Impacts des activités humaines sur les cycles biogéochimiques

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

L'origine du dioxyde de carbone émis par les activités humaines

Deux grandes origines sont à distinguer, et cette distinction est demandée explicitement.

La première est l'utilisation des combustibles fossiles, charbon, pétrole et gaz naturel, à laquelle s'ajoute la production de ciment, qui décarbonate du calcaire. Ce flux représente aujourd'hui de l'ordre de dix gigatonnes de carbone par an. Sa particularité est essentielle : il prélève du carbone dans le réservoir géologique, qui appartient au sous-cycle lent, et l'injecte dans le sous-cycle rapide. Autrement dit, il court-circuite un cycle de plusieurs centaines de millions d'années en quelques décennies. Le stock fossile ainsi mobilisé est du même ordre de grandeur que le contenu carboné de l'atmosphère, ce qui explique l'ampleur de l'effet.

La seconde origine est le changement d'usage des sols, principalement la déforestation et la mise en culture. Elle représente de l'ordre d'une à deux gigatonnes de carbone par an. Ce flux reste à l'intérieur du sous-cycle rapide, puisqu'il transfère du carbone de la biomasse et des sols vers l'atmosphère. Il agit par deux voies, la combustion ou la décomposition de la biomasse détruite, et la perte de carbone organique des sols lorsqu'ils sont labourés et exposés.

L'origine anthropique de l'augmentation observée se démontre par des traceurs, et non seulement par la coïncidence chronologique. Le carbone des combustibles fossiles, issu d'une matière organique très ancienne, ne contient plus de carbone quatorze, dont la période est bien plus courte que l'âge des gisements. La dilution du carbone quatorze atmosphérique par du carbone fossile est donc un premier indice. Par ailleurs, la photosynthèse discrimine les isotopes stables et enrichit la matière organique en carbone douze. Le carbone fossile étant d'origine organique, son ajout à l'atmosphère abaisse le rapport isotopique du dioxyde de carbone atmosphérique, ce qui est observé. Enfin, toute combustion consomme du dioxygène, et la teneur en dioxygène de l'atmosphère diminue lentement, dans les proportions attendues. Ces trois arguments convergent et excluent une origine volcanique ou océanique.

Le devenir de ce dioxyde de carbone

Le point central du chapitre est qu'une fraction seulement des émissions reste dans l'atmosphère. Le bilan global s'écrit comme une répartition entre trois destinations.

Environ la moitié du carbone émis chaque année demeure dans l'atmosphère. La concentration en dioxyde de carbone est ainsi passée d'environ deux cent quatre-vingts parties par million avant l'industrialisation à plus de quatre cents aujourd'hui, soit une augmentation de près de la moitié.

Un quart environ est absorbé par l'océan. Le mécanisme est celui vu dans le cycle du carbone, la dissolution du gaz suivie de sa conversion en carbone inorganique dissous, puis l'entraînement d'une partie vers la profondeur par la pompe physique. Ce puits a une contrepartie chimique directe, l'acidification des eaux de surface. La dissolution du dioxyde de carbone produit un acide faible qui libère des protons, ce qui abaisse le pH de l'océan de surface d'environ une dizaine de centièmes d'unité depuis la période préindustrielle, soit une augmentation d'environ trente pour cent de la concentration en protons. Cette acidification diminue la concentration en ions carbonate, ce qui rend la précipitation du carbonate de calcium plus coûteuse pour les organismes calcificateurs.

Le dernier quart environ est absorbé par la biosphère continentale et les sols. Plusieurs causes se combinent, l'augmentation de la concentration en dioxyde de carbone qui stimule la photosynthèse, l'allongement des saisons de végétation, et les dépôts d'azote qui lèvent partiellement la limitation azotée.

Deux nuances importantes. D'abord, ces puits ne sont pas garantis. La solubilité du dioxyde de carbone diminue quand l'eau se réchauffe, et l'effet fertilisant du dioxyde de carbone est plafonné par la disponibilité en eau et en éléments minéraux, notamment l'azote. Ensuite, même si les émissions cessaient, l'excès atmosphérique ne disparaîtrait pas rapidement, puisque son élimination définitive passe par l'altération des silicates, donc par le sous-cycle lent. La perturbation du carbone est durable par construction.

