Proposal of an integrative approach of confrontation between values of pesticide indicators, values estimated by modelling and biological descriptors of the quality of surface waters. Application to the french indicator “IFT Potentiel de transfert”
Proposition d’une démarche intégrative de confrontation entre valeurs d’indicateurs pesticides, valeurs estimées par la modélisation agro-hydrologique et descripteurs écotoxicologiques dans un processus de validation d’indicateurs. Application à l’IFT Substance Active potentiel de transfert
Résumé
Since 2007, pesticide indicators have been used by French agro-environmental public institutions so as to evaluate and limit the impact of agricultural practices on surface water quality, in accordance with the WFD requirements. A methodological work as been led, including the whole chain of causality (chemical pressure, transfer, state, impact), so as to test the coherence of various tools classically used to assess pesticide impact (an indicator of pesticide potential of transfer to waters, agro-hydrological models, chemical and biological measurements of pesticide impact in water courses). An integrative approach has been implemented so as to confront (i) indicators versus models results, (ii) models results versus chemical observations and (iii) chemical versus biological observations. The tested indicator (IFT SA Potentiel de Transfert) has been developped by INRA and it integrates an estimation of pesticide active ingredient frequency of treatment as well as its mobilily characteristics. Two case studies has been chosen : a mixed farming (cereals, vine, oleaginous plants) agricultural cathment (Ruiné in Charente, 413 ha of arable land) and a vine growing catchment (La Morcille in Beaujolais, 175 ha of arable land). In La Morcille the model MACRO has been used at the field scale while the SWAT model has been used in Ruiné at the sub-catchment scale. The calculations have been achieved at the crop season scale. Chemical monitoring has been achieved according to grab or passive sampling strategies and biological impact has been assessed on diatoms submitted to one month of exposure in each water course of Ruiné (2 observation sites) and La Morcille (3 observation sites). A specific environmental information system using data-warehousing has been used to help the gathering and agregation of data at the sub-catchment scale. Even if the results should be confirmed with complementary tests, a global coherence between the indicator and the results of the model MACRO at the field scale has been highlighted. It was much more difficult to highlight correlations in that way at the sub-catchment scale, probably because of the interference of a combination of factors (different soils, slopes, soil covers) which contribute, as well as agricultural practices, to pesticides transfer. The results permitted to highlight some points of attention so as to consolidate the approach and first conclusions. In particular, one has to grant a special attention to the quality and coherence of the data used for the different levels of confrontations. Obviously, the space and time scales of data acquisition must be compatible, which, in fact, is not so common, data being acquired through different programmes. It is also recommanded to display of a long enough set of meteorological data permitting to take into account the influence of inter-annual rainfall patterns on pesticide modelled transfer and then to provid more robust mean results to confront to the indicator, which, for its part, does not integrate the climat influence. Observation data highlighted the importance of better take into account pesticides degradation products in pesticide indicators and models, as some may be widely detected in surface waters and ecotoxic. Besides, models validity should be verified in more agro-predo-climatical situations so as to improve the consistence of their results before the confrotation with indicators.
Les controverses liées à l'usage de l’indicateur pesticides IFT (absence de prise en compte des risques de transfert) dans l’action publique agro-environnementale française (Mesures agro-environnementales, captages Grenelle, plan Ecophyto) ont conduit à développer un nouvel indicateur pesticides : l’IFT Substance Active potentiel de transfert (INRA et INERIS, 2014). Ce dernier intègre une "fonction potentiel de transfert" qui classe les valeurs de l’IFT SA en trois catégories de transfert (fort/moyen/faible) vers les eaux souterraines et de surface, selon les propriétés des substances actives. Nous présentons les résultats d’une recherche exploratoire s’inscrivant dans une démarche de validation des indicateurs pesticides en considérant toutes les étapes de la chaine causale du risque pesticide (pression, transfert, état, impact) en l’appliquant à l’indicateur IFT SA potentiel de transfert. La démarche développée propose une approche intégrative basée sur trois types de confrontations (indicateur/modélisation, modélisation/mesures chimiques et mesures chimiques/descripteurs biologiques) mobilisant quatre types de résultats intermédiaires : (i) un calcul du potentiel de transfert de pratiques phytosanitaires estimé par l’indicateur IFT SA potentiel de transfert, (ii) une modélisation du transfert liés à ces mêmes pratiques estimé par deux modèles agro-hydrologiques (SWAT et MACRO), (iii) des mesures chimiques de pesticides dans les eaux de surface et (iv) des mesures de descripteurs biologiques d’impact sur la qualité de l’eau (diatomées) (Zahm et al., 2015). Au plan expérimental, cette démarche a été testée sur les bassins versants du Ruiné (pratiques phytosanitaires enquêtées en grandes cultures et viticulture pour l’année 2012/13) et de la Morcille (pratiques phytosanitaires enquêtées en viticulture sur les années 2006 et 2009-2010; Beaujolais). La quantification des pesticides a été réalisée grâce à l’utilisation d’échantillonneurs passifs (POCIS) pour le Ruiné et à partir d’échantillonnages ponctuels tous les 15 jours sur la Morcille. Les communautés de diatomées naturelles ont été échantillonnées sur les deux