Zones Humides G. Barnaud Juin 09 PDF

Nom original: Zones Humides - G. Barnaud Juin 09.pdf

Titre: FonctionZHTêteBassinGB06-09.ppt

Auteur: barnaud

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Entre terre et eaux,
les fonctions écologiques des zones humides
Geneviève BARNAUD
MNHN-Département Écologie et gestion de la biodiversité-SPN

• Fonctions hydrologiques
Régulation des eaux
• Fonctions biogéochimiques
Epuration de l’eau
• Fonctions biodiversité
Ressources de qualité
Séminaire technique
« Zones Humides des Têtes de Bassin Versant »
plate-forme « Eau, espaces, espèces »
10-11 juin 2009, Nedde - Limousin
(Monet,1903)

Diversité des zones humides
Des espaces de transition,
des écosystèmes,
des paysages diversifiés
au sein du bassin versant

! Une variété de localisation,
superficie, configuration,
fonctionnement, fonctionnalités
(Schéma
AE-RMC,
Photos :
Barnaud,
Chapuis,
Garguil,
Michelot)

En majorité, les ZH européennes
!!modifiées, modelées, créées par l’homme

!!Des définition juridiques, scientifiques,
des énoncés d’écologues, d’hydrologues,
pédologues, botanistes, ethnologues…

Les zones humides de tête de bassin
"Zones humides de tête de bassin
ou de pente,
alimentées par les eaux de ruissellement
et les eaux de pluies"
tourbières hautes et basses, milieux fontinaux,
prairies humides et/ou tourbeuses,
pozzines corses,
aulnaies, saulaies,
phragmitaies, cariçaies…

(FISRWG, 1998)

(définition du SDAGE, bassin RMC, 2001 )

! Souvent négligées, oubliées dans les inventaires
- petites tailles
Et pourtant diversifiées,
-!dispersées
capitales pour le fonctionnement des hydrosystèmes
9 types de ZH (bassin de la Sèvre Nantaise, 2007) dont
1. ZH en têtes de bassin
2. Bordures boisées des cours d’eau et ruisseaux
3. Prairies inondables en bordures de cours d’eau
7 types de milieux aquatiques
( bassin Adour-Garonne, 2008), dont
3. ZH de tête de bassin versant
1.!Cours d’eau de montagne

En bref, l’une des caractéristiques majeures
! L’eau (douce, salée) comme moteur du fonctionnement
-!en quantité variable dans le temps (hydropériodicité)
- de manière rythmée (flood pulsing)
! Préalable à :
-!la constitution de sols hydromorphes
-!l’installation d’une flore et faune adaptées
-!à l’expression des fonctionnalités
Marais et tourbières,
ZH de bas fonds en tête de bassin

(AE-RMC, 2001)

Alimentation en eau : pluie, sources, fonte des neiges,
eaux de ruissellement, affleurements de nappes de
surface, connexions avec d’autres marais
Schéma du fonctionnement d’une zone humide
(d’après Mitsch & Gosselink, 2000)

* Hydropériode : patron saisonnier des niveaux d’eau résultant de la
combinaison du budget en eau et de la capacité de stockge d’une ZH

Des dynamiques spatio-temporelles sous influence
! Succession écologique à des pas de temps variables

naturels

Processus
anthropiques

des processus non linéaire, avec des stades de blocage
" Tendances observées au cours de la succession :
- évolution de la composition spécifique, la diversité, la biomasse,
des réseaux trophiques

"!Processus accéléré par certaines activités humaines
(érosion, modification hydrologique…)

• Une inscription dans un environnement interactif
Intégration du fonctionnement des métapopulations, des flux
(matrice, tache, corridor, zone source ou puits, fragmentation, connectivité, …)

Au-delà de sites individuels des unités fonctionnelles
Cf. Trame verte et bleue

Durées de vie d‘un lac dans un
contexte naturel/anthropisé
(Carpenter et al., 1998)

! Les zones humides, des écotones,
ayant des propriétés (fonctions) écologiques
mosaïque
tache

matrice
matrice
taches

taches
matrice

corridor

(FISRWG, 01)

Schématisation de
l'écotone et de sa
biodiversité
(Amoros et al., 1993)

Conservation d’un hydrosystème
Prise en compte des différentes
échelles spatio-temporelles

Des systèmes hiérarchisés

Région fluviale

Paysage

Expression des processus

(hydrologiques, pédologiques, biologiques…)
sur des durées et étendues variables
Du jour aux siècles,
des particules au bassin versant

Corridor fluvial

Cours d’eau

Secteur
fonctionnel

Séquence

Micro-habitats

Détritus,
feuilles
Vases,
sables

Section

Mousses

FISRWG (1998-2001)

Distance : 1 km
100 m
Durée : 1 000 - 1 000 000 ans 1 000 - 10 000 ans

10 m
10 - 1 000 ans

1m
1 - 10 ans

Graviers fins
10 cm
1 mois - 1 an

Le déclic
Constat des effets de la dégradation des ZH
Conséquences après destruction

