La forêt et l eau potable

Transcription

1 La forêt et l eau potable Une étude bibliographique Christoph Hegg Michel Jeisy Peter Waldner Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage, WSL

2

3 La forêt et l eau potable Une étude bibliographique Christoph Hegg Michel Jeisy Peter Waldner Editeur Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage, WSL, Birmensdorf, 2006

4 Responsable de l édition: J. Roost, Directeur WSL a. i. La présente publication est le résultat d une étude bibliographique réalisée par le WSL et largement financée par l Office fédéral de l environnement, des forêts et du paysage. Auteurs: Institut fédéral de recherches WSL, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf: Christoph Hegg, Michel Jeisy, Peter Waldner Groupe de révision: Institut fédéral de recherches WSL, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf: Christoph Hegg, Alois Kempf, Patrick Schleppi, Melissa Swartz Institut fédéral de recherches WSL, Antenne romande, case postale 96, CH-1015 Lausanne: Jean Combe, Walter Rosselli Groupe d encadrement: Office fédéral de l environnement, des forêts et du paysage, CH-3003 Berne: Daniel Hartmann, Christian Küchli (conduite), Benjamin Meylan, Hans Peter Schaffner, Claire-Lise Suter, Richard Volz Beat Jordi, journaliste indépendant, Dählenweg 7, Postfach 7065, CH-2500 Bienne 7 Maquette: Institut fédéral de recherches WSL, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf: Margrit Wiederkehr Traduction: Monique Dousse, Kirchmattweg 10, 6312 Steinhausen Référence documentaire: Hegg, C.; Jeisy, M.; Waldner, P., 2006: La forêt et l eau potable. Une étude bibliographique. Birmensdorf, Institut fédéral de recherches WSL, 60 pages Publiée aussi en allemand: (pdf) ISBN Diffusion: Bibliothèque WSL Zürcherstrasse 111 CH-8903 Birmensdorf Fax: (+41) (0) Courriel: publikationenvertrieb@wsl.ch Prix: CHF 20. Institut fédéral de recherches WSL, 2006

5 Hegg C. et al Abstract Forests and drinking water a literature review As a base for political decisions a literature research on the influence of forests on the quality of drinking water was carried out. In Switzerland groundwater infiltrating through forests normally is of high quality for two reasons. Because of legal restrictions in forested areas little activities take place that have a negative impact on water quality (passive influence of the forest). Forests in general and especially forest soils alter or absorb chemical and biological pollutants (active influence of the forest). In most cases the passive influence is more important. The capability of forests to absorb pollutants is limited. Therefore negative influence of continuing Nitrogen input by aerial pollution on drinking water quality has to be expected. A quantification of this effect is not possible because the capability of a forest to absorb or alter pollutants depends on many factors. E.g. soils below beech trees absorb and alter more pollutants that soils below spruce. Forest management can have a positive long term influence on the active influence of forests on the water quality through altering the species of a forest and thus initiating a change in soil properties. Forest management may have a negative short term influence on water quality through harvesting. Clear cutting breaks open the nutrient cycle of the forest ecosystem on a large area and results in an important nutrient pulse to the ground water. Keywords Water quality, drinking water, forest influence, literature review

6

7 Hegg C. et al Avant-propos «La forêt est garante d une eau potable de qualité». Jusqu à présent, cette considération était partagée sans réserve ou presque en Suisse. Il est vrai qu aujourd hui, l eau provenant des zones de protection des eaux souterraines en forêt est en général une eau potable de haute qualité et utilisable sans devoir être traitée. Mais les atteintes actuelles portées à l environnement (notamment la pollution de l air) ainsi que les modifications des bases légales en cours risquent d influencer fondamentalement ces prestations fournies par la forêt. En vue de disposer de bases scientifiques solidement fondées, l OFEFP a mandaté le WSL pour élaborer la présente étude bibliographique. Aux côtés des auteurs, de nombreuses personnes ont contribué à la réalisation de ce travail. Nous les remercions de leur collaboration franche et constructive. Jean Combe, Alois Kempf, Walter Rosselli, Patrick Schleppi et Melissa Swartz, membres du groupe de révision au WSL, ont apporté un appui déterminant dans la mise au point technique de cette étude; le groupe d encadrement de l OFEFP, dirigé par Christian Küchli et constitué de Daniel Hartmann, Beat Jordi, Benjamin Meylan, Hans Peter Schaffner, Claire-Lise Suter et Richard Volz, a formulé les objectifs de l étude et accompagné les travaux d ordre technique et politique; la bibliothèque du WSL nous a procuré de multiples publications parues sur ce thème en Suisse et à l étranger une base indispensable à la réalisation de ce travail; Michel Jeisy a assumé la mise en page du rapport avec l aide efficace de Sandra Gurzeler. Nous remercions tout particulièrement aussi la Direction fédérale des forêts, à l Office fédéral de l environnement, des forêts et du paysage, pour son aide financière substantielle sans laquelle ce projet n aurait pu être réalisé. Birmensdorf et Berne, le 7 novembre 2005 Christoph Hegg et Christian Küchli

8

9 Hegg C. et al Table des matières Abstract 3 Avant-propos 5 1 Introduction 9 2 Méthodique Description des méthodes de recherche 9 3 Description de la bibliographie 10 4 Discussion à propos des questions clés Littérature portant sur les thèmes traités Etat de la recherche sur les questions émanant de la pratique Modèle du système «forêt, eau et qualité de l eau» Evaluation de l applicabilité Question A: Dans quelle mesure la forêt, la composition des 19 essences et la gestion forestière influencent-elles la qualité de l eau? Question B: Quelles conséquences les dégâts dus aux tempêtes 22 ont-ils sur la qualité de l eau potable en forêt? Question C: Quel type de gestion forestière favorise au mieux la 23 qualité de l eau potable? Question D: Quels sont les modèles de calcul et d indemnisation 27 existants et lesquels ont-ils fait leurs preuves? Question E: Que se passe-t-il sur le parcours d infiltration? 28 5 Conclusions 29 Annexe 1: Liste des personnes 31 Annexe 2: Sites d étude 32 Annexe 3: Bibliographie 33

