Elena Bennett est étudiante de post-doctorat, spécialiste de l’écologie de l’eau douce à l’Université du Wisconsin, et Steve R. Carpenter, professeur de limnologie et de zoologie à l’Université Wisconsin et fut président de la Société écologique américaine. Les données de cet article sont issues de E.M. Bennett, S.R. Carpenter, et N. F. Caraco (2001), " Human Impact on Erodable Phosphorus and Eutrophication : A Global Perspective ", Bioscience, 51 : 227-234. Traduction Benoît Lambert

Lorsqu’on évoque les changements planétaires de l’environnement, on pense le plus souvent à des modifications radicales telles que le réchauffement climatique ou la détérioration de la couche d’ozone. Plusieurs autres altérations avec lesquelles nous sommes familiers - les décharges toxiques, la décimation des forêts, l’érosion des sols - sont confinées dans des régions connues. Or certains changements, bien que confinés en apparence, sont en fait des manifestations de modifications planétaires inquiétantes. Si vous observez par exemple les algues qui se forment sur l’étang d’une ferme voisine, vous y verrez le résultat d’une évolution - le cycle du phosphore - qui dépasse largement l’environnement de cette ferme.

Les algues se développent (elles fleurissent, littéralement) du fait des rejets des engrais ou d’autres produits contenant des phosphores. Alors que la modification du cycle de l’azote, étroitement lié à celui du phosphore, a été abondamment commenté, les effets de l’activité humaine sur le cycle du phosphate sont moins bien connus. Notre recherche suggère pourtant que le mouvement du phosphate est planétaire : les masses d’algues qui affleurent à la surface de l’étang, à vos pieds, peuvent être le résultat de modifications du sol à des centaines, voire à des milliers de kilomètres.

Les azotes et les phosphates sont tous deux nécessaires à l’alimentation des plantes et se retrouvent donc dans la plupart des engrais, et par la suite dans les rejets municipaux et agricoles. Rien d’étonnant donc à ce que le déplacement de grandes quantités d’engrais en différents lieux de la planète se traduise en ces endroits par de fortes concentrations de substance nutritives. Dans la plupart des cas de figures, les engrais utilisés sur un domaine agricole ne se fixent pas dans le sol mais descendent par infiltration ou écoulement de surface vers les écosystèmes aquatiques - une rivière, un lac, une baie. Les concentrations excessives de substances nutritives dans ces bassins aquatiques provoquent la prolifération de nappes d’algues. Une telle eutrophisation, nom donné à la couverture verte de l’eau, peut être un processus paralysant : il étouffe la vie sous la vase - asphyxiant les poissons, réduisant la biodiversité, et dégageant des odeurs nauséabondes. La qualité de l’eau est aussi réduite pour l’homme - qu’il s’agisse pour lui de la boire, d’y pêcher, de s’y baigner, ou même de l’utiliser comme voies de circulation.

Le lac Mendota à Madison, dans le Wisconsin, est un exemple classique d’eutrophisation dans un environnement urbain, mais dans une région qui fut d’abord essentiellement agricole. Le lac présente plusieurs des symptômes associés à l’eutrophisation depuis que l’agriculture y est devenue la principale couverture du sol environnant le bassin aquatique, en lieu et place de la prairie et de la savane de chênes originelles. La floraison d’algues bleues-vertes y est un phénomène habituel depuis les années 1880. Depuis leur apparition, on constate des modifications dramatiques de la chaîne alimentaire, dont la perte d’espèces locales et une présence accrue d’espèces non originaires de la région, comme le mille-feuille eurasien (plante de l’espèce achillée) et la carpe. Soulignons enfin que l’eutrophisation a grandement diminué la valeur récréative des bassins naturels.

