Pollution par les nutriments - Nutrient pollution
La pollution par les nutriments, une forme de pollution de l' eau , fait référence à la contamination par des apports excessifs de nutriments . C'est l'une des principales causes d' eutrophisation des eaux de surface , dans lesquelles un excès de nutriments, généralement de l' azote ou du phosphore , stimule la croissance des algues . Les sources de pollution par les éléments nutritifs comprennent le ruissellement de surface des champs agricoles et des pâturages, les rejets des fosses septiques et des parcs d'engraissement et les émissions provenant de la combustion. Les eaux usées brutes contribuent largement à l'eutrophisation culturelle, car les eaux usées sont riches en nutriments. Le rejet d'eaux usées brutes dans un grand plan d'eau est appelé déversement d'eaux usées et se produit encore partout dans le monde. L'excès de composés azotés réactifs dans l'environnement est associé à de nombreuses préoccupations environnementales à grande échelle. Il s'agit notamment de l' eutrophisation des eaux de surface , des proliférations d'algues nuisibles , de l' hypoxie , des pluies acides , de la saturation en azote des forêts et du changement climatique .
Depuis le boom agricole des années 1910 et à nouveau dans les années 1940 pour répondre à l'augmentation de la demande alimentaire, la production agricole repose fortement sur l'utilisation d'engrais. L'engrais est une substance naturelle ou modifiée chimiquement qui aide le sol à devenir plus fertile. Ces engrais contiennent des quantités élevées de phosphore et d'azote, ce qui entraîne des quantités excessives de nutriments entrant dans le sol. L'azote , le phosphore et le potassium sont les principaux éléments nutritifs des « 3 grands » dans les engrais commerciaux, chacun de ces éléments nutritifs fondamentaux joue un rôle clé dans la nutrition des plantes. Lorsque l' azote et le phosphore ne sont pas pleinement utilisés par les plantes en croissance, ils peuvent être perdus dans les champs agricoles et avoir un impact négatif sur la qualité de l'air et de l'eau en aval. Ces nutriments peuvent éventuellement se retrouver dans les écosystèmes aquatiques et contribuent à l'augmentation de l'eutrophisation. Lorsque les agriculteurs épandent leurs engrais, qu'ils soient organiques ou synthétiques, la plupart des engrais se transformeront en ruissellement qui s'accumule en aval, générant une eutrophisation culturelle.
Les approches d'atténuation pour réduire les rejets de polluants nutritifs comprennent l'assainissement des éléments nutritifs, l'échange d'éléments nutritifs et la répartition des sources d'éléments nutritifs.
Nutriments
| Fait partie d'une série sur |
| la pollution |
|---|
 |
| Types d'aliments | Emissions eutrophisantes (g PO 4 3- eq pour 100g de protéine) |
|---|---|
| Du bœuf |
365,3
|
| Poisson d'élevage |
235.1
|
| Crustacés d'élevage |
227,2
|
| Du fromage |
98,4
|
| Agneau et mouton |
97,1
|
| Porc |
76,4
|
| la volaille |
48,7
|
| Des œufs |
21,8
|
| Arachides |
14.1
|
| Pois |
7.5
|
| Tofu |
6.2
|
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Azote
L'utilisation d' engrais synthétiques , la combustion de combustibles fossiles et la production animale agricole , en particulier les opérations d'alimentation animale concentrée (CAFO), ont ajouté de grandes quantités d'azote réactif à la biosphère . Globalement, les bilans azotés sont distribués de manière assez inefficace, certains pays ayant des excédents et d'autres des déficits, causant notamment une série de problèmes environnementaux dans les premiers. Pour la plupart des pays du monde, le compromis entre la réduction des écarts de rendement et l'atténuation de la pollution par l'azote est faible ou inexistant
Phosphore
La pollution au phosphore est causée par l'utilisation excessive d'engrais et de fumier , en particulier lorsqu'elle est aggravée par l'érosion des sols . Le phosphore est également rejeté par les stations d'épuration municipales et certaines industries.
L'humanité a multiplié par quatre le taux de recyclage du phosphore sur Terre, principalement en raison de la production et de l'application d'engrais agricoles. Entre 1950 et 1995, environ 600 000 000 de tonnes de phosphore ont été appliquées à la surface de la Terre, principalement sur les terres cultivées.
