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Annls Limnot. 16 (2) 1980 : 103-117. ETUDE LIMNOLOGIQUE DU BASSIN VERSANT DU LAC SAINT-JEAN (QUEBEC, CANADA). CORRESPONDANCE ENTRE PRODUCTION ET BIODISPONIBILITE D'ELEMENTS NUTRITIFS par P. COUTURE 1 , D. CLUIS 1 et L. POTVINi La connaissance de la distribution des superficies occupées par la forêt et des surfaces exploitées à des fins agricoles sur le bassin versant du lac Saint-Jean permet de distinguer deux grands groupes de sous-bassins, les tributaires fores- tiers et les rivières agricoles. Les charges calculées en substances nutritives (azote, phosphore), les niveaux d'enrichissements mesurés en substances de crois- sances potentiellement disponibles pour le phytoplancton (potentiel de fertilité (PF) ) et les concentrations en chlorophylle-a dosées sont la résultante de l'utili- sation et de l'état des territoires drainés. Une typologie des tributaires étudiés est proposée en confrontant les charges calculées (N/P) 2 et la mesure de leur bio- disponibilité potentielle pour le phytoplancton (PF) : N/P «„,..«..„ >N/P ,.„,„„,., PF <" P F r A (forestier) ^ r L (aertcole) Limnological study of lake St. John watershed (Québec, Canada). Relationship between production and bioavailability of nutrients. The lake St. John watershed has been subdivided into two 'land-use types on the basis of the areal distribution of forests and agricultural lands. The tributaries of each watershed were characterized in terms of nitrogen and phos- phorous loadings, potential primary productivity, and concentrations of chloro- phyll'a'. From the calculated loading ratios (N/P) and their potential "bioavaila- bility" (PF) to phytoplankton, a typology of the major tributaires has been pro- posed : N/P (forest) ^ N/P (auricul tural) PF PF A A (forost) ^ x * (aKricultural) 1. INTRODUCTION Les caractéristiques géographiques d'un bassin hydrographique exercent une influence sur la qualité du milieu aquatique. Parmi ces caractéristiques, il y a celles qui concernent le milieu naturel : topo- graphie, géologie, végétation, etc., et celles qui sont liées aux activités 1. Institut national de la recherche scientifique (INRS-Eau), C.P. 7500, Sainte- Foy, Québec, Canada G1V 4C7. 2. Le rapport N/P est obtenu à partir d'éléments calculés et non mesurés. Article available at http://www.limnology-journal.org or http://dx.doi.org/10.1051/limn/1980020

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Annls Limnot. 16 (2) 1980 : 103-117.

ETUDE L IMNOLOGIQUE

D U BASSIN VERSANT D U LAC SAINT-JEAN (QUEBEC, C A N A D A ) .

CORRESPONDANCE ENTRE PRODUCTION

ET BIODISPONIBILITE D'ELEMENTS NUTRITIFS

p a r P. C O U T U R E 1 , D. C L U I S 1 et L. P O T V I N i

La c o n n a i s s a n c e d e la d i s t r i b u t i o n d e s super f i c i e s o c c u p é e s p a r la f o r ê t e t d e s s u r f a c e s e x p l o i t é e s à d e s fins a g r i c o l e s s u r le b a s s i n v e r s a n t d u lac S a i n t - J e a n p e r m e t d e d i s t i n g u e r d e u x g r a n d s g r o u p e s d e s o u s - b a s s i n s , les t r i b u t a i r e s fo res ­t i e r s e t les r i v i è r e s a g r i c o l e s . Le s c h a r g e s c a l c u l é e s e n s u b s t a n c e s n u t r i t i v e s ( azo te , p h o s p h o r e ) , les n i v e a u x d ' e n r i c h i s s e m e n t s m e s u r é s e n s u b s t a n c e s d e c r o i s ­s a n c e s p o t e n t i e l l e m e n t d i s p o n i b l e s p o u r le p h y t o p l a n c t o n ( p o t e n t i e l d e f e r t i l i t é (PF) ) e t les c o n c e n t r a t i o n s e n c h l o r o p h y l l e - a d o s é e s s o n t la r é s u l t a n t e d e l 'ut i l i ­s a t i o n e t d e l ' é t a t d e s t e r r i t o i r e s d r a i n é s . U n e t y p o l o g i e d e s t r i b u t a i r e s é t u d i é s es t p r o p o s é e e n c o n f r o n t a n t les c h a r g e s ca l cu l ée s ( N / P ) 2 e t la m e s u r e d e l e u r b io­d i s p o n i b i l i t é p o t e n t i e l l e p o u r le p h y t o p l a n c t o n (PF) :

N / P « „ , . . « . . „ > N / P , . „ , „ „ , . ,

P F <" P F r A ( f o r e s t i e r ) ^ r L ( a e r t c o l e )

Limnological study of lake St. John watershed (Québec, Canada) .

Relationship between production and bioavailabil i ty of nutr ients.