Au cours de son histoire, Madison n’a jamais développé les piscines publiques, pour la bonne raison que les gens pouvaient se baigner dans les lacs de la région. Aujourd’hui, l’eutrophisation s’accentuant, des pressions de la population se font sentir, car plusieurs de ces lacs ne sont plus accessibles aux baigneurs. Concernant le lac Mendota, le coût de l’eutrophisation a été estimé à 50 millions de dollars en pertes d’activités récréatives et en diminution des valeurs foncières. Et pourtant, cette mésaventure est perçue comme une histoire locale - dépourvue d’intérêt pour qui vit en Caroline du Nord ou dans le sud de la Chine. Si la population de Madison souhaite résoudre ce problème, c’est à l’évidence à ses propres fermes, à ses systèmes d’évacuation des eaux qu’elle doit s’attaquer. Or ce qui s’est produit à Madison est le résultat de transformations massives, à un niveau mondial, du cycle du phosphate.

L’intervention de l’homme dans le cycle du phosphate

Bien avant l’apparition de l’homme, le phosphate faisait le tour de la planète au cours d’un cycle naturel dont la durée est estimée à plusieurs millions d’années. Si une molécule de phosphate, prisonnière d’une pierre, est libérée par l’érosion, elle entreprendra, par l’effet de la gravité, un grand voyage vers la mer. Durant ce parcours, elle pourra être absorbée par des plantes et des animaux, puis retourner au sol ou à l’eau par le biais de la décomposition végétale ou par voie urinaire, avant de poursuivre sa lente randonnée, et d’atteindre enfin l’océan. Une fois dans l’océan - probablement après avoir encore transité par d’autres plantes et d’autres animaux marins - elle se logera dans un sédiment. Avec le temps, les évolutions géologiques feront de ce sédiment une roche terrestre, dans laquelle la molécule de phosphate restera prise. Le cycle peut alors recommencer.

Avec l’arrivée de l’agriculture et de l’urbanisation, plusieurs étapes du cycle naturel furent à bien des égards raccourcis. Les avancées technologiques, particulièrement depuis cinquante ans, nous permettent d’extraire le phosphate à grande échelle, d’en faire des engrais ou d’autres produits, et de transporter ces produits autour du monde en accélérant dramatiquement ce cycle de moins en moins naturel. Globalement, on estime que l’accumulation annuelle du phosphate dans l’eau douce de la Terre et dans les systèmes terrestres a presque quadruplé, passant de 3,5 terragrammes par année avant que l’homme n’exploite les minéraux et la terre de manière industrielle, à 13 terragrammes environ aujourd’hui.

Pour comprendre le cycle avant l’interférence humaine, on peut se représenter sa boucle, faite de lents va-et-vient de la croûte terrestre à la croûte terrestre, en la divisant en quatre compartiments (voir graphique). En premier lieu, les pierres contenant du phosphate subissent l’érosion - usées par le vent, la pluie, le gel et la fonte, etc. - jusqu’à ce qu’elles se transforment en sol. Avec le sol, le phosphate est entraîné dans les lacs et les rivières, puis jusqu’aux océans. Une partie se dissout dans l’eau, une partie est absorbée par les particules du sol transportées par l’érosion vers la mer, pour aboutir enfin au fond de l’océan. Le mouvement tectonique le soulèvera au point d’en faire une terre émergée. Aldo Leopold, dans son essai " Odyssée " (in A Sand County Almanac), décrit ainsi ce cycle :

"X avait passé son temps sur une corniche de calcaire depuis que la mer paléozoïque s’était retirée. Le temps, pour un atome pris dans une pierre, n’existe pas. Il commence lorsqu’un chêne qui se cramponnait à un coteau s’engouffra dans une fissure et commença à fureter et à sucer l’eau qui s’y cachait. Le temps d’un éclair, un siècle, la pierre s’effrita, et X, extrait de la pierre fut propulsé dans le monde du vivant. Il participa à la fabrication d’une fleur, qui devint un gland de chêne qui lui vint engraisser un cerf dont se nourrit un Indien, tout cela en un année...." L’histoire continue avec plusieurs aventures impliquant un pluvier, des phlox, un renard, un bison, un feu de brousse, de nouveau un renard, un autre Indien, un castor, un bayou et la rive d’une rivière. Puis, "un printemps un méandre de cette rivière creusa la rive et après une courte semaine de fraîcheur, X se coucha pour longtemps dans son ancienne prison, le fond de l’océan."