10

11 Hegg C. et al Introduction La Direction fédérale des forêts a la tâche légale de garantir que les forêts puissent remplir entièrement leurs fonctions. Les bases de décisions en la matière résident entre autres dans les connaissances scientifiques concernant la gestion forestière et l effet que les forêts exercent sur la qualité de l eau potable. Les recherches menées à ce propos sont encore peu nombreuses en Suisse, contrairement à certains pays voisins. L OFEFP a donc mandaté le WSL pour rechercher dans la littérature les études sur la forêt et l eau potable et en sélectionner les résultats plausibles et politiquement crédibles au sujet des effets qu exerce la forêt sur la qualité de l eau potable en Suisse. L objectif de cette étude est de donner aux acteurs de la pratique une réponse aux cinq questions suivantes: A Dans quelle mesure la forêt, la composition des essences et la gestion forestière influencent-elles la qualité de l eau? B Quelles conséquences les dégâts dus aux tempêtes ont-ils sur la qualité de l eau potable en forêt? C Quel type de gestion forestière favorise au mieux la qualité de l eau potable? D Quels sont les modèles de calcul et de d indemnisation existants et lesquels ont-ils fait leurs preuves? E Que se passe-t-il sur le parcours d infiltration? Pour répondre à ces questions, un grand nombre d articles sur la forêt et l eau potable ont été extraits de revues scientifiques du monde entier et de publications européennes axées sur l applicabilité. En outre, la possibilité de reporter les principales considérations émises aux conditions régnant en Suisse a été examinée. Les divergences entre les questions et les résultats applicables en Suisse permettent d en déduire les domaines nécessitant la poursuite de recherches scientifiques. 2 Méthodique 2.1 Description des méthodes de recherche Pour obtenir une liste la plus complète possible de la littérature existant sur le thème «forêt et eau potable», des bases de données bibliographiques ont été recherchées dans Internet et des experts ont été sélectionnés et directement contactés (voir liste des personnes dans l annexe 1). Les premiers éléments ayant alimenté cette recherche bibliographique sont les suivants: divers articles publiés dans la revue «Environnement suisse» et dans le périodique «Wald und Holz» par MEYLAN (2003, 2001), KÜCHLI et MEYLAN (2002), HARTMANN et al. (2003) et JORDI (2001, 2003); les Actes de la Journée thématique «eau et bois» du WSL (COMBE et ROSSELLI 2002); les communiqués et notes de synthèse (KESSLER 2003a, 2003b) sur la Journée de la forêt qui s est tenue à l occasion de l année internationale de l eau, lancée par l ONU; et les résultats de la recherche menée sur ce thème au WSL. A l aide de ces informations et des idées résultant d un remue-méninges complémentaire, une liste de mots-clés a été dressée. C est ainsi que les bases de données, revues, séries et références recueillies dans Internet furent recherchées en juin 2003 (voir tabl. 1).

12 10 La forêt et l eau potable Tableau 1: Liste des bases de données, revues, séries et moteurs de recherche d Internet. Epoque de la recherche Bases de données et séries Web of Science 23 juin 2003 Web of Knowledge fin juin 2003 BIOSIS fin juin 2003 CAB Abstracts fin juin 2003 ULIT, bases de données sur l environnement juin 2003 Bibliothèque de Nancy ENGREF juin 2003 Bibliographia scientiae naturalis helvetica BSNH juin 2003 ELFIS juin 2003 NEBIS juin 2003 OFEFP, Division protection des eaux et des cours d eaux juin 2003 Revues BSNH, SFZ, Bündnerwald début juin 2003 Internet Google de juin 2003 à mars 2004 Les publications ainsi récoltées furent rassemblées dans un fichier EndNote avec celles des experts contactés. Ce répertoire englobe les données bibliographiques, les sources ainsi que les résumés ou les URL disponibles. La liste bibliographique fut ensuite classée par ordre de priorité et soumise au groupe de révision pour examen et appréciation. Sur la base de cette évaluation, la liste des principales publications a été réexaminée et les références encore manquantes y ont été ajoutées. Pour la plupart des auteurs et des organisations cités, leurs listes de publications et d autres données ont été recherchées par Internet ou dans le catalogue NEBIS 1 et le périodique Web of Science. Cette démarche a permis de découvrir une centaine d autres publications. Toutes ces publications ont été rattachées à l une ou à plusieurs des questions posées par la pratique. D autres articles y ont encore été ajoutés ultérieurement, mais ils n ont pas été pris en compte dans les évaluations statistiques. Les publications se rapportant à des recherches sur le terrain ont aussi été réparties selon les sites d étude. La comparaison des caractéristiques biogéographiques de la Suisse avec celles des divers sites d étude, tout comme celle des processus impliqués, ont servi de base à l examen de l applicabilité en Suisse des principales considérations émises. 3 Description de la bibliographie La liste bibliographique «forêt et eau potable» comptait 805 références au moment de l évaluation. La liste complète, avec indications bibliographiques, se trouve à l annexe 3. Les publications y sont classées par ordre alphabétique. Il existe au WSL une base de données bibliographiques EndNote dans laquelle figurent des informations complémentaires, comme la répartition des questions, l Abstract ou les sites d étude. 1 Réseau de bibliothèques et de centres d information en Suisse

