Etude biogéochimique d’un système lacustre de la plaine d’inondation amazonienne

La várzea de Curuaí

 La várzea de Curuaí se situe dans l’état du Pará, entre Óbidos et Santarém (1°50S ; 55°43W) (Figure 6, Figure 9 et Figure 10). Elle est bordée au nord, à l’est et à l’ouest par l’Amazone et au sud par une zone de forêt tropicale. Cette zone en élévation (une vingtaine de mètres) par rapport à la zone des lacs, est appelée « terra firme ». Cette zone présente une lithologie fluvio-lacustre correspondant à la formation Alter do Chaõ. Cette formation est posée sur un socle tertiaire (Turonien), de nature détritique (grès argileux) (Sampaio et Northfleet 1973). Irion (1984) donne une description de ces formations, étudiées à proximité de Santarém (Pará, Brésil), à environ 200 km à l’est de la plaine de Curuaí. La formation Alter do Chaõ est caractérisée par un sol de type « Xanthic ferralsols » de plusieurs mètres d’épaisseur (entre 10 et 20 m). Les 8 premiers mètres du sol sont essentiellement composés de quartz, de gœthite, de kaolinite et d’illite. Dans les horizons les plus profonds du sol (8 m), Irion (1984) a montré la possibilité de néoformation de montmorillonite par la dissolution de minéraux 30 potassiques (micas, illites). Ce sol est soumis à un régime d’altération très fort, d’où l’importance de la kaolinite par rapport aux autres espèces argileuses. La zone de Curuaí est couverte par une végétation de type forêt tropicale et de savane dans les zones où l’inondation est inexistante ou modérée. Les zones de marnage sont couvertes en basses eaux par des pâturages et en hautes eaux par une végétation aquatique de type macrophyte. La pluviométrie moyenne à Curuaí est de 2447 mm par an et l’évaporation potentielle (bac évaporatoire) moyenne est de 1400 mm par an (moyennes obtenues à partir des données de l’ANEEL-ANA pour la période allant de 1990 à 2001). On peut distinguer deux saisons, l’une pluvieuse de janvier à juin et une deuxième, plus sèche, de juillet à décembre (Figure 7). Entre les hautes eaux (maximum en juin) et les basses eaux (minimum en décembre), la différence des hauteurs d’eau est de l’ordre de 5 m à Curuaí (Figure 8). La superficie d’inondation de la várzea varie entre 1200 et 2300 km² et le volume d’eau maximum stocké est de 9.3 km3 (Martinez et Le Toan 2006). On compte 16 lacs bien individualisés lors des basses eaux. La Figure 9 (également reportée au format A3 en annexe, Figure A) représente le site d’étude de la plaine d’inondation de Curuaí où a été reporté le nom des lacs et les références utilisées dans ce mémoire pour les lacs et les chenaux d’entrée et sortie d’eau dans le système. L’eau des lacs a trois provenances distinctes: le cours principal de l’Amazone, la pluie directe et les eaux de ruissellement ou souterraines provenant du bassin versant au sud de la várzea. 31 P lu vio m étrie m o yen n e m e n su e lle à C u ru ai (1990-200 1) 0 5 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 Janvier Février Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Pluie mensuelle (mm) Figure 7 : Hiètogramme moyen obtenu à Curuaí pour la période allant de 1990 à 2001. (données ANA) Evolution annuelle du niveau à Curuai 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 01/01 16/01 31/01 15/02 01/03 16/03 31/03 15/04 30/04 15/05 30/05 14/06 29/06 14/07 29/07 13/08 28/08 12/09 27/09 12/10 27/10 11/11 26/11 11/12 26/12 jour calendaire Niveau à l’échelle (cm) 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 1989 1992 1999 2000 2001 Figure 8 : Mesure de la hauteur d’eau sur l’échelle limnimétrique du village de Curuaí 32 Figure 9 : Site d’étude de la plaine d’inondation de Curuaí 33 Les cours d’eau qui proviennent du bassin versant sud de la várzea, nommés « Igarapes » (AT10 et AT20), drainent le bassin forestier de la várzea. La plupart des lacs sont interconnectés entre eux par des chenaux de largeur et de longueur variables en fonction de la période hydrologique. Seuls trois lacs ne sont pas sous l’influence directe du flux d’eau de l’Amazone : le « Lago Curumucuri » (A33), le « Lago Açaí » (A36) et le « Lago Miuã » (A39). Figure 10 : Localisation de la plaine d’inondation de Curuaí (rouge) dans l’état du Pará, Brésil et de l’Ile de Marchantaria (bleue, voir infra) dans l’état d’Amazonas, Brésil. Les várzeas sont délimitées par les lignes en pointillés. Images issues de « Google earth ® » La circulation des eaux se fait d’ouest en est la plupart de l’année. Les entrées principales de l’eau provenant de l’Amazone dans la várzea sont la « boca do lago grande do Curuaí », située à l’est du système, l’ « Igararape do Sale » (Ai10) au nord34 ouest, les Igarape de « Quemdiria » (Ai 20) et « Cassiano » (Ai 30) au nord et l’Igarape de « Santa Ninha » (Ai60) au nord-est. Le chenal principal (boca do Lago Grande) subit l’influence de la marée dynamique (5 à 10 cm de marnage) pendant la période de basses eaux et peut à ce moment là devenir un chenal d’entrée. Lors des très hautes eaux, l’Amazone peut également pénétré dans la várzea par débordement. La várzea présente une pente douce d’Ouest en Est et les circulations d’eau y sont lentes, avec des vitesses de l’ordre du cm/s, en comparaison de celles de l’Amazone qui sont de l’ordre du m/s. L’étude hydrologique de la várzea a donné lieu à l’élaboration d’un modèle hydrologique qui sera décrit et utilisé dans la suite de ce travail. 