A l’intérieur de chacune des étapes de ce cycle - l’écorce terrestre, le sol, les systèmes aquatiques et les océans - certains cycles plus rapides du phosphate s’opèrent au sein de la biosphère. Durant sa phase terrestre, le phosphate ne se contente pas de rester dans le sol. Une partie est assimilée par les plantes, qui sont mangées par les animaux pouvant à leur tour être mangés par d’autres animaux avant que le phosphate ne soit finalement rendu au sol par défécations ou lors de la décomposition des cadavres d’animaux. Bien entendu, la molécule de phosphore peut passer par quelques uns de ces cycles biosphériques rapides avant qu’elle ne passe à l’étape suivante. De tels cycles biosphériques peuvent se produire ensuite dans les océans.

Les être humains interviennent de différentes façons aussi bien sur le cycle planétaire que sur le cycle plus court du phosphate dans la biosphère. L’essentiel de l’exploitation minière du phosphate est concentré dans quelques endroits dans le monde - en Floride, dans l’Ouest et le Nord de l’Afrique et en Russie. Le phosphore, une fois extrait, est ensuite transformé en engrais, en nourriture pour animaux ou en d’autres produits et transporté dans des zones agricoles de par le monde. C’est alors qu’il est introduit dans le sol, soit directement comme engrais ou indirectement par le biais des fumiers produits par les animaux nourris d’aliments enrichis au phosphate. La mauvaise utilisation du sol augmente encore l’érosion de ces sols gorgés de phosphate.

L’action de l’homme accélère donc le cycle naturel à deux endroits fondamentaux : à l’entrée du phosphate dans la biosphère depuis la pierre (les mines), et dans le mouvement du sol vers les systèmes aquatiques. Par ailleurs, en déplaçant les concentrations de phosphate de certains endroits de la surface terrestre où il est concentré (là où se fait son extraction minière) vers d’autres endroits (en premier lieu là où il s’utilise comme engrais ou comme nourriture pour les animaux), nous altérons radicalement la distribution de cet élément sur la surface de la terre. L’impact de ce déplacement est devenu une préoccupation croissante des écologues aquatiques, et d’autres groupes soucieux du maintien de l’approvisionnement en eau potable.

L’essentiel du phosphate descend attaché à des particules de sol érodé - soit à la surface du sol en ruissellements de boue lors de précipitations, soit par l’entremise de ruisseaux et de rivières. Comme l’usage des engrais augmente le taux de phosphate dans le sol, la quantité de phosphate transporté par kilogramme de sol augmente. Plus la concentration est importante à la source et plus la concentration de phosphate est grande en aval. Bien que moins de 5% du phosphate utilisé comme engrais dans les régions tempérées ne prenne le chemin des écosystèmes aquatiques, cette quantité est suffisante pour altérer l’environnement naturel et même le menacer gravement.

Comprendre ce qui se produit dans le sol des terres émergées fournit des indices sur l’avenir des réseaux aquifères en aval. En étudiant le sol en amont des lacs et des rivières, nous pouvons prévoir les dangers qui menacent les lacs, les rivières, et les estuaires dans lesquels ils se déversent. Etudier à une plus grande échelle les modifications du cycle du phosphate et les altérations des sols en amont permet d’anticiper les problèmes, et de s’attaquer à la réduction des excès de phosphate avant qu’ils ne deviennent problématiques.

Les dangers de l’eutrophisation

Dans des conditions naturelles, l’eutrophisation de certains lacs est un processus qui peut s’étendre sur plusieurs siècles. Lorsqu’elle est la conséquence de l’activité humaine (les scientifiques parlent alors d’une eutrophisation " culturelle "), elle s’accomplit en quelques années. Dans la plupart des cas, le phénomène d’eutrophisation culturelle peut être inversé à condition de réduire drastiquement la quantité de phosphate aboutissant à l’eau.