13 Hegg C. et al Articles de journaux Comptes rendus de conférences Chapitres díouvrages Ouvrages 627 Figure 1: Types de publication d où proviennent les références citées dans la liste bibliographique «forêt et eau potable» La figure 1 présente la répartition de la littérature recensée dans l un des quatre types de publication, soit Articles de journaux, Comptes rendus de conférences, Chapitres d ouvrages et Ouvrages. Les articles de journaux proviennent de plus de 170 revues. Près d un tiers des articles ont été publiés dans l une des six revues suivantes: Forest Ecology and Management, Water, Air and Soil Pollution, Biogeochemistry, Journal of Hydrology, Journal of Environmental Quality et AFZ Der Wald. Une quarantaine d autres revues contenaient entre 5 et 15 articles sur ce thème. Dans les 120 revues restantes, seules deux parutions au maximum ont été trouvées à ce propos. Quelque 85 % des publications trouvées ont été publiées entre 1991 et aujourd hui. Le nombre de références par année n a cessé d augmenter considérablement entre 1991 et Mais cela ne signifie pas que l influence de la forêt sur la qualité de l eau n ait pas été étudiée auparavant déjà. En 1974 par exemple, une édition de la revue forestière Allgemeine Forstzeitschrift (FRÖHLICH 1974) fut entièrement consacrée à la forêt et à l eau. Elle contient de nombreux articles portant sur la qualité de l eau dans les zones boisées (BÜCKING 1974; HÖLL 1974; KELLER 1974; KUNKLE 1974; SCHULZ 1974). Les références se rapportent à plus d une centaine de sites d étude répartis dans le monde entier. Soulignons que sur la base des informations fournies, seules 60 % publications ont pu être attribuées à l un de ces sites. Les recherches provenant de pays tropicaux n ont pas été recensées parce que leurs résultats ne sont pas applicables chez nous. Environ 45 % des sites pris en considération se trouvent en Europe, 50 % aux Etats-Unis et 5 % seulement dans d autres pays. Deux tiers des publications se rapportent à des sites européens et un tiers seulement à leurs équivalents américains. La majorité des sites étudiés en Europe se trouve en Allemagne (une cinquantaine) et une grande partie des publications les concernant se rapporte à des recherches effectuées en Bavière. La France, la Grande-Bretagne et la Scandinavie détiennent aussi de nombreux sites d études (cf. annexe 2). La plupart des références (80 %) sont classées sous la rubrique des publications scientifiques. Seules 9 % sont considérées comme des produits de vulgarisation et moins de 1 % sont des rapports ou des directives publiés à l intention de la pratique (voir fig. 2). Cette répartition étant généralement fondée sur le titre et le type de publication, ces chiffres ne sauraient être admis comme des valeurs absolues. Cette recommandation est d autant plus valable qu environ dix pour cent des publications n ont pu être attribuées à l un des quatre types énoncés.

14 12 La forêt et l eau potable Science Vulgarisation Pratique Rapports Non classés 642 Figure 2: Répartition des 805 références bibliographiques parmi les divers types de publications. 4 Discussion à propos des questions clés 4.1 Littérature portant sur les thèmes traités La figure 3 donne un aperçu du nombre d écrits trouvés à propos des cinq questions posées par les acteurs de la pratique (cf. Introduction). Face à la grande complexité de ce domaine dont les thèmes se recoupent souvent, il n a pas toujours été facile de classifier cette littérature. On se gardera donc de considérer les chiffres comme des valeurs absolues. Les réponses à la question C par exemple constituent en partie la base des jugements émis à la question A. Dès lors, quelques références ont été attribuées à plusieurs questions tandis que d autres n ont pu être classées dans aucune des rubriques présentées à la figure Question A Question B Question C Question D Question E 16 Non classés Figure 3: Répartition des écrits trouvés à propos des cinq questions posées par les acteurs de la pratique.

15 Hegg C. et al En raison de la large palette d éléments énoncés à la question A, la majorité des publications trouvées se rapporte à cette question. Toutefois, aucun article ou presque ne traite entièrement le sujet. Certains ne contiennent que des informations sur les dépôts azotés, d autres encore portent uniquement sur les processus de lessivage ou montrent les divers effets d un peuplement de résineux ou de feuillus sur la qualité de l eau. Il n existe que peu de publications qui décrivent tout le déroulement d un processus et en examinent les effets produits sur la qualité de l eau potable. Une telle étude, DISSMEYER (2000) l a réalisée pour l espace américain dans sa recherche bibliographique «Drinking Water from Forests and Grassland». En Europe, ce sont surtout des articles de revues qui résument les recherches menées jusqu à présent en Bavière, comme ceux de KÖLLING et NEUSTIFTER (1997) ou de ROTHE et al. (1998) entre autres. Nous constatons qu il existe en général un grand nombre d études sur les effets que la gestion forestière et les processus de dépôts et de lessivage exercent sur l eau d infiltration, mais ces travaux ne décrivent pas le reste du chemin suivi par l eau jusqu au captage. La question E étant très précise, de nombreuses références ont aussi été trouvées à ce propos. La majorité de ces écrits étudie le secteur du parcours d infiltration situé dans la zone d influence de la forêt (sol forestier pénétré de racines), mais peu d entre eux vont au-delà de ce parcours. Une grande partie des publications trouvées à propos de la question E se rapporte aux analyses du lessivage des éléments nutritifs. Celui du nitrate est traité dans la plupart des écrits. Un nombre restreint d articles ont été trouvés à propos des autres éléments nutritifs et polluants. Un peu plus de 60 publications portent sur l examen de la gestion forestière la mieux appropriée à l approvisionnement en eau potable (question C). L accent est mis sur la diminution des quantités d azote absorbé par le peuplement et sur l effet filtrant des houppiers ou l effet purificateur des sols forestiers (BOLTE et al. 2001; EMMETT et al. 1993). Mais rares sont les publications qui définissent sur quelle étendue spatiale un changement de gestion forestière devrait porter dans un bassin versant d eau potable pour que cette mesure produise un effet sur la qualité de l eau au captage (HENRIKSEN et KIRKHUSMO 2000; HÜSER et al. 1996; MELLERT 2000). En ce qui concerne les conséquences des dégâts dus aux tempêtes pour la qualité de l eau potable, seules quelques références ont été trouvées. Elles proviennent presque toutes de Bavière (MELLERT et al. 1998; SCHLÄR 1996; SCHLÄR 1999). Une grande partie des publications attribuées à la question B est consacrée aux expérimentations de coupes rases. En Suisse, la recherche en matière de chablis est principalement axée sur le reboisement du peuplement et la protection contre les avalanches et les chutes de pierres. Les publications relatives à la question D sont de loin les plus rares. OLSCHEWSKI et al. (1997) ont fait une analyse du rapport coût-efficacité de la protection des eaux à l aide d une afforestation. 4.2 Etat de la recherche sur les questions émanant de la pratique En Suisse, 80 % de l eau potable est puisée dans les nappes phréatiques et 40 % de cette quantité est soumise à un traitement complémentaire (HARTMANN et al. 2003). La plupart des bassins versants dans lesquels la nappe souterraine est réalimentée par l eau d infiltration sont boisés, en partie tout au moins, et d après une étude SIG de l OFEFP, 42 % de la superficie des zones de protection de ces eaux se trouvent en forêt (MELAN 2003). La quantité et la qualité des eaux d infiltration d un certain milieu sont dictées par plusieurs processus (cf. fig. 4 et 5). Outre le peuplement d arbres, de nombreux facteurs peuvent agir sur les processus déterminants et donc produire aussi un effet notable sur la qualité de l eau. Les affirmations généralement valables ne peuvent souvent s appliquer qu à l influence d un facteur sur un processus. L influence d un milieu sur la qualité de l eau potable