Fonctions concernées

Inondation

! Écrêtement des crues

Sécheresse

! Stockage des eaux
! Recharge des nappes phréatiques

Pollution de l’eau

! Rétention et transformation des polluants

Érosion des côtes et berges
Diminution des ressources
Extinction d'espèces

! Dépôt et stabilisation des sédiments

Inondation

Abaissement
de la nappe

! Habitats de nombreuses espèces

(alimentation, reproduction)

Submersion côtière

Perturbation
du cycle du C

Rôles écologiques et socio-économiques des écosystèmes
! Prise de conscience de l’importance des ZH pour le bien-être des sociétés
• Compréhension des fonctions écologiques et valeurs
• Evaluation financière des services rendus
" Changement du discours
• Conservation des ZH au titre de la prévention des
risques, de l’hygiène et de la production
• La notion d’infrastructure naturelle

Fonctions, valeurs internes et externes des ZH
(Novitzki et al., 1997)

" Le concept de service écosystémique
Adopté par la CDB (MAE), Ramsar!
Fonction (écologique) : propriété d’un écosystème liée à son fonctionnement
Fonctionnalité : ensemble de fonctions propres à un écosystème
Valeur : qualité attribuée par des personnes à une caractéristique du système
Service : avantage retiré par la société d’une (des) fonction(s) et valeur(s)
Bien, intérêt : bénéfice financier provenant d’un (des) service(s) rendu(s)

(Turner et al.,
2008)

!

Origines des notions

Des approches ± distinctes
Années 50

Années 60-70

Années 80

Naturalistes

Écologues

Sociologues

Prise en compte de
l’intérêt patrimonial

Étude du fonctionnement
des écosystèmes. Mise en évidence

- identification des usages
- exploitation des ressources
- perception des valeurs

- diversité en espèces,
communautés
- abondance
- habitat d’espèces en danger
- paysage, etc.

Les rôles

de processus, de propriétés :
- productivité I, II, III
- relations trophiques
- les grands cycles biogéochimiques
- régime hydrologique, etc.

Les fonctions

Économistes
- évaluation financière des produits
obtenus
- quantification des bénéfices
retirés

Les services rendus
(Stuip et al,2002)

(Duke, 1995)

Boucle des feedbacks due aux activités
biologiques (Washington DSE, 2004)!

Economie
-! Prix
-! Accès marché

Les ZH comme éléments d’un vaste système

Démographie
-! Croissance de
la population

Environnement
physique
Bassin amont
ZONE HUMIDE

(Abbot et Hailu, 2001)

Environnement
physique

Socio-culturel
-! Préférences
alimentaires
-! Mode de répartition
du travail
Politique
-! Politiques
gouvernementales
-! Institutions locales

Bassin aval

Zones humides

Des fonctions en partie distinctes d’amont en aval
Selon la localisation dans le bassin versant
Des fonctionnements donc des fonctionnalités différentes

isolées, de tête de bassin

" Les zones humides
• Isolées, tête de bassin
- Reproduction, alimentation d’oiseaux d’eau
-!Habitats d’espèces de zones humides et terrestres
-!Stockage d’eau douce
-!Rétention de sédiments et nutriments
- Paysage

lacustres

• Lacustres
Idem « isolées »
+ Zone de frai d’espèces de poisons
+ Elimination sédiment et nutriments des eaux d’alimentation

rivulaires

• Rivulaires
Idem « isolées »
+ Contrôle des sédiments et stabilisation des berges
+ Régulation d’inondation

• Estuariennes et côtières

estuariennes
et côtières
(Kusler, 1983)

Idem « isolées »
+ Habitats et zones de frai des poissons, crustacés, coquillages
+ Source de nutriment pour les ressources halieutiques
+ Protection rivage/érosion et tempête

Fonctions hydrologiques

Fonctions - Services

Ralentissement et stockage des eaux à plus ou moins long terme
Contrôle des crues
Stockage et restitution des eaux étalée dans le temps
Recharge des nappes et soutien des étiages
Présence d’obstacles à l’écoulement
Réduction de l'énergie des eaux/érosion

Le constat

" Régulation du régime hydrologique
Déboisement, culture, urbanisation

L’explication

"!Inondation brusque et importante

Effet
de retardement, effet d’étalement
1 Ruissellement
2 Ecoulement
Débit

Zone humide
Précipitation

Ruisseau

Comparaison de 2 bassins versants, A et B
30% de la superficie du bassin A en ZH et lacs

1 Ruissellement
B

A

Pics de crue du bassin B 60-80% supérieurs à
celui du bassin A

2 Ecoulement de la ZH

Temps

"!Atténuation, décalage du pic de crue
déstockage progressif

(Novitzki, 1979)

Rôle « d’éponge », de « réservoir »
Registre majeur des zones humides de tête de bassin

"!Les têtes de bassin
Un capital hydrologique

Fonction « rétention de matières en suspension »
Fonctions - Services

Eau turbide

Rétention, piégeage des matières en suspension
Clarification de l’eau

Eau claire

Rétention dans des milieux humides riverains de cours d’eau
(Seine) des matières particulaires transportées par les eaux
A

B.V.
agricole

Bilan sédimentaire d’une crue de
l’Adour à l’échelle d’un tronçon de
vallée inondé (06/92)

Eaux de
ruissellement

55 m

Eaux de
La Seine débordement

Ripisylve: piégeage de
60 à 95% de l’azote associé aux
particules en suspension

MES

N-NH4

P total

N org.

