En bref

Pour répondre aux nouvelles règles d’évaluation fixées par la directive cadre européenne sur l’eau, les méthodes de bioindication basées sur l’observation des invertébrés ont été renouvelées et améliorées. Grâce à la combinaison de plusieurs métriques taxonomiques et fonctionnelles, le nouvel indice multimétrique I2M2 permet aujourd’hui de mieux évaluer l’état écologique d’un cours d’eau et d’améliorer la détection de certaines pressions liées aux activités humaines, comme par exemple la présence de micropolluants. 

Texte

Les macroinvertébrés benthiques sont connus pour être de bons indicateurs de la nature et de l’intensité des perturbations auxquelles les écosystèmes aquatiques sont soumis. Leurs caractéristiques intrinsèques, et le fait qu’ils soient faciles à collecter, les placent à la base de la création de nombreuses méthodes et indices d’évaluation de la qualité du milieu aquatique. Depuis la création de l’indice saprobique en 1908, de nombreux indices biotiques ont vu le jour, comme l’indice biologique global normalisé (IBGN ; AFNOR, 2004) en France.

L’IBGN permet d’évaluer l’aptitude d’un milieu à héberger des macroinvertébrés en prenant en compte leur variété (de manière semi-quantitative), leur sensibilité à la pollution (via une liste de groupes faunistiques indicateurs principalement identifiés à la famille) et  les habitats les plus biogènes. Il fournit alors une note de qualité du milieu variant de 0 à 20 interprétée en termes de « classe d’état écologique » (cinq classes de « mauvais » à « très bon » état).

Depuis 2000, la directive cadre européenne sur l’eau (DCE), fixe, via son annexe V, de nouvelles règles dans l’évaluation de la qualité des milieux aquatiques en prenant en compte à la fois les caractéristiques biotiques et abiotiques du milieu. Les outils utilisés nationalement doivent maintenant prendre en compte la typologie des masses d’eau, être exprimés sous forme de ratio par rapport à un état de référence (EQR) et, pour le compartiment des macroinvertébrés benthiques, être construits sur des métriques qui collectivement prennent en compte l’abondance, la diversité et le ratio « espèces sensibles sur espèces tolérantes ». Une métrique est un paramètre ou un ensemble de paramètres décrivant une fonctionnalité de l’écosystème. Par exemple, le taux d’espèces détritivores, la richesse taxonomique, la diversité [1]…

En ce sens, l’IBGN n’est donc pas DCE-compatible, et malgré des essais d’adaptation (e.g. une expression en termes d’EQR), il peut difficilement être rendu totalement DCE-compatible sans une modification de l’indice lui-même. C’est pourquoi, comme de nombreux pays européens, la France a dû faire évoluer sa méthode nationale d’évaluation de l’état écologique des cours d’eau basée sur le compartiment « invertébrés aquatiques ». Il y avait deux contraintes à impérativement prendre en compte dans cette évolution : 

  • ne générer qu’une faible augmentation du coût par rapport à la méthode existante ;
  • permettre le recalcul de la note IBGN (appelée alors IBG-DCE ou équivalent IBGN) afin d'autoriser la rétro-comparabilité des résultats, mais, avant tout, il était nécessaire de définir précisément l’état de référence des différents types de cours d’eau. 

Des modifications ont été apportées dans la phase d’acquisition des données, aussi bien au niveau de l’effort d’échantillonnage (par une augmentation du nombre d’échantillons élémentaires) et de la stratégie de sélection des points de prélèvement élémentaires (pour une meilleure prise en compte de la mosaïque d’habitats sur le terrain ; AFNOR, 2016), que lors de la phase de laboratoire avec l’adoption d’un niveau d’identification plus précis des taxons (pour une meilleure sensibilité de la méthode ; AFNOR, 2020). 