T h e l a k e S t . J o h n w a t e r s h e d h a s b e e n s u b d i v i d e d i n t o t w o ' land-use t y p e s o n t h e b a s i s of t h e a r e a l d i s t r i b u t i o n of f o r e s t s a n d a g r i c u l t u r a l l a n d s . T h e t r i b u t a r i e s of e a c h w a t e r s h e d w e r e c h a r a c t e r i z e d in t e r m s of n i t r o g e n a n d p h o s -p h o r o u s l o a d i n g s , p o t e n t i a l p r i m a r y p r o d u c t i v i t y , a n d c o n c e n t r a t i o n s of c h l o r o -p h y l l ' a ' . F r o m t h e c a l c u l a t e d l o a d i n g r a t i o s ( N / P ) a n d t h e i r p o t e n t i a l " b i o a v a i l a ­b i l i t y " (PF) t o p h y t o p l a n k t o n , a t y p o l o g y of t h e m a j o r t r i b u t a i r e s h a s b e e n p r o -p o s e d :

N / P ( f o r e s t ) ^ N / P ( a u r i c u l t u r a l )

P F P F A A ( f o r o s t ) ^ x * ( a K r i c u l t u r a l )

1. — INTRODUCTION

Les caractér is t iques géographiques d 'un bassin hydrograph ique exercent une influence sur la qual i té du milieu aqua t ique . Parmi ces caractér is t iques , il y a celles qui concernent le milieu na ture l : topo­graphie, géologie, végétation, etc., et celles qui sont liées aux activités

1. I n s t i t u t n a t i o n a l d e l a r e c h e r c h e sc i en t i f ique ( I N R S - E a u ) , C.P. 7500, S a i n t e -Foy , Q u é b e c , C a n a d a G1V 4C7.

2. Le r a p p o r t N / P e s t o b t e n u à p a r t i r d ' é l é m e n t s ca l cu lé s e t n o n m e s u r é s .

Article available at http://www.limnology-journal.org or http://dx.doi.org/10.1051/limn/1980020

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humaines : u rbanisa t ion , agr icul ture , indust r ie , etc . Ce sont toutefois ces dernières qui engendrent les véri tables p rob lèmes de détér iora t ion de la qual i té des eaux en con t r ibuan t à l 'accélération du processus d 'eut rophisa t ion des écosystèmes aqua t iques (Lee 1973 ; Lee et al. 1978 ; Likens et Loucks 1978).

La relat ion [carac tér is t iques géographiques -> quali té du milieu aqua t ique] a été exploitée a b o n d a m m e n t dans la concept ion de modèles rel iant l 'utilisation du ter r i to i re à la t eneur en éléments nutr i­tifs des eaux d'un bassin versant .

Ces modèles pe rme t t en t , pa r exemple, de calculer les charges en azote et en phosphore t rans i tées à l ' intérieur de l 'écosystème aquati­que à pa r t i r d 'une connaissance de l 'état ou encore de l 'uti l isation des ter r i to i res dra inés (Cluis et al. 1979 ; Dillon et Ki rchner 1975 ; Dillon et Rigler 1975 ; Kirchner 1975 ; Pata las et Salki 1973 ; Vollenweider 1968).

Le but de cette é tude est de démon t r e r l'influence de certaines carac tér i s t iques géographiques (forêt, agricul ture) du bassin versant du lac Saint-Jean sur l 'enr ichissement des t r ibu ta i res en subs tances biodisponibles pour les p roduc teu r s p r imai res . Les niveaux d'enrichis­sements sont dé te rminés à l 'aide de la mesure du potent ie l de fertilité (bioessai : Selenastrum capricornutum). Ce test biologique, la rgement utilisé dans plus ieurs pays, a été employé à l ' intérieur de t ravaux por­t an t aussi bien sur le contrôle de la qual i té de l ' environnement aqua­t ique que sur la gestion de cet te ressource . Les é tudes concernant les subs tances nutr i t ives , effectuées à l 'aide du potent ie l de fertilité (PF), peuvent ê t re séparées en t rois catégories.

Les premières ont consisté à appl iquer le test à des p rodu i t s d 'usage domes t ique . Les résul ta ts ob tenus ont été discutés en fonction de considéra t ions envi ronnementa les comme, pa r exemple, les effets de l 'utilisation des détergents sur le milieu na ture l (Mitchell et Buzzell 1971 ; Payne 1973 ; S t u r m et Payne 1973).

Les secondes ont utilisé la technique du PF pour carac tér i ser des niveaux t rophiques ou encore p o u r identifier les nu t r imen t s contrô­lant la p roduc t ion p r ima i re (Berland et al. 1974, 1976 ; Doemel et Brooks 1975 ; Francisco et Weiss 1973 ; Payne 1975 ; Robar t s et Southal l 1977 ; Steyn et al. 1974 ; Thomas et al. 1974 ; Weiss 1975). Dans cette catégorie, quelques t ravaux ont établi une relat ion signifi­cative en t re le niveau t roph ique de différents lacs et la mesure du PF (Chiaudani et Vighi 1974 ; Miller et al. 1974) alors que d 'aut res , après avoir établi l 'état nut r i t ionnel d 'un réservoir , en es t imaient le niveau t roph ique (Toerien et Steyn 1973). Des mesures du PF effectuées sur des échanti l lons prélevés en milieu lot ique (Greene et al. 1975 a) ont aussi été caractér isées à pa r t i r des indices de product iv i té développés pour les lacs pa r Miller et al. (1974).

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La t rois ième catégorie de t ravaux a concerné une préoccupat ion impor t an t e des différents u t i l i sa teurs de ce type de bioessais à savoir comment des tes ts biologiques effectués en labora to i re sur des eaux naturel les pouvaient refléter les condit ions t rouvées dans l 'environne­men t (Greene et al. 1975 b) . Les chercheurs ont tenté de répondre à cet te quest ion en associant les mesures du PF à deux pa ramè t r e s capables de mesu re r la p roduct ion pr imai re du milieu : la b iomasse phytoplanc tonique et les concent ra t ions en chlorophylle-a. Les résul­tats ob tenus ont suggéré une relat ion significative (r > 0,93) en t re les mesures du PF effectuées au labora to i re e t celles faites dans l 'environ­nement na ture l (Greene et al. 1975 b , 1976 a, 1976 b ; Mahoney 1973).

