UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP DAKAR

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

  • mémoire


UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP - DAKAR ************** FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES *********** DEPARTEMENT DE BIOLOGIE VEGETALE ********* Thèse de Doctorat de 3ème cycle de Biologie Végétale. Spécialité : Ecologie planctonique Contrôle environnemental de la production primaire du lac de Guiers au Nord du Sénégal par Seyni SANE Soutenue le 1 mars 2006 Devant la Commission d'Examen composée de : Président : M. Amadou Tidiane BA...........................Professeur UCAD Rapporteur : M. Papa Ibra SAMB..................................Professeur UCAD Membres : M. Abou THIAM.......................................Maître assistant UCAD M. Robert ARFI.........................................Directeur de Recherche IRD M. Modou SENE………………………...Chargé de recherche ISRA Mme. Fatoumata BA NIANG……….Ingénieur-chimiste à la SDE

  • facteurs limnologiques

  • biomasse phytoplanctonique

  • station de pompage

  • chargé de recherche

  • table des matières

  • côte du lac

  • production primaire

  • contrôle environnemental de la production primaire du lac de guiers au nord

  • température de l'eau


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UNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP - DAKAR
**************
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
***********
DEPARTEMENT DE BIOLOGIE VEGETALE
*********


èmeThèse de Doctorat de 3 cycle de Biologie Végétale.
Spécialité : Ecologie planctonique







Contrôle environnemental de la production
primaire du lac de Guiers au Nord
du Sénégal


par

Seyni SANE


Soutenue le 1 mars 2006

Devant la Commission d’Examen composée de :


Président : M. Amadou Tidiane BA...........................Professeur UCAD
Rapporteur : M. Papa Ibra SAMB..................................Professeur UCAD
Membres : M. Abou THIAM.......................................Maître assistant UCAD
M. Robert ARFI.........................................Directeur de Recherche IRD
M. Modou SENE………………………...Chargé de recherche ISRA
Mme. Fatoumata BA NIANG……….Ingénieur-chimiste à la SDE
Dédicace
Ce travail est dédié

A la mémoire
De ma mère: Mariétou
DIEDHIOU et
De mes Grands-pères:
Michel SANE et Roger
BOCANDE

A mon père: Omar SANE et
A mes Grands-mères:
Sounkarou Camara et Anna
Cléta CORREA

A mes frères et sœur à
Ziguinchor

A tous les parents à Dakar
pour leurs soutiens

i Table des matières


SOMMAIRE



Avant propos................................................................................................................................... vi
Liste des figures et tableaux.......................................................................................................viii
Résumé...........................................................................................................................................xiii
Summary........................................................................................................................................ xiv
Introduction.......................................................................................................................................1

Partie I : Etat des connaissances ....................................................................................................4
I.1-Zone d’étude................................................................................................................................4
I.1.1-Situation................................................................................................................4
I.1.2-Géologie .................................................................................................................................6
I.1.3-Climat.....................................................................................................................................6
I.1.4-La végétation.........................................................................................................................7
I.1.5-Activités de la population ...................................................................................................9
I.2-Connaissances sur le site ........................................................................................................10
I.2.1-Historique.............10
I.2.2-Les aménagements sur le lac ............................................................................................11
I.2.3-Conséquences des aménagements...................................................................................13
I.2.4-Bathymétrie du lac .............................................................................................................15
I.3-Généralités sur quelques facteurs environnementaux .....................................................16
I.3.1-Facteurs physiques......16
I.3.1.1-La lumière.....................................................................................................................16
I.3.1.2-La température.............................................................................................................17
I.3.1.3-Le vent...........................................................................................................................18
I.3.1.4-Les précipitations ........................................................................................................19
I.3.2-Facteurs chimiques.............................................................................................................20
I.3.2.1-Eléments nutritifs ou nutriments ..............................................................................20
I.3.2.1.1-Azote......21
I.3.2.1.2-Phosphore..............................................................................................................21
I.4-Les producteurs primaires......................................................................................................22
I.4.1-Description ..........................................................................................................................22
I.4.2-La production primaire .....................................................................................................25
I.4.3-Facteurs de contrôle ...........................................................................................................26
I.4.3.1-Facteurs environnementaux ......................................................................................26
I.4.3.2-Facteurs biologiques28