Impacts environnementaux
Un excès de nutriments a été résumé comme pouvant conduire à :
- Effets sur la population : croissance excessive d'algues ( efflorescences algales nuisibles ) ;
- Effets sur la communauté : changements dans la composition des espèces (taxons dominants) ;
- Effets écologiques : modifications du réseau trophique , limitation de la lumière ;
- Effets biogéochimiques : excès de carbone organique (eutrophisation) ; déficits en oxygène dissous ( hypoxie environnementale ) ; production de toxines;
- Effets sur la santé humaine : excès de nitrate dans l'eau potable ( syndrome du bébé bleu ) ; sous-produits de désinfection dans l'eau potable;
- Effets sur la biodiversité : prolifération excessive d'algues ( perte de biodiversité ).
Sources de ruissellement élevé de nutriments
La ou les principales sources de pollution par les nutriments dans un bassin versant individuel dépendent des utilisations dominantes des terres . Les sources peuvent être des sources ponctuelles , les sources diffuses , ou les deux:
- Agriculture : production animale ou cultures
- Urbain/banlieue : ruissellement des eaux pluviales des routes et des parcs de stationnement ; utilisation excessive d'engrais sur les pelouses; stations d'épuration municipales; émissions des véhicules à moteur
- Industriel : émissions polluantes de l'air (par exemple centrales électriques ), rejets d'eaux usées de diverses industries.
La pollution par les nutriments provenant de certaines sources de pollution atmosphérique peut se produire indépendamment des utilisations locales des terres, en raison du transport à longue distance de polluants atmosphériques provenant de sources éloignées.
Afin d'évaluer la meilleure façon de prévenir l'eutrophisation, des sources spécifiques qui contribuent à la charge en éléments nutritifs doivent être identifiées. Il existe deux sources communes de nutriments et de matière organique : les sources ponctuelles et les sources diffuses .
Sources ponctuelles
Les sources ponctuelles sont directement attribuables à une influence. Dans les sources ponctuelles, les déchets nutritifs se déplacent directement de la source à l'eau. Les sources ponctuelles sont relativement faciles à réguler.
Sources diffuses
La pollution de source non ponctuelle (également appelée pollution « diffuse » ou « de ruissellement ») est celle qui provient de sources mal définies et diffuses. Les sources diffuses sont difficiles à réguler et varient généralement dans l'espace et dans le temps (avec la saison , les précipitations et d'autres événements irréguliers ).
Il a été démontré que le transport de l'azote est corrélé avec divers indices d'activité humaine dans les bassins versants, y compris le degré de développement. Le labour dans l' agriculture et le développement sont les activités qui contribuent le plus à la charge en éléments nutritifs.
Rétention du sol
Les nutriments provenant des activités humaines ont tendance à s'accumuler dans les sols et y restent pendant des années. Il a été démontré que la quantité de phosphore perdue dans les eaux de surface augmente linéairement avec la quantité de phosphore dans le sol. Ainsi, une grande partie de la charge en éléments nutritifs dans le sol finit par se retrouver dans l'eau. L'azote, de même, a un temps de renouvellement de plusieurs décennies.
Ruissellement vers les eaux de surface
Les éléments nutritifs provenant des activités humaines ont tendance à se déplacer de la terre vers les eaux de surface ou souterraines. L'azote en particulier est éliminé par les égouts pluviaux , les canalisations d'égout et d'autres formes de ruissellement de surface . Les pertes de nutriments dans le ruissellement et le lixiviat sont souvent associées à l' agriculture . L'agriculture moderne implique souvent l'application de nutriments sur les champs afin de maximiser la production. Cependant, les agriculteurs appliquent fréquemment plus d'éléments nutritifs que ce qui est absorbé par les cultures ou les pâturages. Les réglementations visant à minimiser les exportations de nutriments provenant de l'agriculture sont généralement beaucoup moins strictes que celles imposées aux usines de traitement des eaux usées et aux autres sources ponctuelles de pollution. Il convient également de noter que les lacs situés dans les terres boisées sont également sous l'influence du ruissellement de surface. Le ruissellement peut emporter l'azote minéral et le phosphore des détritus et, par conséquent, alimenter les masses d'eau, entraînant une eutrophisation lente et naturelle.
Dépôt atmosphérique
L'azote est libéré dans l'air en raison de la volatilisation de l' ammoniac et de la production d'oxyde nitreux. La combustion de combustibles fossiles est un important contributeur initié par l'homme à la pollution atmosphérique par l'azote. L'azote atmosphérique atteint le sol par deux processus différents, le premier étant un dépôt humide tel que la pluie ou la neige, et le second étant un dépôt sec qui est constitué de particules et de gaz présents dans l'air. Les dépôts atmosphériques (p. ex. sous forme de pluies acides ) peuvent également affecter la concentration de nutriments dans l'eau, en particulier dans les régions hautement industrialisées.