C-org.

94 %

78 %

84 %

86 %

64 %

(transect de 100 m l x 80 m de profondeur /chenal)

B
10 m

Eléments
Rétention

80 m

Distance du
chenal (m)

Surf.
(m2)

M.E.S
(t)

P Total
(kg)

N org.
(kg)

C org.
(kg)

0 – 10

1000

17

37,5

54

780

10 – 55

4500

45

122

166

2025

55 – 80

2500

6,5

20,5

53

300

Total

8000

68,5

180

255

3105

Dans des bassins versants couverts à 20-40 % par des ZH
Réduction de 80 à 94 % de la charge en MES
par les petits marais riverains de tête de bassin versant
(Peterjohn et Correll, 1984)

Rôle de « filtre » dans le
répertoire des zones
humides de tête de bassin

Aptitude contrôlée par de nombreux facteurs impliqués
- localisation, topographie, taille, nombre, état, nature et structure de la
végétation
-!type de précipitations, d’apport en eau souterraine
- capacité érosive du bassin versant…

Un symptôme d’indigestion
Une menace insidieuse et paradoxale

(Vitousek el
al. 1997)

L’azote, le phosphore, le carbone
sources de vie et/ou de dégradation
Dangereux en excès
!!Grande vulnérabilité des systèmes aquatiques
aux apports massifs de nutriments
Plantes aquatiques submergées
Phytoplancton
Concentration de phosphore
Salmonidés
Cyprinidés

Changement d’abondance
d’espèces dus à l’eutrophisation
(lacs tempérés) [openlearn.open.ac.uk/]

oxygéné

Milieux
désoxygéné

Augmentation des nutriments

Résultat de l’eutrophisation sur le littoral
[openlearn.open.ac.uk/]
végétale et
animales
diversifiées

Des zones humides et têtes de bassin très efficaces
pour améliorer la qualité de l’eau, en éliminant

Communautés
microbienne et
bactérienne de
décomposeurs

- le phosphore et l’azote en moins de 20 m d’écoulement (tête de bassin du sud des Appalaches)
- 64% de l’azote inorganique en - de 300 m (modélisation 14 ruisseaux de tête de bassin aux Etats-Unis)
-!90% du phosphore dans 8 bassins de cours d’eau de 1er ordre comprenant de ZH associées (N-E Etats-Unis)
(American River & Sierra Club, 2007)

Fonctions biogéochimiques
Fonctions - Services
Piégeage-rétention, transformation-dégradation, production- exportation de
l’azote, du phosphore, des métaux lourds, des micro-polluants organiques
Épuration, décontamination de l’eau
" Epuration, caractéristique connue de manière empirique et utilisée mondialement :
- lagunages (plus ou moins sophistiqués)
- dispositifs de traitement d’effluents diffus
mais à nuancer
Schématisation de différents
fonctionnements des zones humides

(Mitsch et Gosselink, 1993)

Fossé

Plantes de zones humides

Effluent
pollué

Sortie d’eau
Effluent
traité

Milieu de traitement
Tuyau
d’arrivée

Membrane plastique
ou sol imperméable

Niveau
hydraulique Traitement subsurface
nécessaire

Rôle de « rein »
Une(Shepherd,
mission
cruciale des zones humides
2000)

ZH
traitement ,Alhagen,
Suède (Nilsson)

La dénitrification
Transformation de l’azote par absorption,
ammonification, nitrification, dénitrification
" 2 processus biologiques en jeu :

(Pinay et Trémolières, 2000)

Facteurs de régulation
- saison, végétation, ….
-!contexte géomorphologique
- pratiques agricoles

Usage des terres dans la
ZH et sur les versants
adjacents

Topographie

Type de couvert
végétal

SOL

Hiérarchisation des facteurs
régulant l’activité dénitrifiante
dans les zones humides
selon l’échelle de perception

Régime
hydraulique

Engorgement
du sol

Décomposition de la
matière organique

BACTERIE

"!Une dénitrification
sous influence

ZONE
HUMIDE

BASSIN
VERSANT

-!assimilation végétale (stockage)
- dénitrification microbiologique (élimination N2)

Anaérobiose

Source d’énergie
carbonée

Conditions
hydrogéologiques

Nitrate

Dénitrification

La dénitrification, des résultats probants
!!Un cas d’école, les zones humides de bas-fond de l’Ouest (Tyfon)
Projet PNRZH piloté par P. Mérot, financement européens, régionaux
Démonstration de la capacité de régulation des pollutions azotées sur une courte distance

" Une typologie fonctionnelle innovante des ZH de bas-fonds
Un schéma général, des situations variées

Typologie fonctionnelle

Modèles conceptuels de fonctionnement

Zone humide...

potentielle

"!Intérêt de la longueur de connexion / surface totale de ZH

effective

efficace

(Mérot, 2001)

Décroissance des concentrations
en NO3 à l'interface versant-ZH

Versant
Zones de bas-fond Pleine
Fougères, Bretagne
(Mérot et al., 2000) Distance à
partir du talus

Rivière
(Clément J.C., 2000).

