Influence of Vegetation Type and Hydrology on Short-Term Nutrient Retention in Wetland Mesocosms

Dans le vaste cœur agricole de l'Amérique du Nord, le bassin du fleuve Mississippi, l'acte même de l'agriculture a laissé un lourd héritage sur l'eau. Des décennies d'utilisation d'engrais ont entraîné l'excès de nutriments dans les rivières et les cours d'eau, provoquant une condition connue sous le nom d'eutrophisation, où l'eau s'étouffe sous les algues et les niveaux d'oxygène chutent, nuisant aux poissons et à la vie en général. Pour lutter contre cela, les scientifiques et les gestionnaires de terres se tournent vers des solutions fondées sur la nature, plus précisément la restauration des zones humides. Il ne s'agit pas seulement de marécages, mais de paysages dynamiques où l'eau, le sol et les plantes interagissent pour nettoyer l'eau avant qu'elle n'atteigne le fleuve principal. L'espoir est qu'en rétablissant le flux naturel de l'eau et en plantant les types de végétation appropriés, ces zones humides puissent agir comme des filtres, piégeant l'azote et le phosphore nocifs avant qu'ils ne causent des dommages en aval. Cependant, bien que l'idée générale soit judicieuse, les mécanismes spécifiques de la manière dont les différentes plantes et les calendriers de mise en eau contribuent à ce processus de nettoyage restent encore quelque peu flous. Comprendre exactement quelles plantes fonctionnent le mieux et combien de temps l'eau doit stagner dans une zone humide pour être efficace est crucial pour concevoir des restaurations qui fonctionnent réellement.

Une équipe de chercheurs de l'Université Tennessee Tech s'est donné pour mission de démêler ces variables à l'aide d'une expérience contrôlée. Ils ont construit trente-six grands bacs en plastique à l'extérieur, les remplissant de sable et de sol de zone humide locale pour créer des versions miniatures d'une plaine inondable. Dans ces bacs, ils ont introduit différents scénarios pour voir comment ils affectaient l'élimination des nutriments. Certains bacs ont été laissés nus, représentant des zones sans plantes. D'autres ont été plantés avec une graminée commune de zone humide appelée le cutcut de riz (rice cutgrass), qui pousse en touffes denses et dressées. Un troisième groupe a reçu de jeunes semis de deux types d'arbres, le bouleau et le cyprès chauve, imitant la reforestation des forêts de feuillus de fond de vallée. Pour tester l'influence de l'eau, les chercheurs ont soumis ces bacs à deux calendriers d'inondation différents : un où l'eau restait pendant trois jours suivis de quatre jours de séchage, et un autre où l'eau restait pendant trois semaines suivies d'une semaine de séchage. Une fois les plantes établies, ils ont inondé tous les bacs avec de l'eau contenant des niveaux élevés de nitrate et de phosphate, simulant un événement de crue riche en nutriments, puis ont observé attentivement pendant cinq jours pour voir à quelle vitesse l'eau se clarifiait.

Les résultats ont révélé une distinction claire entre la façon dont les zones humides gèrent l'azote et le phosphore, et comment le type de plante importe davantage que la durée de l'inondation. En ce qui concerne l'élimination du nitrate, les bacs avec l'herbe ont été les grands gagnants. Les parcelles herbeuses ont nettoyé l'eau de manière nettement plus rapide que le sol nu ou les jeunes arbres, éliminant le nitrate à un taux environ un tiers supérieur à celui des autres groupes. Au troisième jour, les bacs herbeux avaient réduit les niveaux de nitrate de plus de quatre-vingt-dix pour cent, tandis que les autres traitements mettaient un jour ou deux de plus pour atteindre le même niveau de propreté. Cela suggère que pour les crues courtes et rapides qui pourraient ne durer que quelques jours, la présence d'herbe émergente est un facteur critique pour maintenir l'azote hors du fleuve. Les chercheurs ont constaté que les jeunes arbres ne performaient pas de manière significative mieux que le sol nu dans ce court laps de temps, probablement parce que leurs systèmes racinaires n'étaient pas encore assez étendus pour supporter le même niveau d'activité microbienne ou d'absorption par les plantes que l'herbe dense.

