Des zones tampons pour limiter les pollutions diffuses

Les bords de champs peuvent intercepter ou atténuer les transferts de contaminants agricoles vers les milieux aquatiques, selon les spécificités du terrain.

Plusieurs types d'éléments du paysage situés en bordure de champ peuvent jouer le rôle de zones tampons pour limiter le transfert de contaminants d'origine agricole, notamment de produits phytopharmaceutiques, vers les milieux aquatiques. On appelle ici zone tampon « tout espace interparcellaire du paysage rural destiné à assurer une fonction d'interception et d'atténuation (rétention et/ou dégradation) des transferts de contaminant d'origine agricole vers les milieux aquatiques ». Il peut s'agir de zones enherbées ou fleuries, de haies, de haies sur talus, de fascines, de zones tampons humides artificielles et même parfois d'une gestion adaptée de fossés, qui peuvent retarder ou limiter le transfert de contaminants d'origine agricole : matières en suspension, nitrates, phosphates ou pesticides.

Processus en jeu

Des molécules retenues par la matière organique

Dans le cas des produits phytopharmaceutiques et plus spécifiquement de leurs substances actives, désignées dans cet article sous le terme de pesticides(1) par commodité de langage, l'effet tampon s'appuie sur la capacité qu'ont les pesticides à être dégradés ou retenus sur certains substrats au cours de leur transfert entre la parcelle où ils sont épandus et le milieu aquatique récepteur.

Une fois les pesticides épandus dans le milieu, ils sont en effet soumis à un équilibre entre une partie en solution, dans la phase aqueuse du sol ou l'écoulement, et une partie « adsorbée » sur les particules de sol ou les matières en suspension, notamment la matière organique ou l'argile. Cette capacité à être adsorbée est très variable d'une substance active à l'autre ; elle est en général caractérisée par le coefficient de partage carbone/eau, ou Koc : plus le Koc est élevé et le sol riche en matière organique, et moins la molécule sera mobile et risquera d'être entraînée par l'écoulement. Enrichir le sol en matière organique présente donc un intérêt non seulement agronomique mais également pour limiter les exportations de pesticides depuis la parcelle.

Mécanismes de dégradation, demi-vie et métabolites

Les pesticides sont également susceptibles d'être dégradés ; les mécanismes qui peuvent intervenir sont nombreux : dégradation par les micro-organismes présents dans le sol, hydrolyse, photolyse par les rayons du soleil... La capacité des molécules à être dégradées est très variable, et les processus impliqués dans la dégradation sont très diversifiés. Cette capacité à être dégradée est caractérisée le plus souvent par la DT50, ou demi-vie, c'est-à-dire le temps qu'il faut pour que la moitié des molécules appliquées soit dégradée. Il ne s'agit que d'une grandeur moyenne, qui pour une substance donnée varie avec les conditions du milieu où elle se trouve : des températures extrêmes ou des conditions de sécheresse inhibent la dégradation, de même que des conditions d'humidité trop marquées. En général, la dégradation biotique est la plus efficace dans la zone active du sol, c'est-à-dire dans les premières dizaines de centimètres sous la surface, où l'activité biologique est importante.

Il faut noter qu'en général la dégradation n'est pas totale, mais conduit à des produits de dégradation, ou métabolites, qui peuvent également être toxiques pour les organismes non-cibles. Leur devenir environnemental est souvent moins bien connu que celui des substances actives, par manque de connaissances sur ces molécules, à la fois du point de vue de leur formation et du point de vue de leurs caractéristiques (DT50, Koc). En effet, seuls les « métabolites pertinents », qui représentent au minimum 10 % des produits de dégradation d'une molécule sont étudiés dans les dossiers d'homologation des substances actives.

Caractéristiques d'une zone tampon

Il ressort de ces deux points que tout élément du paysage qui permet aux pesticides d'être retenus et/ou dégradés peut jouer le rôle de zone tampon : il faut cependant qu'il soit en position d'intercepter les écoulements transportant les contaminants, qu'il soit plutôt riche en matière organique pour favoriser l'adsorption, et qu'il favorise un long temps de séjour, ainsi que l'activité biologique pour la dégradation (Figure 1). Les éléments paysagers situés en bordure de champ présentent souvent tout ou partie de ces caractéristiques, et gagneraient à être entretenus de façon à les préserver voire les renforcer.

