Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie civil, Institut des infrastructures, des ressources et de l'environnement ICARE (Laboratoire de géologie de l'ingénieur et de l'environnement GEOLEP)

Impact de l'exploitation des alpages sur la qualité des eaux

Schaffter, Nicole ; Parriaux, Aurèle (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1999 ; no 2038.

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    Summary
    Agricultural fertiliser (farmyard manure), covers partially the nutrient elements demand of the vegetation cover. However, its application is difficult as regards the unknown concentration of fertilising elements contained and their biological availability for the plants, the important volumetric masses to manage and the general uneven land application. An inaccurate management of farmyard manure may cause groundwater pollutions with sometimes serious consequences, especially in the case of karst aquifers. The objective of this research was to specify various aspects of the farmyard manure cycle. It consists of three major parts: a general study of the difficulties related to the farmyard manure management in mountainous regions with the aim to provide practical recommendations to reduce the risk of groundwater contaminations, the evaluation of an alternative method of pig farming in liberty the study of the impacts of agricultural activities on the surface- and groundwater quality. Based on the analysed farmyard manure managements, the following practical recommendations have been made: split up the land application, but concentrate the input of nutrient elements in spring, during the period of plant growth. For sanitary reasons, a delay of at least 1 month has to be respected between the last land application and the beginning of pasture; collect in adequate installations all agricultural effluents which potentially cause water pollution, except if they are spread out immediately. minimise the production of fertiliser by the following two possibilities: infiltrate low contaminated waste water (from the roof, spring, eventually from the farm) reduce the time the animals stay in the stable. An alternative method of pig farming in liberty has been tested in the field. 25 pigs have been raised on a field of ca. 2 ha, representing a density of 0.71 LiveStock Unit/ha/y, respectively 0.18 LSU/ha/m during 4 months. Amongst others, the study has considered the impacts of pig pasture on the environment (vegetation cover, soil) and the animals health. The most important impact is in fact the destruction of the vegetation cover, with its direct repercussions on the botanical diversity and the concentration of nutrients in the soil. The experiment has made evident the importance to keep the vegetation cover intact, in order to adsorb the nutrient elements in the manure. An advantageous method to reduce the impacts on the vegetation cover is to equip the pigs with nose-rings. It is furthermore necessary to altemate the pasture parks in order to enable the vegetation to recover (2 to 3 different parks). The important impacts observed around the pig feeding through can be avoided by two ways: first, by changing the throughs placement during the pasture period or second, by the construction of a concrete place and the collection of the manure in the slurry pit. For the pasture of pigs in liberty one has to chose grasslands with thick soils of good quality but avoid oligotrophic ones. Cattle sheds and feeding through have to be placed in a manner to favour a maximum dispersion of the animals. Two hydrogeological observation networks, composed of 6 springs, 7 rivers and one lake, have been installed in order to study the potential contamination by pathogenic bacteria (Listeria, Campylobacter, Yersinia, Salmonella). No salmonella have been found, but several other species have been identified in the water samples of the different study sites: Campylobacter jejuni, C. coli, C. fetus Listeria monocytogenes (sv 1 /2a, 1/2b, 4b), L. ivanovii ivanovii (sv 5) Yersinia intermedia, Y. frederiksenii, Y. enterocolitica, Y. kristensenii, Y. pseudotuberculosis. The most frequently identified species in the studied sites is C. jejuni. It has been isolated in 75% of the sites, with an average percentage of isolation of 11% of' the spring samples, 22% of the river and 56% of the lake samples. L. monocytogenes has been isolated several times in 9 of the 14 sites. It is less abundant than C. jejuni, except in the analysed springs. The presence of C. jejuni and L. monocytogenes 4b has shown to be closely related to the summer pasturing period. Other germs, like L. monocytogenes 112a and yersinias show a uniform annual distribution. The presence of bacteria in surface and groundwater is controlled by several factors, of which the presence of animals, precipitation and temperature have been identified to be the most conclusive ones. In case of source contamination, the factors controlling the presence or absence of pathogen bacteria are different for the case of surface and groundwater: In the first case, the influences of the hydroclimatological conditions are dominant, whereas in the second case it is controlled mainly by the local hydrogeological characteristics. In case of aquifers with interstitial porosity (Clos Ister, Confluent), the presence of pasturing anirnals is however the controlling factor. The persistence of a contamination is controlled by the storage capacity of the catchment basin and by the relation of seep water to the aquifer total volume. In the Brassus spring case, the presence of animals on the catchment area can not explain by itself the bacteriological findings. The presence of the found pathogen bacteria can however be explained by their transport by the run-off rain. The presence of pathogen germs and bacterial pollution indicators has been analysed in a comparative study. Result: 2.3% of the samples contained pathogen germs without containing bacteriological contamination indicator. The species found in the absence of bacterial pollution indicators, are rare species, showing a monotonous annual occurrence. They have been found only in low concentration and the danger when drinking this contaminated water was very small. That means the bacterial pollution indicators choice presently used for water bacteriological quality evaluation is accurate. However, they should be tested with high flow levels, when bacteriological contaminations are particularly important.
    Résumé
