Influence des flux anthropiques de nutriments et des caractéristiques du territoire sur la qualité de l'eau : une perspective historique du bassin du Saint-Laurent

Abstract

L'azote (N) et le phosphore (P) sont au coeur des défis visant à concilier production alimentaire et qualité d'eau. Si N et P sont essentiels à la production agricole, l'enrichissement des écosystèmes aquatiques par ces éléments nutritifs peut occasionner une perte d'oxygène dans le milieu, une perturbation des réseaux trophiques, la prolifération d'algues nuisibles toxiques et une perte de biodiversité. Ce processus d'eutrophisation entraîne donc d’importantes conséquences sur la santé humaine et les économies locales. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension des facteurs anthropiques et naturels régissant les flux de N et P à l'échelle des bassins hydrographiques, et ce en voie d’une meilleure gestion des nutriments au nexus eau-alimentation. D'abord, nous nous penchons sur l’impact des activités humaines sur les flux de N et P dans 76 bassins versants du Saint-Laurent, et ce dans une perspective historique couvrant le dernier siècle. Nous montrons que depuis 1901 les surplus de N et P au bassin du Saint-Laurent (BSL) ont augmenté respectivement de 4,5 fois et 3,8 fois, avec un pic en 1991 principalement dû aux dépôts de N atmosphérique et à l'application d'engrais phosphatés. Ces apports nets anthropiques au territoire sont fortement liés aux charges fluviales où ~22% des surplus de N et ~17% des surplus de P sont exportés par les rivières. En suivant les principales sources d'intrants au territoire à travers le temps, cette étude souligne que les stratégies devront être spécifiques à chaque région, bien qu'elle montre aussi clairement l’impact positif de législations à grande échelle (Goyette et al. 2016). Si nous savons que les apports anthropiques de N et P au territoire favorisent l'export fluvial, notre compréhension d'autres facteurs contrôlant ces transferts demeure limitée. Aussi, au-delà des apports absolus au milieu aquatique, les concentrations relatives de N et P influencent la qualité de l’eau. Nous montrons que les précipitations et la capacité de rétention d’eau du territoire agissent comme principales forces de contrôle et de découplage des flux de N et P et que les lacs et réservoirs jouent un rôle second, mais significatif. Nous observons un effet de legs historique, et ce particulièrement lors de précipitations extrêmes, et concluons que face aux changements climatiques, l'augmentation de capacité de rétention d'eau des territoires sera essentielle à l'atténuation de l'eutrophisation (Goyette et al. in review a). L'effet de legs en P est une problématique majeure de l'eutrophisation. Cependant, les décalages temporels des flux de P encourus par cet effet demeurent incertains. Aussi, l’existence d’un seuil d’accumulation au-delà duquel un bassin dépasse sa capacité optimale de rétention de P est inconnue. Nous nous penchons donc sur la capacité tampon en P des bassins versants, tant durant la phase d’accumulation que celle d’épuisement des stocks accumulés. Nous montrons que le seuil d'accumulation pour une rétention optimale de P par les bassins versants est particulièrement bas et qu’il peut être atteint en moins de 10 ans aux taux actuels d'intrants dans les régions fortement agricoles. À l'inverse, le retour aux conditions initiales pourrait prendre plusieurs siècles. L'étude présente pour la première fois un seuil de saturation en P à l'échelle du bassin versant et met en lumière la nécessité d’exploiter les stocks de P accumulés dans les sols (et sédiments) afin de concilier production alimentaire et qualité d'eau (Goyette et al. in review b). Parmi différentes mesures d’atténuation de pollution par les nutriments, l’augmentation d’efficience d’utilisation de N et P dans le secteur agricole apparaît comme une stratégie clé. Nous dressons donc un portrait des tendances temporelles d’efficience d’utilisation de N et P dans la filière agroalimentaire du BSL au cours du dernier siècle. Nous montrons que l’agriculture de cette région était non durable entre 1901 et 1960 épuisant graduellement les sols de leurs nutriments, et que par l’utilisation de fertilisants, le système a rapidement basculé vers un système inefficient où ~70% et ~90% des apports en N et P respectivement sont aujourd'hui perdus vers l'environnement. Nous observons que la simple augmentation d'efficience au sein du système agroalimentaire n'est pas garante d'une diminution des pertes en nutriments vers l'environnement et concluons donc, qu'en parallèle aux gains d'efficience, un seuil maximal de pertes vers l'environnement doit être quantifié et imposé, afin de respecter la capacité de support des écosystèmes (Goyette et al. in prep). En quantifiant l'effet différentiel des activités humaines, du climat et de certaines caractéristiques du territoire sur les flux de N et P, cette thèse dégage de l’information pertinente à une meilleure gestion de ces nutriments au sein des systèmes socio-écologiques.