Le phosphate n’est qu’un des aliments nécessaires aux plantes pour survivre et croître. Cependant le phosphate est particulièrement important aux systèmes lacustres, car il en est l’élément nutritionnel limitatif. En d’autres mots, même lorsque les plantes disposent de tous les aliments en quantités suffisantes, le phosphate lui manque. Lorsqu’il vient s’ajouter à l’eau des lacs, les plantes se mettent à croître rapidement car tous les éléments nécessaires à sa croissance sont réunis. Mais la croissance excessive d’un organisme peut signifier la mort d’un autre. Lorsque des bouquets d’algues poussent et empêchent la lumière du soleil d’atteindre les plantes plus près du fond, la décomposition d’algues mortes consomme l’oxygène dans l’eau, provoquant l’asphyxie des poissons, ce qui a occasionné parfois la disparition de populations entières. L’eutrophisation ne se borne pas à faire d’un lac une gouille verdâtre et nauséabonde. Elle modifie en profondeur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Elle peut altérer irrémédiablement une communauté de plantes, la chaîne alimentaire et la chimie d’un lac, au point de le rendre méconnaissable.

Bien que les scientifiques étudient le phénomène depuis le début du siècle, l’eutrophisation culturelle ne fut reconnue (et avec quelle lenteur !) comme un problème international qu’à partir des années 50 ou 60, lorsque le phénomène devint un vrai problème en Amérique du Nord dans la région des grands lacs, et dans la plupart des régions européennes. " Les lacs sont devenus verts et nauséabonds, invivables pour les poissons, malsains en tant qu’eau potable, inimaginables comme lieux de délassement ", écrit John Emsley dans The Thirteen Element : A Sordid Tale of Murder, Fire, and Phosphorus.

Les scientifiques ont tardé à comprendre que le phosphate était responsable de l’eutrophisation. Mais à la fin des années 60, une équipe de chercheurs dirigée par David Schindler, professeur d’Ecologie à l’Université d’Alberta à Edmonton (Canada), mena une expérience révélatrice sur un lac connu sous le nom de " lac 227 " dans le nord-ouest de l’Ontario. L’équipe divisa le lac en deux moitiés. Elle enrichit une moitié avec de l’azote et du carbone, l’autre moitié avec du phosphate et du carbone. La partie enrichie avec du phosphate devint très vite eutrophique, l’autre moitié ne varia pas.

C’est ainsi que le phosphate fut identifié comme le responsable des problèmes d’eutrophisation de l’eau douce, et que des actions furent enfin entreprises pour réduire les apports en phosphate aux écosystèmes aquatiques. Dans une grande partie du monde développé, les égouts menant aux lacs furent déviés, et la plupart des sources directes de pollution (des déversements riches en phosphates en provenance de certaines fermes ou d’usines de transformation) furent éliminées. Au début des années 1990, le phosphate avait également été éliminé de la plupart des détergents et des lessives. Pourtant l’eutrophisation persiste, en partie parce que les lacs sont d’excellents recycleurs du phosphate. Lorsque l’oxygène se raréfie au fond d’un lac, le phosphate présent dans les sédiments remonte, comme aspiré dans l’eau, et se retrouve en disponibilité pour l’alimentation des algues. Le problème persiste également parce que les scientifiques avaient sous-estimé l’importance d’une autre source de phosphate : les terres environnantes, une source diffuse qui s’avère beaucoup plus difficile à contrôler. Aujourd’hui, les terres agricoles constituent la principale source de phosphate pour la plupart des systèmes aquatiques du monde développé.

Il semble que l’eutrophisation croissante des lacs, des rivières et des estuaires soit devenue aujourd’hui un phénomène mondial. Le Golfe du Mexique connaît une zone hypoxique importante (une zone morte) où le faible taux d’oxygène dans l’eau a provoqué une forte mortalité des espèces océaniques. Les engrais en provenance des Etats américains du centre-ouest, transportés par le Mississipi, en seraient les responsables. En Nouvelle Zélande, une augmentation des fermes laitières et de l’usage d’engrais a aggravé la pollution par les substances nutritives dans des centaines de lacs de faible profondeur, et dans les cours d’eau. En 1994, date à laquelle les premières données planétaires furent disponibles, des problèmes d’eutrophisation ont été recensés dans 54 % des lacs et des réservoirs du Sud-Est asiatique, dans 53 % de ceux situés en Europe, dans 48 % de ceux d’Amérique du Nord, dans 41 % de ceux d’Amérique du Sud et dans 28 % de ceux situés en Afrique.

