Le cours est accompagné d'une présentation de diapositives (certaines sont en Anglais) :  cycles-biogeochimiques-internet.pdf

CYCLES BIOGEOCHIMIQUES DANS LA BIOSPHERE

Introduction

Les cycles biogéochimiques sont présentés à partir d’exemples couvrant divers types de composés chimiques: l’eau, les nutriments, le carbone et les minéraux. Le cycle de l’azote sera étudié en détails par ailleurs et l’exemple de nutriment choisi ici est le phosphore.

Les étudiants sont invités à se familiariser avec les aspects biologiques et chimiques qui gouvernent ces échanges à l’échelle planétaire. Une bonne connaissance de processus physiologiques tels que la photosynthèse ou la respiration est indispensable à la bonne compréhension du cours.

Objectifs

• Fournir les connaissances de base en écologie scientifique, présentant les cycles qi se déroulent dans l’hydrosphère, la lithosphère et l’atmosphère
• Illustrer les principales notions à partir d’exemples simples de cycles caractéristiques
• Introduire le rôle des organismes vivants dans la dynamiques des cycles et, en particulier, celui de l’espèce humaine

Plan

1. INTRODUCTION
2. CYCLE DU CARBONE
3. CYCLE DE L’EAU
4. CYCLE DU PHOSPHORE
5. CYCLE DU SOUFRE
6. CYCLE DES MINERAUX

Résumé

La source principale d’eau dans la biosphère consiste dans les océans. L’énergie solaire irradiante provoque l’évaporation de l’eau vers l’atmosphère. Les vents répartissent cette eau à la surface du globe sous forme de précipitations. L’importance biologique de l’eau se traduit par le fait que c’est un facteur limitant. La circulation de l’eau concerne divers points : approvisionnement, maintien d’une teneur équilibrée, exportation, débit. L’évapotranspiration comprend la transpiration biologiques (feuilles) et l’évaporation physique.

Le phosphore dérive principalement de l’usure des roches (lithosphère). Son cycle est dit “sédimentaire” car le phosphore minéral est transporté de façon inexorable vers la mer où il est incorporé aux sédiments. C’est un élément essentiel, impliqué dans le stockage de l’énergie sous forme d’ATP.

Le cycle du soufre comporte une phase atmosphérique et une phase lithosphérique. Les pluies acides résultent des rejets humains excessifs de cet élément dans l’atmosphère.

La phase atmosphérique prédomine dans le cycle du carbone. La photosynthèse et la respiration sont les deux processus physiologiques qui gouvernent son cycle global.

Les activités humaines (voir textes ci-dessous) contribuent à une transformation des cycles initiaux: apports de nutriments dans les écosystèmes, perturbation de nombreux cycles biogéochimiques menant à un changement climatique global.

Thèmes de recherche contemporaine

Une illusration du rôle des organismes dans les cycles biogéochimiques

 Le contexte est celui de l'augmentation, en cours depuis le début de l'ère industrielle, de la concentration atmosphérique de CO2 et de ses effets possibles sur le climat (réchauffement par intensification de l'effet de serre). Cette augmentation devrait en principe être très supérieure à celle constatée. Au lieu de s'accumuler dans l'atmosphère, la moitié environ du CO2 rejeté jusqu'ici suite à la consommation de combustibles fossiles a disparu dans un " puits " que l'on situe essentiellement dans l'océan. Deux types de " pompes à carbone " peuvent contribuer au fonctionnement de ce puits. L'une est purement physico-chimique : dans certaines zones polaires et sub-polaires, le refroidissement des eaux de surface augmente leur capacité à dissoudre du CO2 atmosphérique tout en augmentant leur densité. Emportant leur charge en CO2, ces eaux plongent alors en profondeur, où, du fait des échelles de temps de la circulation générale, elles seront soustraites à tout contact atmosphérique pour des durées de l'ordre du millier d'années. L'autre pompe est biologique : la production de matière vivante par les algues microscopiques (phytoplancton) en suspension dans les eaux de surface (éclairées, donc favorables à la photosynthèse) consomme du CO2 dissous (qui se renouvelle aux dépens de l'atmosphère). Le carbone ainsi fixé est susceptible d'alimenter plusieurs voies de transformation.

Texte extrait de :
INSU, 30 ans de recherches en sciences de l'Univers, 1967 - 1997

Des changements régionaux aux changements globaux sur les écosystèmes aquatiques continentaux

La modification dramatique d’écosystèmes : quelques exemples
Le fleuve Amu Darya et la mer d’Aral ne sont pas les seuls écosystèmes aquatiques continentaux dramatiquement affectés par la modification du régime d’écoulement des rivières ; le Nil (drainant 2,8 M km²), le Colorado (0,6 M km²), ne déversent pratiquement plus d’eau, de nutriments ou de sédiments dans la zone côtière. Actuellement, les plus grands fleuves du monde sont déjà influencés par d’immenses barrages et/ou des dérivations de l’eau (Colombie, Missouri, Rio Grande ; Orenoque, Parana ; Volta, Niger, Nil, Orange, Zambèze ; Indus, Huang He, Chiang Jiang, Ob, Yenissei, Sir Daria ; Volga, Don, Dniepr, Danube ; Murray). Cela aboutit à un dépôt global et à un piégeage des sédiments et du carbone organique particulaire fluviaux estimé à 20 % et à un temps de transfert global de l’eau des fleuves retardé d’une année pour de nombreux systèmes fluviaux, ce qui affecte beaucoup la morphologie fluviale. De plus, beaucoup de systèmes fluviaux sont aussi chenalisés pour la navigation.

Azote, Phosphore et Silice
A la suite de sources multiples de pollutions, les apports fluviaux à la zone côtière d’azote inorganique et de phosphore ont déjà été multipliés à l’échelle globale par un facteur 2,5 et 2, respectivement, tandis que la silice dissoute est en diminution en raison de l’eutrophisation des systèmes fluviaux comme sur le Mississipi et le Danube. Dans certaines régions, comme en Europe de l’Ouest, les flux d’azote et de phosphore ont déjà augmenté d’un ordre de grandeur.

La demande en eau
Dans les 25 prochaines années, la demande moyenne en eau va croître d’un facteur 1,4 à 2,9 pour les pays développés et de 3 à 10 pour les pays en voie de développement. L’irrigation est le principal usage et la principale consommation de l’eau à l’échelle de la planète ; dans les régions les plus arides, il faut 50 ha de terres irriguées pour nourrir 1000 habitants : la superficie totale des terres irriguées devrait passer de 2,54 à 3,3 M km² d’ici 2025. Lorsqu’il existe, l’usage municipal de l’eau est très hétérogène, de 10 à 500 litres par jour et par habitant. Globalement, déjà 61% de l’eau utilisée (3 750 km³.an-1) est consommée, c’est-à-dire évaporée, ce qui correspond à une diminution de plus de 5% des apports d’eau continentale aux océans, et à un pourcentage beaucoup plus élevé pour certaines mers régionales comme la Méditerranée.

Extrait de la Lettre n°11 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)