Contexte

1Le 25 juin 1999, un petit avion à hélice survole la plaine d’inondation de l’Amazone dans la région d’Óbidos. À son bord, deux chercheurs de l’IRD sont à la recherche d’un site d’étude pour comprendre pourquoi des millions de tonnes de sédiments manquent au bilan des exportations sédimentaires de l’Amazone. En effet, depuis déjà plusieurs années, la quantité de sédiments transportée par l’Amazone et tous ses grands affluents est mesurée très régulièrement dans le cadre de l’observatoire HyBAm. On a ainsi constaté que la quantité de sédiments mesurée à Óbidos, la dernière station de mesure de l’Amazone avant son embouchure à l’océan Atlantique, est inférieure à la somme de ces flux sédimentaires. De plus, certains éléments chimiques (tels que le fer, le manganèse, l’arsenic) n’ont pas la même forme biochimique en amont et en aval de ces zones d’inondation.

2Plus de 6 500 lacs de formes et dimensions variées ont été identifiés le long de l’Amazone. Ils couvrent une superficie estimée entre 300 000 et 800 000 km², soit jusqu’à 20 % de la surface du bassin. Celui-ci regroupe une mosaïque de lacs, de forêts inondées, de chenaux interconnectés en permanence ou de manière saisonnière. Au Brésil, on utilise pour désigner ces lacs le terme de várzea. Ce sont des plaines d’inondation enrichies en sédiments et propices à l’agriculture et à l’élevage quand elles s’assèchent lors des basses eaux. En langue tupi-guarani, le terme signifie « là où il y a de l’eau ». Le choix de la zone d’étude s’est finalement porté sur la plaine d’inondation appelée « várzea do Lago Grande de Curuaí », l’une des plus étendue de l’aval du bassin amazonien et située dans l’État du Pará, entre la ville d’Óbidos et la ville de Santarém, en rive droite de l’Amazone. Plusieurs chenaux la connectent avec l’Amazone, mais seul celui situé le plus en aval est permanent et peut fonctionner comme une entrée ou une sortie d’eau selon la différence de niveau d’eau entre l’Amazone et la várzea. Celle-ci est composée de différents plans d’eau temporairement interconnectés présentant des couleurs et des qualités d’eau différentes, notamment en termes de turbidité et de production biologique (pigments chlorophylliens). La surface inondée varie de façon linéaire par rapport à la hauteur d’eau dans l’Amazone, entre 500 km² et 2 500 km² pour un niveau d’eau variant entre 3 et 11,5 m à l’échelle hydrométrique d’Óbidos. Sur sa berge sud, elle reçoit des apports de plusieurs petites rivières (igarapés), qui drainent une superficie totale d’environ 1 400 km². La couverture végétale se distribue dans la zone inondable entre forêt alluviale et prairies temporaires, et sur la terre ferme jamais inondée, entre forêt primaire, secondaire, pâturages et zones de culture. Cette várzea est donc étudiée depuis une vingtaine d’années pour comprendre et quantifier son impact sur l’évolution de la composition de l’eau, des sédiments, des éléments chimiques qui entrent dans cette mosaïque de lacs d’eau noire ou blanche (plutôt marron clair en réalité), certains éléments s’y déposant, d’autres rejoignant le cours d’eau principal de l’Amazone après avoir été transformés par des processus chimiques et biologiques complexes. La várzea est un milieu très dynamique, avec une végétation qui naît à chaque période de basses eaux et meurt à chaque saison d’inondation. Nous avons donc également cherché à comprendre et à mesurer son impact sur le bilan de carbone apporté par l’Amazone à l’océan Atlantique, et par extension sur celui des gaz à effet de serre vers l’atmosphère.

Barque de pêcheur submergée, Lago Grande de Curuaí, Brésil.

La várzea Lago Grande de Curuaí vue d’avion.

Comment fait-on ?