Un nouvel indice a également été construit, l’« indice invertébrés multimétrique » (I2M2 ; Mondy et al., 2012). Un indice multimétrique est un indice qui combine différentes métriques (taxonomiques, bioécologiques ou fonctionnelles), qui apportent des informations complémentaires sur le compartiment biologique étudié. Il permet ainsi de mieux évaluer l’état écologique d’un cours d’eau et mieux discriminer des états écologiques différents le long d’un gradient de pression anthropique. Il est également plus sensible aux modifications des assemblages d’invertébrés que les indices classiques. Afin de répondre pleinement aux exigences de la DCE, l’I2M2 a été développé en exprimant ses résultats en tant qu’écarts à une référence. Cette référence n’est pas universelle mais définie en prenant en compte la taille et la localisation biogéographique du cours d’eau à hauteur du point de prélèvement.

Matériel et Méthodes

Données mobilisées

L’I2M2 a été développé pour les cours d’eau peu profonds dont la totalité des substrats à échantillonner dans le lit mouillé peuvent l’être à pied ou au moyen d’une embarcation légère, avec des appareils à main de type filet Surber ou haveneau. 

Plus de 1 700 stations appartenant aux réseaux de contrôle de surveillance et au réseau de références pérennes sur l’ensemble du territoire métropolitain ont été prospectées en suivant des protocoles de terrain et de laboratoire normalisés (AFNOR, 2016 ; AFNOR, 2020). Les données utilisées pour le développement de l’indice correspondent au suivi de ces stations entre 2004 et 2010, soit plus de 6 200 opérations de contrôle.

Des données de pressions anthropiques ont également été utilisées. Ces pressions (tableau 1) étaient en relation avec d’une part dix catégories de pression liées à la qualité physico-chimique de l’eau, évaluées sur les six mois précédant l’échantillonnage des macroinvertébrés benthiques, et d’autre part sept catégories de pression liées à l’hydromorphologie et l’occupation du sol dans le bassin versant, évaluées une seule fois sur la période 2004-2010. Chaque catégorie de pression a été évaluée à partir d’un nombre variable de paramètres élémentaires qui ont été agrégés selon le principe de l’élément le plus déclassant.

Typologie et références

Les tronçons sur lesquels étaient localisées les stations prospectées ont été individuellement alloués à un type de cours d’eau. La typologie utilisée est basée sur :

  • un découpage du territoire métropolitain en zones homogènes du point de vue du relief, de la géologie et du climat (= hydro-écorégions ou HER),
  • une prise en compte de la taille du cours d’eau (Chandesris et al., 2006).

Au vu de la difficulté d’identifier des références « vraies », nous avons privilégié une approche dite « du moindre impact ». Dans cette approche, nous avons retenu comme stations « LIRR » (Least Impacted River Reaches), les stations répondant aux critères suivants : 

  • pressions physico-chimiques :
    – aucune catégorie de pression de niveaux « état médiocre » ou « mauvais état » ;
    – au maximum trois catégories de pression de niveau « état moyen » ;
    – au maximum une catégorie de pression non renseignée ;
  • pressions hydromorphologiques :
    – aucune catégorie de pression de niveau « mauvais état » ;
    – au maximum une catégorie de pression de niveau « état médiocre » ;
    – aucune catégorie de pression non renseignée.

Les stations ne répondant pas à ces critères ont été classées comme « Impacted River Reaches » (IRR) pour une catégorie de pression donnée, si leur état était au mieux l’« état moyen ».

Principes de construction

Objectif

Afin de répondre aux exigences de la DCE, nous avons développé un indice multimétrique exprimé en ratio de qualité écologique (EQR), i.e. en écart par rapport à la situation de moindre perturbation (LIRR) définie pour le type de cours d’eau évalué. De plus, l’indice développé devait également :

  • être efficace pour mettre en évidence les effets d’une grande variété de pressions d’origine humaine,
  • être robuste dans son évaluation, 
  • être stable en conditions de moindre perturbation (LIRR) 
  • prendre en compte les critères préconisés par la DCE (abondances, diversité et polluo-sensibilité) pour une évaluation de l’état écologique des cours d’eau via le compartiment « invertébrés benthiques ». 

Métriques

Les douze prélèvements unitaires réalisés pour chaque opération de contrôle sont répartis en trois groupes de quatre prélèvements selon la norme (AFNOR, 2016). Plus de quatre cents métriques ont ensuite été calculées sur différentes combinaisons de listes faunistiques correspondant à ces trois groupes de prélèvements. Les métriques calculées permettent de décrire un large panel de caractéristiques des communautés : composition, structure, diversité et homogénéité taxonomiques et fonctionnelles (sur la base de traits bio-écologiques), sensibilité à certaines catégories de pression et état général (indices biotiques) (Mondy et al., 2012).