L'accumulation de composés azotés réactifs

On appelle azote réactif toute forme de l'azote autre que le diazote, donc l'ammonium, l'ammoniac, les nitrates, les oxydes d'azote et l'azote organique. Ces formes sont assimilables ou chimiquement actives, contrairement au diazote.

Avant l'industrialisation, l'entrée d'azote réactif dans la biosphère dépendait presque uniquement de la fixation biologique, à laquelle s'ajoutait une contribution mineure des éclairs. Trois activités humaines ont ajouté des flux du même ordre de grandeur. La synthèse industrielle d'ammoniac à partir du diazote de l'air et de dihydrogène, sous haute pression et haute température avec un catalyseur, produit les engrais azotés minéraux. La culture massive de légumineuses augmente la fixation symbiotique. Et toute combustion à haute température oxyde une partie du diazote de l'air en oxydes d'azote.

Le résultat est que le flux de fixation anthropique est aujourd'hui comparable au flux de fixation biologique naturelle continentale, c'est-à-dire que les sociétés humaines ont approximativement doublé l'entrée d'azote réactif dans les écosystèmes terrestres. C'est la perturbation relative la plus forte parmi les grands cycles, bien supérieure en proportion à celle du carbone.

Une particularité aggrave la situation. Un atome d'azote réactif n'est pas consommé une fois pour toutes : il passe successivement d'une forme à une autre, de l'ammoniac au nitrate, du nitrate à l'oxyde nitreux, et produit à chaque étape un effet différent, dans un compartiment différent. On parle de cascade de l'azote. Le même atome peut ainsi contribuer à l'eutrophisation d'une rivière, puis à l'effet de serre, avant d'être éventuellement dénitrifié en diazote.

Le devenir des engrais azotés

Le programme demande d'identifier le devenir des engrais, agents à la fois de fertilisation et d'eutrophisation. Le raisonnement se conduit comme un bilan d'entrée et de sortie à l'échelle d'une parcelle.

La part prélevée par la culture et exportée à la récolte est le seul devenir utile. Elle dépasse rarement la moitié de l'azote apporté, et souvent moins, selon la date et la forme de l'apport, l'état du sol et le climat.

Le reste se répartit entre plusieurs pertes. Une fraction est immobilisée dans la matière organique du sol, sous l'effet de l'organisation microbienne, et sera libérée plus tard. Une fraction est volatilisée sous forme d'ammoniac, surtout lorsque l'engrais est épandu en surface. Une fraction est dénitrifiée dans les microsites anoxiques, ce qui renvoie de l'azote à l'atmosphère, mais avec une production d'oxyde nitreux lorsque la dénitrification est incomplète. Une fraction enfin est lessivée sous forme de nitrate.

Ce dernier point doit être relié au chapitre précédent. Le nitrate est un anion, donc il n'est pas retenu par le complexe d'échange du sol, qui est globalement chargé négativement. Il reste dans la solution du sol et descend avec l'eau de drainage vers les nappes, ou rejoint les cours d'eau par ruissellement et par les réseaux de drainage. Les pertes sont maximales quand le sol est nu et la pluviométrie forte, c'est-à-dire hors période de végétation, ce qui justifie les pratiques de couverture hivernale des sols.

L'eutrophisation et les marées vertes

L'eutrophisation est l'enrichissement d'un écosystème aquatique en éléments nutritifs, principalement azote et phosphore, et l'ensemble des conséquences qui en découlent.

L'enchaînement est simple à énoncer. L'apport de nutriments lève la limitation de la production primaire. Les producteurs primaires prolifèrent, algues microscopiques en pleine eau ou macroalgues sur les fonds. Cette biomasse abondante meurt et alimente les décomposeurs. Leur respiration consomme le dioxygène dissous, d'autant plus que la solubilité de ce gaz est faible. Le milieu devient hypoxique puis anoxique près du fond, ce qui provoque la mortalité des animaux aquatiques et la disparition des espèces sensibles. Les conditions anoxiques favorisent en outre des métabolismes anaérobies produisant des composés toxiques. La biodiversité s'effondre, et l'écosystème bascule vers un état dominé par quelques espèces tolérantes.