3Pour ce faire, nous avons mis en place un réseau permanent d’une demi-douzaine de stations de mesures (leur nombre a varié au cours du temps), surveillées par des observateurs recrutés parmi les habitants de la várzea. À chaque point de ce réseau, l’observateur mesure chaque jour la hauteur d’eau, prélève tous les dix jours un échantillon d’eau qui sera ensuite analysé au laboratoire à Brasilia pour mesurer la quantité de matières en suspension, et chaque mois un autre prélèvement d’eau est effectué pour l’analyse chimique des cations majeurs. Un cation est un atome ou une molécule qui a perdu une ou plusieurs charges électriques ou électrons, devenant de ce fait chargé positivement. On dit qu’il est majeur si cet élément se trouve en quantité relativement importante (concentration de plus de 1 mg.l^-1), en comparaison aux éléments traces qui se trouvent en quantité infime dans l’environnement (concentration de quelques µg.l^-1). Pour compléter ce réseau, nous organisons des campagnes avec nos collègues de nombreuses universités (voir encadré partenaires) deux fois par an, en basses eaux et en hautes eaux, pour mesurer les débits dans les différents chenaux, effectuer d’autres prélèvements, cette fois pour l’analyse de données biogéochimiques plus complètes et plus complexes (éléments majeurs et en trace, carbone organique dissous et particulaire, chlorophylle-a, traceurs isotopiques). Les conditions physico-chimiques sont également mesurées à l’aide de sondes (pH, conductivité). Le réseau de mesures ainsi que les nombreuses campagnes de terrain (une douzaine entre 1997 et 2004) ont permis d’établir une base de données exceptionnelle sur une zone d’inondation en région tropicale et d’élaborer une modélisation permettant de comprendre les variations saisonnières et interannuelles du bilan hydrologique : flux échangés et sources d’eau, bilan sédimentaire, bilan de carbone dissous et particulaire et d’un certain nombre d’éléments chimiques majeurs et traces.

4Le modèle hydrologique et sédimentaire calé sur les mesures réalisées pendant plusieurs années nous a permis de représenter l’évolution temporelle de la várzea en termes de source, de stock et de mélange d’eau et d’éléments chimiques, et de déterminer l’impact des várzeas sur les flux échangés avec l’Amazone.

5Pendant un cycle hydrologique, nous observons une phase de remplissage de la plaine de novembre à fin mai et une phase de vidange de début juin à novembre, avec un temps de résidence variant de 3 à 5 mois. Sur la période étudiée (1997-2003), la surface varie en moyenne d’un facteur 3 entre la période de basses eaux en novembre et la période de hautes eaux en juin. La période de stockage, pendant laquelle les volumes d’eau importés dans la plaine sont supérieurs à ceux exportés, débute entre décembre et février selon les années et dure jusqu’en juin. À partir de ce mois, et jusqu’à la fin de chaque cycle, la plaine exporte vers le cours principal plus d’eau qu’elle n’en reçoit, le maximum d’exportation ayant lieu en août et septembre en général.

6Les écoulements dans les plaines d’inondation étant plus lents que dans le fleuve, ces zones sont des sites privilégiés de piégeage des sédiments. Le flux particulaire qui entre dans la várzea varie relativement peu (de l’ordre de 1,5 10⁶ t ± 9 % de sédiments entrants). Le piégeage de sédiments en suspension est estimé en moyenne entre 41 % et 53 % du flux entrant (environ 800 000 t par an), variable d’une année à l’autre suivant la rapidité de montée de la crue et de son intensité. Plus la crue est lente ou faible, plus le piégeage est réduit sous l’influence de processus de remise en suspension qui favorisent l’exportation de matériel.

7En plus de leur influence sur l’hydrologie et le transport sédimentaire, les plaines d’inondation ont un impact important sur la biogéochimie et l’écologie du bassin amazonien. Si on compare les concentrations en calcium et potassium mesurées in situ et celles prévues par le modèle hydrologique, on constate une différence qui montre un stockage de ces éléments pendant la période de montée des eaux et un déstockage pendant la vidange. Ce cycle stockage/déstockage de certains éléments chimiques est en grande partie lié à l’influence des plantes semi-aquatiques (les jacinthes d’eau par exemple) capables de prélever les nutriments directement de l’eau. En période de vidange, la dégradation de ces plantes conduit au déstockage de ces éléments. À l’échelle annuelle, le flux sortant de calcium (Ca) et de potassium (K) représente entre 10 % et 30 % du flux entrant. Le manganèse (Mn) et le Fer (Fe) sont clairement piégés dans les sédiments de la várzea, le stockage représentant respectivement 47 % et 97 % du flux entrant.