Autres sources
Tout facteur qui provoque une augmentation des concentrations de nutriments peut potentiellement conduire à l'eutrophisation. Dans la modélisation de l'eutrophisation, le taux de renouvellement de l'eau joue un rôle critique ; l'eau stagnante est autorisée à collecter plus de nutriments que les corps avec des réserves d'eau reconstituées. Il a également été démontré que l'assèchement des zones humides provoque une augmentation de la concentration en éléments nutritifs et des proliférations d'eutrophisation subséquentes.
Atténuation des rejets de polluants nutritifs
Assainissement des éléments nutritifs
Des solutions innovantes ont été conçues pour lutter contre la pollution par les nutriments dans les systèmes aquatiques en modifiant ou en améliorant les processus naturels pour éloigner les effets des nutriments des impacts écologiques néfastes. L'assainissement des éléments nutritifs est une forme d'assainissement de l'environnement, mais ne concerne que les éléments nutritifs biologiquement actifs tels que l' azote et le phosphore . Le terme « assainissement » fait référence à l'élimination de la pollution ou des contaminants, généralement pour la protection de la santé humaine. Dans l'assainissement de l'environnement, les technologies d'élimination des nutriments comprennent la biofiltration , qui utilise des matières vivantes pour capturer et dégrader biologiquement les polluants. Les exemples incluent les ceintures vertes, les zones riveraines , les zones humides naturelles et artificielles et les étangs de traitement. Ces zones captent le plus souvent les rejets anthropiques tels que les eaux usées, les eaux de ruissellement ou le traitement des eaux usées, pour la remise en état des terres après l'exploitation minière, l'activité de raffinerie ou l'aménagement des terres. La biofiltration utilise l'assimilation biologique pour capturer, absorber et éventuellement incorporer les polluants (y compris les nutriments) dans les tissus vivants. Une autre forme d'élimination des nutriments est la bioremédiation , qui utilise des micro-organismes pour éliminer les polluants. La bioremédiation peut se produire seule sous forme d'atténuation naturelle ou de bioremédiation intrinsèque ou peut être encouragée par l'ajout d'engrais, une stratégie appelée biostimulation.
La bioextraction des éléments nutritifs est la biorestauration impliquant des plantes et des animaux cultivés. La bioextraction ou la biorécolte des éléments nutritifs consiste à cultiver et à récolter des coquillages et des algues dans le but d'éliminer l'azote et d'autres éléments nutritifs des plans d'eau naturels. Il a été suggéré que l'élimination de l'azote par les récifs d'huîtres pourrait générer des avantages nets pour les sources confrontées à des restrictions d'émissions d'azote, similaires à d'autres scénarios d'échange de nutriments. Plus précisément, si les huîtres maintiennent les niveaux d'azote dans les estuaires en deçà des seuils qui conduiraient à l'imposition de limites d'émission, les huîtres économisent effectivement aux sources les coûts de conformité qu'elles encourraient autrement. Plusieurs études ont montré que les huîtres et les moules ont la capacité d'avoir un impact considérable sur les niveaux d'azote dans les estuaires. De plus, des études ont démontré le potentiel des algues pour améliorer les niveaux d'azote.
Commerce de nutriments
L'échange d'éléments nutritifs est un type d' échange de qualité de l' eau , un instrument politique basé sur le marché utilisé pour améliorer ou maintenir la qualité de l'eau. Le commerce de la qualité de l'eau est né vers 2005 et est basé sur le fait que différentes sources de pollution dans un bassin versant peuvent faire face à des coûts très différents pour contrôler le même polluant. L'échange de qualité de l'eau implique l'échange volontaire de crédits de réduction de la pollution provenant de sources à faible coût de contrôle de la pollution à celles ayant des coûts élevés de contrôle de la pollution, et les mêmes principes s'appliquent à l'échange de qualité de l'eau nutritive. Le principe sous-jacent est le « pollueur-payeur », généralement lié à une exigence réglementaire de participation au programme d'échange.
Un rapport Forest Trends de 2013 a résumé les programmes d'échange de qualité de l'eau et a trouvé trois principaux types de bailleurs de fonds : les bénéficiaires de la protection des bassins versants, les pollueurs compensant leurs impacts et les « payeurs de bien public » qui peuvent ne pas bénéficier directement, mais financent les crédits de réduction de la pollution au nom d'un gouvernement ou ONG . En 2013, les paiements ont été massivement initiés par des payeurs de biens publics comme les gouvernements et les ONG.