Les zones tampons « sèches »

Adsorption et dégradation par les micro-organismes du sol

On distingue couramment les zones tampons « sèches » des zones tampons « humides », même s'il existe en réalité un continuum entre ces deux extrêmes.

Les zones tampons « sèches » incluent les zones tampon enherbées ou boisées, les haies, haies sur talus, fascines, prairies. Le processus dominant l'efficacité de ces structures est l'infiltration de l'eau et des pesticides en solution dans le sol de la zone tampon. La perméabilité du sol est en effet souvent accrue par la présence d'une végétation pérenne, idéalement avec un bon chevelu racinaire, qui augmente le taux de matière organique du sol et renforce sa structure, améliorant ainsi sa perméabilité qui va favoriser l'infiltration. Les pesticides ainsi infiltrés ont une probabilité importante d'être adsorbés au sein de ce sol riche en matière organique (et ce d'autant plus que leur Koc est élevé), puis d'être dégradés, même si en général les taux de dégradation ne sont pas significativement plus élevés que sur les parcelles cultivées où les micro-organismes dégradants sont globalement adaptés à la présence de pesticides. La littérature scientifique montre des efficacités souvent supérieures à 90 % d'abattement des flux pour des bandes enherbées correctement dimensionnées.

Sédimentation

Par ailleurs, la présence de végétation suffisamment dense augmente la rugosité à la surface du sol et freine les écoulements, ce qui favorise aussi l'infiltration des substances mais également la sédimentation des particules de sol érodées à l'amont de la zone tampon, et permet de retenir les pesticides qui y sont adsorbés. Notons toutefois que ce dépôt concerne d'abord les particules de sol les plus grossières, alors que les pesticides sont préférentiellement adsorbés sur les particules qui présentent la plus grande surface spécifique(2), qui sont les plus fines : le rôle de sédimentation des matières en suspension ne peut donc suffire à limiter les transferts de pesticides, d'autant que cette sédimentation ne concerne pas les pesticides qui s'adsorbent peu (Koc faible), pour lesquels seule l'infiltration au sein de la zone tampon sera efficace. Ainsi les fascines ou les haies dénuées d'un pied de haie assez large peuvent être efficaces pour lutter contre l'érosion en ralentissant l'écoulement, en filtrant les particules grossières et en favorisant leur dépôt. Elles ne peuvent en revanche pas suffire pour limiter efficacement les ruissellements et transferts de pesticides associés.

Les haies ou haies sur talus, avec un pied de haie assez large et végétalisé, sont des aménagements a priori intéressants pour limiter le transfert de pesticides, car elles accroissent la perméabilité et la teneur en matière organique du sol. Elles ont toutefois surtout été étudiées jusqu'ici pour leur capacité à limiter les transferts de nitrates ; il reste à évaluer le risque de transferts préférentiels le long de leur réseau racinaire, qui pourraient induire un transport rapide des pesticides vers une nappe sous-jacente, en « court-circuitant » la capacité de rétention de la matrice du sol. L'agroforesterie, qui ne peut pas être classée comme zone tampon stricto sensu au sens de la définition donnée plus haut, semble également une pratique susceptible de limiter efficacement les transferts de pesticides.

Ce type de zone tampon arbustive ou arborée permet également de limiter la dérive de pulvérisation, en éloignant la zone traitée du milieu aquatique pour les zones tampons occupées par une végétation basse, voire en bloquant le nuage de pulvérisation dans le cas de haies assez hautes. Le processus de dérive pouvant représenter une part significative des doses appliquées, parfois jusqu'à 30 %, ce rôle est important.

Les zones tampons « humides »

ZTHA, ouvrages de rétention et de remédiation

Les zones tampons « humides » incluent les zones tampon humides artificielles (ZTHA), les ouvrages de rétention et de remédiation (OR2) et les fossés. L'effet recherché dans ce cas est de stocker l'eau provenant des parcelles agricoles pour rallonger le temps de séjour et ainsi favoriser les processus de dissipation des pesticides avant la restitution de l'eau au cours d'eau.