7,60 mg/l N-NO3 " 0,37 mg/l N-NO3
au bout de quelques mètres de transit

Les différents niveaux de la typologie
Zone
Humide

Basé sur

Méthode

Potentielle

Indices
topographiques
Carte des sols
hydromorphes

Modèle intégrant la
surface drainée et la
pente topo. (MNT)
Cartographie sols

Effective

Usage du sol
(drainage…)
Indice d’humidité
Végétation

Différents réseaux
d’investigation
possibles

Efficace

Flux de polluants
entrant
Géométrie interne

Analyse par BV
Etude de terrain
Modélisation

Epuration, des résultats contrastés
! Dénitrification influencée par une série de facteurs
agissant à différentes échelles
(saison, végétation, contexte géomorphologique, pratiques agricoles)
Ecoulement
parallèle
concave
14,8 kg/ha/an

" Selon le contexte géomorphologique

Ecoulement
parallèle
convexe
14,8 kg/ha/an

Dénitrification moyenne annuelle simulée,
rapportée à la surface totale du bassin versant
(zones bleues foncées = dénitrification maximale)
Ecoulement
convergent
concave
2,0 kg/ha/an

Ecoulement
convergent
convexe
2,1 kg/ha/an

. Diminution de NO3-N/L,
de 15 mg sur le versant agricole
à 0,5 mg au milieu de la ZH
. Augmentation de l’atrazine

" Selon les substances
Fort gradient de qualité de l’eau de
sub-surface sur 15 m et toute l’année

Le devenir du phosphore

! Plusieurs mécanismes et processus impliqués

" Élimination du phosphore et de l’azote (kg/ha/an)
dans des ZH boisées de plaine d’inondation
du Sud-Est des Etats-Unis (DeBusk, 2001)
Mécanisme

Phosphore

Sédimentation
Adsorption/précipitation
Consommation microbienne
Prélèvement des plantes

Cycle du phosphore dans une zone humide
POP = phosphore organique particulaire
POD = phosphore organique dissous
PO4 = ions phosphates. (d’après Mitsch & Gosselink, 1993)

Dénitrification

Azote

36

11

200

64

40

87

4

52
130

"!Des plantes gourmandes, consommation en phosphore et azote (kg/ha/an)
Phosphore

Azote

Référence

Petite lentille d’eau
(Lemna minor)

116 - 400

350 - 1 700

(DeBusk et Reddy,
1987)

Ecuelle d'eau
(Hydrocotyle vulgaris)

116 - 770

350 - 32 000

(DeBusk et Reddy,
1987)

Phragmites
(Phragmites australis)

101

1 910

(Obarska-Pempkowiak,
1997)

Moyenne « prudente »
Base données ZH US

80,3

547,5

(Knight et al. 1994)

//crdp.acbesancon.fr/

Efficacité variable de l’élimination du phosphore et de l’azote
" Selon les plantes considérées
Mode de fixation de l’azote et du phosphore par 2 hydrophytes (kg/ha/an)

Partie épigée

Partie hypogée

N

P

N

P

Phragmites australis

270

35

260

50

Scirpus lacustris

160

20

320

55

(de Jong, 1976)

Suivi expérimental de l’évolution
des nitrates et phosphates
au travers d’une zone humide
! Facteurs de régulation de l’élimination du phosphore
-!le contexte hydrogéologique
- le climat, la saison
- le temps de séjour de l’eau (ZH «fermées» ou «ouvertes»)
- la composition, la structure des communautés végétales

(d’après Trudgill et al, 1991)

Les métaux lourds et micro-polluants

" Métaux lourds

Principaux mécanismes : sédimentation, absorption, concentration par des plantes
Mais relargage à partir des sédiments, de la décomposition

Eaux retenues dans
une mare, puis
évacuées vers un
ruisseau

ZH de la Petite
Balme (Sillingy)

Apports, rétention et circulation
de métaux potentiellement
toxiques dans une ZH ouverte

Suivi des concentrations dans les sédiments de 5 ZH
(stockage d’eaux pluviales)

Diminution : Zn, (57%), Pb (71%), Cu (48%)
Augmentation : As (150%)
En cause : comportement des métaux et rôle de la MO (Walker et Hurl, 2002)

!!Micro-polluants organiques (fongicides, herbicides, insecticides)
Principaux mécanismes : piégeage, dégradation, relargage
Avec des impacts sur
la flore et la faune
(contamination)

Facteurs intervenants :
- type de substance, conditions physico-chimiques
- composition, structure de la végétation, des sédiments