 Le site de Marchantaria

 En raison de la relative complexité hydrologique de la várzea de Curuaí, l’étude de l’impact de la végétation a été réalisée sur un site d’étude plus simple : la várzea de Marchantaria. Celle-ci présente la particularité d’être totalement isolée en période de basses eaux, ce qui permet de réaliser plus facilement les bilans nécessaires à la réalisation de notre objectif. De plus, un laboratoire a été installé à demeure sur le site (Convention Institut National de Recherche sur l’Amazonie (INPA, Brésil) – Max Planck Institut, Allemagne) qui nous a permis de traiter en partie les échantillons de végétaux. Deux sites sur le cours du Solimões ont été retenus pour l’étude de l’impact de la végétation sur les eaux des plaines d’inondation. L’île de Marchantaria (3°15S, 60°00W) située entre deux bras du Rio Solimões au s ud de la ville de Manaus (état d’Amazonas, Brésil, Figure 10) en amont de la confluence Rio Solimões – Rio Negro et la station de jaugeage de Manacapuru (3°34S, 60°55W , état d’Amazonas, Brésil). Les caractéristiques hydrologiques du fleuve contrôlent celles de la várzea. Le Rio Solimões est caractérisé par une crue monomodale de forte amplitude (10 m entre la crue et l’étiage) et par des débits pouvant aller du simple au triple entre les basses eaux (octobre-oovembre) et les hautes eaux (juin-juillet). Lors de la montée des eaux, la várzea se remplit par infiltration et débordement, formant des zones de lacs libres et de forêts inondées ; lors de la descente des eaux, les niveaux d’eau baissent fortement, laissant apparaître le sédiment à l’air libre et isolant les lacs du fleuve. L’île de Marchantaria est considérée comme une várzea type, inondée chaque année et 35 couverte par une végétation caractéristique. Elle s’étend sur environ 30 km² et est caractérisée par une hydrologie en trois phases (Cullman 1999) : la phase « through flow » décrit la période où les lacs sont connectés avec l’Amazone ; la phase de « drainage » se situe lors de la baisse des niveaux d’eau ; la phase d’isolation, lors des basses eaux décrit la période où les lacs ne sont plus connectés à la várzea. La várzea comprend trois lacs principaux : le lac Cameleaõ, le lac Central et le lac Comprido (Figure 11). Figure 11 : Localisation des lacs dans la plaine d’inondation de l’Île de la Marchantaria (largeur de l’image : 15 km) 36 37 38 Chapitre II Outils et méthodes 

