Transcript le cycle court du c organique

Cycles Biogéochimiques
Eric Ceschia
http://www.cesbio.ups-tlse.fr/
Tel : 05 61 55 85 77
e-mail : [email protected]
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
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.
+ 3 Gt/an
6 Gt émis/an d’origine
anthropique
Boucles
trophiques
Stocks
et flux
de C
en Gt
Source IPCC
Intensité des Echanges de CO2 atmosphère-surface
Émissions
Absortions
61
92
600
90
700
1600
60
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)
CO2
CO2
Echanges avec
l’Atmosphère et
Allocation de
Carbone dans
les forêts
CO2
CO2
Les composantes de l’échange net de CO2 de l’écosystème
(NEE) avec l’atmosphère
NEE > 0 « Puits » de carbone
Flux de CO2
Photosynthèse
(GPP)
NEE < 0 « Source » de carbone
NPP
Respiration
autotrophe (Ra)
NEE
Respiration
hétérotrophe (Rh)
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
NEE
Rh
NPP
Rh
0
source
NPP
puits
Rh
NPP
+
Age
Flux de carbone
0
NPP
= NEE
NEE
Rh
Forêt âgée =
Gros stocks
mais flux net
très faible
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
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
(mmol CO2 m-2 s-1)
Soil-surface CO2 flux
8
7
6
T normal
5
4
3
T +5°C
2
1
0
0
5
10
15
20
Soil temperature at 10 cm (oC)
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.