Transformation en EQR

Afin de normaliser les valeurs des métriques et la direction de leurs réponses aux catégories de pression (croissante ou décroissante avec la qualité écologique, i.e. dont les valeurs croissent ou décroissent avec une diminution des pressions d’origine humaine), nous avons utilisé la formule suivante :

EQR = (Obs - Worst) / (Besttype - Worst)

avec :
Obs = la valeur observée de la métrique,
Besttype = le 95e (métriques croissantes) ou le 5e (métriques décroissantes) percentile des valeurs de cette métrique dans les LIRR pour le même type de cours d'eau,
Worst = le 5e (métriques croissantes) ou le 95e (métriques décroissantes) percentile des valeurs de cette métrique dans les IRR pour tous les types de cours d'eau.

Jeux de données

Le jeu de données initial a été divisé en un jeu de données de développement (75 % des sites) et un jeu de données test (25 % des sites). La sélection des métriques et la constitution des indices multimétriques candidats ont été réalisées sur le jeu de données de développement.

Sélection des métriques

La sélection des métriques composant l’I2M2 s’est faite en plusieurs étapes : une sélection des métriques sur la base de leurs performances individuelles, puis une sélection des métriques apportant des informations non redondantes parmi les meilleures métriques élémentaires. 

Sélection des métriques élémentaires

Les métriques recherchées devaient répondre à trois critères :

  • répondre significativement à un maximum de catégories de pression : au moins sept des dix catégories de pression « physico-chimiques » et au moins cinq des sept catégories de pression « hydromorphologiques » ;
  • discriminer efficacement les stations de statut LIRR des stations de statut IRR. Pour cela, nous avons calculé, pour chaque métrique et chaque catégorie de pression, son efficacité de discrimination (DE, d’après Ofenböck et al., 2004) comme étant le pourcentage de valeurs de cette métrique (en EQR) issues des IRR et inférieures au percentile 25 de la distribution des valeurs de cette métrique issues des LIRRs. La DE moyenne sur les dix-sept catégories de pression doit être au moins de 60 % ;
  • être stables en situation de moindre perturbation. Nous avons donc spécifiquement recherché les métriques présentant la variabilité « naturelle » la plus faible possible (coefficient de variation dans les stations LIRR inférieur à 0,333).

Non redondance

Un examen de la nature de l’information bio/écologique individuellement apportée par chacune des métriques a ensuite été réalisé. Les métriques apportant une information similaire ont été regroupées et pour chaque groupe de métriques similaires, seule la métrique présentant la plus forte efficacité de discrimination moyenne (sur les dix-sept catégories de pression) a été retenue.

Composition de l’I2M2

Indices candidats

Pour chaque catégorie de pression « p » (parmi P = 17), la moyenne des valeurs des métriques élémentaires « m » (parmi M = 5 pour l’indice final) exprimées en EQR et pondérées par leurs efficacités de discrimination respectives (DE PM) est calculée. La valeur de l’indice est ensuite obtenue en faisant la moyenne arithmétique de ces valeurs sur l’ensemble des dix-sept catégories de pression.

 

Chaque métrique sélectionnée au terme de l’étape de sélection des métriques élémentaires a initié la création d’un indice multimétrique candidat, en recherchant des métriques complémentaires permettant d’améliorer successivement les performances de l’indice multimétrique progressivement formé. Cette sélection des métriques complémentaires s’est faite de manière itérative. À partir d’un indice à n métrique(s) (n = 1 au début de la procédure), on teste systématiquement si l’ajout de l’une des autres métriques sélectionnées, mais non encore intégrées, permet d’améliorer significativement l’efficacité de discrimination de l’indice (test de Wilcoxon pour échantillons appariés sur les DE des indices à n et n+1 métriques). La métrique apportant le gain significatif le plus important en matière de DE moyenne, est ajoutée à l’indice initial et la procédure continue jusqu’à ce que l’ajout d’une métrique supplémentaire ne permette plus d’améliorer significativement la DE moyenne de l’indice formé.