16 14 La forêt et l eau potable dépend aussi de la qualité de l eau d infiltration des autres milieux et des conditions hydrologiques régnant dans le bassin versant du captage. Avant d appliquer les résultats d une étude à d autres zones, il importe donc de s appuyer sur un modèle de systèmes ou de processus adéquat (alinéa 4.2.1) ou de prendre en considération les autres facteurs propres à ce milieu (alinéa 4.2.2) Modèle du système «forêt, eau et qualité de l eau» Etant donné que la littérature concernant le cycle hydrologique adopte divers modèles et différentes notions qui varient en fonction de la question posée et de l auteur (p. ex. LIKENS et BORMANN 1999; ORTLOFF et SCHLAEPFER 1996; SCHACHTSCHABEL et al. 1989), nous présentons ici le modèle et les notions utilisés dans ce chapitre. Valeur cible La valeur cible est la valeur à atteindre pour assurer la qualité de l eau potable prélevée dans les zones forestières. Cette valeur est applicable à toutes les questions posées par la pratique. La qualité de l eau se détermine à partir des concentrations de substances contenues dans l eau et susceptibles d avoir un effet positif ou négatif sur la santé. Pour éviter les effets néfastes à la santé, des exigences relatives à la qualité des eaux du sous-sol utilisées comme eau potable sont imposées dans le droit fédéral suisse sous forme de seuils de concentrations tolérables (cf. tabl. 2). Tableau 2: Liste des substances/paramètres sélectionnés et des exigences de qualité pour les eaux du sous-sol utilisées comme eau potable ou destinées à l être (Annexe 2 de l ordonnance sur la protection des eaux OEaux RS ), des valeurs relatives à l eau potable (Manuel suisse des denrées alimentaires [MSDA] et Ordonnance sur les substances étrangères et les composants dans les denrées alimentaires [OSEC]). Substances/paramètres Exigences pour eaux du sous-sol, Valeurs pour eau potable, selon OEaux selon MSDA resp. OSEC Oxygène aucun manque d oxygène plus de 60 % (but qualité MSDA) PH aucune valeur défavorable 9,2 Ammonium NH4+ (dans des 0,1 mg/l 0,5 mg/l) conditions oxydantes) - Nitrate NO 3 25 mg/l 40 mg/l (valeur de tolérance OSEC) - Sulfate SO 4 40 mg/l 200 mg/l Chlorure Cl - 40 mg/l 200 mg/l Pesticides 0,1 µg/l pour chaque substance 0,1 µg /l pour chaque substance (valeur de tolérance OSEC) Les substances posant un problème face à ces valeurs sont au cœur de cette étude. En Suisse, d après le Manuel NAQUA 2004 (OFEFP et OFEG), ces substances sont principalement le nitrate et le produit phytosanitaire Atrazine avec ses produits de décomposition comme la Desethylatrazine et la Desisopropylatrazine, notamment dans les nappes phréatiques du Plateau, ainsi que les hydrocarbures chlorés. Dans une partie des stations forestières, les dépôts atmosphériques de substances acides représentent un risque à long terme d acidification du sol et donc aussi d altération de la qualité des eaux d infiltration (KURZ et al. 1998).

17 Hegg C. et al Système En forêt, divers flux d eau et de substances influencent activement la quantité d eau d infiltration ainsi que sa qualité: Flux d eau Les principaux flux d eau traversant les compartiments du système sont présentés à la figure 4: La végétation, notamment les feuilles et les aiguilles des arbres, intercepte une partie des précipitations. Cette eau peut soit parvenir au sol peu après en se mêlant à celle qui se déverse dans le peuplement ou en s écoulant le long du tronc, soit regagner l atmosphère par évaporation/sublimation (perte par interception [BENECKE et VAN DER PLOEG 1978]). La nature du sol (épaisseur, proportion de particules fines, porosité) détermine la capacité de cet élément à emmagasiner l eau. Le type de végétation influence la quantité d eau retenue dans le sol qui sera absorbée par les racines (degré de recouvrement, extension des racines) ou directement évaporée à la surface du sol (ombre, couche de litière). Une grande partie de l eau qui n est pas stockée dans le sol ni absorbée par les racines s infiltre dans la nappe aquifère au travers des couches superficielles. atmosphère transpiration précipitations végétation houppier interception sol précipitations dans le peuplement infiltration prélèvement ruissellement de surface couches superficielles nappe phréatique évaporation percolation écoulement hypodermique captage d eau potable Figure 4: Schéma des flux d eau.

18 16 La forêt et l eau potable L eau d infiltration provenant de différents bassins versants partiels se mélange dans la nappe aquifère. La durée d écoulement ainsi que les processus de mélange et de transformation varient en fonction du type et des caractéristiques de la nappe aquifère (matériel meuble, failles, karst). Le ruissellement de surface et l écoulement hypodermique aboutissent généralement dans les eaux de surface. Mais le long des cours d eau, une exfiltration depuis la nappe phréatique et une infiltration dans celle-ci se produisent à divers endroits. Flux naturels de substances La figure 5 contient les principaux flux de substances influençant les concentrations de ces composants dans l eau: La neige et la pluie contiennent déjà des composants qui proviennent des aérosols et des gaz présents dans l air (dépôts humides). Les quantités de substances émises avec ces dépôts humides dépendent des concentrations d aérosol et de gaz atmosphériques. Les quantités supplémentaires de substances accompagnées de particules de poussière ou de gaz (dépôts secs) parvenant dans une zone sont fortement influencées aussi par la constitution de la végétation. Car celle-ci produit un effet filtrant lorsque des polluants se déposent à la surface des feuilles et des aiguilles des arbres. atmosphère végétation dépôts secs et dépôts humides stomates houppier échange entre couronnes couche de litière prélèvement chute des feuilles sol humus libération minéraux argileux racines et dépôt mycorhizes autres décomposition modifications biogéochimiques couches superficielles nappe phréatique Figure 5: Schéma des flux de substances.

