du Bois Ainaux C. C. de Monthault-Louvigné 35
www.envam.org
Exemple de fiche de sortie du logiciel Fap’s donnant les scores pour chaque fonction
Exemple de graphique extrait du logiciel Fap’s pour les Services écosystémiques.
Vue de la carte SIG permettant d’obtenir directement les scores pour chaque fonction avec le
logiciel Arcgis
Préserver le caractère OLIGOTROPHE des milieux
Pourquoi ?
- Diversité des espèces rares et menacées
- Diversité des assemblages d’espèces / syntaxons
- Fragmentation et isolement des habitats
- Flux des diaspores limité et sites d’accueil improbables
- Limite d’aire géographiques (en latitude et en altitude)
- Capacité de restauration des milieux oligotrophes pratiquement impossible
(cf cycle du Phosphore / boucle microbienne)