Fonctions « biodiversité »

Fonctions - Services

Réseaux trophiques complexes - Écosystèmes dynamiques
Habitats pour de nombreuses espèces
Diversité des communautés
Forte productivité
Ressources végétales et animales exploitées
Nicolle

" Une diversité biologique mal connue, une exploration constante
Systèmes d’eau douce, moins étudiées que les terrestres,
mais une richesse spécifique plus élevée/superficie (Revenga et al., 2000)

Les zones humides d’eau douce contiennent
plus de 40% des espèces de la planète et 12%
de toutes les espèces animales (Ramsar, 2001)

(Ramsar, 2002)

Rôle de « réservoir d’espèces »

Justification de cette diversité biologique
" Des milieux stressants :
- des gradients (hydriques, chimiques…)
-!une hétérogénéité spatiale

" Des répartitions le long des gradients
d’humidité, de salinité…

" Conditions propices à une certaine biodiversité

Sur des berges fluviales

Partie fluviale

" Les réponses des espèces :
"! Des adaptations
(morphologiques, physiologiques…)

" Zonation écologique amont-aval
dans un bassin versant
Crénon

Rhitron

Partie estuarienne dulçaquicole

Potamon

Ornithologique

Ichtyologique
Partie estuarienne salée
Géomorphologique
Ecologique
(Ex. schématique de la Loire)

!
Atlas environnemental du Saint-Laurent (1995)

Des principes directeurs
Une organisation longitudinale influençant les
zones humides alluviales
! Concept de «river continuum»

Concept du continuum fluvial
(Vannote et al., 1980)
Modèle macro-invertébrés poissons

- Processus physiques (géologie, climat)
- Processus biologiques rivulaires (végétation)
- Processus physiques et biologiques dans
la rivière (température, nutriments)

En milieu aquatique,
des réseaux écologiques denses
des pyramides écologiques à plusieurs niveaux
Exemple d’un réseau
trophique en eau douce

Brouteurs
Prédateurs

Collecteurs

Producteurs
hydrophytes

Oiseaux

Poissons

Larves de
libellules

Larves de
phryganes

Producteurs
périphyton

Zooplancton
Moules

Broyeur
s

Larves et
adultes de
coléoptères

Escargots

Larves
Larves
d’autres d’éphémères
diptères
Algues et
Algues
plantes
Algues
filamenteuses
enracinées

Producteurs
phyto et zoo
plancton

Vers de vase
Détritus

! Problème de définition, espèces de ZH ?
Résidentes, visiteurs réguliers, occasionnels ?
Nicolle
Margaritifera margaritifera

!!Inventaires incomplets selon les groupes, les régions
- quasi exhaustifs pour des espèces (vertébrés) et sites protégés
- des monographies par groupe, des recensements par région

(Conseil de l’Europe, 1996)

Lunorium natans (Ifen,2000)

Des estimations « à la louche »

Richesse biologique des ZH métropolitaines
Un slogan : « Plus de 50% des espèces d'oiseaux ainsi que
30% des espèces végétales remarquables et menacées en
France dépendent des principales zones humides françaises
métropolitaines (MATE, 1996)

• Une liste de 775 espèces et 26 sous-espèces végétales pour la
délimitation des zones humides pour la mise en œuvre des
articles L. 214-7-1 et R. 211-108 du code de l’environnement
(Nomenclature Eau) (Arrêté du 24/06/08)
(Thompson & Luthin, 2004)

La biodiversité, plus que la somme des espèces
! Combinaison des
4 principaux niveaux selon 3 grands types d’approche
individu
population
écosystème
paysage

composition
structure
fonction

Participation différenciée des organismes
Fonctionnement des écosystèmes influencé par
- l’identité des espèces,
- la composition et la diversité des communautés

Les moules perlières, un cycle de vie
complexe (Kinet & Libois 1999)
Spécificités du fonctionnement
des milieux d’eau douce (Brönmark & Hansson, 2002)

Fin de l’été
Printemps

!

• Perte de diversité " effets négatifs sur :
la productivité I, II, III, la décomposition,
le transport de nutriments, les structures trophiques
• Question de la stabilité, de la résilience, …!
! Donc, nécessité de maintenir au moins

1 espèce par groupe fonctionnel

Eté

(SAGE Allier aval, 2007)

exportation vers l’aval

Des échanges multidirectionnels
migration vers l’amont

Nombreux bénéfices fournis par les
milieux aquatiques des têtes de bassin
aux organismes localisés en aval
Refuge contre
les inondations

Site de
reproduction

Rétention,
transformation
nutriment

Site
d’alimentation

Stockage
de MO

Nurserie
Matière
organique
dissoute
et particulaire

Drift
Faune d’insectes
riparienne
Insectes
émergeants
(Judy Meyer, University of Georgia)

migration

Végétation
riparienne

Relations entre ces milieux et les autres
écosystèmes

Refuge contre
les prédateurs
Refuge
thermique
Refuge contre les
compétiteurs
Refuge contre les
espèces invasives