8Les várzeas sont des systèmes très riches en biodiversité et très productifs. La production primaire (production de biomasse algues, bactéries, plancton) dans les várzeas est estimée à 110 t de poids sec par hectare et par an (comparé aux 10 à 20 t/ha/an d’une forêt de climat tempéré). Cette productivité est due à la fertilité des sédiments des lacs enrichis en éléments majeurs apportés par le fleuve, indispensables au développement du phytoplancton et des espèces végétales. De ce fait, les várzeas interfèrent significativement sur le transfert de carbone dans le bassin amazonien et in fine vers l’océan Atlantique, à la fois sur le type de matière organique et sur les flux. Nous avons montré, grâce aux mesures de carbone 14, que la matière organique qui entre dans la várzea pendant la montée des eaux est celle transportée par l’Amazone, depuis les Andes jusqu’à la plaine d’inondation. C’est une matière organique âgée (plusieurs dizaines à centaines d’années) et peu dégradable. Elle a pour origine l’érosion des roches andines et le lessivage des sols du bassin en amont. À l’inverse, la matière organique produite dans les várzeas a pour origine la production primaire (les macrophytes et le phytoplancton) récemment produite (quelques mois à quelques années), riche en azote et facilement dégradable. C’est cette matière organique qui va se dégrader progressivement dans les plaines d’inondation et qui va produire naturellement le dioxyde de carbone et, dans une moindre mesure, le méthane, qui sont des gaz à effet de serre.

En conclusion

9La mise en place d’un observatoire sur l’environnement amazonien incluant la plaine d’inondation a permis de nombreuses avancées scientifiques sur le plus grand bassin hydrologique de la planète. À l’échelle du bassin de l’Amazone, les várzeas ont une influence importante sur la dynamique hydrologique, sédimentaire et biochimique du fleuve. De 20 % à 30 % des eaux de l’Amazone sont stockées dans les várzeas ou les traversent. Cela explique pourquoi les crues de l’Amazone ne sont pas aussi puissantes qu’elles devraient être, une grande partie de l’eau de la crue étant stockée temporairement dans les várzeas, puis restituée au fleuve (et à la nappe alluviale) pendant la période de décrue. Concernant les sédiments arrachés des Andes et transportés par le fleuve, on estime que 80 % transitent par les várzeas. Chaque année, 2 milliards de tonnes entrent ainsi dans le système des plaines d’inondation et 1,5 milliard de tonnes en sort, le reste étant piégé temporairement (ou définitivement à l’échelle humaine) dans les várzeas. Si les eaux ne sont retenues que quelques mois, les sédiments eux peuvent y rester stockés des centaines, voire des milliers d’années. Enfin, ces zones sont caractérisées par une très forte productivité primaire dont la dégradation bactérienne est à l’origine de l’émission de gaz à effet de serre. À l’échelle globale, les flux de dioxyde de carbone et de méthane provenant des plaines d’inondation des fleuves tropicaux sont loin d’être négligeables.

10Notre étude a porté sur un système encore très peu influencé par les activités humaines. Seules les activités artisanales de pêche et d’élevage étaient présentes dans la várzea de Curuaí. Aujourd’hui, les transformations liées aux activités humaines (pêche et élevage semi-industriels, briqueterie…), conduisant progressivement à une dégradation de ces milieux, augmentent la vulnérabilité des populations et l’exode rural. Une des voies de recherche actuelle porte sur l’étude des interactions entre les populations locales et les changements du milieu, ainsi que sur les processus d’adaptation des sociétés en réponse aux fluctuations climatiques et aux changements socio-environnementaux. Comme pour l’ensemble des plaines d’inondation du monde, les várzeas amazoniennes sont des zones écologiquement sensibles à des pressions anthropiques et climatiques. Elles sont aujourd’hui considérées parmi les milieux les plus menacés par les altérations que subit le bassin, en particulier par les changements d’occupation des sols, par la déforestation, par l’aménagement des fleuves (pour la production d’énergie hydroélectrique) et par les fluctuations climatiques qui influencent directement le régime hydrologique des fleuves auxquels elles sont associées.

Paysage des plaines d’inondation, Brésil.