 Les campagnes d’échantillonnage

 Les campagnes d’échantillonnage sur la várzea du « Lago Grande de Curuaí » ont eu lieu de mars 2002 à juin 2003. Nous avons reporté dans le Tableau 1 un résumé des principaux prélèvements et mesures effectués lors de ces campagnes. Les campagnes ont été réparties pour couvrir au mieux les différentes phases du cycle hydrologique (Figure 12). Les campagnes ont été effectuées à partir d’un bateau qui servait de laboratoire. Nous avons utilisé des canots à moteur pour nous déplacer sur le site. Date de la mission 9-21 mars-02 . Tableau 1 : Tableau récapitulatif des prélèvements effectués lors des quatre campagnes de terrain. Les lignes Amazone, Affluents et Lacs représentent les prélèvements d’eau nécessaire à l’analyse des cations et anions majeurs ainsi que des éléments en traces. L’indication « total » représente les échantillons prélevés pour l’analyse de l’eau brute (phase dissoute et particulaire). Les MES représentent les matières en suspension récupérées sur les filtres présentant un diamètre de pore de 0,22µm. La campagne de mars 2002 a permis de compléter les données hydrologiques et de mettre en place l’échantillonnage mensuel de la phase dissoute (<0,22 µm) des eaux pour les points AT20, A33, A20, A25 et A3 (Figure 9) pour l’analyse des cations et anions majeurs. Ces données seront utilisées dans le modèle. 41 La campagne d’octobre 2002 se déroulait lors de la fin de la période de vidange de la várzea et le début des basses eaux. Lors de cette mission, nous avons réalisé un échantillonnage des eaux des lacs accessibles à cette période. La campagne de mars 2003 a été l’occasion d’un prélèvement systématique des eaux et des sédiments de fond. Cette mission nous a également permis d’échantillonner les affluents de l’Amazone (Rio Solimões, Rio Negro et Rio Madeira) et des épisodes pluvieux sur la várzea, à Óbidos et à Manaus. La campagne de juin 2003 nous a permis d’effectuer des prélèvements en hautes eaux. Ce fut également l’occasion de réaliser des prélèvements d’eau à différentes profondeurs dans la colonne d’eau des lacs. Enfin, une attention particulière a été portée aux lacs où avait lieu un bloom phytoplanctonique. Lors des deux missions de mars et de juin 2003, nous avons également réalisé des prélèvements particuliers visant l’étude des espèces planctoniques (phytoplancton et zooplancton). La détermination des espèces a été réalisée par Maria do Socorro Rodrigues Ibañez au département d’Ecologie de l’Université de Brasilía. Nous avons également pu lors de ces deux missions (mars 2003 et juin 2003) prélever de l’eau de pluie. Les quatre campagnes réalisées ont permis de couvrir relativement bien l’ensemble du cycle hydrologique (Figure 12). 0 200 400 600 800 1000 mars-02 avr.-02 mai-02 juin-02 juil.-02 août-02 sept.-02 oct.-02 nov.-02 déc.-02 janv.-03 févr.-03 mars-03 avr.-03 mai-03 juin-03 juil.-03 août-03 sept.-03 oct.-03 nov.-03 déc.-03 0 50000 100000 150000 200000 250000 Hauteur d’eau à Curuaí Débit de l’Amazone mesuré à Óbidos Hauteur d’eau (cm) Débit (m .s 3 -1 ) Figure 12 : Variation de la hauteur d’eau dans la várzea et débits de l’Amazone à Óbidos mesurés lors des campagnes de terrain. Celles réalisées par l’auteur sur le site d’étude sont représentées par des bandes roses. 