Partie II : Matériel et méthode d’étude30
II.1-Etude environnementale .......................................................................................................30
II.1.1-Stratégie d'échantillonnage..............................................................................................30
II.1.2-Mesures à haute fréquence ..............................................................................................31
II.1.2.1-Station météorologique31
II.1.2.2-Thermistances.............................................................................................................32
II.1.3-Mesures à moyenne fréquence........................................................................................32
II.1.4-Mesures à basse fréquence : sorties mensuelles ...........................................................32
ii Table des matières
II.1.4.1-Prélèvement sur le terrain.........................................................................................32
II.1.4.1.1-Mesure de la transparence de l’eau..................................................................32
II.1.4.1.2-Mesure de l’atténuation lumineuse33
II.1.4.1.3-Profils hydrologiques33
II.1.4.1.4-La colonne d’eau .................................................................................................34
II.1.4.1.5-Le sédiment..........................................................................................................34
II.1.4.1.6-Les pièges .............................................................................................................34
II.1.4.2-Mesures au laboratoire..............................................................................................34
II.1.4.2.1-Le pH de l’eau......................................................................................................34
II.1.4.2.2-La conductivité et l’alcalinité.............................................................................35
II.1.4.2.3-Poids de matières en suspension ......................................................................35
II.1.4.2.4-La taille des particules........................................................................................36
II.1.4.2.5-Les biovolumes des algues ................................................................................36
II.1.4.2.6-Carbone et azote particulaire ............................................................................37
II.1.4.2.7-La concentration chlorophyllienne...................................................................37
II.1.4.2.8-Les sels nutritifs...................................................................................................38
II.1.4.2.9-La production primaire ......................................................................................39
II.2-Etude expérimentale...............................................................................................................41
II.2.1-Effet des éléments chimiques sur le phytoplancton ....................................................41
II.2.2-Cylindrospermopsis raciborskii et carence en phosphore................................................42
II.2.2.1-Estimation de la biomasse.........................................................................................43
II.2.2.2-Phosphore intracellulaire..........................................................................................44
II.3-Analyses statistiques..............................................................................................................45