Tous ces t ravaux ont suggéré que la mesure du PF est non seule­ment représenta t ive des cons t i tuan ts abiot iques du système, mais aussi de ses cons t i tuan ts biot iques . Nous sommes cependant d'avis que ce p a r a m è t r e ne peut dé te rminer les relat ions écologiques en t re les popula t ions d'algues du milieu na ture l (Gerhold et Otto 1976), mais il n 'en res te pas moins qu'il se révèle un excellent outil d 'apprécia t ion des niveaux de product ion de l 'environnement aqua t ique . A cet effet, ce type de bioessai représente une approche ra isonnable pour quan­tifier les niveaux d 'enr ichissement d 'un système aqua t ique (Middle-brooks et al. 1971).

2. — MATERIEL ET METHODE

2.1 . — Descript ion du terr i toire

Le bass in versant du lac Saint-Jean a une superficie d 'environ 73 000 k m 2 ; il est en total i té s i tué à l ' intérieur de la région hydrogra­phique 06 du minis tè re des Richesses naturel les du Québec (fig. 1). La majeure par t ie du ter r i to i re s 'étend sur les hautes- terres du Bouclier canadien et est recouver te de forêt de type boréal . La par t ie défrichée du bassin, là où les activités humaines sont concentrées , ne représen te que 8 % de la superficie totale et cor respond essentiel lement à des basses-terres formant une enclave au sein du Bouclier canadien.

Le lac Saint-Jean, qui occupe une superficie d 'environ 1 000 k m 2 , ser t de collecteur à de nombreuses rivières p renan t leur source dans le Bouclier canadien. Douze de ces t r ibuta i res , les plus représenta t i fs à not re connaissance de la quali té des eaux du bassin versant , ont été sélectionnés pour cet te é tude.

La plus considérable de ces rivières est la Péribonca, qui se j e t t e au nord-est du lac ; d 'une longueur de 480 km, elle dra ine un bass in de 26 900 k m 2 . Au nord-ouest du lac, la Mistassini , d 'une longueur de

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106 P . C O U T U R E , D. C L U I S E T L. P O T V I N (4)

F ie . 1. — Le lac S a i n t - J e a n et s o n b a s s i n v e r s a n t : p r i n c i p a u x t r i b u t a i r e s e t u t i l i ­s a t i o n d u so l .

320 km, dra ine un ter r i to i re de 21 900 k m 2 . La Chamouchouane , d 'une longueur de 320 km, dra ine une superficie de 15 700 k m 2 et se déverse au nord-ouest du lac, à proximité de l ' embouchure de la Mistassini . A eux seuls, ces t rois g rands t r ibu ta i res du nord dra inent un ter r i to i re représen tan t 87 % de la superficie totale du bassin. Les rivières Ticouapé, Pet i te Péribonca, Moreau, des Chicots et Mistouc viennent compléter l 'étude des t r ibu ta i res de la section nord du bassin versant . Quant aux t r ibu ta i res du sud, ils sont de moindre impor tance . La rivière Métabe tchouane est la rivière qui dra ine la plus grande super­ficie au sud du lac, soit 2 300 k m 2 . Les au t res rivières considérées dans cet te région sont la Couchepaganiche, la Ouia tchouane et la Ouiat-chouaniche.

2.2. — Echantil lonnage

Dans le cadre d'une é tude plus globale (INRS-Eau 1980) l 'échan­tillonnage fut effectué à pa r t i r des pon t s rout iers situés sur les tri­buta i res , à proximité de leurs confluences avec le lac. Quat re campa­gnes de prélèvement furent effectuées : 22 mai , 17 juin, 15 juil let et 23 sep tembre 1975.

La technique de pré lèvement des échanti l lons dest inés à la déter­minat ion du PF consistai t à obteni r un échanti l lon représentat i f de la colonne d'eau à l 'endroit du pré lèvement ; à cet te fin, l 'opération consistai t à rempl i r les bouteil les à l 'aide d'un hydro-capteur , en effec-

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tuan t un mouvement al ternatif de la surface vers le fond et vice versa. Pour les échanti l lons dest inés à la dé te rmina t ion des concen­t ra t ions en chlorophylle, les pré lèvements ont é té faits en surface.

Les échanti l lons d 'eau étaient pa r la suite acheminés vers les labo­ra to i res de l ' INRS-Eau, à Québec. Les bouteil les dest inées aux expé­riences de fertilité é taient remplies à capaci té maximale et acheminées (4 °C, obscuri té) au labora to i re ; les échanti l lons réservés au dosage de la chlorophylle étaient d 'abord filtrés et seules les m e m b r a n e s étaient t r anspor tées (4 °C, obscuri té) vers Québec.

2.3. — Mesure du PF et dosage de la chlorophylle

La mesu re du potent ie l de fertilité a été effectuée selon la mé thode développée par l 'Envi ronmenta l Protect ion Agency des Etats-Unis (EPA 1971). Un échanti l lon composi te (eau non filtrée) est stéril isé et une souche d'algues (Selenastrum capricornutum) y est ensemencée à ra ison de 5 000 a lgues /ml . La souche d'algues utilisée provient du Pacific Nor thwes t Wate r Labora tory (Corvallis, Oregon). La souche est repiquée toutes les semaines et seules les cul tures en phase de croissance exponentielle servent d ' inoculum. Les condit ions d'incu­bation des échanti l lons d 'eau sont les suivantes : 16 heures de photo­période, 5 400 lux, 24 ± 2 °C. Les échanti l lons inoculés sont agités à la main tous les jou r s et la popula t ion d'algues est mesurée à la fin de la pér iode d ' incubat ion (21 jours) à l 'aide d'un compteu r de par t icules (Coulter Counter Model ZB, cellule de 100 p.) ; la valeur ainsi ob tenue s 'exprime en quant i té de par t icules pa r millil i tre. Cette valeur (nom­bre de cel lules/ml) est pa r la suite t ransformée en b iomasse à l 'aide d 'une cons tante (INRS-Eau 1976). Les mesures ont été effectuées en triplicata et les résul ta ts non reproduct ib les à moins de 20 % ont été él iminés.

