628 - L’eutrophisation du Saint-Laurent fluvial et maritime : sources, manifestations, conséquences et actions

Le MELCC suit la qualité de l’eau du fleuve et de ses tributaires depuis plusieurs décennies. Depuis 1995, les concentrations de phosphore et de nitrates sont en diminution pour 46 % et 27 % des sites du fleuve. Seulement 8 % des échantillons dépassent le critère du phosphore (0,03 µg/l) en 2015-2017. En revanche, on note une hausse dans la chlorophylle a et la turbidité à 92 % et 100 % des sites. La turbidité dépasse aussi fréquemment (> 50 % des sites) la valeur-repère de 5,2 UTN.

Entre 1979 et 2017, les concentrations et les charges en phosphore et en azote ammoniacal ont fortement diminué pour la plupart des tributaires du fleuve. Elles ont augmenté ou stagné pour l’azote total et augmenté pour les nitrates. Les matières en suspension et la chlorophylle a sont restées stables. Les tendances des 15 dernières années sont similaires, connaissant toutefois un ralentissement ou une stabilité. Malgré cela, 27 % des sites ont une mauvaise ou très mauvaise qualité de l’eau en 2015-2017 et montrent de fréquents dépassements pour le phosphore, la turbidité et l’azote total. Malgré les hausses des nitrates, les concentrations dépassent occasionnellement le critère de 3 mg/l dans 32 % des sites.

Les résultats suggèrent que les mesures visant la réduction des émissions de phosphore ont eu des impacts positifs. Toutefois, la tendance à la hausse dans plusieurs autres paramètres pourrait s'expliquer par des facteurs liés aux changements climatiques ou aux pratiques agricoles.

Les activités agricoles intensives entraînent des exports excessifs en nutriments, particulièrement en azote, et la dégradation de la qualité des eaux réceptrices. Dans les eaux fluviales du Saint-Laurent, les herbiers aquatiques ont un effet tampon; ils retiennent l’azote et réduisent ainsi l’eutrophisation dans l’estuaire maritime. Dans les herbiers, l’azote est retenu en étant assimilé par les producteurs primaires ou éliminé par la dénitrification, une transformation microbienne importante à l’interface eau-sédiment. La rétention est donc favorisée lorsque la biomasse des plantes est élevée et que le temps de résidence de l’eau prolongé permet la dénitrification. Nous avons étudié les facteurs qui contrôlent l’assimilation du nitrate et la dénitrification dans un vaste herbier du Lac Saint-Pierre (10 km x 4 km) recevant les apports de deux affluents agricoles, les rivières Yamaska et Saint-François. Pendant les saisons de croissance de 2012 à 2016, des budgets de nitrate ont été réalisés en soustrayant les concentrations horaires de nitrate mesurées par une sonde située en aval de l’herbier aux concentrations modélisées dans les tributaires. Nous comparerons l’assimilation et la dénitrification à des variables climatiques qui affectent la croissance des plantes et l’hydrologie. Cette étude permettra de mieux comprendre comment la capacité tampon des herbiers et l’eutrophisation du Saint-Laurent évolueront avec les changements climatiques.

Le développement d’une zone hypoxique en eau profonde au niveau de l’estuaire du Saint-Laurent fait déjà l’objet d’études cherchant à mieux comprendre les causes qui y sont associées. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet était de caractériser la répartition spatiale et saisonnière des éléments nutritifs ainsi que de la prise d’azote dissous (ammonium, nitrate et urée) par le phytoplancton entre la Ville de Québec et Pointe-des-Monts. Les données recueillies sont issues d’expéditions en mer menées au cours des quatre saisons entre l’automne 2017 et l’été 2019. Les résultats indiquent la présence de gradients spatiaux dans les concentrations de nutriments associés à la zone de transition entre la portion d’eau douce et d’eau salée de l’estuaire ainsi que des variations saisonnières largement associées aux apports provenant de la portion fluviale du fleuve. La propagation des concentrations élevées observées en amont influencerait d’ailleurs les concentrations printanières de surface en nitrate dans l’estuaire maritime. Pour toutes les saisons, les taux maximaux de prise d’azote par le phytoplancton ont été mesurés dans le secteur de Québec et de l’estuaire moyen, et l’azote inorganique est préféré à l’urée quelle que soit la position dans l’estuaire. Par l’analyse des ratios azote:phosphore inorganiques dissous, l’étude met également en lumière le passage,  dans la région de Québec, d’une limitation en phosphore à une limitation en azote depuis les années 1970.

