Cycles Biogéochimiques   Eric Ceschia http://www.cesbio.ups-tlse.fr/ Tel : 05 61 55 85 77 e-mail : eric.ceschia@cesbio.cnes.fr

IV Les cycles du Phosphore et du Soufre PLAN Introduction  Définitions Perspectives historiques et mise en place des cycles Organisation du vivant   I Le cycle du Carbone Réservoirs et stocks Echanges et flux Perturbation du cycle par l’homme II Le cycle de l’Eau Répartition à la surface du globe Les flux hydriques L’eau dans la Végétation, le sol et l’atmosphère Impact de l’homme sur son cycle III Le cycle de l’Azote Fixation de l’N atmosphérique Assimilation de l’N par la végétation et minéralisation Différentes boucles du cycle de l’N I mpact de l’homme sur son cycle IV Les cycles du Phosphore et du Soufre

Le Cycle du Carbone

Stocks et Flux de Carbone

LE CYCLE LONG DU C ORGANIQUE  Flux faibles mais réservoirs immenses   Le remplissage de l’immense réservoir que constituent les roches sédimentaires, principalement les schistes, s'est fait petit à petit au cours des temps géologiques, avec deux accélérations importantes :   - lors de l’explosion de la vie métazoaire il y a 600 Ma - lors de l’avènement de la grande forêt il y a 360 Ma. Flux de C faible, mais s'étend sur une longue période. L'oxydation du C du réservoir = kérogènes+hydrocarbures +charbons s'est faite au gré de l'exposition à l'air ou aux eaux souterraines oxygénées des roches sédimentaires et de leur contenu   lorsque les mouvements ont amené ces roches vers la surface.

LE CYCLE LONG DU C ORGANIQUE Temps de résidence du C organique dans ce réservoir : + de 200 millions d'années (= dépôt des sédiments et MO dans un bassin océanique, enfouissement, transformation des sédiments en roches sédimentaires, soulèvement et émergence lors de la formation d'une chaîne de montagne). L'extraction et la combustion des pétroles, gaz et charbons sont venues transformer une partie de ce cycle long en cycle court.  

Le Cycle court du C organique    Photosynthèse : utilisation de l'énergie solaire pour synthétiser la matière organique en fixant le carbone dans des hydrates de carbone (CH2O): la MO est représentée ici par CH2O, la forme la plus simple d'hydrate de carbone. Les organismes impliqués (bactéries, algues et plantes) sont les producteurs primaires.

Le Cycle court du C organique     Les consommateurs : en biomasse environ 1% de celle des producteurs primaires. Ils tirent leur énergie de celle qui est contenue dans les producteurs primaires en ingérant leurs tissus et en respirant. La respiration : à partir de l'oxygène libre O2, elle transforme toute matière organique en CO2 (plante, animaux, µorganismes aérobie dont bactéries & champignons): voie métabolique totalement différente de la photosynthèse la MO est représentée ici par CH2O, la forme la plus simple d'hydrate de carbone. Les organismes impliqués (bactéries, algues et plantes) sont les producteurs primaires.

LE CYCLE COURT DU C ORGANIQUE   La fermentation :Des micro-organismes utilisent l'oxygène des molécules de la matière organique même en absence d'oxygène libre (les milieux anoxiques), ce sont les anaérobies. Ils produisent du CO2 et du méthane (équation 2) en décomposant la matière organique. Le méthane, qui est un gaz à effet de serre 20 fois plus efficace que le CO2, est alors oxydé et se transforme rapidement en dioxyde de carbone (temps de résidence = 10 ans). Une partie du méthane demeure cependant dans le sédiment où il forme des réservoirs de gaz naturel. la MO est représentée ici par CH2O, la forme la plus simple d'hydrate de carbone. Les organismes impliqués (bactéries, algues et plantes) sont les producteurs primaires.

Stocks et flux de C en Gt + 3 Gt/an 6 Gt émis/an d’origine anthropique Boucles trophiques

Source IPCC

Intensité des Echanges de CO2 atmosphère-surface Émissions Absortions 61 60 92 600 90 700 1600

Impacts de la biosphère sur la concentration atmosphérique en CO2 Flanagan et Chleringer, 1998 Fortes variations dans l’hémisphère nord : action des écosystèmes terrestres (forêts)

Echanges avec l’Atmosphère et Allocation de Carbone dans les forêts CO2 CO2 Echanges avec l’Atmosphère et Allocation de Carbone dans les forêts

CO2

Les composantes de l’échange net de CO2 de l’écosystème (NEE) avec l’atmosphère NEE > 0 « Puits » de carbone NEE < 0 « Source » de carbone Flux de CO2 Photosynthèse (GPP) NPP NEE Respiration autotrophe (Ra) Respiration hétérotrophe (Rh) Trois différents flux de carbone : - Photosynthèse, qui permet la croissance de la plante : GPP - Flux issus de l activité respiratoire, qui lui fournie son énergie. Ra  Bilan NPP, carbone stocké dans la biomasse. - Rh : Provient de la décomposition de la matière organique du sol. Permet de calculer la NEP : productivité net de l’écosystème : résultante des trois flux. NEP Positive : flux global vers la végétation : puits de carbone. NEP Négative, flux global vers l’atmosphère, l’écosystème est une source de carbone pour l’atmosphère. Ces flux sont très intéressant a connaître pour évaluer la capacité de la végétation à amortir nos rejets atmosphériques. Très forte variabilité spatiale et temporelle, pas possiblede faire des mesures de terrain, donc modèles de flux a partir de données disponibles a grande échelle, notamment la teledec. Réco = Ra + Rh Débris végétaux décomposés NPP = Productivité Primaire Nette