(American River & Sierra Club, 2007)

Des productivités records
! Production végétale nette (production brute – respiration)
Marécages, estuaires :
moyenne 15 - 24 t matière sèche/ha/an
maximum 35 - 40 t/ha/an

" Des productions moyennes variables
(tonne matière sèche/ha/an)
Tempéré

Millions de km2

* Bacon, 1997
**Le Demezet et al., 1985
*** Tesson & Schricke, 1987

Meilleurs pâturages [Europe] : 10*

Par grands types d’écosystèmes
332,4

Schorre [Ouest-France] : 20-40**
Marais salés (Canche) : 24
Roselière [Basse-Loire] : 30-40**

100

Superficie
80

Phytoplancton (dulçaquicole) : 15 - 30

60

Roselière : 13***
Forêt de plaine d’inondation : 4 - 18
Laîche : 3***
Tourbière arborée : 5 - 15
Tourbière à Sphaignes : 1 - 4

40
20
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

(Whittaker & Likens, 1975)
G. mat. sèche/m2/an
3000

Productivité I nette

Tropical
Papyrus [Kenya] : 30*
Roselière (tropicale] : 50 - 100

2000

1000

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1. Déserts
2. Toundras, alpages
3. Lacs, cours d’eau
4. Prairies tempérées
5. Terres cultivées
6. Savanes

7. Forêts
8. Marais, marécages
9. Estuaires, algues
10. Plateaux continentaux (Shaw, 2000)
11. Océan
ecoSERVICES

Carte mondiale de la productivité I nette

Autres rôles des zones humides
Superficie de ZH et tourbières, densité et
stockage total de carbone par rapport aux
autres écosystèmes et usages des terres
Superficie (1012m2)"

Superficie"

! Réduction de l'énergie des eaux et des forces érosives
Rôle «protection des berges»

! Production d’humus (tourbe)
Rôle «fertilisation», «source d’énergie», …
Densité de C (kgC/m2)"

Partition planétaire
! Régulation
des grands cycles physico-chimiques,
du climat
Rôle «tampon/changements globaux»

Agriculture"

Anthropique"

Zone humide"

Tourbière nordique"

Désert extrême"

Désert & semi-désert"

Pelouse tempérée"

Carbone total (Pg)"

Toundra arctique & alpine"

Chaparral"

(Zedler & Kercher, 2005)

Savane tropicale"

Forêt boréale"

Bois tempéré"

Forêt tropicale"

Forêt tempérée"

Végétation"
Sol"

Influence + sur la production d’oxygène,
+ sur le stockage du carbone,
+ sur le régime des précipitations,….,
- sur l’émission de méthane

(MEDD, 2003)

Source de gaz à effet de serre, le méthane
Taux d’échange de CH4 dans une végétation boréale le

Emission de méthane (mg/m2/h)

long d’un gradient topographique schématique
(valeur moyenne ± écart type)

Forêt
décidue
Forêt de
conifères

(Morrissey et al.,
1994)!

Arbustes Tourbière
rivulaires

Eau libre
Marais

Estimation des émission de CH4 (kg CH4 / an/cellule de la grille)
7 catégories de systèmes aquatiques européens
(tourbières, marais, lacs, rivière)
Représentant moins de 3% de la superficie étudiée,
(Saarnio, 2009)
dominance des lacs et tourbières
5,2 Tg/an de CH4 total émis

48% tourbières minérotrophiques, 24% grands lacs,
12% tourbière ombrotrophiques
Mais des incertitudes : fortes variations dans une même catégorie,
peu de résultats, problème de classification
A l’échelle mondiale
Des records de production de CH4 par les zones humides

(IPCC 2007)

Performance différenciée selon les écosystèmes
! En Angleterre,
une étude comparative des services écosystémiques fournis par 3 types d’écosystèmes
Services et biens
Services d'appui
Production d'oxygène
Cycle de nutriment
Prise d'eau et nutriments en profondeurs
Production primaire
Fourniture d'habitat/ espèces protégées
Services "production"
Nourriture, boisson
Fibre et matériaux de construction
Produits médicinaux et cosmétique
Produits ornementaux et autres
Energie renouvelable
Services de régulation
Filtration d'air pollué
Filtration d'eau
Détoxification de l'eau et de sédiments
Séquestration du C, régulation du climat
Régulation du climat local
Contrôle de l'érosion
Compensation des risques d'inondation
Maintien d'eau de surface
Réapprovisionnement des nappes
Services culturels
Données paléo-environnementales
Préservation archéologique
Ressource éducative et scientifique
Banque de gène
Importance historique et culturelle
Loisirs et tourisme
Bien-être physique et personnel

ZH d'eau
ZH
douce intertidale
!
"

!
"

!
"

!

!
!
!
!
!

"
!
!
!
!

"
"
"
!
"
"
"
!

!

"
"
"
!
"
"
!

Forêt de
feuillus
"
!
!
!
"
!
"
!
!
"

!
!
"
"

"
"
"
"
!
!
!

"
"
!
!
!
!