Le dosage de la chlorophylle a été effectué selon la technique décri te pa r Parsons et S t r ick land (1972) ; cette mé thode pe rme t de doser la chlorophylle-a totale p résen te dans l 'échantil lon d'eau.

2.4. — Calcul des apports

Les charges en é léments nutr i t i fs ont été calculés à l 'aide d 'un modèle d 'appor t développé conjointement pa r le minis tè re des Riches­ses nature l les du Québec et l ' INRS-Eau (Cluis et al. 1979 ; MRN 1977). La technique utilisée pe rme t de lier l 'état d 'un ter r i to i re ou encore ses s ta t is t iques d 'uti l isat ion aux quant i t és d'azote et de phosphore tran­sitées. Les données nécessaires aux calculs des charges appara issent au tableau 1 ; elles proviennent d 'es t imat ions car tographiques et de

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108 P . COUTURE, D. CLUIS ET L. POTVIN (6)

TABLEAU I . — U t i l i s a t i o n d u so l d a n s les s o u s - b a s s i n s d u l a c S a i n t - J e a n .

SUPERFICIE TOTALE

PU BASSIN

ta"

FOUET

ta* t

AGRICULTURE

lté)* ï

POPULATION

Avec égout Sans égout

h.b. hab.

tot i le

hab.

BOVINS

têtes

PORCS

«tes

ELEVAGE MOUTONS

têtes

POULES ET POULETS

tites

SUPERFICIE FERTILISEE PAR ENGRAIS CHlHIQdtS

km3

INDUSTRIE ALIMENTAIRE

noabre d'eaplovés

«J rivières forestières

MrlbMH 26925 26b98 « . 1 16 0.1 944 1678 2622 1179 154 356 1266 1.86 -•Ustaislnl 21877 21658 98.9 96 0.4 12655 1772 14427 4861 762 415 13825 8.27 -C h moue nou» ne 15431 15275 98.9 51 0.4 6127 1958 BOR5 3961 599 53 21565 3.11 43

Petite Péribonea I1M 11» 96.9 32 2.0 250 1140 1390 2372 102 86 4281 2.03 -MeUbetenouane DM 98.9 14 0.6 959 1009 1978 1064 28 20 497 0.41 70

Oui«tehou*ne 955 926 96.9 7 0.7 1955 103 2058 780 22 36 569 0.16 -OutaUhooanlche 352 323 91.7 12 3.0 0 2492 2492 901 120 99 14287 0.36

b) rivteres agricoles

Tlcoiup* 665 259 38.9 274 41 3199 6642 9841 20764 4206 1477 70844 29.73 80

Klstouc m 107 49.7 53 24 ;oo 2075 2775 4195 1090 934 7014 2.75 -Dn Chicots 51 33 64.7 16 31 0 659 659 1377 483 378 2262 1.30 -Mbr«au 111 72 64.8 19 17 0 651 651 1821 42 330 1154 2.67

Couchepaganiche 1U0 70 70 22 22 1347 154 1501 2017 306 74 23812 1.03 a

Sources: Compilations de l ' INts-lau effectuées d'après les données de Statistique Canada (1971), du Bureau de la Sut1st i * ie du Québec (1)74) et du Répertoire Industriel Scott (1975).

s ta t is t iques municipales extrai tes du recensement de 1971 qui ont été regroupées et ventilées p ropor t ionne l lement à la superficie des sous-bass ins . Pour chacun des appor t s (égouts domest iques , re jets indus­tr iels , ruissel lement , élevage, précipi ta t ions , forêts), les product ivi tés spécifiques en azote et en phosphore de chaque type de p roduc teu r s ont été établies à pa r t i r d 'une é tude bibl iographique (MRN 1977), en séparan t les appor t s ponctuels à la rivière des appor t s diffus, c'est-à-dire non to ta lement t ransférés (Tableau I I ) .

TABLEAU I I . — A p p o r t s spéc i f iques m o y e n s a n n u e l s .

PRODUCTEUR TTPES D'APPORTS APPORTS EH H (WPORTS EN P

Apports naturels Lacs - pluie sur le lac réels 2.1 kg/Jour-ka2 0.02 kg/Jour-ka2

forets - nilsselleaent potentiels S.3 kg/Jour-ka2 0.6 kg/Jour-ka' atrecages - rulsselleaent réels 1.5 kg/Jour-ka2

sol nu - pluie sur sol nu potentiels 2.1 kg/Jour-kaZ 0.02 kg/Jour-ka2

Apports de la population avec égout réels 14 g/jour-habitant 1.8 g/Jour-habitant

population humaine population sans égout potentiels 14 g/Jour-habitant 1.8 g/Jour-habitant