Evolution des composantes de la Productivité Primaire nette (NPP) et de la Biomasse avec l’âge PPB = Production Primaire Brute (Gross Primary Production = GPP) NPP = Production Primaire Nette (Net Primary Production) Reco = Respiration de l’écosystème (Ra+Rh) PPB Biomasse NPP Reco

Evolution des composantes de la NEE avec l’âge = NEE Rh NPP Rh NPP Rh NPP + Age Forêt âgée = Gros stocks mais flux net très faible Flux de carbone Les raison de la relation entre âge et Rh : Après une perturbation, une grande quantité de débris végétaux est accumulée au sol et se décompose. La Rh est donc augmentée, tandis que la NPP est relativement faible pour les jeunes peuplements. La NEP résultante est en direction de l’atmosphère, l’écosystème est une source de carbone. Avec le temps, la quantité de matière organique du sol diminue, tandis que la végétation atteint sa phase de croissance maximale, la NEP devient alors positive, l’écosystème est un puits. On observe ensuite une stabilisation des flux a un niveau relativement faible, et qui s’équilibre plus ou moins et la NEP est proche de zéro. Pour étudier cette cinétique sur le terrain, on recrée artificiellement cette évolution en sélectionnant des parcelles homogènes qui ne diffèrent que par leur age. On appelle l ’ensemble de ces parcelles une chronoséquence. NPP NEE puits source Rh

Effet des conditions climatiques sur les échanges de CO2 entre Ecosystèmes et atmosphère Nuageux 15-20 °C Soleil 15-20 °C Soleil 25-30 °C

Réponse de la respiration (Ra ou Rh) à la température Augmentation exponentielle de la respiration avec la température selon une loi de type : RT = RTref Q10 (T-Tref)/10 Q10 souvent proche de 2

PAR (µmol de photons/m2 de sol/s) Réponse de la photosynthèse (GPP) à la lumière (PAR) PAR = Rayonnement Photosynthétiquement Actif (entre 400 et 700 nm) PAR (µmol de photons/m2 de sol/s)

Effet des conditions climatiques sur la NEE Nuageux 15-20 °C Soleil 15-20 °C Soleil 25-30 °C Perte de CO2 gain de CO2 Flux net nul

Effet des conditions climatiques sur la productivité des écosystèmes A l’échelle du globe

Flux de méthane à l’interface surface-atmosphère

Perturbations anthropiques du Cycle du C

Perturbations anthropiques du Cycle du C

Conséquences des perturbations anthropiques pour la biosphère continentale

Conséquences des perturbations anthropiques pour la biosphère continentale Réchauffement climatique Source IPCC, 2007

Conséquences des perturbations anthropiques pour la biosphère continentale Réchauffement climatique à la fin du 21ème siècle (scénario A2) Source CNRM

Conséquences des perturbations anthropiques pour la biosphère continentale Changement de précipitations à la fin du 21ème siècle (scénario A2) Source IPCC

Effet des conditions climatiques sur la productivité des écosystèmes

Effet fertilisant du CO2 pour la photosynthèse Ex : Forêts en France Avec effet CO2 Sans effet CO2 Mais compensation partielle à cause de l’augmentation de la respiration avec la hausse des températures. De plus effet limité à cause de la disponibilité en minéraux

Effet des changements climatiques sur la respiration des écosystèmes Ex : Forêts en France Avec effet CO2 Sans effet CO2   Augmentation de la respiration avec la température, effet CO2 limité

Effet température sur la respiration du sol T normal T +5°C Source : Stromgren et al.

Effet des changements climatiques sur la NEE Ex : Forêts en France Avec effet CO2 Sans effet CO2   Conclusion: stockage de carbone diminuera et dépend de la durée de l’effet fertilisant du CO2 des forêts plantées

Effet positif de l’augmentation des températures sur la Photosynthèse pour les forêts boréales Bergh et al, 1997 Mais compensation partielle du gain en CO2, à cause de l’augmentation de la respiration avec la hausse des températures. De plus effet limité à cause de la disponibilité en minéraux

Schéma des effets des changements globaux sur la végétation  

Effet du Changement d’utilisation des terres sur les stocks de C du sol

Effet du Changement d’utilisation des terres sur les stocks de C du sol

Effet du Changement d’utilisation des terres sur les stocks de C du sol

Conséquences des perturbations anthropiques sur les flux net de carbone entre atmosphère et continents Source IPCC

Risques pour la production alimentaire liés aux changements climatiques Source IPCC

Source IPCC

Source IPCC

Solutions pour faire face aux changements climatiques ? Exemple : en agriculture Adaptation des pratiques de production  : sélection de variétés à cycle plus long ou plus tardif et plus résistantes à la chaleur ajustement du calendrier des cultures et des techniques culturale (fertilisation, irrigation) prise en compte de l’émergence de maladie et ravageurs, application des stratégies de réduction des GES (engrais). Organiser les systèmes de production agricole face à un possible déplacement des zones de production ; le réchauffement observé équivaut à un déplacement vers le nord de 180 km et 150m en altitude (déplacement de zones de production ? introduction de nouvelles cultures ?) : problème des terroirs, répercussions économiques. Orientation vers de nouveaux usages des terres agricoles : agriculture et sylviculture ont un rôle important à jouer dans la réduction des émissions de GES, stockage du C et développement de cultures énergétiques.