Partie III : Résultats .......................................................................................................................46
III.1- Caractérisation des descripteurs hydrobiologiques......................................................46
III.1.1-Environnement physique ...............................................................................................46
III.1.1.1-Facteurs climatiques.................................................................................................46
III.1.1.1.1-Le vent .................................................................................................................46
III.1.1.1.2-Température de l’air52
III.1.1.1.3-L’éclairement ......................................................................................................55
III.1.1.1.4-Pluviométrie .......................................................................................................57
III.1.1.2-Facteurs limnologiques............................................................................................60
III.1.1.2.1-Côte du lac ..........................................................................................................60
III.1.1.2.2-Structure de la colonne d’eau...........................................................................61
III.1.1.2.2.1-La température de l’eau.............................................................................62
III.1.1.2.2.1.1-Mesures à haute fréquence.................................................................62
III.1.1.2.2.1.2-Mesures à basse fréquence65
III.1.1.2.2.2-La densité de l’eau ......................................................................................67
III.1.1.2.2.3-La conductivité de l’eau68
III.1.1.2.2.3.1-A la station de pompage.....................................................................68
a-Cycle annuel .........................................................................................................68
b-Cycle inter annuel................................................................................................69
III.1.1.2.2.3.2-Aux stations Large, Baie et Typha.....................................................70
III.1.1.2.2.4-Oxygène dissous .........................................................................................72
III.1.1.2.2.5-Eclairement de la colonne d’eau...............................................................73
III.1.1.2.3-La transparence de l’eau ...................................................................................74
III.1.1.2.3.1-A la station de pompage............................................................................74
a-Cycle annuel .............................................................................................................74
iii Table des matières
b-Cycle inter annuel....................................................................................................75
III.1.1.2.3.2-Aux stations Large, Baie et Typha............................................................76
III.1.2-Environnement chimique ...............................................................................................77
III.1.2.1-Alcalinité ....................................................................................................................77
III.1.2.2-pH................................................................................................................................78
III.1.2.3-Éléments nutritifs......................................................................................................79
III.1.2.3.1-PO .......................................................................................................................80 4
a-A la station de pompage .............................................................................................80
b-Aux stations Large, Baie et Typha ............................................................................82
III.1.2.3.2-NO et NO .........................................................................................................82 2 382 84
III.1.2.3.3-NH ......................................................................................................................85 4
a-A la station de pompage85 86
III.1.2.3.4-Rapport N/P.......................................................................................................87 87
b-Aux stations Large, Baie et Typha ............................................................................88
III.2-Dynamique des particules, biomasse phytoplanctonique et microphytobenthique,
et production primaire ..................................................................................................................89
III.2.1-Matériel particulaire........................................................................................................89
III.2.1.1-Les matières en suspension .....................................................................................89
III.2.1.2-Les matières organiques ..........................................................................................90
III.2.1.3-Biovolumes totaux des particules...........................................................................91
III.2.2-La sédimentation des particules et le sédiment ..........................................................93
III.2.2.1-La sédimentation.......................................................................................................93
III.2.2.2-Le sédiment................................................................................................................97
III.2.3-La biomasse ....................................................................................................................100
III.2.3.1-Biomasse phytoplanctonique................................................................................100
a-Cycle annuel ...............................................................................................................101
b-Cycle inter annuel......................................................................................................102
III.2.3.2-Les flux de matières pigmentaires........................................................................105
III.2.3.3-Biomasse microphytobenthique ...........................................................................106
III.2.4-Production phytoplanctonique....................................................................................107
III.2.4.1-Productivité primaire.............................................................................................107
III.2.4.2-Producteurs primaires (Peuplement)...................................................................108
III.3-Analyses multivariées ........................................................................................................109
III.3.1-Comparaison interstation109
III.3.2-Statut trophique .............................................................................................................114
III.4-Étude expérimentale.....115
III.4.1-Conditions hydrochimiques et croissance des algues phytoplanctonique ...........115
III.4.1.1-Expérience en tubes................................................................................................115
III.4.1.2-Expérience en erlens...............................................................................................116
III.4.2-Influence du phosphore sur le développement d’une cyanobactérie -
Cylindrospermopsis raciborskii- ..................................................................................................118
III.4.2.1-Croissance ................................................................................................................118
III.4.2.2-Phosphore intracellulaire.......................................................................................121


iv Table des matières
Partie IV : Discussion ..................................................................................................................128
IV.1-Les principaux descripteurs hydrobiologiques du lac................................................128
IV.1.1-Facteurs climatiques..................................................................................................128
IV.1.2-Facteurs limnologiques.............................................................................................133
a-Côte du lac et crue du fleuve Sénégal.........................................................................133
b-Caractéristiques physiques de la colonne d’eau .......................................................133
c-Transparence de la colonne d’eau ...............................................................................137
IV.1.3-Facteurs chimiques....................................................................................................142
a-Alcalinité et pH ..............................................................................................................142
b-Éléments nutritifs ..........................................................................................................143
IV.2- Dynamique des particules, biomasse phytoplanctonique et microphytobenthique,
et production primaire. ............................................................................................................148
IV.2.1-Le matériel particulaire.............................................................................................148
IV.2.2-La sédimentation et le sédiment..............................................................................150
IV.2.3-Dynamique de la biomasse ......................................................................................152
IV.2.2-Production phytoplanctonique................................................................................156
IV.3-Réponses du phytoplancton aux différents apports d’éléments chimiques............159
IV.3.1-Facteurs limitants ......................................................................................................160
IV.3.1-Influence du phosphore............................................................................................163