Apports de la bovins potentiels 187 g/Jour-anlael 33.5 g/Jour-afllaal

population animale porcs potentiels 31 g/Jour-animal 9.5 g/jour-antatl

•outons potentiels 24 g/Jour-enlaal 4.4 g/Jour-anla*1

poulets potentiels 2 g/Jour-anlaal 0.7 g/Jour-aniaal

chevaux potentiels 159 g/jour-anlaal 23.1 g/jour-animal

Apports des bit» potentiels 15 kg/jour-ka Z fe r t i l i sé 9.4 kg/Jour-ka2 fer t i l isé

engrais chtalques avoine potentiels 4.6 kg/jour-ka* fe r t i l i se 9.4 kg/Jour-ka2 fe r t i l i se orge potentiels 12 kg/jour-ka' fe r t i l i se 12 kg/Jour-ka2 fer t i l isé

fruits de vergers potentiels 3.4 kg/Jour-lV fe r t i l i se 7.1 kg/Jour-ka2 f e r t i l i t é

petits fruits potentiels 29 kg/Jour-ka' fe r t i l i sé 28 kg/Jour-ka2 fer t i l ise

pâturage défriche potentiels 15.4 kg/Jour-ka* fe r t i l i se 9.1 kg/Jour-ka2 fer t i l ise

foin cultive potentiels 15.4 kg/Jour-ka2 fe r t i l i sé 9.1 kg/Jour-ka2 fe r t i l i se

aals-graln potentiels 40 kg/Jour-ka2 fe r t i l i sé 13 kg/Jour-ka2 fer t i l isé tabac potentiels 11 kg/jour-k» 2 fe r t i l i sé 18 kg/Jour-ka2 fe r t i l i sé patates potentiels 25 kg/jour-ka 2 fe r t i l i sé 23 kg/Jour-ka2 fer t i l ise betteraves potentiels 25 kg/Jour-ka2 fe r t i l i sé 24 kg/Jour-ka2 fer t i l ise légwes potentiels 15 kg/Jour-ka2 fer t i l isé 12 kg/jour-km2 fe r t i l i se autres potentiels 31 kg/Jour-kaZ fer t i l isé 11 kg/Jour-ka2 fe r t i l i sé

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La charge F à l ' embouchure de chaque rivière est calculée à pa r t i r des produc t ions ponctuel les ou diffuses et d 'un schéma de drainage qui a été préa lab lement établi à l 'aide d 'une mé thode de car reaux ut i l isant comme suppor t ca r tographique le quadri l lage Universel Transverse de Mercator . Deux coefficients de t ransfer t sont définis : C t = coefficient in te rne de t ransfer t des a p p o r t s potent iels au cours

d 'eau ;

C T = coefficient de t r anspo r t de ca r reau en ca r reau dans la rivière. Si on note D, et P, les appor t s diffus et ponctuels d 'un élément « i » pour un ca r reau si tué à k car reaux en amon t d 'un point de contrôle, la cont r ibut ion de ce ca r reau à la charge t rans i tée pour une pér iode de temps donnée, à la s tat ion, s'écrit :

F, = CV X (P, + C, . D.)

Le t r anspo r t total en é léments nutr i t i fs à la s ta t ion est donc la somme des cont r ibut ions de ce type pour l 'ensemble des car reaux si tués à l 'amont. Ainsi, ce schéma pe rme t de s imuler en tout point du réseau hydrographique les charges t ranspor tées . La signification physique des coefficients du modèle es t la suivante :

- Cr représen te la fraction des appor t s potent iels a t te ignant la rivière; - C T r eprésen te le t r anspor t des charges une fois acheminées dans le

cours d'eau.

Dans le cas du bassin du lac Saint-Jean, une version simplifiée de ce modèle a été util isée. Il s'agit de l 'utilisation du modèle sur une base annuel le , sans échant i l lonnage de contrôle pour évaluer les appor t s à l 'exutoire de chaque bassin versant .

Sur une base annuel le et pour une année hydrologique moyenne, le coefficient C T p r end en valeur 1 e t les appor t s en azote et phosphore d 'un bassin versant s 'écrivent :

F = S F, = 2 P i + C, 2 D ,

où :

F, représen te le flux journa l ie r moyen t rans i té pour l 'é lément i. Les coefficients d ont été établis à 15 % et 5,6 % p o u r l 'azote et le phosphore respect ivement ; la différence en t re ces coefficients de t ransfer t est a t t r ibuab le essent iel lement à des considéra t ions de mobi­lités chimiques et b iochimiques de l'azote et du phosphore .

3. — RESULTATS ET D ISCUSSION

3.1. — Les charges en azote et en phosphore

La connaissance de la d is t r ibut ion des superficies occupées par la forêt et des surfaces exploitées à des fins agricoles pe rme t de distin-

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110 P . C O U T U R E , D. C L U I S E T L . P O T V I N (8)

guer deux grands groupes de t r ibu ta i res : les rivières forest ières et les rivières agricoles. Les sous-bassins à ca rac tè re forestier ont des superficies boisées qui occupent en t re 91,7 et 99,1 % de leur te r r i to i re ; ce sont les bass ins des rivières Péribonca, Mistassini , Chamouchouane , Pet i te Péribonca, Métabetchouane , Ouia tchouane et Ouiatchouaniche. Les sous-bassins agricoles bien qu 'ayant des surfaces de forêts cou­vran t en t re 38,9 % et 70 % de leur te r r i to i re ont des superficies réser­vées à des activités agricoles qui r eprésen ten t en t re 22 e t 41 % de leur surface totale ; les t r ibu ta i res considérés ici sont les rivières Ticouapé, Mistouc, Des Chicots, Moreau e t Couchepaganiche.

Le calcul des charges t rans i tées à l ' intér ieur des t r ibu ta i res mon­trent que les t rois grandes rivières forest ières (Péribonca, Mistassini et Métabetchouane) t r anspo r t en t l 'essentiel des charges d'azote et de phosphore (Tableaux I I I et IV). Les t r ibu ta i res agricoles t rans i ten t en général des charges moins élevées compte tenu de leur faible débit . Le calcul des cont r ibut ions relatives de chaque secteur de p roduc t ion (forêt, agr icul ture et populat ion) effectué à pa r t i r des s ta t is t iques concernant l 'état ou l 'uti l isation des ter r i to i res drainés identifie bien les sous-bassins où l 'origine des appor t s es t essent iel lement na ture l le (les rivières forestières) et les sous-bassins où les activités humaines sont impor t an te s (rivières agricoles).