La prise de conscience progressive que l’eutrophisation était un phénomène bien plus largement répandu qu’on ne l’avait cru d’abord nous amena à l’étudier dans une perspective plus large. Nous savions que l’impact de l’homme sur le cycle du phosphate était la cause de l’augmentation de ce dernier dans les sols, et de son érosion vers des lacs. Mais nous voulions comprendre le problème de l’eutrophisation dans une perspective planétaire, car nous pensions que cette perspective pourrait définir des politiques plus efficaces à long terme pour réduire la présence du phosphate dans les systèmes aquatiques. Se pencher sur l’augmentation du phosphate dans les sols, plutôt que se borner à guetter les premiers poissons morts dans les lacs, peut se révéler une mesure préventive efficace. Malgré cette évidence, l’évaluation systématique du taux de phosphore des sols émergés reste à faire et ne s’est pas encore affirmée comme un moyen de gestion du processus d’eutrophisation.

Vers une gestion planétaire

Malgré un contrôle élargi de certains " points-sources " de pollution localisés, l’épuration des égouts, et l’élimination des phosphates de la plupart des savons et des détergents, l’eutrophisation continue à augmenter sous la pression humaine. Alors que faire ? Diminuer le phosphate dans les terres agricoles par la réduction des engrais pourrait prendre des siècles. Pendant ce temps, l’évolution des pratiques agricoles, l’étalement urbain, ou le changement climatique pourraient accélérer l’érosion et - malgré une diminution des apports en phosphate dans le sol - augmenter le rythme auquel les phosphores se déplacent du sol vers les écosystèmes aquatiques. Avant que les autorités ne réalisent le niveau de dégradation des lacs et qu’elles prennent des mesures en amont, le sort des lacs en aval risque d’être déjà réglé. Mais ce raisonnement, qui s’appuie sur les longues périodes d’accumulation du phosphate, nous amène également à penser que des mesures prises aujourd’hui, peuvent prévenir des problèmes d’eutrophisation coûteux et persistants dans l’avenir.

Cette prise de conscience a eu pour effet de décupler depuis quelques années les efforts pour contrôler les rejets de phosphate. Cela n’a pas empêché que la plupart des politiques et des réglementations aient été élaborées comme des réponses ponctuelles aux problèmes d’un lac, de l’affluent d’une rivière, ou d’un estuaire en particulier, sans chercher à comprendre comment ces cas s’intégraient dans une problématique plus large. Ces efforts ont généralement visé la réduction locale des engrais et des fumiers, la limitation de l’érosion, ou l’extraction mécanique des algues dans les eaux. Au lac Mendota, la ville utilise une espèce de tondeuse à gazon flottante qui débarrasse pour un temps le lac de ses algues et d’autres végétaux.

L’application d’une solution à long terme par la réduction du phosphate emmagasiné dans les sols en surface est plus difficile. Parce que les pollutions dans les régions agricoles ont des origines diffuses, il est très difficile d’en trouver les responsables. Par conséquent, aux Etats-Unis les programmes sont en général volontaires et non obligatoires. Leur efficacité est d’autant plus aléatoire que les encouragements à la participation sont trop faibles. Dans certains cas, les autorités locales responsables de l’eau tentent d’aider les fermiers (ou d’autres professions) à limiter l’utilisation du phosphate ou à réduire l’érosion en offrant le partage des coûts avec le gouvernement - par exemple si des fosses à fumier sont nécessaires, le gouvernement peut offrir d’en payer une partie.