Conclusion.....................................................................................................................................164
Perspectives et recommandations.............................................................................................168
Références bibliographiques.....................................................................................................170
Annexes..........................................................................................................................................186
















v Avant propos
Avant propos
Cette étude a été menée au laboratoire d’hydrobiologie lacustre de l’Institut de
Recherche pour le Développement (IRD), ex ORSTOM. C’est une étude qui a été effectuée
en collaboration entre l’Université Cheikh Anta Diop de Dakar (UCAD) et l’IRD, sous
l’encadrement du Dr Robert ARFI et du Pr. Papa Ibra SAMB. Je tiens à leurs exprimer tous
mes sincères remerciements.
Ma thèse s’est déroulée dans le cadre du programme « efflorescences algales » de
l’unité de recherche 098 (FLAG) au sein duquel j’ai eu le privilège d’être intégré. Cette
opportunité m’a permis de bien mener mes travaux de recherches dans des conditions les
meilleures, et à acquérir de nouvelles connaissances, autant sur le plan scientifique que
logistique. Je tiens à remercier tout particulièrement M. Robert ARFI, directeur de
recherche et responsable de l’unité de recherche, pour son accueille. Et c’est aussi grâce à
lui que j’ai pu bénéficier de la bourse IRD, dans le cadre d’une allocation de recherche, qui
m’a permis de régler mes problèmes financiers. J’ai eu à apprendre par lui de nombreuses
techniques en étude limnologie et aussi de bénéficier de beaucoup d’informations en
écologie planctonique. Il m’a aussi guidé dans la phase de rédaction de ma thèse, et pour
cela je le remercie pour sa disponibilité de tous les instants, sa compréhension et son
attention.
Je tiens aussi à remercier mon directeur de thèse, en la personne du professeur Papa
Ibra SAMB, qui m’a suivi depuis mon DEA, dont il a présidé la soutenance. Bien qu’étant
à Thiès, M. SAMB a su diriger ce travail de thèse. Ses grandes compétences, son attention
constante, son dévouement, sa remarquable gentillesse, m’ont permis de mener à bien
cette thèse. Plusieurs fois j’ai été le trouver à Thiès pour les besoins d’un document et j’ai
été tout le temps bien accueilli dans sa famille à qui je transmets au passage mes profondes
amitiés.
Je remercie tous les autres membres du jury qui ont accepté sans commune mesure
de juger ce travail de thèse. Je veux nommer M. Amadou Tidiane BA qui a accepté de
présider la soutenance, M. Abou THIAM qui a beaucoup travaillé sur le lac de Guiers et
qui pourrait fournir d’autres éléments de réponse, M. Modou SENE qui en plus s’est
déplacé de Thiès à Dakar pour assister à la soutenance, Mme Fatoumata BA NIANG pour
le temps qu’elle a consacré à la lecture du document.
vi Avant propos
Je suis très touché par leurs réponses favorables et leur disponibilité à apporter leurs
critiques pour aboutir à une meilleure qualité du document.
Mes remerciements s’adressent aussi aux autres membres de l’unité de recherche, qui
ont su répondre à mes sollicitations. Je veux nommer M. Marc BOUVY, M. Marc Pagano,
M. Daniel CORBIN, M. Xavier LAZZARO, Mme Gisèle CHAMPALBERT… Une attention
toute particulière est portée à l’égard de M. Philippe DUFOUR, M. Christophe
LEBOULANGER, M. Gérôme LAZZAROTO, M. Jean Pierre BOSSE, Mme Elianne
MENTHON, Mme REYMONDE, qui m’ont supporté au cours de mon stage à l’INRA de
Thonon Les Bains en France. Je les remercie pour l’accueil chaleureux qu’ils m’ont réservé.
Ils m’ont permis de mener à bien mon stage qui s’est déroulé dans bonnes conditions. Je
remercie également le directeur de l’INRA de m’avoir permis d’effectuer mon stage dans
cet institut.
Je suis très reconnaissant à l’ensemble des techniciens du laboratoire, je veux citer M.
Elhadj N’DOUR, Melle Maïmouna M’BOUP, Melle N’Dèye Fatou DIENG, Mme Yacine
DIOP pour leur disponibilité et leur compréhension. Leur soutien matériel et leur
concours sur le terrain et au laboratoire m’ont été plus que précieux. J’accorde une
attention toute particulière à mes collègues étudiants-chercheurs M. Nguassoumana BA,
M. Samba KA, pour tout leur soutien moral dans les moments difficiles. Je n’oublie pas
notre informaticien M. Ulrich PANZOU et le documentaliste M. Cheikh N’DIAYE.
Enfin je remercie toute ma famille d’accueil à Dakar, la famille SANE et en particulier
ma grand-mère Mme Sounkarou Camara SANE qui n’a ménagé ni son temps, ni sa
courtoisie. J’ai bénéficié depuis 1994, de son soutien moral et financier pour mener à bien
mes études universitaires. Je remercie également oncles, tantes et mes gentils, aimables
cousins et cousines pour leur soutien affectif.