Hydro-Québec est l’un des plus importants producteurs d’électricité en Amérique du Nord et l’un des principaux producteurs d’hydroélectricité au monde. Fin 2014, le projet Romaine a été lancé avec la mise en service de la centrale Romaine-2, suivi par la Romaine-1 (2015) et la Romaine-3 (2017); la centrale Romaine-4 devrait être mise en service en 2022. Ces centrales sont situées sur la rivière Romaine, dont l'estuaire forme un delta dans le chenal de Mingan, qui se jette à son tour dans le fleuve Saint‑Laurent. Les études approfondies de l'impact des aménagements hydroélectriques sur les environnements côtiers sont rares. Afin de mieux décrire les changements environnementaux liés au projet Romaine, Hydro-Québec a effectué un suivi exhaustif de plusieurs paramètres physiques, chimiques et biologiques dans le chenal de Mingan durant les étés 2013, 2015, 2017 et 2019. Ce programme incluait le suivi continu de nombreuses variables grâce à des bouées instrumentées. Plusieurs campagnes d'échantillonnage ont également été menées et plus de 1000 profils verticaux réalisés à différents cycles de marée. Les résultats présentés se concentrent sur la variation de la salinité et de la chlorophylle a avant et après la mise en service des aménagements de la Romaine. Les résultats indiquent qu'il n'y a pas de modification significative des variables étudiées après les mises en eau des réservoirs et démontrent la grande influence des apports d’eau marine du détroit Jacques-Cartier.

La concentration en oxygène dissous dans les eaux profondes de l’Estuaire et du Golfe du Saint-Laurent a diminué considérablement au cours du dernier siècle, menant à l’hypoxie à la tête de l’estuaire maritime du Saint-Laurent. L’hypoxie résulterait de plusieurs facteurs, naturels ou anthropiques, incluant une modification de la circulation océanique dans le nord-ouest de l’Atlantique Nord, le réchauffement des eaux profondes et l’eutrophisation. Ses changements récents sont non-linéaires et pourraient correspondre à une variabilité quasi-cyclique. Ainsi, il s’avère pertinent de reconstituer les variations de l’oxygénation des eaux profondes sur de longues périodes de temps excédant les courtes séries instrumentales. Dans ce contexte, l’étude a pour but de développer un indice de sévérité de l’hypoxie à partir de traceurs micropaléontologiques, les foraminifères benthiques en particulier. Cette étude porte sur quatre carottes de sédiments récoltées dans le chenal laurentien et couvrant la période récente se caractérisant par une augmentation de l’hypoxie. Les résultats préliminaires illustrent une baisse de la diversité taxonomique avec la sévérité de l’hypoxie. Ils révèlent la dominance de taxons tolérant de faibles conditions d’oxygénation, Brizalina subaenariensis et Eubuliminella exilis, au cours de la dernière décennie dans les sédiments du chenal laurentien, affecté par l’hypoxie.  

L’accroissement des apports fluviaux en nutriments et en matière organique issus principalement des rejets d’effluents domestiques, industriels et agricoles ou des eaux de ruissellement constitue une menace pour la santé des eaux côtières tant au niveau mondial que dans l’estuaire du Saint-Laurent (SL). Ces apports accrus peuvent avoir de nombreuses conséquences indésirables, notamment en amplifiant le développement de zones hypoxiques dans les eaux de fond et l'acidification des océans ainsi qu’en réduisant les services écosystémiques rendus. L’un des objectifs majeurs de SECO.Net (St. Lawrence Ecosystem Health Research and Observation NETwork) est de déterminer à quel point les apports fluviaux en nutriments et de matière organique détériorent la santé de l’estuaire du SL. Pour répondre à cet enjeu, 2 pièges à sédiments (aire de collecte: 0.5m²) ont été installées dans l’estuaire maritime du SL dans les eaux de fond hypoxiques et acidifiées pour quantifier les flux saisonniers de matière organique particulaire sur une période d’un an. Les résultats démontrent que la déposition maximale de matière organique particulaire dans les eaux de fond survient au cours de l’hiver et lors de la crue printanière – c’est-à-dire bien avant le développement estival de la floraison phytoplanctonique dans l’estuaire maritime. Nos résultats supportent l’hypothèse que les apports fluviaux en matière organique contribuent à l`hypoxie et l’acidification des eaux profondes de l’estuaire du SL.

Les apports de matière organique, de concert avec ceux d’azote et de phosphore, du bassin versant peuvent avoir des implications importantes sur le processus d’eutrophisation. Nous avons étudié la dynamique de la matière organique (MO) particulaire et dissoute dans l’estuaire maritime du fleuve Saint-Laurent (EMSL). Nous avons 1) évalué les apports de MO allochtone provenant des rivières du bassin versant, 2) quantifié la matière organique retrouvée dans l’EMSL et 3) analysé les variations temporelles de la MO à une station au centre de l’EMSL. Nous avons ensuite exploré les transformations de cette MO en analysant certaines de ses caractéristiques ainsi que sa labilité. Nous observons une variation saisonnière, du simple au double dans les apports de MO des rivières de même que dans la couche de surface de l’EMSL. Les variations dans la couche intermédiaire froide et la couche profonde sont plus modérées et semblent plus attribuables à une dégradation/transformation de la fraction particulaire de la MO que de la fraction dissoute. Ces résultats mettent en évidence l’effet complémentaire des apports allochtones de la MO qui conjointement à la MO générée par les apports de nutriments dans l’EMSL contribuent à son processus d’eutrophisation.