Répartition des sources de nutriments
La répartition des sources d'éléments nutritifs est utilisée pour estimer la charge en éléments nutritifs de divers secteurs entrant dans les plans d'eau, à la suite d'une atténuation ou d'un traitement. L'agriculture est généralement la principale source d'azote dans les masses d'eau en Europe, alors que dans de nombreux pays, les ménages et les industries ont tendance à être les principaux contributeurs de phosphore. Lorsque la qualité de l'eau est affectée par un excès de nutriments, les modèles de répartition des sources de charge peuvent soutenir la gestion proportionnelle et pragmatique des ressources en eau en identifiant les sources de pollution. Il existe deux grandes approches pour la modélisation de la répartition de la charge, (i) les approches axées sur la charge qui répartissent l'origine sur la base des données de surveillance dans les cours d'eau et (ii) les approches axées sur la source où les quantités d' émissions de pollution diffuse ou non ponctuelle sont calculées à l'aide de modèles. généralement basé sur les coefficients d'exportation des bassins versants ayant des caractéristiques similaires. Par exemple, le modèle de répartition de la charge à la source (SLAM) adopte cette dernière approche, en estimant la contribution relative des sources d'azote et de phosphore aux eaux de surface dans les bassins hydrographiques irlandais sans données de surveillance dans les cours d'eau en intégrant des informations sur les rejets ponctuels (eaux usées urbaines, industrie et les fosses septiques), les sources diffuses (pâturages, terres arables, forestières, etc.) et les données sur les bassins versants, y compris les caractéristiques hydrogéologiques.
Exemples de pays
États Unis
La pollution agricole non ponctuelle (NPS) est la plus grande source de dégradation de la qualité de l'eau aux États-Unis, d'après les enquêtes menées par les agences environnementales des États. La pollution NPS n'est pas soumise à des permis de rejet en vertu de la Clean Water Act (CWA) fédérale . L'EPA et les États ont utilisé des subventions, des partenariats et des projets de démonstration pour inciter les agriculteurs à ajuster leurs pratiques et à réduire le ruissellement de surface .
Élaboration d'une politique nutritionnelle
Les exigences de base pour que les États élaborent des critères et des normes sur les éléments nutritifs ont été mandatées dans la Clean Water Act de 1972. La mise en œuvre de ce programme de qualité de l'eau a été un défi scientifique, technique et gourmand en ressources à la fois pour l'EPA et les États, et le développement se poursuit jusqu'au 21e siècle.
L'EPA a publié un règlement sur la gestion des eaux usées en 1978 pour commencer à s'attaquer au problème national de la pollution par l'azote, qui était en augmentation depuis des décennies. En 1998, l'agence a publié une stratégie nationale sur les éléments nutritifs mettant l'accent sur l'élaboration de critères nutritionnels.
Entre 2000 et 2010, l'EPA a publié des critères fédéraux sur les éléments nutritifs pour les rivières/cours d'eau, lacs/réservoirs, estuaires et zones humides ; et des orientations connexes. Des critères nutritionnels « écorégionaux » pour 14 écorégions des États-Unis ont été inclus dans ces publications. Alors que les États peuvent adopter directement les critères publiés par l'EPA, dans de nombreux cas, les États doivent modifier les critères pour refléter les conditions spécifiques au site. En 2004, l'EPA a fait part de ses attentes en matière de critères numériques (par opposition à des critères narratifs moins spécifiques) pour l'azote total (TN), le phosphore total (TP), la chlorophylle a (chl-a) et la clarté, et a établi " sur les plans" pour l'élaboration des critères de l'État. En 2007, l'agence a déclaré que les progrès entre les États sur l'élaboration de critères nutritionnels avaient été inégaux. L'EPA a réitéré ses attentes en matière de critères numériques et a promis son soutien aux efforts des États pour développer leurs propres critères.
Après que l'EPA eut introduit les permis NPDES basés sur les bassins versants en 2007, l'intérêt pour l'élimination des nutriments et la réalisation des limitations régionales de la charge quotidienne maximale totale (TMDL) ont conduit au développement de programmes d'échange de nutriments.
