Comme tout jardinier ou agriculteur peut vous le dire, l’azote et le phosphore sont des éléments chimiques présents dans les sols et les engrais dont les plantes ont besoin pour pousser. Ils savent également que différents ratios d’azote et de phosphore sont idéaux ou préjudiciables pour différents types de plantes et de cultures.
L’azote et le phosphore jouent également un rôle puissant dans les lacs et peuvent altérer les eaux claires et cristallines des lacs à faible teneur en éléments nutritifs. Mais alors que des efforts considérables ont été déployés pour surveiller séparément les quantités de chaque élément nutritif, des recherches limitées ont évalué comment le rapport entre l’azote et le phosphore fourni aux lacs pourrait également modifier la croissance des algues et la qualité de l’eau de manière conséquente.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques de la station biologique de Flathead Lake de l’Université du Montana a examiné près de 40 ans de dynamique des nutriments dans le lac Flathead. Cet ensemble de données unique, assemblé par le programme de surveillance FLBS Flathead, documente un déséquilibre soutenu entre l’azote et le phosphore qui a probablement des conséquences écologiques importantes dans le lac Flathead, ainsi que dans d’autres écosystèmes à faible teneur en nutriments.
Leur travail a été publié le 11 juillet par le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Depuis le début des années 1990, j’ai travaillé pour mieux comprendre quand et où l’azote et le phosphore limitent la croissance des organismes lacustres, tels que le plancton », a déclaré Jim Elser, directeur du FLBS, membre de la National Academy of Sciences et auteur principal de l’étude. « Il s’avère que de forts déséquilibres dans le rapport entre l’azote et le phosphore dans les écosystèmes et les organismes peuvent avoir de gros impacts. Je voulais voir si cela se passait à Flathead Lake. »
Depuis plus d’un siècle, les programmes de recherche et de surveillance du FLBS ont servi de première ligne de défense contre les menaces toujours imminentes à la qualité de l’eau réputée du bassin versant de Flathead. Les principales menaces de pollution par les nutriments et les espèces envahissantes sont restées les plus anciens ennemis de la station biologique dans la lutte pour maintenir l’état du lac et l’excellente qualité de l’eau.
Le lac Flathead est connu pour son eau propre et claire, en grande partie parce que la géologie englobant son bassin versant est ancienne et pauvre en nutriments, en particulier le phosphore nutritif. Cela signifie qu’il y a de très faibles niveaux de nutriments qui peuvent être altérés à partir du substratum rocheux pour atteindre le lac lors des tempêtes de pluie et de la fonte des neiges. Par conséquent, il y a naturellement de faibles niveaux de nutriments disponibles pour la croissance des algues du lac, et le lac Flathead reste clair et bleu au lieu de vert et trouble.
Ce faible niveau de nutriments naturellement fournis rend le lac Flathead très sensible aux apports de nutriments d’origine humaine. Ces apports d’éléments nutritifs d’origine humaine dans le lac Flathead et les efflorescences algales associées ont suscité des inquiétudes dans les années 1970 et 1980. Par la suite, des recherches menées par des scientifiques du FLBS ont conduit à des mesures de réduction des nutriments dans le bassin versant de Flathead, y compris l’une des plus grandes interdictions du pays sur les détergents à lessive contenant du phosphore et une refonte de plusieurs millions de dollars des installations locales de traitement des eaux usées pour éliminer le phosphore à des niveaux très bas.
Mais ces dernières années, Elser et ses collègues ont commencé à se demander si la surveillance de l’azote et du phosphore isolément était suffisante. Compte tenu de sa longue expérience dans le développement et la mise à l’essai de la théorie de la stoechiométrie écologique – l’étude de l’équilibre de plusieurs éléments chimiques dans les interactions écologiques – Elser était impatient de le découvrir.
« Nous avons constaté que les niveaux globaux d’azote et de phosphore dans le lac Flathead et ses rivières et ruisseaux environnants, bien que variables d’une année à l’autre, sont faibles mais n’augmentent pas », a déclaré Elser. « En fait, les niveaux d’azote et de phosphore entrant dans le lac Flathead à partir de ses plus grandes rivières semblent en fait diminuer lentement. C’est une excellente nouvelle pour la qualité et la clarté de l’eau de notre bien-aimé lac Flathead, alors que la qualité de l’eau de nombreux lacs du monde est en déclin. en raison de l’augmentation des apports en nutriments. »
Puis vint une évolution surprenante. Alors que les niveaux globaux d’azote et de phosphore dans le lac Flathead n’augmentaient pas, les chercheurs ont découvert que le lac avait maintenu un rapport élevé entre l’azote et le phosphore sur une période de quatre décennies, atteignant souvent des valeurs qui dépassent largement le rapport normal entre l’azote et le phosphore. recette de phosphore qui correspond aux besoins de la plupart du phytoplancton, les algues flottantes microscopiques du lac.
En d’autres termes, tout comme les humains bénéficient d’un petit-déjeuner bien équilibré ou que les agriculteurs appliquent un engrais avec le rapport approprié entre l’azote et le phosphore pour des cultures spécifiques, les micro-organismes qui constituent la base du réseau trophique d’un lac dépendent d’un rapport très spécifique. de nutriments. Lorsque le rapport entre l’azote et le phosphore est élevé, comme c’est le cas dans le lac Flathead, la croissance du plancton est probablement limitée par le manque de phosphore disponible pendant une grande partie de l’année.
Grâce à une série d’expériences, l’équipe de chercheurs a montré que le phytoplancton du lac Flathead est limité en phosphore. Cela signifie que les algues sont obligées de construire des cellules à faible teneur en phosphore, ce qui les rend peu nutritives. Pour les minuscules animaux du lac, le zooplancton, qui mangent ce phytoplancton et maintiennent ainsi la haute transparence du lac, cela équivaut à un régime de « malbouffe ». En conséquence, le zooplancton devient également limité en phosphore et leur abondance est faible.
Enfin, l’équipe a montré que le fort déséquilibre entre l’azote et le phosphore dans le lac Flathead ouvre la voie à une production potentielle de méthane, un gaz à effet de serre. Cela se produit lorsque des microbes avides de phosphore commencent à piéger le phosphore des molécules organiques et à produire du méthane comme sous-produit.
Ces résultats ont des implications non seulement pour le lac Flathead, mais également pour les lacs du monde entier. Les systèmes de traitement des eaux usées, le ruissellement agricole et les influences urbaines sont de plus en plus reconnus comme contribuant au déséquilibre azote-phosphore dans diverses situations.
« À Flathead Lake, la mise en œuvre de processus de traitement des eaux usées qui éliminent plus efficacement l’azote aiderait à équilibrer le rapport azote-phosphore du lac », a déclaré Elser. « À l’échelle régionale, une réduction du transport atmosphérique d’azote, qui se produit par la combustion de combustibles fossiles ou la volatilisation d’engrais agricoles ou de déchets animaux, contribuerait également à réduire les apports d’azote dans le lac. »
En d’autres termes, lorsqu’il s’agit des éléments constitutifs de nos écosystèmes lacustres, l’équilibre des éléments nutritifs est important.
James J. Elser et al, Déséquilibre stoechiométrique soutenu et ses conséquences écologiques dans un grand lac oligotrophe, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2202268119