Dans d’autres pays comme les Pays-Bas, les restrictions relatives à l’usage du phosphate sont plus sévères et leur application est soumise à la loi, plutôt qu’ au seul bon-vouloir (voir notre édito). L’eutrophisation représente un problème majeur pour les Pays-Bas du fait de la grande densité de sa population et de son agriculture intensive. De plus, l’eau du Rhin en provenance des autres pays européens acquiert, avant de traverser les Pays-Bas, un taux de phosphate déjà élevé. Ainsi, l’usage du fumier par les fermiers hollandais est contrôlé : à chaque acre de terre correspond une certaine quantité de fumier épandable (la quantité permise à l’acre dépend souvent de la localisation du terrain, de sa dimension, et du type d’exploitation.) Pour tout usage de fumier dépassant ce seuil réglementaire, le fermier doit payer pour son enlèvement et son traitement.

A l’heure où l’on commence à porter un regard planétaire sur l’eutrophisation, il est important de relever qu’un peu partout, l’agriculture est une activité subventionnée. Parce que nous excluons le coût de la pollution de celui de la production agricole, le coût de production de la nourriture apparaît moins cher que la réalité. En termes économiques, le coût de la pollution de l’eau causé par la production agricole demeure externe au système de production agricole. Si ce système a fonctionné jusque dans un passé récent, parce que l’on imaginait inépuisables les ressources en eau propre, considérer aujourd’hui qu’il doit perdurer est une absurdité. La nourriture et l’eau étant toutes deux indispensables à la survie de l’humanité, il semble bien que nous devions faire face à un conflit entre la production de nourriture et la protection des ressources aquatiques. Pourtant, de même que nous ne pouvons nous permettre d’ignorer la pollution de l’eau, nous ne pouvons résoudre simplement le problème en diminuant la production agricole. L’augmentation de la population, et corrélativement les nouveaux besoins en alimentation et le manque de terres arables pour étendre les surfaces cultivées, tout mène à penser que la production agricole devra s’intensifier et gagner en efficacité sur les terres déjà cultivées.

Faire évoluer la réglementation et les aides vers un meilleur équilibre entre les coûts (et les bénéfices) de la production agricole, et ceux de la protection de la qualité de l’eau, permettrait d’aboutir à une situation gagnante pour tous. Les gouvernements pourraient créer des marchés pour l’évacuation de l’azote et du phosphate. Pour chaque ferme, une certaine quantité de rejets serait admise. Si le fermier trouve le moyen de réduire ses sources de pollution, il pourrait alors vendre une partie de ses droits à une autre ferme. Bien organisé, ce marché pourrait rapidement s’ajuster à la valeur de l’eau, internalisant ainsi le coût de sa pollution. Le gouvernement pourrait également taxer l’usage d’engrais pour produire une incitation à la préservation et consacrer les sommes perçues à l’amélioration de la qualité de l’eau.

De telles méthodes peuvent se révéler bénéfiques autant économiquement que du point de vue de l’environnement. Il y a quelques années la ville de New York, dont l’eau vient de la région des montagnes Catskill, découvrit que son eau ne respectait plus les normes de l’EPA (agence américaine de protection de l’environnement) du fait de la présence d’engrais et de pesticides dans le sol. Les autorités de la ville réalisèrent qu’elles devraient dépenser entre 6 et 8 milliards de dollars pour construire une usine de filtrage de l’eau. Mais elles adoptèrent une autre solution : pour un prix de 1,5 milliards de dollars, elles firent l’acquisition de terres dans le bassin hydrographique des Catskill, en quantité suffisante pour filtrer naturellement l’eau de la ville. La qualité de l’approvisionnement en fut améliorée et une belle économie réalisée.

Des solutions comparables pourraient être appliquées au niveau national et planétaire, rendant possible un usage plus parcimonieux des engrais, stabilisant ainsi les sols et améliorant la qualité de l’eau tout en réduisant les coûts. Des politique efficaces pourraient inclure l’établissement de marchés nationaux ou internationaux du phosphate et un suivi minutieux de sa présence dans le monde, pour éviter que des régions ne soient gavées de substances nutritives, qui sont autant de polluants en puissance. Les marchés pourraient assurer que des produits comme le fumier soient déplacés vers des endroits à faible teneur en phosphate, où ils pourraient être utiles sans être nocifs.