TABLEAU I I I . — R é p a r t i t i o n d e s c h a r g e s e n a z o t e d a n s les p r i n c i p a u x t r i b u t a i r e s d u lac S a i n t - J e a n .

APPORTS ORIGINE DES APPORTS DENSITÉ

TOTAUX F o r ê t A g r i c u l t u r e P o p u l a t i o n DE CHARGES k g / j o u r % % % g / k m 2 / j o u r

a) R i v i è r e s f o r e s t i è r e s

P é r i b o n c a 21 281 99,7 0,2 0,07 790

M i s t a s s i n i 17 558 98,0 0,9 1,0 800

C h a m o u c h o u a n e 12 389 98,0 1,0 0,9 800

P e t i t e P é r i b o n c a 977 92,0 7,0 0,6 830

M é t a b e t c h o u a n e 1 876 97,0 1,6 0,8 820

O u i a t c h o u a n e 786 94,0 2,9 3,5 820

O u i a t c h o u a n i c h e 297 86,0 12,0 1,8 840

b ) R i v i è r e s ag r i co l e s

T i c o u a p é 948 22,0 72,0 6,0 1430

M i s t o u c 233 36,0 57,0 6,0 1090

D e s C h i c o t s 71 37,0 61,0 1,9 1 390

M o r e a u 116 4 9 3 49,8 0,9 1 045

C o u c h e p a g a n i c h e 153 37,0 50,0 13,0 1490

Les densi tés de charges obtenues à pa r t i r des appor t s to taux et des surfaces drainées me t t en t en évidence l ' intensité de l 'uti l isation du sol ; ce sont év idemment les t r ibuta i res à carac tère agricole qui ont

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(9) É T U D E L I M N O L O G I Q U E D U L A C S A I N T - J E A N 111

TABLEAU I V . — R é p a r t i t i o n d e s c h a r g e s e n p h o s p h o r e d a n s les p r i n c i p a u x t r i b u ­t a i r e s d u l a c S a i n t - J e a n .

APPORTS ORIGINE DES APPORTS DENSITÉ

TOTAUX F o r ê t A g r i c u l t u r e P o p u l a t i o n DE CHARGES k g / j o u r °/o % °/o g / k m 2 / j o u r

a) R i v i è r e s f o r e s t i è r e s

P é r i b o n c a 967 99 0,4 0,2 36

M i s t a s s i n i 818 95 1,9 2,8 37

C h a m o u c h o u a n e 579 96 1,8 2,5 37

P e t i t e P é r i b o n c a 475 86 13,0 1,2 40

M é t a b e t c h o u a n e 87,1 95 2,8 2,1 37

O u i a t c h o u a n e 38,5 86 4,4 9,1 40

O u i a t c h o u a n i c h e 14,7 79 19,0 1,8 42

b) R i v i è r e s ag r i co l e s

T i c o u a p é 80,3 12 80 8,0 120

M i s t o u c 14,9 23 66 11,0 70

Des C h i c o t s 4,3 22 76 1,3 100

M o r e a u 7,9 30 62 0,9 71

C o u c h e p a g a n i c h e 11,2 22 56,0 11,2 110

les densi tés les plus élevées p a r r a p p o r t aux rivières forest ières. Les valeurs du r a p p o r t des charj Ses calculées en azote et en phosphore (N/P) mon t r e n t que les rivières agricoles sont plus chargées en nutr i ­men t s que les t r ibu ta i res forest iers : N / P ( « r . e c l e ) < N / P ( f o r e s t i e r ) (Ta-

bleau V). Les r appor t s N / P ob tenus sont semblables à ceux calculés à pa r t i r des données fournies pa r Lee et al. (1978) concernant des den­sités de charges de bassins agricoles ou forest iers si tués aux Eta ts -Unis.

TABLEAU V. — R a p p o r t N / P d e s cha r s ;es (en é q u i v a l e n t a t o m i q u e ) .

N P N / P

a) R i v i è r e s f o r e s t i è r e s

P é r i b o n c a 56,4 1,2 47,0

M i s t a s s i n i 57,1 1,2 47,6

C h a m o u c h o u a n e 57,1 1,2 47,6

P e t i t e P é r i b o n c a 59,3 1,3 45,6

M é t a b e t c h o u a n e 57,8 1,2 48,2

O u i a t c h o u a n e 58,6 1,3 45,1

O u i a t c h o u a n i c h e 60,0 1,4 42,9

b) R i v i è r e s ag r i co l e s

T i c o u a p é 102,1 3,9 26,2

M i s t o u c 77,9 2,3 33,9

Des C h i c o t s 99,3 3,2 31,0

M o r e a u 74,6 2,3 32,4

C o u c h e p a g a n i c h e 106,4 3,5 30,4

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112 P . C O U T U R E , D. C L U I S E T L . P O T V I N (10)

3.2. — La fert i l i té des eaux et les concentrat ions en chlorophylle

Les var ia t ions du PF (Tableau VI) t raduisen t différentes concentra­t ions en subs tances nutr i t ives disponibles qui sont caractér isées à l 'aide des indices d 'enr ichissement . Ces derniers ont été définis à par­t ir de la not ion des indices de product iv i té dé terminés p a r Miller et al. (1974) pour des lacs e t appl iqués en rivière pa r Greene et al. (1975 a) . Dans le cas des t r ibu ta i res étudiés, les indices var ient en t re 2 et 4 ; cet te s i tuat ion indique un niveau d 'enr ichissement en substan­ces nutr i t ives disponibles comparab le à celui re t rouvé dans des eaux méso t rophes (indice 2) ou eu t rophes (indice 3 ou 4). Les indices 3 et 4 sont habi tue l lement liés aux rivières agricoles ; la rivière Ticouapé, pa r exemple, dont le sous-bassin occupe la plus impor tan te superficie utilisée à des fins agricoles dans le bassin d u lac Saint-Jean, se dist ingue ne t t emen t des au t r e s t r ibu ta i res pa r la valeur élevée (4) de son indice. Quant aux rivières forestières, elles sont caractér isées pa r des valeurs moins élevées de l ' indice qui, dans la p lupar t des cas, p rend la valeur 2.