Sélection de l’I2M2

L’I2M2 est, parmi les indices candidats, celui qui offre le meilleur compromis entre :

  • efficacité de discrimination importante pour toutes les catégories de pression,
  • bonne stabilité : pas de différence significative (test de Kolmogorov-Smirnov ; p-value > 0,1) entre les valeurs de l’indice dans les LIRR des jeux de données de développement et test,
  • bonne robustesse : pas de différence significative (test de Wilcoxon pour échantillons appariés ; p-value > 0,1) entre les DE mesurées sur les jeux de données de développement et test,
  • bonne adéquation avec les exigences de la DCE sur les critères à prendre en compte pour le compartiment « invertébrés benthiques » (abondances, diversité et polluo-sensibilité).

L’indice invertébrés multimétrique (I2M2)

La sélection des métriques a permis d’identifier trente métriques non redondantes et présentant des performances satisfaisantes. Sur la base de ces métriques, trente indices multimétriques candidats ont été produits, constitués de deux à huit métriques, ces indices ayant tous une efficacité de discrimination moyenne supérieure à 80 %. Parmi ces trente indices candidats, seulement cinq ont démontré une stabilité et une robustesse satisfaisantes (tableau 2). 

Parmi ces cinq indices, celui offrant le meilleur compromis entre efficacité de discrimination, stabilité, robustesse et prise en compte équilibrée des critères recommandés par la DCE pour les invertébrés benthiques a été sélectionné pour devenir l’I2M2 (indice candidat #2 ; tableau 2). Cet indice est composé de cinq métriques (figure 1) : 

  • l’indice de diversité de Shannon-Weaver. Cette métrique prend en compte à la fois la richesse taxonomique et la distribution des abondances relatives des différents taxons de l’assemblage faunistique. En cas de pression anthropique croissante, une baisse de la valeur de l’indice est attendue ;
  • l’indice ASPT. Cet indice mesure le niveau de polluo-sensibilité moyen de l’assemblage des macroinvertébrés. En cas de pression anthropique croissante, une baisse du niveau moyen de polluo-sensibilité, et donc de la valeur de l’ASPT, est attendue ;
  • la fréquence relative des organismes polyvoltins (i.e. capables d’accomplir au moins deux générations successives au cours d’une année) dans la communauté. En cas de pression anthropique croissante, une augmentation de la fréquence relative des organismes polyvoltins est attendue ;
  • la fréquence relative des organismes ovovivipares (i.e. dont l’incubation des œufs est réalisée dans l’abdomen de la femelle, l’éclosion suivant immédiatement l’expulsion des œufs dans le milieu aquatique) dans la communauté. En cas de pression anthropique croissante, une augmentation de la fréquence relative des organismes ovovivipares est attendue ;
  • la richesse taxonomique, il s’agit du nombre de taxons identifiés au niveau systématique préconisé par la norme AFNOR NF T90-388 (2020). En cas de pression anthropique croissante, une réduction de la richesse taxonomique est attendue.

Sur un jeu de données complété par rapport à celui utilisé pour sa construction (plus de 10 000 opérations de contrôle réalisées entre 2004 et 2013), l’I2M2 présente une efficacité moyenne de discrimination robuste et supérieure à 80 % pour les catégories de pression prises en compte (68-97 % suivant la catégorie). Sur le même jeu de données, l’IBGN affiche des performances significativement plus faibles avec une efficacité moyenne de discrimination de seulement 65 % (53-90 % suivant la catégorie de pression ; figure 2) [2].

Encadré 1 - Illustration de l’approche interprétative de l’I2M2 à partir des résultats obtenus sur une station située sur un très petit cours d’eau (tp) de l’HER 6 « méditerranéen » sur la chronique 2007-2013.

Illustration de l’approche interprétative de l’I2M2 à partir des résultats obtenus sur une station située  sur un très petit cours d’eau (tp) de l 

Conclusion

L’I2M2 a été développé pour répondre aux exigences de la DCE et pour tenter d’améliorer les performances des méthodes existantes. Ce nouvel indice permet ainsi une amélioration de la détection des catégories de pression les moins bien détectées par l’IBGN (e.g. micropolluants et certaines pressions « hydromorphologiques »). 