vii Liste des figures et tableaux
Liste des figures et tableaux
Figures
Figure 1. Carte de la zone d’étude, position dans le Sénégal .....................................................5
Figure 2. Répartition des températures mensuelles de l’air dans le territoire sénégalais en
2001 : basses à gauche et élevées à droite (http://www.gouv.sn/meteo/temperatures.html).7
Figure 3. Schéma des aménagements hydrologiques sur le lac de Guiers, Cogels (1984) ...12
Figure 4. Schéma modifié du fonctionnement hydrologique du lac de Guiers, Cogels (1984)
....................................................................................................................................................13
Figure 5. Evolution du niveau du lac à Ngnith de 1976 à 2004. Traits pleins horizontaux
correspondent aux côtes moyennes du lac de Guiers........................................................14
-1Figure 6. Courbe d’étalonnage, concentrations des cellules (en mgC.l ) en fonction des
densités optiques.....................................................................................................................44
Figure 7. Courbe d’étalonnage, concentrations de phosphore en fonction des densités
optiques. ...................................................................................................................................44
Figure 8. Séries journalières des vitesses minimales, moyennes et maximales du vent à
Ngnith de mars 2002 à mars 2003.........................................................................................47
Figure 9. Vitesses moyennes mensuelles des directions du vent à Ngnith de mars 2002 à
mars 2003 : Vn (composante Nord) et Ve (composante Est).............................................48
Figure 10. Roses mensuelles des vents à Ngnith........................................................................48
Figure 11. Moyennes horaires de l’évolution journalière des vitesses du vent en période
d’harmattan et d’alizés maritimes à Ngnith. ......................................................................50
Figure 12. Histogramme de la distribution des vitesses moyennes horaires du vent à
Ngnith.......................................................................................................................................51
Figure 13. Comparaison de la distribution des vitesses moyennes du vent en période
d’harmattan et d’alizé maritime. ..........................................................................................51
Figure 14. Vitesses moyennes annuelles du vent à Saint-Louis et Louga de 1985 à 2002. ...52
Figure 15. Séries journalières des températures maximales, moyennes et minimales de l’air
à Ngnith de mars 2002 à mars 2003......................................................................................53
Figure 16. Moyennes horaires de l’évolution journalière des températures de l’air en
période d’harmattan et d’alizé maritime à Ngnith. ...........................................................54
Figure 17. Températures moyennes annuelles de l’air à Saint-Louis et Louga de 1985 à
2002............................................................................................................................................55
Figure 18. Intégration journalière de l’éclairement solaire horaire et moyenne annuelle à
Ngnith de mars 2002 à mars 2003.........................................................................................56
Figure 19. Moyennes horaires de l’éclairement solaire journalier à deux périodes à Ngnith.
....................................................................................................................................................57
Figure 20. Enregistrements journaliers des pluies à Ngnith, de mars 2002 à février 2003...58
Figure 21. Diagramme ombrothermique à Ngnith, Louga et Saint-Louis de mars 2002 à
février 2003...............................................................................................................................58
Figure 22. Quantités annuelles de pluies à Saint-Louis et Louga de 1985 à 2002..................59
Figure 23. Ecarts à la moyenne [en % du rapport (Pi-Pm)/Pm], années plus ou moins
pluvieuses à Saint-Louis et Louga de 1985 à 2002 (Pi : pluie totale de l’année et Pm :
moyenne inter annuelle). .......................................................................................................59
Figure 24. Série journalière de la côte du lac à Ngnith et quantités de pluies enregistrées,
de mars 2002 à février 2003....................................................................................................60
Figure 25. Variations inter annuelles des séries journalières de la hauteur d’eau du lac à
Ngnith et des débits du fleuve Sénégal en aval du barrage de Diama. ..........................61