TABLEAU V I . — P o t e n t i e l s d e f e r t i l i t é e t i n d i c e s d ' e n r i c h i s s e m e n t d e s t r i b u t a i r e s .

22 m a i 17 j u i n 15 j u i l l e t 23 s e p t .

p p i IE2 P F I E P F I E P F I E

a) R i v i è r e s f o r e s t i è r e s

P é r i b o n c a 0,1 2 0,6 2 0,6 2 0,3 2

M i s t a s s i n i 0 3 2 1,2 3 0,3 2 0,5 2

C h a m o u c h o u a n e 0,2 2 1,0 3 0,2 2 0,4 2

P e t i t e P é r i b o n c a 0,8 2 1,4 3 0,5 2 0,6 2

M é t a b e t c h o u a n e 0,6 2 1,2 3 0,5 2 1,4 3

O u i a t c h o u a n e 0,5 2 0,9 3 0,4 2 0,5 2

O u i a t c h o u a n i c h e 0,9 3 1,4 3 0,6 2

b ) R i v i è r e s a g r i c o l e s

T i c o u a p é 15,0 4 13,0 4 13,0 4 9,0 4

M i s t o u c 2,9 3 3,7 3 1,3 3 1,1 3

D e s C h i c o t s 3,2 3 3,3 3 0,7 2 1,0 3

M o r e a u 2,1 3 5,0 3 3,0 3 1,8 3

C o u c h e p a g a n i c h e 1,1 3 1,9 3 0,6 2 1,4 3

1 P F : p o t e n t i e l d e f e r t i l i t é e n m g d ' a l g u e s / 1 . 2 I E : i n d i c e d ' e n r i c h i s s e m e n t : 1 : fa ib le : < 0,1 m g d ' a l g u e s / 1

2 : m o y e n : 0,1 - 0,8 m g d ' a l g u e s / 1 3 : m o d é r é m e n t é levé : > 0,8 - 6 m g d ' a l g u e s / 1 4 : é levé : > 6 m g d ' a l g u e s / 1 .

Il est in té ressant de cons ta te r que l 'ensemble des PF mesurés sur les rivières agricoles p résen te des valeurs supér ieures à 1 mg d'al-

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(11) É T U D E L I M N O L O G I Q U E D U L A C S A I N T - J E A N 113

gues pa r l i t re . La p lupar t des mesures obtenues pour les rivières forestières sont cependant inférieures à cet te valeur. Ka tko (1975) considère qu 'une telle valeur (1 mg/1) est le reflet d 'un niveau d'enri­chissement acceptable ; les valeurs supér ieures pour ra ien t t r adu i re une s i tuat ion prob lémat ique .

E n ce qui concerne les concent ra t ions en chlorophylle-a totale (Tableau VII) , les rivières agricoles ont t endance à suppor t e r des concent ra t ions plus élevées que celles qui ont été mesurées dans les rivières forestières. Cette s i tuat ion semble refléter les niveaux d'enri­chissement des différents groupes de rivières ; en effet, l 'analyse des indices d 'enr ichissement a déjà mis en évidence un potent ie l de pro­duct ion plus élevé pour les t r ibu ta i res localisés dans les régions agri­coles. Il faut toutefois signaler que la relat ion niveau d'enrichisse­men t <-» concent ra t ion en chlorophylle peut ê t re affectée pa r diffé­rents facteurs comme la t empéra tu re , l'effet du broutage , la turb id i té et la vitesse du couran t . La présence de tels facteurs en t ra îne ra néces­sa i rement des différences su r la p roduct ion phytoplanc tonique du milieu, m ê m e si les potent ie ls de p roduc t ion établis devaient s 'avérer semblables .

TABLEAU V I I . — C o n c e n t r a t i o n e n c h l o r o p h y l l e - a t o t a l e d e s t r i b u t a i r e s (>g/l) .

17 j u i n 15 j u i l l e t 23 s e p t e m b r e

a) R i v i è r e s f o r e s t i è r e s

P é r i b o n c a 0,22 2,53 0,58

M i s t a s s i n i 0,42 1,10 0,28

C h a m o u c h o u a n e 0,61 1,46 0,35

P e t i t e P é r i b o n c a 0,53 1,14 0,55

M é t a b e t c h o u a n e 0,89 3,08 1,06

O u i a t c h o u a n e 1,87 2,09 2,01

O u i a t c h o u a n i c h e 1,16 1,13 1,32

b) R i v i è r e s a g r i c o l e s

T i c o u a p é 3,05 23,94 1,83

M i s t o u c 0,99 2,09 2,36

D e s C h i c o t s — 3,53 3,13

M o r e a u 1,12 4,20 0,85

C o u c h e p a g a n i c h e 0,70 7,97 0,27

3.3. — Les charges calculées et leur biodisponibil i té

Les considéra t ions des valeurs de PF confrontées aux r appor t s N / P me t t en t en évidence les deux groupes de s ta t ions (fig. 2). Les rivières forest ières ont des r appo r t s N / P plus élevés que les r ivières agricoles ;

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114 P . C O U T U R E , D . C L U I S E T L . P O T V I N (12)

^ PF ( t l K J / i )

• RIVIÈRES FORESTIERES

• RIVIERES «IICOLES

FIG. 2. — T y p o l o g i e d e s t r i b u t a i r e s .

par cont re , les concent ra t ions en subs tances nutr i t ives disponibles s 'avèrent, en général , plus faibles dans les r ivières forest ières. Il est reconnu (Greene et al. 1975 a ; INRS-Eau 1976 ; Miller et al. 1974 ; Robar t s et Southal l 1977) que pour les eaux de surface, le r appo r t des milieux enrichis (eutrophes) est inférieur à celui des milieux na ture l s pauvres en é léments nutr i t i fs (oligotrophes).