L’I2M2 s’interprète en termes de classes d’état écologique (cinq classes de « très bon » à « mauvais ») dont les limites sont définies pour chaque type de cours d’eau (rang x HER). Afin de garantir la comparabilité des évaluations rendues par l’I2M2 avec celles rendues par les indices « macroinvertébrés » utilisés dans les autres États membres de l’Union européenne, les limites de classe utilisées pour l’I2M2 ont été définies au cours d’un exercice d’intercalibration. L’I2M2 et ses limites de classes harmonisées au niveau européen sont donc désormais utilisés pour évaluer l’état de l’élément de qualité biologique « macroinvertébrés benthiques » pour les cours d’eau peu profonds en France métropolitaine. La transition de l’IBGN (arrêté « Évaluation » du 27 juillet 2015) à l’I2M2 (arrêté « Évaluation » du 27 juillet 2018) [3] se traduit par une évaluation plus rigoureuse de l’état des communautés d’invertébrés benthiques avec une réduction de 12 % du nombre de stations classées au moins en « Bon » état. Cette réduction est en particulier liée au nombre plus réduit de stations classées en « Très bon » état (–  31 %) et au nombre plus important de stations classées en « Mauvais » ou « Très mauvais » état (210 vs. 44) avec l’I2M2 par rapport à l’IBGN (figure 3).

Une méthode d’évaluation est d’autant plus intéressante que le degré d’incertitude associé à l’évaluation réalisée est connu. Une étude spécifique a permis de montrer que la source principale d’incertitude autour de la valeur de l’I2M2  était liée à la variabilité inter-opérateurs au cours des phases de terrain et de laboratoire, qui, bien que nettement supérieure aux sources d’incertitude liées à la construction de l’indice (sur les valeurs de DE, BEST, WORST), n’entrainait qu’un risque faible de mauvaise allocation d’une classe d‘état écologique, sauf lorsque la valeur d’indice obtenue était proche d’une valeur limite entre deux classes.

Afin d’assurer une meilleure homogénéité dans l’effort et la stratégie d’échantillonnage le long du profil longitudinal des cours d’eau, un nouveau protocole d’échantillonnage (norme XP T90-337 ; AFNOR, 2019) et un nouvel indice adapté aux grands cours d’eau profonds (GCE) ont été proposés. Cet indice multimétrique (I2M2 -GCEC) a été construit selon une démarche très similaire à celle présentée ici.

Encadré 2 - L'« outil diagnostique invertébrés ».

L encadré 2


[1] Source : https://hydrobio-dce.inrae.fr/quelques-definitions/

[2] L’I2M2 (version 1.0.6) et l’IBGN (IBG-DCE version 1.0.6) ont été calculés en utilisant le Système d’évaluation de l’état des eaux (SEEE) : https://seee.eaufrance.fr/

[3] L’état biologique a été calculé selon les deux arrêtés évaluations (indicateurs EBio_CE_2015 et EBio_CE_2018, tous les deux en version 1.0.1) en utilisant le Système d’évaluation de l’état des eaux (SEEE) : https://seee.eaufrance.fr/

Illustrations

Larve de Chloroperla, les larves de Chloroperlidae comptent parmi les plus petites espèces de plécoptères (5 à 6 mm maximum), elles sont rhéophiles et indicatrices de très bonne qualité de l'eau de la rivière.
© J.-P. Balmain - INRAE

Métriques élémentaires composant l’I2M2 et prise en compte (ronds verts) des critères recommandés par la directive cadre européenne sur l’eau.

Gain d’efficacité de discrimination (DE) de l’I2M2 sur l’IBGN détaillé par catégorie de pression. Les pressions « hydromorphologiques » sont indiquées en italique. Voir le tableau 1 pour les intitulés complets des catégories de pression.

Encadrés et tableaux

Intitulés et abréviations des catégories de pression prises en compte dans le développement de l’I2M2. Voir Mondy et al. (2012) pour plus de détails sur la description des catégories de pression.