La terminologie ZTHA n'a pas d'existence réglementaire comme peuvent en avoir les dispositifs enherbés de bord de cours d'eau. C'est la fonction qui lui confère son rôle « tampon » ou rétention au sein du versant (Figure 2). Les ZTHA ont une origine anthropique, contrairement aux zones humides naturelles, mais leurs fonctionnalités sont similaires. Le fonctionnement hydraulique des ZTHA peut être de différents types : de subsurface quand le chemin de l'eau traverse un filtre poreux, ou à surface libre, pouvant aller du marais pour une lame d'eau intermittente au lagunage dans le cas d'une lame d'eau permanente. L'eau collectée provient souvent d'un réseau de drainage. Les ouvrages de rétention et de remédiation répondent aux deux objectifs de protéger la population contre les inondations et de limiter les flux de pesticides vers les eaux de surface. Le volume de ces structures est souvent important, puisqu'il s'agit de protéger l'aval contre des écoulements de période de retour pluriannuelle. L'eau collectée provient en général du ruissellement de surface.

Adsorption réversible et processus de dégradation

Dans les deux cas, le stockage temporaire de l'eau permet aux processus de dissipation de s'exprimer :

• L'adsorption peut avoir lieu sur les surfaces solides présentes dans les ZTHA : sédiments, végétation vivante ou morte. Notons toutefois que ce processus d'adsorption peut être réversible, puisqu'il s'agit d'un équilibre entre les phases solubles et sorbées du pesticide : dans ce cas, le signal de contamination est étalé dans le temps, avec un pic de concentration moins élevé, mais il n'y a pas d'abattement des flux exportés à proprement parler. Pour des milieux aquatiques vulnérables, cela permet toutefois de réduire la toxicité aiguë de la pollution ainsi transférée.

• L'augmentation du temps de séjour de l'eau favorise par ailleurs les processus biotiques et abiotiques de dégradation. Il peut s'agir de photodégradation (effets de la lumière), d'hydrolyse (réactions d'oxydo-réduction essentiellement) ou de biodégradation par les micro-organismes, qui constitue, comme pour la dégradation dans les sols, le processus majoritaire. Ces processus de dégradation sont lents et seront donc favorisés par un temps de séjour important. La présence de végétation influence ces processus selon des voies multiples : elle peut prélever les substances dans le milieu et diminuer ainsi les quantités disponibles au transfert. Les pesticides sont toutefois susceptibles d'être restitués quand la végétation meurt. Elle augmente la rugosité du milieu et accroît ainsi les temps de séjour dans la ZTHA tout en favorisant le dépôt des particules. Elle aère les sédiments, et accroît ainsi l'activité biologique et la dégradation. Enfin, elle peut servir de surface adsorbante pour les pesticides, et fournir du carbone organique aux micro-organismes impliqués dans la dégradation des pesticides quand elle se décompose. L'efficacité des ZTHA peut aller jusqu'à 100 %, mais peut également être très faible pour des temps de séjour faibles ou pour certaines molécules peu sensibles aux processus de dégradation impliqués.

Rôle des fossés

Selon leurs caractéristiques, les fossés peuvent jouer des rôles opposés vis-à-vis du transfert des pesticides : des fossés collecteurs de drainage, à fort gabarit et régulièrement curés joueront un rôle de court-circuit, transférant rapidement les flux collectés au milieu récepteur, cours d'eau ou nappe sous-jacente. A contrario, un fossé permettant un temps de séjour significatif pour les flux collectés et dont le lit est riche en matière organique (brulis dans les régions où ce mode d'entretien est autorisé, résidus de végétation, végétation vivante dans une moindre mesure) pourra jouer en partie le rôle d'une ZTHA. Ce rôle tampon peut être accentué par la mise en place de redents (petites buttes en travers du lit mineur) créant autant de petites retenues. Enfin, un fossé infiltrant (c'est-à-dire qui, en fonction de la saison, ou du rôle pour lequel il a été créé, collecte du ruissellement de surface plutôt que des flux de drainage ou des écoulements de subsurface) pourra agir en partie comme une zone tampon végétalisée.

Nécessité d'un diagnostic d'implantation et d'entretien

Des cas de zones tampons inefficaces

Ainsi, de nombreux éléments du paysage (ou « infrastructures agri environnementales » pour reprendre un terme actuellement utilisé) peuvent jouer un rôle de zone tampon, sous réserve de permettre aux processus présentés plus haut de se dérouler de façon efficace. Une condition nécessaire est que l'élément considéré soit effectivement en position d'intercepter les transferts hydriques de pesticides : il doit donc être situé sur la trajectoire des écoulements responsables de ces transferts. De plus, il doit présenter des caractéristiques permettant le type d'action d'atténuation recherché.