Dans le Saint-Laurent, les apports de carbone, d’azote et de phosphore des eaux douces pourraient contribuer à l'hypoxie des eaux profondes et à l’acidification de l’estuaire maritime, soit directement par minéralisation du carbone ou indirectement, par stimulation de la productivité estuarienne par l’augmentation de l'apport en azote. Afin de tester la deuxième hypothèse, une expérience en mésocosme d’une durée de 16 jours a été réalisée à l’été 2018. Les résultats indiquent que l’addition de nutriments provenant de l’estuaire fluvial à celle des remontées d’eaux de la couche intermédiaire froide à la tête du chenal Laurentien accroît d’environ 42% le taux de croissance net du phytoplancton marin lorsque le nitrate est la principale forme d’azote dissous provenant du fleuve. Lorsque l’urée représente le tiers de l’apport fluvial total en azote dissous (nitrate plus urée), l’accroissement du taux de croissance net est de 26%. Lorsque l’apport en nitrate de l’estuaire fluvial est diminué de moitié, le taux de croissance net du phytoplancton ne s’accroît que de 12%. Au cours de cette expérience, la communauté phytoplanctonique a été dominée numériquement par les diatomées centrales Skeletonema costatum et Chaetoceros debilis. Ces résultats indiquent que les apports en azote dissous provenant de l’estuaire fluvial favorisent le développement des diatomées et pourraient contribuer, en partie, à l’hypoxie des eaux profondes et à l’acidification  de l’estuaire maritime.

L'apport croissant de nutriments issus de l'agriculture et des centres urbains entraîne l'eutrophisation des eaux côtières. De ce phénomène surviennent des changements dans l'écosystème. L'eutrophisation favorise les efflorescences phytoplanctoniques. La matière organique créée sédimente et est décomposée sous la zone euphotique. La décomposition provoque la déplétion de l'oxygène dissous, un gaz essentiel à la survie des espèces benthiques. Le but du projet est de déterminer expérimentalement les effets de variations dans les concentrations d'apports fluviaux azotés sur la biomasse et les taux de chute des particules microbiennes dans l'estuaire du Saint-Laurent. Une expérience en mésocosme a été réalisée afin de tester divers scénario d'augmentation et de réduction de ces apports azotés. Ce projet s'inscrit dans le cadre de l'étude « Réseau de recherche sur la santé et l'observation de l'écosystème du Saint-Laurent » (en anglais, St. Lawrence ECOsystem Health Research and Observation NETwork - SECO.Net) qui a pour objectif principal l'étude de l'eutrophisation dans l'estuaire du Saint-Laurent. Il s'agit d'une collaboration entre l'Université Laval, l'Institut des sciences de la mer de Rimouski, l'Université McGill et l'Institut Maurice-Lamontagne.

Depuis plus d’un siècle, les eaux profondes de l'estuaire maritime du Saint-Laurent ont subi une baisse marquée en oxygène dissous. Cette baisse est due à l'eutrophisation du milieu ainsi qu'à des changements de circulation dans l'Atlantique Nord. L'effet combiné de ces deux forçages anthropiques est toutefois mal compris.

Afin de prédire l'impact des perturbations futures sur la distribution des nutriments et le budget d'oxygène dissous, nous présentons un modèle-à-boîtes des flux de nutriments dans l'estuaire maritime. Ce modèle simplifie la réalité, mais offre une compréhension générale du cycle des nutriments.

Les résultats révèlent que le mélange turbulent et la remontée (upwelling) des eaux profondes à la tête de l'estuaire maritime sont responsables de la majorité des apports en nutriments aux eaux de surface en été, limitant la capacité d'eutrophisation des apports fluviaux. Nous présenterons les solutions à l’état stationnaire sous une variété de perturbations naturelles et anthropogéniques potentielles. Ces simulations pourraient servir à l'élaboration de réglementations de contrôle de l'eutrophisation.

De plus, une reconstruction de l'origine et des modifications des masses d'eau, basée sur des données, nous offre un estimé des taux actuels et passés de la consommation de nutriments et d'oxygène dans les eaux profondes. Ce taux a augmenté de 35 ± 20 μmol/kg de 1970 à 2000, pour se stabiliser depuis à 135 ± 20 μmol/kg (consommation totale de Cabot à Tadoussac).