En 2008, l'EPA a publié un rapport d'étape sur les efforts des États pour élaborer des normes nutritionnelles. Une majorité d'États n'avaient pas élaboré de critères nutritionnels numériques pour les rivières et les ruisseaux ; lacs et réservoirs; les zones humides et les estuaires (pour les États qui ont des estuaires). La même année, l'EPA a également créé un groupe de travail sur les innovations en matière de nutriments (NITG), composé d'experts de l'État et de l'EPA, pour surveiller et évaluer les progrès de la réduction de la pollution par les nutriments. En 2009, le NTIG a publié un rapport intitulé « Un appel urgent à l'action », exprimant sa préoccupation quant au fait que la qualité de l'eau continue de se détériorer à l'échelle nationale en raison de la pollution croissante par les éléments nutritifs et recommandant l'élaboration plus vigoureuse de normes sur les éléments nutritifs par les États.
En 2011, l'EPA a réitéré la nécessité pour les États de développer pleinement leurs normes nutritionnelles, notant que les violations de l'eau potable pour les nitrates avaient doublé en huit ans, que la moitié de tous les cours d'eau à l'échelle nationale avaient des niveaux moyens à élevés d'azote et de phosphore, et que les proliférations d'algues nocives augmentaient. . L'agence a établi un cadre permettant aux États de développer des priorités et des objectifs au niveau des bassins versants pour la réduction des nutriments.
Permis de décharge
De nombreux rejets de sources ponctuelles aux États-Unis, bien qu'ils ne soient pas nécessairement les plus grandes sources d'éléments nutritifs dans leurs bassins versants respectifs, sont tenus de se conformer aux limites des effluents nutritifs dans leurs permis, qui sont délivrés par le biais du National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES), conformément à la CWA. Certaines grandes usines de traitement des eaux usées municipales , telles que l' usine de traitement des eaux usées avancée de Blue Plains à Washington, DC ont installé des systèmes d' élimination biologique des nutriments (BNR) pour se conformer aux exigences réglementaires. D'autres municipalités ont apporté des ajustements aux pratiques opérationnelles de leurs systèmes de traitement secondaire existants pour contrôler les éléments nutritifs.
Les rejets des grandes installations d'élevage (CAFO) sont également réglementés par les autorisations NPDES. Le ruissellement de surface provenant des champs agricoles, la principale source de nutriments dans de nombreux bassins versants, est classé comme pollution NPS et n'est pas réglementé par les permis du NPDES.
programme TMDL
Une charge quotidienne maximale totale (TMDL) est un plan réglementaire qui prescrit la quantité maximale d'un polluant (y compris les nutriments) qu'un plan d'eau peut recevoir tout en respectant les normes de qualité de l'eau CWA. Plus précisément, l'article 303 de la loi exige que chaque État génère un rapport TMDL pour chaque masse d'eau altérée par des polluants. Les rapports TMDL identifient les niveaux de polluants et les stratégies pour atteindre les objectifs de réduction des polluants. L'EPA a décrit les TMDL comme établissant un « budget de polluants » avec des allocations à chacune des sources de polluants. Pour de nombreuses masses d'eau côtières, le principal problème de pollution est l'excès de nutriments, également appelé surenrichissement en nutriments.
Un TMDL peut prescrire le niveau minimum d' oxygène dissous (OD) disponible dans un plan d'eau, qui est directement lié aux niveaux de nutriments. ( Voir l' hypoxie aquatique .) En 2010, 18 pour cent des TMDL à l'échelle nationale étaient liés aux niveaux de nutriments, notamment l'enrichissement organique/l'épuisement de l'oxygène, les plantes nocives, la croissance des algues et l'ammoniac.
Les TMDL identifient tous les polluants de source ponctuelle et diffuse dans un bassin versant. Pour mettre en œuvre des TMDL avec des sources ponctuelles, les allocations de déchets sont incorporées dans leurs permis NPDES. Les rejets de NPS sont généralement dans un scénario de conformité volontaire.
À Long Island Sound , le processus de développement du TMDL a permis au Département de l'énergie et de la protection de l'environnement du Connecticut et au Département de la conservation de l'environnement de l'État de New York d'intégrer un objectif de réduction d'azote de 58,5 % dans un cadre réglementaire et juridique.
Voir également
Les références
-
Cet article incorpore du matériel du domaine public du document du Congressional Research Service : « Report for Congress : Agriculture : A Glossary of Terms, Programs, and Laws, 2005 Edition » (PDF) .
- EPA. "Protéger la qualité de l'eau du ruissellement agricole." Mars 2005. Document n° EPA 841-F-05-001. Fiche descriptive.