!
"
!
"
"
"

- Forêt de feuillus
- Zone humide dulçaquicole
- Zone humide intertidale
Estimation qualitative
! Service pouvant être fourni.
" Service d’importance potentielle

2006 English Nature Research
Reports, No 701

Variabilité, résilience et seuils
!!Des caractéristiques des fonctions et services écosystémiques à considérer :
Variabilité
• au cours du temps, modulation de stocks ou flux dus aux facteurs aléatoires (interne, externe)

Résilience
• aptitude d’un système à retourner à son état original après une perturbation

Seuils
• déviation brutale, souvent soudaine (< 10 ans) du comportement moyen du système

SERVICE ECOSYSTEME

Dynamique et stabilité des services écosystémiques

Etat 1

"!Les zones humides soumises

aux impacts conjugués des activités
humaines terrestres et aquatiques

Seuil état 2
Seuil état 1
Etat 2

1ère Perturbation

2ème Perturbation

Effets immédiats ou décalés,
dans le temps et l’espace
-!directs = comblement
-!indirects = pompage en amont
- en cascade, cumulés = pollution +
extraction + barrage + …

TEMPS
(Millennium Ecosystem Assessment, 2005)

Des principes / fonctionnalités des ZH
!!Chaque ZH
Plusieurs fonctions et valeurs mais pas systématiquement toutes
Compatibilité, incompatibilité entre les fonctions

"!Expression changeante

(Adamus et Stockwell, 1983)

(efficacité, ampleur)

des fonctions selon le type de ZH,
son état
(intégrité, stade de développement, la saison)

" «Pousser, optimiser» une fonction
se fait au détriment d’autres

-+++
+

En général, incompatible
Parfois incompatible
Effets très variable
En général, amplification
Parfois amplification
Case vide, pas
d’interaction
significative ou effet connu
(Fustec et al.,
2000)

Les démarches d’évaluation des fonctions
Début des années 80, aux Etats-Unis, des méthodes standardisées d’évaluation

Approche
hydrogéomorphologique
Méthode
Classification HGM
ZH Références
Indices de fonctionnalité
Protocole d’évaluation

Wetland Evaluation Technique (WET) : 9 fonctions, 2 valeurs (Adamus, 1986)

1990 - Caractérisation hydrogéomorphologique des fonctions
• Objectif : évaluer les fonctions (restauration, compensation) (Brinson, 1993)
• Une classification simple, combinaison de 3 attributs fortement interdépendants
- emplacement géomorphologique,
- origine de l'eau,
- hydrodynamique
• Pour chaque classe, des sites « référence »

Guides régionaux

aux fonctions qualifiées et quantifiées (modélisation)

Application
Caractérisation du site
Définition de la zone à évaluer
Collecte et analyse des données

Localisation des ZH = sources d’eau
dominantes et hydropériodes différentes

Indices de fonctionnalités

De dépression

Fonctions des ZH et modèles d’évaluation
Maintien des caractéristiques
pour les ZH de dépression en tête de bassin

Flux verticaux
Riveraine

Flux unidirectionnel
Lacustre

De plaine

De pente

1: du régime hydrologique ;
2: des processus biogéochimiques
3: de l’exportation carbone organique
4: des communautés végétales ; 5: de la faune

pour les potholes

Flux bidirectionnel
Estuarienne

A sol minéral
A sol organique

Catégories hydrodynamiques / types de flux dominants

1: du stockage eau de surface
2: des cycles des nutriments
3: de la rétention des particules
4: des communautés végétales
5: des réseaux trophiques (invertébrés)
6: des habitats de vertébrés
7: Maintien de la mosaïque et et connectivité des ZH
(Lin, 2005)

Version européenne de la méthode
! En Europe, années 80-90
Des programmes sur l’évaluation des fonctions et valeurs des ZH
" Wetland Evaluation Decision Support System (WEDSS) (Maltby et al., 1994)
Système expert à destination des gestionnaires et décideurs
Objectif : valorisation des ZH
Combinaison 1 SIG + 1 base de données (indicateurs variables de contrôle)
+ des modèles de simulation sur le fonctionnement et les fonctionnalités

5 Principaux types de zones humides

E) Tourbeuses

A) Zones humides fluviales

de pente

ruisseau
encaissé

bombée

riparienne
rivulaire
bras-mort

B) De dépression
isolée

C) Estuariennes
D) Côtières

entrée d’eau de surface
entrée et sortie
sortie d’eau

Zones humides de bas-fonds, des résultats opérationnels
"!Application au sous bassin versant
du Rozanbo (10 km2)
Hydromorphie
Tête de bassin versant du Yar (Côtes d’Armor)

Dominante de végétation

Nombreuses ZH de fond de vallées
Bocage dense, occupation des sols variée
Imagerie d’une ZH de fond allée
par capteur hyperspectral VNI,

Caractérisation, localisation:
- de l’hydromorphie de surface

Potentiel de dénitrification
(temporaire)