sites, sur des substrats artificiels immergés pour une durée d’un mois. L’unité spatiale de confrontation des résultats correspond (i) pour le Ruiné, aux Sous Bassins Versants tels que délimités par le modèle ArcSWAT et (ii) sur la Morcille, à la parcelle agricole pour différentes pratiques phytosanitaires. La confrontation des résultats entre les valeurs calculées de l’indicateur IFT SA potentiel de transfert et les valeurs de flux pesticides estimées par la modélisation a été conduite à l’échelle temporelle de la saison, (i) sur la Morcille pour 7 substances parmi les plus utilisées sur la vigne, avec MACRO et (ii) sur le Ruiné pour 7 autres substances actives avec le modèle SWAT. Un système d’information environnemental mobilisant l’outil Spatial On-Line Analytical (SOLAP) a été développé en mobilisant les données thématiques et spatiales du bassin versant du Ruiné. Ces analyses SOLAP permettent de croiser les informations à différents niveaux de granularités et d’échelles spatiales et de calculer les indicateurs en fonction de différents axes d’analyses souhaités. Les résultats de la première confrontation (entre valeurs de l’indicateur l’IFT Substance Active potentiel de transfert versus résultats de la modélisation agro-hydrologique) montrent sur la Morcille (à l’échelle de la parcelle agricole) une bonne cohérence entre les valeurs de l’IFT SA potentiel de transfert vertical et horizontal et celles modélisées par MACRO (flux normalisé par la dose unité). Les parts relatives des classes de mobilité forte, moyenne et faible montrent une hiérarchie globalement identique entre IFT SA potentiel de transfert et résultats de modélisation normalisée par la dose unité. Il est observé que les substances ayant une classe forte de mobilité SIRIS correspondent bien aux substances présentant les plus forts transferts (en g/ha) bien que ces derniers puissent cependant être sous-estimés par la modélisation, notamment du fait d’une mobilisation très faible du glyphosate modélisé dans le ruissellement. De plus, la modélisation montre que la part de chaque classe de mobilité dans le flux total normalisé par la dose unité (tel que calculé par MACRO) est relativement sensible au croisement « date d’application et date d’occurrence de pluies significatives », que ce soit pour les transferts verticaux ou horizontaux. Ainsi, les conditions de mise en ½uvre des produits (occurrence de fortes pluies peu de temps après l’application) peuvent engendrer des situations à risque susceptibles d’exacerber la mobilité modélisée des substances appartenant aux classes de mobilité SIRIS faible et moyenne, comparativement aux substances appartenant à la classe de mobilité SIRIS forte, ce que ne permet pas d’estimer l’indicateur. Sur le bassin versant du Ruiné, la confrontation a été réalisée pour chacun des 13 sous-bassins à partir d’un test de corrélation sur les rangs (Spearman). Ce test montre des résultats significatifs et positifs uniquement pour le mancozèbe (fongicide appliqué sur la vigne) (corrélation proche de 0,8 pour une p-valeur inférieure à 0,10). Pour les six autres substances actives, les valeurs de corrélation proches de 0,5 ne permettent pas d’avancer des conclusions sur les liens entre IFT SA potentiel de transfert et sorties de modélisation. Les limites actuelles de l’IFT SA potentiel de transfert tiennent à ses caractéristiques. En effet, cet indicateur ne permet pas de rendre compte de la variabilité des transferts, induite notamment par les variations pluviométriques. Par ailleurs, son usage a montré qu’il ne peut pas être aujourd’hui directement mobilisé de façon opérationnelle notamment pour les derniers usages homologués car toutes les substances actives récentes ne possèdent pas encore de valeurs de rang SIRIS. Pour les substances enregistrées dans la base SIRIS, l’IFT SA potentiel de transfert permet d’accéder à un potentiel de transfert par classe de mobilité de substances cohérent avec la modélisation à l’échelle parcellaire. La seconde confrontation (entre concentrations en pesticides mesurées dans les eaux versus sorties de modélisation sur le Ruiné et la Morcille) a montré une bonne concordance des résultats (mêmes ordres de grandeur). Les analyses convergent vers la mise en évidence d’un gradient de contamination croissante le long de la Morcille et une modification de la composition de la pression pesticide entre les deux sites suivis sur le Ruiné. Cependant, cette confrontation a permis de soulever certaines limites des modèles agro-hydrologiques étudiés. En effet, si la modélisation des transferts des substances-mères est cohérente avec les usages, les modèles ne permettent pas actuellement de prédire l’apparition et le transfert des produits de dégradation dont les concentrations mesurées dans l’eau peuvent s’avérer supérieures à celles des molécules-mères. La troisième confrontation (entre mesures chimiques de pesticides et l’impact biologique mesuré in situ) a permis d’identifier les descripteurs les plus pertinents relatifs aux communautés diatomiques pour l’évaluation du risque toxique. Les trois types de descripteurs biologiques retenus (indices diatomiques, indices de biodiversité et présence d’espèces particulières) montrent une variabilité saisonnière très importante dans la composition spécifique des communautés, cohérentes avec la saisonnalité de la pression d’exposition. Cependant, le caractère intégratif des indicateurs biologiques, qui permet de mettre en évidence une altération globale de la qualité du milieu, ne permet pas de pointer une substance responsable d’impacts, soulignant la complexité de l’évaluation de l’écotoxicité des contaminants en mélange, tels qu’observés dans l’environnement. Au final, les travaux de recherche exploratoire ont permis de dégager deux résultats majeurs : le premier est l’identification des atouts et limites des différents outils mobilisés, le second concerne les verrous prioritaires à lever pour développer une telle approche de confrontation dans une démarche de validation d’indicateurs agro-environnementaux appliqués au risque pesticide dans les bassins-versants agricoles.