 Prélèvements et mesures de terrain 

 Préparation du matériel de terrain 

Avant d’effectuer les prélèvements, le matériel est préalablement décontaminé selon la procédure suivante : les récipients de prélèvement, les flacons de stockage, les unités de filtration ainsi que les membranes filtrantes (filtres GVWP Millipore® et membranes Spectrapor® ) ont été lavés dans un bain d’acide chlorhydrique 1N puis rincés à l’eau MilliQ® (appelée par la suite MQ) avant d’être séchés à l’étuve (50°C pendant 48 heures) ; les filtres destinés à la collecte des MES ont été pré-pesés et stockés individuellement dans des boites (« pétrislides ») Millipore® ; les contenants et les unités de filtrations ont été emballés dans du film plastique étirable jusqu’à leur utilisation. Les filtres Whatmann® GFF destinés à l’analyse du carbone organique dissous (COD) et particulaire (COP) et de la chlorophylle-a ont été brûlés à 400°C, pré-pesés et stockés dans des pétrislides. Nous avons effectué une pyrolyse à 500°C pendant 4 heures des flacons en verre destinés à l’analyse du COD. Ces flacons ont été préalablement rincés à l’acétone.

 Prélèvements et mesures

 in situ 5 à 10 litres d’eau ont été prélevés dans des récipients (outres souples en Polyéthylène) préalablement lavés. Le récipient est immergé à 15-20 cm de profondeur avant d’être ouvert, rempli, refermé et stocké. Un aliquot d’eau brute destiné à l’analyse de la charge totale (phase dissoute et particulaire) de l’eau a été systématiquement prélevé au même moment dans des flacons Nalgène® de 100 ml. Pour les prélèvements en profondeur, nous avons utilisé une bouteille d’immersion de type Niskin® , recouverte de téflon® . Les paramètres physico-chimiques suivant : pH, conductivité (nommé Cond. par la suite) et température (T°C) ont été mesurés in situ. Les prélèvements de pluie ont été effectués grâce à un préleveur automatique équipé de sac type « congélation alimentaire ». Le protocole de prélèvement et les caractéristiques du préleveur sont décrits par Freydier et al. (1998). 43 De retour sur le bateau, un aliquot servait à mesurer l’alcalinité de l’eau (délai de 1 heure à 12 heures après le prélèvement) par titration acide (HCl : 0,01M). Les données sont ensuite traitées par la méthode mathématique de Gran. Les sédiments de fond provenant de six lacs de la plaine d’inondation ont été prélevés en mars 2003 à l’aide d’un préleveur dérivant et conservés dans des poches en polyéthylène propres. 

 Filtration des échantillons 

Selon le type d’analyse, les échantillons prélevés ont été filtrés sur deux types de filtres différents : • sur filtre Millipore GVWP en ester de cellulose de porosité 0,22 µm pour les cations, anions et éléments traces ; les filtrations ont été réalisées à l’aide de systèmes de filtrations frontales en Nalgène® (diamètre de 47 mm) et en Téflon (système Sartorius® , diamètre de 142 mm). Le filtre 47mm et l’unité Nalgène® sont rincés avec 250 ml de solution qui sont ensuite jetés. Les 125 ml d’eau suivants sont conditionnés pour l’analyse des anions et les 125 ml suivants à l’analyse des cations majeurs et éléments traces. Pour les filtres 147 mm et le système Sartorius ® , 1,5 litres de solution ont été utilisés pour le rinçage, 1 litre de solution est récupéré en vue de l’analyse des anions, cations majeurs et éléments traces. Les échantillons d’eau destinés à l’analyse des éléments traces et des cations majeurs ont été acidifiés à pH 2 avec HNO3 bi-distillé et conservés au réfrigérateur sur le bateau. L’ensemble des échantillons a été stocké dans un réfrigérateur à 4°C jusqu’à la fin de la mission. • sur filtre Whatmann® GFF en fibre de verre de porosité 0,7 µm pour séparer les fractions contenant le carbone organique dissous (COD, <0,7 µm) et le carbone organique particulaire (COP, > 0,7 µm). Le système de filtration, entièrement en verre, a été rincé avec 250 mL de solution. 60 ml ont été ensuite filtrés pour l’analyse du COD. Pour la chlorophylle-a, nous avons réitéré la filtration sur un filtre neuf. L’aliquot pour le COD a été acidifié avec de l’acide phosphorique (H3PO4) Suprapur Merck ® et conservé au réfrigérateur à l’abri de la lumière. Les filtres ont été conservés au congélateur pour l’analyse du COP.