Facteur 1er de la dénitrification

Mode de gestion

- des associations végétales
caractéristiques
Sources de carbone, bio-indicateurs

Type de linéaire

- du mode de gestion des parcelles
Détermination du flux de carbone dans la ZH
(exportation, recyclage)
Cartographie des zones
potentielles de dénitrification
d’un sous-bassin en position
cruciale pour améliorer la
qualité de l’eau

Potentiel de dénitrification

Cartographie du mode
d’utilisation des prairies par
capteur hyperspectral VNIR

Cartographie : photo-interprétation, SIG
(images hyperspectrales, 2 m résolution)

Ratio Longueur de
contact/périmètre

Prairie artificielle fauchée
Prairie artificielle pâturée
Prairie naturelle fauchée
Prairie naturelle pâturée

L’approche du bassin Seine-Normandie
Identifier les zones alluviales les plus efficaces à l’échelle du bassin Seine-Normandie
" Elaboration d’une «Typologie fonctionnelle des zones humides riveraines»
Croisement des bases de données et des unités de travail (ArcView) :
nappe, végétation, gravières/plans d’eau, obstacles, chenaux, barrages

"!Construction d’indices fonctionnels
quantification de la potentialité des ZH / fonctions
(régulation des crues, rétention des nitrates)
Degré de fonctionnement des ZH riveraines dans le bassin Seine-Normandie
(BD Hydrogéomorphologiques Piren-Seine, AESN, 09/2005)

1 code/indicateur/corridor fluvial
2 indices fonctionnels «crue», «nitrate»
7 classes d’efficacité
Types d’action
Renaturation
Restauration,
réglementation

Régulation des crues

Protection, préservation,
réglementation

L’enjeu qualité de l’eau dans le bassin Seine-Normandie
"!Indices fonctionnels
quantification de la potentialité des ZH /
fonction de rétention des nitrates

Degré de fonctionnement des ZH riveraines
dans le bassin Seine-Normandie
(BD Hydrogéomorphologiques Piren-Seine, AESN, 09/2005)

rétention des nitrates

Carte de la répartition des taux de rétention
sur le bassin topographique de la Seine
(RQ0, INTER)
Taux les plus élevés majoritairement
en tête de bassins versants

"!Définition des sites prioritaires,
intégration dans les programmes de mesures
(DCE, LEMA, …)

" Démarche opérationnelle
(Curie, 2006)

! 2000 Directive cadre sur l’eau
Les zones humides ne font pas partie des masses d’eau
" Toutefois, prise en compte
parmi les masses d’eau et
écosystèmes pertinents pour
atteindre la bon état
Intégrées au Registre des
zones protégées de la DCE
Horizontal Guidance Document on the Role of Wetlands
in the Water Framework Directive17/12/2003

Objectif :

Bon état en 2015

Bon potentiel en 2015
Bon état en 2021

Risque de non-atteinte du
bon état en 2015 pour les
masses d'eau superficielles
Source : agences de l'Eau – Diren
(Dom) – SOeS

Bon état en 2015

Exemple d’application de la DCE sur un bassin
versant dans le plan de gestion 2009 (AE-RMC 2003)

D’autres démarches
! En France, des démarches variées
" Au cours des années 90
Marais et tourbières
Flux de matière organique

- projets de recherche du PNRZH
-!travaux à la demande des Agences de l’eau

"!Les indicateurs de fonction
du bassin Rhône-Méditerranée-Corse
(AE-RMC, 2001)

AE-Adour-Garonne

"!L’identification de zones humides fonctionnelles
du bassin Adour-Garonne

Guide méthodologique
pour l'identification des
secteurs à zones humides
fonctionnelles et
prioritaires pour la gestion
de l'eau

Une démarche en 3 étapes
1 : Découper le territoire en secteurs à ZH et secteurs à enjeux
2 : Définir les critères, évaluer des fonctions par secteurs
3 : Analyser les résultats, proposer des secteurs à ZH prioritaires

(Asconit, Ecosphère, 2007)

En résumé
! Rôle capital des ZH

Des infrastructures naturelles aux multiples fonctions et valeurs d’efficacité variable

Des principes pour l’action, raisonner /fonctionnement et fonctionnalités
à l’échelle locale et surtout du bassin versant

! Les zones humides de tête de bassin
Petites, liées au chevelu, jamais vraiment isolées,
des connections hydrologiques cachées
Souvent oubliées dans les inventaires et
jugées peu importantes

Espace de fonctionnalité

! Pourtant des services essentiels
Atténuation des inondations
Soutien débit d’étiage, recharge de nappe
Piégeage des sédiments
Amélioration de la qualité de l’eau
Fourniture d’énergie en aval (carbone assimilable)
Des flores et faunes riches et rares
Une biodiversité due au caractère
oligotrophe et parfois éphémère de ces milieux
Journée
mondiale des
zones humides
(2/02/2001)

!

AE-RMC

(Krecek, 2006)

Responsables de l’intégrité des systèmes aquatiques
(physique, chimique et biologique)

! Démonstration des services
Moyen de faire bouger les décideurs