19 Hegg C. et al Une distinction claire est à établir entre cet effet filtrant des houppiers et l effet purificateur du sol forestier. Dans le sol forestier, les concentrations de substances dans l eau d infiltration peuvent être modifiées sous l effet des processus suivants: dépôts de substances sur l humus et les minéraux argileux (site d échange d ions), prélèvement de substances par les racines et fixation dans la biomasse ainsi que d autres transformations biogéochimiques. Divers facteurs exercent une influence notable sur bon nombre de ces transformations. Ce sont les valeurs ph (réactions liées à l équilibre, échanges d ions) et les teneurs en oxygène (réactions rédox) dans le sol. Les transformations biogéochimiques peuvent aussi rendre hydrosolubles les substances emmagasinées dans la phase solide du sol ou dans la biomasse aérienne ou souterraine. Ces substances sont alors libérées (mobilisation). C est dire toute l importance que peut revêtir l histoire de l utilisation d une surface forestière. Des modèles de cycles biogéochimiques ont été établis pour divers éléments (conservation de la masse). Ces modèles contiennent tous les processus déterminants, mais ils sont souvent couplés l un à l autre. Nous présentons ci-dessous les principaux processus et, en italique, les facteurs d influence de quelques cycles (voir p. ex. GISI et al. 1997; ORTLOFF et SCHLAEPFER 1996; SCHACHTSCHABEL et al. 1989): Cycle d azote (N) Dépôts de NO 3- et de NH 4+ provenant d émissions de NO x, de NH 3 et de sources naturelles: Pollution de l air Effet filtrant des feuilles et des aiguilles des arbres Dépôts de NH 4+ sur l humus et les minéraux argileux (immobilisation) Proportion de minéraux argileux et d humus dans le sol Saturation en azote dans le sol (indice rapport C/N) Prélèvement de NO 3- et de NH 4+ par les racines et fixation dans la biomasse Profondeur de l extension des racines, degré de recouvrement de la végétation Décomposition de la biomasse (minéralisation) et libération de NH 4+ et de NO 3 - Température, ombre projetée par les houppiers Nitrification du NH 4+ en NO 3 - Teneurs en O 2, valeur ph Dénitrification du NO 3- en N 2 sous forme de gaz volatil Teneurs en O 2, valeur ph Dépôts acides Les polluants atmosphériques SO x,no x et NH 3, qui sont introduits par des dépôts secs et humides sous forme de SO 4 2-,NO 3- et NH 4+, ont un effet acidifiant. Dans de nombreux sols, les dépôts acides sont tamponnés par la dissolution du calcaire, par exemple. Lors de l acidification du sol (abaissement du ph), les éléments nutritifs des plantes, comme Mg, K et AI ainsi que les métaux lourds, sont évincés des sites d échanges de cations des minéraux argileux et ils se dissolvent. Polluants organiques Décomposition par les microorganismes (contact avec le biofilm, teneur en O 2 et temps de parcours). Substances chimiques décomposables et non décomposables Décomposition par les microorganismes (taux de décomposition, contact avec le biofilm, O 2 et temps de parcours). Dépôts sur des substances organiques Dépôts sur des minéraux argileux (sites d échanges d ions)

20 18 La forêt et l eau potable Utilisations de la forêt et activités humaines Les exploitations en forêt peuvent influencer les flux biogéochimiques et cela peut se répercuter sur la qualité de l eau. Parmi les influences exercées par les interventions en gestion forestière, nous établissons une distinction entre a) le désir de modifier l écosystème: p. ex. la régénération b) les interventions accompagnant cette action et les phénomènes qui s ensuivent: p. ex. le débardage des bois, la décomposition de la matière organique, c) les effets secondaires: p. ex. le compactage du sol, l altération de la végétation au sol, les pollutions (huile de moteur, etc.). La même distinction s applique aussi aux autres manières d utiliser la forêt (loisirs de proximité, création de biotopes, constructions hydrauliques et constructions de routes, gibier/chasse, pacage en forêt). Par ailleurs, ces diverses utilisations et activités risquent aussi de polluer le sol avec des impuretés organiques ou chimiques qui seraient acheminées dans la nappe phréatique avec l eau d infiltration Evaluation de l applicabilité Comme nous l avons déjà évoqué, cette étude bibliographique sur la forêt et l eau potable repose largement sur des recherches menées à l étranger car en Suisse, seuls quelques rares travaux ont été réalisés sur ces questions d ordre pratique (p. ex. EGLI et al. 1997). Il importe donc de se demander s il est possible et judicieux d appliquer à une autre région telle ou telle affirmation concernant un certain site. Les quelques réflexions fondamentales qui suivent éclaireront le lecteur à ce propos. Soulignons aussi que parmi les réponses aux questions posées, nous n avons retenu que les aspects considérés comme applicables. En évaluant cette applicabilité, une distinction est à établir entre les diverses argumentations scientifiques. Par exemple, s il est dit que la forêt de feuillus favorise davantage la qualité de l eau que la forêt de résineux, cette affirmation peut être déduite de diverses observations et fondée sur des arguments très différents. Elle peut être d ordre purement empirique en étant fondée sur une comparaison de la qualité des eaux d une forêt de feuillus et d une autre de résineux. Dans ce cas, il est difficile d appliquer cette assertion à d autres cas si l on ne peut pas exclure qu il existe entre les sites étudiés d autres différences inconnues qui contribuent, en partie tout au moins, à l obtention de ce résultat. Mais si la même affirmation est fondée, par exemple, sur le fait que les forêts de résineux filtrent davantage de polluants parce qu elles restent vertes en hiver et que des données adéquates en apportent la preuve, ce constat peut alors s appliquer à d autres régions. Mais il est évident qu il ne se rapporte pas aux mélèzes car ceux-ci ne sont pas sempervirents. Dans ce même contexte, nous reprendrons principalement, dans les explications suivantes, les considérations relatives aux analyses de processus. Elles seront accompagnées d une description des processus sur lesquels elles sont fondées, ce qui fournira une base utile à l appréciation de l applicabilité. Bien souvent, ces informations permettent d estimer si et dans quelle mesure un certain jugement est applicable dans une région à étudier. S il s agit d observations purement empiriques, nous le signalerons.