Le phosphore a raconté une histoire différente. Dans ce cas, le sol nu était en fait le plus efficace pour éliminer le nutriment, suivi de près par les parcelles d'arbres et d'herbe. L'élimination s'est produite incroyablement vite pour tout le monde, la plupart des phosphates ayant disparu de l'eau dans les vingt-quatre premières heures. Cette chute rapide suggère que le processus était principalement piloté par le sol lui-même, et non par les plantes. Le sol riche en argile dans les bacs a agi comme une éponge, liant chimiquement le phosphore à sa surface presque immédiatement. Parce que ce processus physique était si efficace, la présence de plantes ou le calendrier d'inondation spécifique faisait très peu de différence lors de la première journée. Cependant, après cet élan initial, les parcelles herbeuses ont montré un schéma légèrement différent, avec un peu de phosphore se relarguant occasionnellement dans l'eau, un comportement non observé dans le sol nu. Cela indique que si les plantes sont excellentes pour nettoyer l'azote, elles peuvent parfois interférer avec la capacité du sol à retenir le phosphore, peut-être en libérant des substances chimiques qui entrent en compétition pour les sites de liaison ou en modifiant la chimie du sol.

L'étude a également examiné ce qui arrive à l'azote après son retrait de l'eau. Un objectif majeur de la restauration des zones humides est la dénitrification, un processus naturel où les bactéries convertissent le nitrate en azote gazeux inoffensif, qui s'échappe ensuite dans l'atmosphère. Les chercheurs ont mesuré la production de ce gaz et ont constaté qu'elle se produisait à des taux similaires dans tous les bacs, qu'ils aient des herbes, des arbres ou aucune plante du tout. La quantité de gaz azoté produite était substantielle, atteignant en moyenne 5,5 milligrammes par mètre carré par heure, indiquant que les bactéries travaillaient intensément dans chaque scénario. Curieusement, la production d'oxyde nitreux, un puissant gaz à effet de serre qui peut être libéré si la dénitrification est incomplète, était minimale dans tous les cas. La durée de l'inondation, qu'elle soit de trois jours ou de trois semaines, n'avait presque aucun impact sur ces taux de production de gaz. Cela suggère qu'une fois que l'eau recouvre le sol, les conditions pour que les bactéries fassent leur travail sont établies rapidement, et l'historique spécifique de la crue ne change pas le résultat à court terme.

L'une des découvertes les plus surprenantes fut que l'historique des inondations n'a pas modifié de manière significative les taux de rétention des nutriments. Les chercheurs s'attendaient à ce que les bacs ayant l'historique d'inondation plus long, soit trois semaines, présentent des conditions de sol différentes qui pourraient aider ou entraver le processus de nettoyage. Au lieu de cela, le type de végétation a été le facteur dominant. L'herbe fonctionnait simplement mieux pour l'azote, et le sol fonctionnait le mieux pour le phosphore, indépendamment de la durée pendant laquelle l'eau était restée là précédemment. Cela implique que pour les gestionnaires de zones humides, la composition immédiate de la vie végétale est plus importante que le calendrier d'inondation à long terme lorsqu'on traite des événements de crue de courte durée. Si une crue devrait ne durer que quelques jours, planter des herbes émergentes denses pourrait être une stratégie hautement efficace pour capturer l'azote. Pour les crues plus longues, cependant, le type spécifique de végétation importe moins, car le temps prolongé permet au sol et à l'eau d'interagir suffisamment longtemps pour éliminer les nutriments dans presque toutes les configurations.

En fin de compte, cette recherche souligne que la restauration des zones humides n'est pas une solution universelle. L'efficacité d'une zone humide restaurée dépend fortement des objectifs spécifiques et de la nature du flux d'eau qu'elle subira. Si la préoccupation principale est de capturer l'azote lors de crues brèves et fréquentes, alors l'établissement de zones de végétation émergente comme le cutcut de riz est un outil puissant. Si l'objectif est de piéger le phosphore, le sol lui-même est l'acteur principal, et la présence de plantes est moins critique à court terme. L'étude suggère qu'une approche en mosaïque, combinant des zones de sol nu, d'herbe et de jeunes arbres, pourrait offrir la meilleure protection globale de la qualité de l'eau. En comprenant ces rôles distincts, les gestionnaires de terres peuvent concevoir des zones humides qui ne sont pas seulement visuellement restaurées, mais fonctionnellement optimisées pour nettoyer l'eau circulant dans le bassin du fleuve Mississippi.