Par exemple, une zone tampon enherbée est destinée à intercepter les flux de pesticides transférés par le ruissellement et son efficacité est en grande partie liée à sa capacité d'infiltration. Ainsi, si une zone tampon enherbée est saturée en eau (zone hydromorphe, saturation temporaire liée à une couche peu perméable à faible profondeur), son efficacité sera très faible car l'infiltration y sera limitée. Si le ruissellement entre sur la bande enherbée de façon concentrée en rigole, ce qui est souvent le cas quand l'écoulement s'organise sur de grandes longueurs de versant, l'efficacité sera également limitée, car seule une faible proportion de la zone pourra jouer son rôle de tampon. Autre cas de figure, si les pesticides sont essentiellement transférés via un réseau de drainage dont le collecteur passe sous la bande enherbée, elle ne sera également que de peu d'utilité. De même, si un talus situé en travers de la pente bloque les écoulements, mais qu'un trou a été créé au point bas de son linéaire, l'effet tampon est nettement diminué, d'autant que les écoulements se feront ensuite sous forme concentrée à l'aval du talus.

Dans le cas d'écoulements concentrés, par exemple provenant du drainage agricole par tuyaux enterrés, ce sont plutôt les zones tampons « humides » qui sont adaptées. On l'a vu, le temps de séjour est un facteur clé de l'efficacité : il convient donc d'y éviter les courts-circuits hydrauliques, en forçant l'eau à cheminer au sein de la zone tampon, et de bien dimensionner le dispositif pour disposer d'un temps de séjour suffisant. Ce dimensionnement va notamment dépendre du fait que la zone tampon collecte toutes les eaux provenant de l'amont, ou que, au contraire, elle n'en collecte qu'une partie, par exemple les eaux d'amorce de saison de drainage, souvent plus concentrées en pesticides.

Diagnostiquer les écoulements

Avant d'assigner à un élément du paysage préexistant un rôle de zone tampon, ou de mettre en place spécifiquement une zone tampon, un diagnostic des écoulements est donc nécessaire. Il gagne à être réalisé à l'échelle d'un bassin versant ou d'une aire d'alimentation de captage, afin d'identifier à cette échelle les zones les plus vulnérables aux transferts, et d'optimiser le choix, le positionnement et le dimensionnement des zones tampons (Figure 3). Il importe notamment d'agir le plus en amont possible, dès la genèse des flux, pour limiter la concentration en rigole des écoulements. Il est toutefois toujours intéressant de réaliser aussi un tel diagnostic au sein de chaque parcelle agricole, pour identifier les situations à risque et permettre d'y remédier. Une fois décidés l'emplacement et le type de zone tampon à implanter, des outils existent pour les concevoir et dimensionner au mieux, par exemple pour les zones tampons enherbées(3) ou pour les ZTHA (Tournebize et al., 2015). Ces outils peuvent également être utilisés pour vérifier que les dimensions d'un dispositif existant conviennent.

Une fonction parmi d'autres

Les zones tampons représentent donc des éléments du paysage intéressants pour limiter les transferts de pesticides vers le milieu aquatique, en complément des actions mises en oeuvre à l'échelle des parcelles et des itinéraires culturaux pour réduire la pression polluante. Leur efficacité est en général d'autant meilleure qu'elles se situent à proximité de la source potentielle de contamination : les bords de champ sont donc des zones particulièrement intéressantes à exploiter de ce point de vue. Selon le type d'élément du paysage considéré, son rôle tampon vis-à-vis du transfert de pesticides peut se doubler d'un rôle tampon pour d'autres contaminants d'origine agricole : matières en suspension et érosion, nitrates, phosphates, atténuation des inondations... De plus, ces zones non cultivées sont susceptibles d'offrir des fonctionnalités multiples : zone refuge pour des auxiliaires de culture ou le petit gibier, production de biomasse, ombre pour le bétail, intérêt paysager, brise-vent... Selon les fonctionnalités souhaitées, le contexte et les éléments paysagers déjà présents, il pourra être décidé d'implanter des éléments complémentaires et d'adapter les modes de gestion.

(1) Les produits phytosanitaires ou produits phytopharmaceutiques sont constitués d'une ou plusieurs substance(s) active(s) et d'adjuvants utilisés pour optimiser leur efficacité. Les processus décrits ici concernent les substances actives, ces dernières étant supposées se dissocier rapidement des adjuvants, une fois dans l'environnement.(2) C'est-à-dire surface disponible pour l'adsorption, pour une masse donnée de particules : plus les particules sont petites, plus la surface qu'elles présentent est importante.(3) http://buvard.irstea.fr/