21 Hegg C. et al Question A: Dans quelle mesure la forêt, la composition des essences et la gestion forestière influencent-elles la qualité de l eau? WENGER (2002), KÜCHLI et MEYLAN (2002) ainsi que d autres auteurs attribuent une grande importance à l influence passive de la forêt. Ils estiment en effet que par sa simple présence, la forêt limite fortement ou empêche des exploitations qui mettraient en danger la qualité de l eau (WENGER 2002). En Suisse, aucun engrais n est épandu en forêt, contrairement aux terres agricoles (SCHLEPPI et al. 2003). L utilisation de produits de traitement des plantes est très restreinte en forêt et ce traitement ne peut être confié qu à des spécialistes (OPerF, RS ). Dès lors, il n y a pas lieu de craindre que des substances dangereuses, comme l Atrazine et ses produits de décomposition, polluent l eau d infiltration issue de la forêt. L appropriation du terrain à des fins non forestières (industrie, artisanat, habitations) et l utilisation de substances dangereuses pour l environnement sont interdites en forêt (Loi sur les forêts, RS 921, art. 5 et 18). Dans ces conditions, il est pratiquement exclu que des accidents provoquent une pollution chimique ou biologique de la nappe phréatique dans les forêts suisses. Cet état de fait est encore renforcé par l interdiction de défricher en vigueur en Suisse (Loi sur les forêts, RS 921, art. 5); cet article empêche en effet toute modification des conditions imposées en matière d aménagement du territoire (KÜCHLI et MEYLAN 2002). Sous la notion d influence active, nous entendons tous les processus au cours desquels la forêt influence directement la qualité de l eau et sa quantité tout au long de son cheminement de l atmosphère à la nappe phréatique (cf. fig. 4 et 5). Lorsque les précipitations se déposent sur le couvert arborescent (canopée), la part d eau qui pénétrera dans le sol est principalement dictée par le type et l intensité des précipitations, par la densité du peuplement, l espèce ligneuse (indice de la surface foliaire, rugosité de la face supérieure de la feuille, etc.) et le vent (BENECKE et VAN DER PLOEG 1978; MITSCHERLICH 1981). Le reste de l eau regagnera l atmosphère par évapotranspiration. Etant donné que l eau ainsi évaporée ne contient aucune substance dissoute, la concentration de ces éléments augmente dans l eau qui reste (DISSMEYER 2000). L eau parvenant au sol ruisselle à sa surface ou s y infiltre. L eau infiltrée traverse les diverses couches du sol avant d aboutir dans la nappe phréatique (KELLER 1971; MITSCHERLICH 1981; ONF 1999). Au cours de ce cheminement interviennent des processus physiques, biologiques et chimiques qui modifient les propriétés de l eau. Par ailleurs, la végétation absorbe de l eau du sol par voie racinaire. Bien que l on puisse supposer que l ombre apportée par le couvert arborescent diminue l évaporation à la surface du sol, plusieurs études montrent qu en raison de la transpiration plus élevée en forêt, la réalimentation de la nappe souterraine est généralement plus faible dans les sols forestiers que dans des sols comparables en plein champ (p. ex. KELLER 1971). Il ressort de diverses études que la qualité de l eau d infiltration est généralement meilleure dans le sol d une forêt non polluée et proche de l état naturel que dans celui de surfaces comparables intensément exploitées en terrain découvert (BENECKE 1993; EINSELE et al. 1990). Cela est dû au fait que dans une forêt proche de l état naturel, les cycles biogéochimiques s effectuent en circuit fermé (pas de substances prélevées ou ajoutées à la suite de récoltes fréquentes, d apports d engrais ou du travail des sols). En outre, le sol forestier exerce un meilleur effet purificateur qu un autre sol. Le sol n étant pas travaillé dans les forêts proches de l état naturel, il tend à être plus finement structuré et biologiquement plus actif. Dans un sol finement structuré, l eau d infiltration peut entrer plus étroitement en contact avec les matériaux du sol, comme les minéraux argileux ou l humus, sur lesquels les substances adhèrent. Par ailleurs, comme les racines pénètrent mieux dans ce sol, elles peuvent prélever dans l eau d infiltration une plus grande quantité d éléments nutritifs. Cependant, cette fonction purificatrice du sol forestier est entravée par l apport des substances contenues dans les dépôts atmosphériques. La quantité de ces apports est déterminée par divers facteurs, comme la pollution de l air, l effet filtrant des houppiers et les conditions du vent (HEINSDORF 1993).