viii Liste des figures et tableaux
Figure 26. Série horaire de la température de l’eau en surface et au fond aux stations Large,
Baie et Typha de mars 2002 à février 2003...........................................................................63
Figure 27. Moyennes horaires de l’évolution journalière de la température de l’eau aux
trois stations en situation d’harmattan. ...............................................................................65
Figure 28. Moyennes horaires deurnalière de la te
trois stations en période d’alizé maritime.65
Figure 29. Températures mensuelles de l’eau en surface et au fond aux trois stations de
mars 2002 à février 2003. ........................................................................................................66
Figure 30. Distribution verticale de la température de l’eau aux trois stations de mars 2002
à février 2003............................................................................................................................66
Figure 31. Densité mensuelle de l’eau en surface et au fond aux trois stations de mars 2002 ...........67
Figure 32. Distribution verticale de la densité de l’eau aux trois stations de mars 2002 à
février 2003...............................................................................................................................68
Figure 33. Série bihebdomadaire de la conductivité de l’eau en surface et au fond à la
station de pompage de la SDE. Période allant de mars 2002 à février 2003...................69
Figure 34. Variations inter annuelles de la série bihebdomadaire de la conductivité de l’eau
en surface et au fond à la station de pompage de la SDE. ................................................70
Figure 35. Conductivité mensuelle de l’eau de surface et du fond aux trois stations de mars
2002 à février 2003...................................................................................................................71
Figure 36. Distribution verticale de la conductivité de l’eau aux trois stations de mars 2002
à février 2003............................................................................................................................71
Figure 37. Saturation d’oxygène en surface et au fond aux trois stations de mars 2002 à
février 2003.............72
Figure 38. Distribution verticale des pourcentages de saturation d’oxygène dissous dans
l’eau aux trois stations de mars 2002 à février 2003. ..........................................................73
Figure 39. Distribution verticale des pourcentages de lumière qui passe sous l’eau aux trois
stations de mars 2002 à février 2003. ....................................................................................74
Figure 40. Série bihebdomadaire des profondeurs de disparition du disque de Secchi à la
station de pompage de la SDE, de mars 2002 à février 2003.............................................75
Figure 41. Variation inter annuelle de la série bihebdomadaire des profondeurs de
disparition du disque de Secchi à la station de pompage de la SDE...............................76
Figure 42. Mesures mensuelles des profondeurs de disparition du disque de Secchi et de
l’épaisseur de la couche euphotique ; moyennes des trois stations (Large, Baie et
Typha) de mars 2002 à février 2003. Régressions linéaires et intervalles de confidence
de 95 %......................................................................................................................................77
Figure 43. Alcalinité mensuelle de l’eau en surface et au fond aux trois stations de mars
2002 à février 2003...................................................................................................................78
Figure 44. pH mensuel de l’eau en surface et au fond aux trois stations de mars 2002 à
février 2003...............................................................................................................................79
Figure 45. Série bihebdomadaire des concentrations de PO en surface et au fond de mars 4
-12002 à février 2003. Le seuil de détection est de 0,01 µmol.l ...........................................81
Figure 46. Variation inter annuelle de la série bihebdomadaire des concentrations de PO4
en surface et au fond...............................................................................................................81
Figure 47. Concentrations mensuelles du PO en surface et au fond aux trois stations de 4
mars 2002 à février 2003. ........................................................................................................82
Figure 48. Série bihebdomadaire des concentrations de NO et NO en surface et au fond 2 3
-1de mars 2002 à février 2003. Le seuil de détection est de 0,1 µmol.l . ............................83
ix