Performances et compatibilité DCE des cinq indices candidats les plus stables (p-values d’un test de Kolmogorov-Smirnov supérieures à 0,1) et robustes (p-values d’un test de Wilcoxon pour échantillons appariés supérieures à 0,1). Une même métrique peut prendre en compte plusieurs critères demandés par la DCE (abondances, diversité, polluo-sensibilité). Voir le texte pour plus de détails.

Illustration de l’approche interprétative de l’I2M2 à partir des résultats obtenus sur une station située sur un très petit cours d’eau (tp) de l'HER 6 « méditerranéen » sur la chronique 2007-2013.

L'« outil diagnostique invertébrés »

En savoir +

AFNOR, 2004, Qualité de l’eau – Détermination de l'indice biologique global normalisé (IBGN), Association française de normalisation, norme homologuée NF T 90-350, p. 1-16. 

AFNOR, 2016, Qualité de l’eau – Prélèvement des macroinvertébrés aquatiques en rivière peu profondes, Association française de normalisation, norme homologuée NF T 90-333, p. 1-39. 

AFNOR, 2019, Qualité de l’eau –  Prélèvements des macro-invertébrés aquatiques en rivières profondes et canaux, Association française de normalisation, norme homologuée XP T 90-337, p. 1-56. 

AFNOR, 2020, Qualité de l'eau – Analyse d'échantillons contenant des macro-invertébrés de cours d'eau, canaux et plans d'eau, Association française de normalisation, norme homologuée NF T 90-388, p. 1-34.

CHANDESRIS, A., WASSON, J.-G., PELLA, H., SAUQUET, E., MENGIN, N., 2006, Appui scientifique à la mise en œuvre de la Directive Européenne Cadre sur l’Eau. Typologie des cours d’eau de France métropolitaine, Publication Cemagref, p. 1-64, https://hal.inrae.fr/hal-02588807

MONDY, C.P., VILLENEUVE, B., ARCHAIMBAULT, V., USSEGLIO-POLATERA, P., 2012, A new macroinvertebrate-based multimetric index (I2M2) to evaluate ecological quality of French wadeable streams fulfilling the WFD demands: A taxonomical and trait approach, Ecological Indicators, n° 18, p. 452-467, https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2011.12.013

MONDY, C.P.,  USSEGLIO-POLATERA, P., 2013, Using conditional tree forests and life history traits to assess specific risks of stream degradation under multiple pressure scenario, Science of the Total Environment, 461/462, p. 750-760, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.05.072

OFENBÖCK, T., MOOG, O., GERRITSEN, J., BARBOUR, M., 2004, A stressor specific multimetric approach for monitoring running waters in Austria using benthic macroinvertebrates, Hydrobiologia, 516, p. 251-268, https://doi.org/10.1007/978-94-007-0993-5_15

Auteur(s)

MONDY, Cédric
Office français de la biodiversité, Direction régionale d'Ile-de-France,

12 cours Lumière, F-94300 Vincennes, France.

VILLENEUVE, Bertrand
INRAE, UR EABX,
50 avenue de Verdun, F-33612 Cestas Cedex, France.

ARCHAIMBAULT, Virginie
Université Paris-Saclay, INRAE, UR HYCAR,
F-92761 Antony Cedex

USSEGLIO-POLATERA, Philippe
Laboratoire interdisciplinaire des environnements continentaux, UMR 7360 CNRS-Université de Lorraine,
Campus Bridoux, Bât. IBISE, 8 rue du Général Delestraint, F-57070 Metz, France.

Référence

Pour citer cet article :

Référence électronique :
MONDY, Cédric ; VILLENEUVE, Bertrand ; ARCHAIMBAULT, Virginie ; USSEGLIO-POLATERA, Philippe , Une nouvelle génération d’indicateurs : l’exemple de l’indice invertébrés multimétrique I2M2 ,[online], Revue Directive cadre européenne sur l’eau – Bilan de vingt années de recherche pour la reconquête de la qualité des masses d’eau , 2021, no. 37, p. 30-37. Disponible sur <URL : http://www.set-revue.fr/une-nouvelle-generation-dindicateurs-lexemple-de-lindice-invertebres-multimetrique-i2m2> (consulté le 28/06/2022).

Ajouter un commentaire