Nitrogen (N) and phosphorus (P) are at the heart of the challenges of reconciling food production and water quality. If N and P are essential nutrients for agricultural production, nutrient enrichment of aquatic ecosystems can lead to loss of oxygen in the water, disruption of food webs, proliferation of toxic algae, and loss of biodiversity. This eutrophication process therefore has important consequences for human health and local economies. The aim of this thesis is to improve our understanding of anthropogenic and natural factors governing N and P fluxes at the watershed scale, in order to foster a better nutrient management at the Food-Water Nexus. First, we examine the impacts of human activities on N and P fluxes in 76 watersheds of the St. Lawrence, from a historical perspective covering important social transitions of the last century. We show that since 1901, the N and P surpluses in the St. Lawrence basin have increased by 4.5 and 3.8 times respectively, with a peak in 1991 mainly due to atmospheric N deposition and the application of phosphate fertilizer. These net anthropogenic inputs to the landscape are strongly related to riverine loads where ~ 22% of N and ~ 17% of P surpluses are exported by rivers. By tracking the main sources of inputs to the landscape over time, this study emphasizes that strategies will need to be region-specific, although it also clearly shows the positive impact of large-scale legislation (Goyette et al. 2016). While the anthropogenic inputs of N and P to the landscape favor riverine exports, our understanding of other factors controlling the transfers remains limited. Also, beyond absolute nutrient loads to aquatic ecosystems, the relative concentrations of N and P influences water quality. We thus explore the role of different land and climate characteristics in controlling and decoupling N and P fluxes along the aquatic network. We show that precipitation and water retention capacity of the landscape act as the main controlling forces on these fluxes, and that lakes and reservoirs play a secondary but significant role. We also identify a legacy effect, especially during extreme precipitation events. We conclude that, in the face of climate change, increasing the water retention capacity of the landscape is essential to mitigating eutrophication (Goyette et al. in review a). Legacy P is known as a major water quality issue, yet time lags incurred by this effect remain uncertain. Moreover, the existence of an accumulation threshold beyond which a basin exceeds its optimal P retention capacity is unknown. We show that the accumulation threshold for optimal P retention by watersheds is particularly low and can be achieved in less than 10 years at current input rates in highly agricultural regions. Conversely, a return to initial conditions in terms of water quality could take several centuries. Our study presents for the first time a threshold of P buffering capacity at the watershed scale and highlights the need to exploit residual P stocks in soils (and sediments) in order to reconcile food production and water quality (Goyette et al. in review b). Among various measures to mitigate nutrient pollution, increasing nutrient use efficiency in the agricultural sector is emerging as a key strategy. We therefore draw a portrait of temporal trends in N and P use efficiency in the agro-food sector of the St. Lawrence basin during the last century. We show that agriculture in this region was unsustainable between 1901 and 1960, gradually depleting soils of nutrients, and that through the use of fertilizers, the system rapidly tipped to an inefficient system where ~70% of N and ~90% and P resources are lost to the environment. We observe that an increase in efficiency within the agro-food system does not guarantee a decline in nutrient pollution and thus conclude that, in parallel with gains in efficiency, there is an urgent need to identify and constrain human activities to the carrying capacity of ecosystems (Goyette et al. in prep). By quantifying the different effects of N and P transport and retention by human activities and key climate and landscape features, this thesis provides relevant information to a better understanding of the dynamics of N and P within socio-ecological systems.