22 20 La forêt et l eau potable Les dépôts azotés accrus sont spécialement considérés comme néfastes à la qualité de l eau potable en maints endroits (SPANGENBERG 2001). A Augustendorf, au nord de l Allemagne, par exemple, les concentrations de NO 3- contenues dans la solution du sol ont augmenté de 7 à 20 mg/l selon la profondeur du prélèvement (entre 0 et 250 cm) et ceci durant la période allant de 1994 à 2002 (MEESENBURG et al. 2003). L effet des dépôts azotés sur l eau d infiltration dépend largement de la quantité de cet apport et de la capacité de tamponnage (Statut N) du sol forestier. Cela explique pourquoi les réactions varient largement d une forêt à l autre (voir p. ex. l expérimentation de saturation en azote réalisée dans le cadre du programme européen de NITREX: TIETEMA et al. 1998). Le peuplement boisé, la végétation au sol et l humus ainsi que les minéraux argileux sont autant de puits emmagasinant les dépôts azotés. Si ces capacités d emmagasinement sont épuisées, les dépôts ne peuvent guère être tamponnés. Une comparaison entre plus de 64 écosystèmes forestiers européens 2 montre qu à partir de 10 à 12 kg de N ha -1 a -1, les quantités de nitrate lessivé avec l eau d infiltration augmentent (GUNDERSEN 1995). Dans tous les sites d étude ENSF 3 où l intrant de N était supérieur à 25 kg de N ha -1 a -1, il a été constaté qu une part substantielle de cet intrant (10 à 35 kg de N ha -1 a -1 ) était rejetée par l eau d infiltration (DISE et WRIGHT 1995). D après des analyses isotopiques et d autres recherches, une part de l azote parvient aussi directement dans l eau de la nappe sans avoir été intégrée auparavant dans le métabolisme de l arbre (DURKA 1994; HAGEDORN et al. 2001; KÖLLING et NEUSTIFTER 1997). Le type de dépôt est aussi très déterminant pour le tamponnage de l azote. Si l ammonium domine dans un dépôt azoté, jusqu à 50 % de cet apport peuvent être tamponnés même si les valeurs sont élevées. Dans les zones où les dépôts de nitrate prédominent, la capacité d emmagasinement est épuisée sous des valeurs moyennes déjà (GUNDERSEN 1995). Une augmentation de la teneur en nitrate dans l eau d infiltration est à attendre notamment si les facteurs stationnels suivants se conjuguent: une offre accrue en azote, des sols bien aérés et une quantité moyenne à faible d eau d infiltration (KREUTZER 1994). La composition et la quantité des eaux d infiltration, et donc aussi la réalimentation de la nappe souterraine, varient largement d une essence à l autre. Dans les publications consultées à ce sujet, les essences soumises à une analyse des concentrations en nitrate dans l eau d infiltration étaient surtout des hêtres, des épicéas, des pins ainsi que quelques sapins, hêtres et aulnes (KREUTZER 1994; MEESENBURG et al. 2003; ROTHE et al. 1998). Tous les auteurs de ces écrits constatent que l eau potable produite sous les feuillus examinés est de meilleure qualité en ce qui concerne les concentrations en nitrate que celle qui est produite sous les résineux. Les résineux étaient sempervirents et ils présentaient une plus grande surface que les feuillus, notamment dans la zone du houppier. En conséquence, ils étaient dotés d une meilleure capacité à filtrer les polluants atmosphériques et donc aussi les dépôts acides et azotés. En outre, les pertes par interception étaient plus élevées dans les peuplements de résineux; ainsi la quantité d eau en fut d autant réduite, ce qui a augmenté encore la concentration de substances dans l eau d infiltration. D après ROTHE et al. (1998), les feuillus ont aussi l avantage d avoir des racines qui pénètrent plus profondément dans le sol; ils disposent donc d une plus grande distance sur laquelle ils prélèvent des éléments nutritifs dans l eau d infiltration. Cela diminue la concentration en nitrate, notamment lorsque les dépôts d azote sont élevés (ROTHE et al. 1998). Par ailleurs, l humus du sol minéral, plus fortement marqué sous les feuillus, peut emmagasiner plus d azote sous forme stable que le sol moins épais des forêts de résineux. Ainsi, la concentration d azote mesurée dans l eau d infiltration à 90 cm au-dessous d un peuplement d épicéas correspondait à celle des précipitations dans ce peuplement (Lehstenbach, Bavière) alors que sous la forêt de hêtres (Steinkreuze, Bavière), plus de 50% des dépôts azotés étaient stockés 2 ECOFEE (Element Cycling and Output-fluxes in Forest Ecosystems in Europe) 3 ENSF (Evaluation of Nitrogen and Sulphur Fluxes)

23 Hegg C. et al dans la couche supérieure du sol (LANGUSCH et MATZNER 2002). L effet positif de cet emmagasinement d azote augmente toutefois le danger de fortes migrations du nitrate à la suite de tempêtes ou de coupes rases. L âge des arbres peut aussi exercer une influence notable sur le cycle d azote. ROTHE et al. (1999) et EMMETT et al. (1993) ont constaté chez l épicéa que la concentration en nitrate dans l eau d infiltration augmente considérablement avec l avancement en âge de l arbre. C est la raison pour laquelle RÖMER (1993) et HEITZ (2001) estiment que la conversion de peuplements purs de résineux en peuplements mixtes irréguliers les mieux adaptés à la station est à considérer comme positive pour le captage de l eau potable dans de larges parts de l Allemagne. Après des coupes rases ou des tempêtes notamment, la végétation naturelle d accompagnement revêt une grande importance car elle peut prélever l azote libéré (EVERS 2003; MELLERT et al. 1998). D où l importance de maintenir intégralement la couverture végétale au sol lors de la coupe d un arbre. Pour prévenir un lessivage accru de nitrate, on évitera aussi l apparition de surfaces largement dénudées, que ce soit à la suite de tempêtes ou de la récolte des bois. L établissement d un plan de gestion adéquat et l entretien d une régénération préétablie avant la coupe définitive ont un effet positif sur la qualité de l eau d infiltration (VON WILPERT et ZIRLEWAGEN 2003). En utilisant des huiles de graissage et de lubrification biologiquement dégradables et en bannissant les pesticides et les produits de conservation lors du traitement des bois entreposés dans le bassin versant d un captage d eau potable, il est possible d éliminer les sources potentielles de pollution. L effet de toutes ces mesures est limité et les auteurs des publications traitant cette question soulignent qu une réduction des émissions de polluants est d une importance primordiale. Le recensement et la surveillance des effets de la pollution de l air sur les forêts (ICP- Forest) réalisé dans le cadre de la «Convention sur la pollution atmosphérique transfrontière à longue distance» (LRTAP) de la Commission économique pour l Europe des Nations Unies (CEE-ONU) montrent que les dépôts atmosphériques acidifiants ont déjà été réduits de manière substantielle en Europe et en Suisse depuis 1990 (UN-ECE 2003). Néanmoins, la concentration totale des apports azotés et acidifiants provenant de l air dépasse encore, ici où là en Suisse, les valeurs critiques fixées de manière empirique ou à l aide de modèles dans le cadre de la LRTAP (KURZ et al. 1998; RIHM 1996; RIHM et KURZ 2001; THIMONIER et al. submitted). Une gestion adéquate peut améliorer le tamponnage et l emmagasinement des substances, mais elle ne peut écarter intégralement les risques à long terme liés à ces apports (lessivage des métaux lourds en concentrations toxiques et lessivage du nitrate). Lors de l évaluation de l influence de la forêt sur la qualité de l eau potable, on se gardera donc d assimiler l eau d infiltration à l eau souterraine ou à l eau potable (SPANGENBERG in: WENGER 2002). La composition de l eau d infiltration peut encore se modifier lors de son parcours au travers des couches superficielles jusqu à la nappe. La longueur de ce parcours et le type de couches superficielles sont déterminants en l occurrence. Le mélange avec l eau souterraine provenant d autres parties du bassin versant ainsi que la nature de la couche aquifère changent encore la qualité de l eau avant qu elle parvienne au point de captage (HARTMANN et al. 2003). En comparant un modèle de la teneur en nitrate dans l eau d infiltration prélevée à un mètre de profondeur avec des forages d eau souterraine dans la forêt d Eurasbourg (D), ROTHE et al. (1999) ont constaté que le nitrate peut encore se décomposer de manière notable au cours du cheminement ultérieur de l eau d infiltration. Toutefois, les fortes concentrations de polluants, comme celles qui sont mesurées dans le sol de zones agricoles exploitées intensivement, ne peuvent être complètement éliminées au cours de ce processus. Il est donc possible, même dans les bassins versants boisés, que les apports accrus de N aient un effet négatif sur l eau souterraine à plus ou moins longue échéance (cf. question E).