La rivière Ticouapé se dist ingue des rivières agricoles tan t p a r ses concent ra t ions en é léments nutr i t i fs disponibles que pa r les valeurs du r appo r t N / P . De plus , on cons ta te que malgré des PF ne t t emen t plus élevés que les au t res t r ibu ta i res agricoles, le r appo r t n 'est pas davantage affecté. Cette s i tuat ion serai t due au fait que les activités agricoles responsables de 72 °/o des appor t s en azote et de 80 % des appor t s en phosphore sont considérées comme des sources diffuses lors de l 'applicat ion du modèle d 'appor t . Cette concept ion a pour effet de minimiser l ' impor tance des charges en phosphore pa r r appo r t aux charges en azote, ce qui se t radu i t p a r une augmenta t ion du r appo r t ; on se souviendra que dans le cas des appor t s diffus, les coefficients de

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(13) É T U D E L I M N O L O G I Q U E D U L A C S A I N T - J E A N 115

t ransfer t ont été établ is à 15 % et 5,6 % pour l 'azote et le phosphore respect ivement . Or, il s 'avère que compte tenu de l ' intensité et du type d'élevage p ra t iqué su r ce bassin versant , les appor t s devraient ê t re considérés comme ponctuels ; ce t te considérat ion su r la na tu re ponc­tuelle des rejets d'élevages industr ie ls aura i t pour effet de réduire la valeur du rappor t à 11 et de discr iminer davantage le sous-bassin de la r ivière Ticouapé pa r r appor t aux au t res sous-bassins agricoles.

4. — C O N C L U S I O N

Le calcul des charges en é léments nutr i t i fs ainsi que l 'évaluation de leur biodisponibi l i té ont cont r ibué à établ i r une typologie des deux groupes de sous-bassins étudiés ; en effet, la considérat ion s imul tanée des r appo r t s N / P et des PF a mis en évidence que ces deux variables pe rme t t en t de dis t inguer les t r ibu ta i res agricoles des rivières fores­t ières.

Il faut no ter que selon cet te typologie, les rivières forestières ont toujours des PF inférieurs à 1,5 et des r appo r t s N / P var iant en t re 43 et 48 alors que les t r ibu ta i res agricoles ont des PF plus élevés et des r a p p o r t s N / P var ian t en t re 30 et 34. Cette discr iminat ion, résul tant de l 'utilisation et de l 'état des terr i to i res drainés , est représenta t ive du bassin du lac Saint-Jean.

D'autres recherches seraient nécessaires pour vérifier, sur des bas­sins d 'uti l isation plus diversifiée si le r appor t N / P pe rme t toujours de discr iminer les types d 'usage tout en demeuran t un indice d'enri­chissement des écosystèmes aqua t iques .

T R A V A U X C I T É S

BERLAND ( B . R . ) , B O N I N (D. J . ) e t MAESTRINI ( S . Y . ) . 1 9 7 4 . — Mise e n é v i d e n c e d e

f a c t e u r s r é g l a n t la p r o d u c t i v i t é d u p h y t o p l a n c t o n d e s e a u x d e s u r f a c e d a n s la p a r t i e n o r d o c c i d e n t a l e d e l a m e r M é d i t e r r a n é e a u m o y e n d e t e s t s b io lo­g i q u e s . Ann. Inst. Océanogr., P a r i s , 5 0 : 5 - 2 5 .

BERLAND ( B . R . ) , B O N I N (D. J . ) e t MAESTRINI ( S . Y ) . 1 9 7 6 . — De l ' e m p l o i c o n c o m i t a n t

d ' e n c e i n t e s d i a l y s a n t e s e t d e t e s t s b i o l o g i q u e s p o u r la d é t e r m i n a t i o n d e s f a c t e u r s n u t r i t i o n n e l s l i m i t a n t l a p r o d u c t i o n p r i m a i r e d e s e a u x m a r i n e s . Ann. Inst. Océanogr., P a r i s , 5 2 : 4 5 - 5 5 .

CHIAUDANI ( G . ) e t V I G H I (M.) . 1 9 7 4 . — T h e N : P r a t i o a n d t e s t s w i t h Selenastrum t o p r e d i c t e u t r o p h i c a t i o n in l a k e s . Water Res., 8 : 1 0 6 3 - 1 0 6 9 .

C L U I S (D.) , COUILLARD (D.) e t POTVIN (L.). 1 9 7 9 . — A s q u a r e g r i d t r a n s p o r t m o d e l r e l a t i n g l a n d - u s e e x p o r t s t o n u t r i e n t l o a d s in r i v e r s . Water Res., 1 5 : 6 3 0 - 6 3 6 .

DILLON (P. J . ) e t K I R C H N E R ( N . B . ) . 1 9 7 5 . — T h e ef lec ts of geo logy a n d l a n d u s e o n t h e e x p o r t of p h o s p h o r o u s f r o m w a t e r s h e d s . Water Res., 9 : 1 3 5 - 1 4 8 .

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