    Les engrais de ferme contiennent des éléments fertilisants pouvant couvrir une partie des besoins nutritifs de la végétation en place. Cependant, leur utilisation est délicate en raison de l'importante masse à valoriser, des incertitudes concernant les teneurs en éléments fertilisants et de la disponibilité de ceux-ci pour les plantes et de la distribution inégale lors de l'épandage. Une gestion inadéquate des engrais de ferme peut conduire à des contaminations des eaux souterraines parfois lourdes de conséquences, particulièrement dans les aquifères karstiques. Le but de ce travail est de préciser divers aspects liés au cycle des engrais de ferme et s'articule autour de trois volets principaux qui sont: l'étude globale de la problématique de la gestion des engrais de ferme dans les exploitations de montagne afin de fournir des conseils pratiques en vue de réduire le risque de contamination; l'étude de la mise en pratique d'une alternative possible contribuant à réduire les apports dans la fosse (élevage de porcs en semi-liberté); l'observation de la réponse des activités agricoles dans les eaux de surface et les eaux souterraines. L'étude de la gestion des engrais de ferme a permis de formuler plusieurs conseils afin de réduire le danger de contamination des eaux: cibler et fractionner les apports en éléments nutritifs durant la période de croissance des plantes, au printemps. Une période minimale de l'ordre du mois doit cependant être respectée entre le dernier épandage et la mise en pâture pour éviter tout problème sanitaire et permettre la dissipation des goûts et odeurs liés à l'épandage; recueillir tous les effluents produits sur les alpages pouvant contaminer les eaux dans des installations adéquates, à moins que ceux-ci ne soient valorisés immédiatement. diminuer la production de ces engrais. Les deux alternatives les plus prometteuses sont: l'infiltration des eaux faiblement contaminées (eaux de toit, de fontaine, éventuellement de cour); la diminution du temps d'attache des animaux à l'écurie; Un essai d'élevage de porcs en semi-liberté a été organisé dans le cadre de ce travail, avec 25 porcs répartis sur une parcelle de 2 ha environ, ce qui représente une charge de 0.71 UGBF/ha/an ou de 0.18 UGBF/ha/mois sur une période de 4 mois. Plusieurs types de suivis ont été effectués dont les plus importants concernent l'impact sur l'environnement (végétation et sols) et sur le problème de la santé des porcs. Le principal problème de ce genre de pratique réside dans la destruction de la végétation qui a une conséquence sur la composition botanique (floristique et agronomique) et les teneurs en nutriments dans les sols. L'essai a montré l'importance du maintien du couvert végétal afin d'absorber les éléments nutritifs produits. Une limitation des atteintes est avantageusement offerte par la possibilité de boucler les porcs. Une rotation doit cependant être prévue afin de permettre à la végétation de se régénérer (2 à 3 parcs). Les atteintes observées près des mangeoires peuvent être évitées de deux manières: déplacer les mangeoires au cours de la saison; recueillir les excréments concentrés à cet endroit par l'aménagement d'une place bétonnée, reliée à la fosse à purin. La parcelle doit contenir des sols épais et de bonne qualité et on évitera les pâturages oligotrophes. Les installations (abris, mangeoire) devraient être aménagées de manière à favoriser une dispersion maximale des porcs. Deux réseaux d'observation des eaux (6 sources, 7 rivières, 1 lac) ont été constitués afin d'y déterminer la présence éventuelle de germes pathogènes (Listeria, Cumpylobacter, Yersinia, Salmonella). Si les salmonelles n'ont jamais été trouvées, la présence de plusieurs autres espèces a été mise en évidence dans les eaux des sites observés: Campylobacter jejuni, C. coli, C. fetus Listeria monocytogenes (sv 1/2a, 1/2b, 4b), L. ivanovii ivanovii (sv 5) Yersinia intermedia, Y. frederiksenii, Y. enterocolitica, Y. kristensenii, Y. pseudotuberculosis. L'espèce la plus fréquemment mise en évidence dans les sites échantillonnées est C. jejuni. Elle a été isolée de 75% des sites investigués, avec un pourcentage d'échantillons positifs moyen de 11% pour les sources, 22% pour les rivières et 56% pour le lac. L. monocytogenes a été isolée à plusieurs occasions dans 9 des 14 sites étudiés. Sa présence n'est cependant pas aussi fréquente que celle de C. jejuni (sauf dans les sources). La présence de C. jejuni et L. monocytogenes 4b dans les eaux est étroitement liée à la période d'estivage. D'autres germes comme L. monocytogenes 112a et les yersinias montrent une répartition annuelle uniforme. La présence de ces bactéries dans les eaux de surface et des eaux souterraines est fonction d'un certain nombre de facteurs parmi lesquels les plus fréquemment mis en évidence dans la présente étude sont les pluies, les températures et la présence du bétail. Les facteurs importants conditionnant la réponse en germes pathogènes sont différents pour les eaux de surface et les eaux souterraines. Pour les eaux de surface, la réponse est fonction des conditions hydroclimatologiques, alors que pour les eaux souterraines, la réponse est d'abord induite par les conditions hydrogéologiques locales (en présence d'une source de contamination). Dans le cas des aquifères à porosité d'interstice, la présence du bétail est cependant déterminante (Clos Ister, Confluent). La persistance de la contamination est fonction de la capacité de stockage dans le bassin d'alimentation et de la part d'eaux infiltrées par rapport au volume global de l'aquifère. La présence du bétail n'explique pas la réponse bactériologique dans la source du Brassus. La présence de ces germes est cependant fonction de la prépondérance des pluies pour une période de 10 jours avant l'échantillonnage. Une étude comparative de la présence des germes pathogènes et des différents indicateurs a été effectuée. La probabilité estimée de rencontrer un germe pathogène dans les eaux souterraines en absence d'indicateurs est très faible (2.3%). Les espèces isolées à ces occasions dans les eaux de surface comme dans les eaux souterraines sont généralement rares et présentent des répartitions annuelles monotones. Les densités de ces germes lors des isolations étaient faibles et le danger représenté par la consommation de ces eaux est insignifiant. Les germes utilisés actuellement dans le domaine de l'hygiène de l'eau sont parfaitement fonctionnels pour indiquer la présence de bactéries pathogènes en temps normal mais devraient également être testés en période de crue.