24 22 La forêt et l eau potable Question B: Quelles conséquences les dégâts dus aux tempêtes ont-ils sur la qualité de l eau potable en forêt? En Suisse, bon nombre de recherches ont été menées sur les surfaces de chablis de Vivian et de Lothar. Mais ces études se rapportent surtout à la régénération du peuplement et ne traitent que marginalement les répercussions sur la qualité de l eau (MATTHEIS 2000; SCHÖNENBERGER et al. 2003). Les effets de ces deux tempêtes sur la qualité de l eau ont été examinés en Bavière (MELLERT et al. 1996; 1998), dans le Bade-Wurtemberg (SCHLÄR 1999) et en Lorraine (France, voir BENOÎT et al. 2002). En analysant l eau d infiltration dans 13 chablis, MELLERT et al. (1996, 1998) ont constaté, sur presque toutes les surfaces, une augmentation marquée de la concentration en nitrate; cette hausse dépassait parfois 150 mg/l (moyenne 50 mg/l) une année environ après l événement. La diminution des surplus de nitrate après cinq ans s est révélée être en étroite corrélation avec la réapparition de la végétation au sol. KÖLLING et NEUSTIFTER (1997) attribuent cette diminution à l épuisement de l humus facilement décomposable et au prélèvement du nitrate par la végétation nouvellement apparue. Dans l eau extraite de deux captages situés dans des bassins versants partiellement touchés par la tempête, SCHLÄR (1999) a constaté une augmentation des concentrations en nitrate de 15 mg/l par rapport aux valeurs mesurées avant la tempête. Mais avec 26 mg/l, la concentration en nitrate contenu dans l eau de source analysée par SCHLÄR (1999) était nettement inférieure à celle que MELLERT et al. (1996, 1998) ont obtenu dans l eau d infiltration des surfaces de chablis. Cela signifie que les concentrations dans l eau d infiltration ne peuvent être reportées à celles que l on mesure dans l eau de source car cette dernière se mélange dans la couche aquifère avec l eau souterraine issue des parties du bassin versant non endommagées. En conséquence, la part de surface de chablis recouvrant le bassin versant du captage, ainsi que les caractéristiques des couches superficielles et de la nappe aquifère, exercent une influence sur l importance de l augmentation de la teneur en nitrate dans l eau souterraine. Les sites examinés en Bavière (MELLERT et al. 1996; 1998) et dans le Bade-Wurtemberg (SCHLÄR 1999) présentent des essences, des types de sols et des conditions géologiques semblables à ce que l on trouve sur le Plateau suisse. Les résultats sont donc applicables à cette région tout au moins. Si l on considère la disparition d un peuplement d arbres sur pied, les effets d une coupe rase sont semblables à ceux d une tempête, notamment si le peuplement cycloné est nettoyé. A l occasion de coupes expérimentales réalisées aux USA (Hubbard Brook: DAHLGREN et DRISCOLL 1994; LIKENS et BORMANN 1999; Coweeta: QUALLS et al. 2000; SWANK et al. 2001), en France (Mont-Lozère: COSANDEY 1993; DIDON-LESCOT et al. 1993), en Suède (STAAF et OLSSON 1994) et en Allemagne, des hausses comparables de la concentration en nitrate ont effectivement été constatées dans l eau d infiltration. Toutefois, bon nombre de sites d études au sud et au centre des Appalaches ne présentaient pratiquement aucune réaction aux coupes rases (DISSMEYER 2000). Cela indique que les effets d une tempête ou d une coupe rase sont largement influencés par l essence, les caractéristiques du sol et les conditions stationnelles de la région touchée. KREUTZER (1994) constate que les feuillus emmagasinent plus d azote dans l humus du sol minéral que les résineux d un même site et qu en conséquence une perturbation du cycle de N a un effet plus marqué avec l augmentation de la part de feuillus dans la forêt en question. En analysant l eau de deux sources à Pfarrwald-Michelbach (Bade-Wurtemberg), SCHLÄR (1999) a remarqué une augmentation du débit d eau après la tempête «Wiebke» qui avait détruit la moitié du boisement dans le bassin versant. Cette hausse s explique principalement par le fait que les pertes par interception et par transpiration ont été moins fortes à cause du nombre réduit d arbres présents dans ce peuplement. Ce constat concorde avec les résultats des recherches menées sur des surfaces de coupes rases. C est ainsi par exemple que la capa-