Il faut savoir préciser quel élément est limitant, car c'est lui qui commande. En eau douce, le phosphore est le plus souvent le facteur limitant. En milieu marin côtier, c'est plutôt l'azote, ce qui explique que les apports de nitrate d'origine agricole y soient déterminants.

Les marées vertes constituent l'exemple imposé. Sur certains littoraux, des algues vertes macroscopiques prolifèrent au printemps et en été, puis s'échouent en masse sur les plages. Trois conditions se conjuguent. Une géographie favorable, avec des baies peu profondes, largement éclairées, et un renouvellement des eaux limité qui empêche la dispersion des nutriments. Un ensoleillement et une température élevés à la belle saison. Et surtout un apport continu de nitrate par les fleuves, drainant des bassins versants où l'excédent azoté agricole est élevé. En se décomposant sur l'estran, les algues échouées consomment l'oxygène et produisent des gaz malodorants et toxiques.

L'intérêt pédagogique de cet exemple est le couplage entre écosystèmes. La cause est terrestre, agricole, diffuse et située parfois à des dizaines de kilomètres. L'effet est marin, côtier et concentré. Le vecteur est l'eau, et le maillon chimique clé est la mobilité du nitrate. C'est ce raisonnement de bassin versant qu'il faut savoir tenir, plutôt que la description des espèces impliquées.

Exemples et ordres de grandeur

• Émissions liées aux combustibles fossiles et au ciment, de l'ordre de dix gigatonnes de carbone par an. Changement d'usage des sols, de l'ordre d'une à deux gigatonnes de carbone par an.
• Répartition du carbone émis, environ la moitié dans l'atmosphère, environ un quart dans l'océan, environ un quart dans la biosphère continentale et les sols.
• Dioxyde de carbone atmosphérique, environ 280 parties par million avant l'industrialisation, plus de 400 aujourd'hui.
• Acidification de l'océan de surface, baisse du pH de l'ordre du dixième d'unité depuis la période préindustrielle, soit environ trente pour cent de protons en plus.
• Fixation anthropique d'azote réactif, du même ordre de grandeur que la fixation biologique naturelle continentale, soit un doublement approximatif de l'entrée d'azote réactif.
• Efficience d'utilisation des engrais azotés, souvent inférieure à la moitié de l'azote apporté.
• Durée de vie atmosphérique de l'oxyde nitreux, de l'ordre du siècle, celle du méthane de l'ordre de la décennie, et persistance de l'excès de dioxyde de carbone sur des siècles à des millénaires.

Méthodes et savoir-faire

La première méthode est le bilan de flux. Devant un schéma de cycle perturbé, on identifie les flux ajoutés par l'activité humaine, on les compare aux flux naturels du même cycle, et on calcule l'accumulation résultante par différence entre entrées et sorties. Un déséquilibre de quelques gigatonnes de carbone par an face à des flux naturels de plus de cent gigatonnes paraît faible, mais il s'applique à un réservoir de quelques centaines et il s'accumule année après année : c'est ce raisonnement qu'il faut expliciter.

La deuxième méthode est l'attribution par traceur. Devant des courbes de concentration, de composition isotopique et de teneur en dioxygène, on montre que seules les émissions de carbone fossile expliquent simultanément la hausse de la concentration, la baisse du rapport isotopique et la baisse du dioxygène.

La troisième méthode concerne les bilans azotés. À l'échelle de la parcelle, on compare les entrées, engrais minéraux et organiques, fixation symbiotique, dépôts atmosphériques, aux sorties, exportations par la récolte, pertes gazeuses, lessivage. Le solde renseigne sur le risque de perte vers le milieu. À l'échelle du bassin versant, on relie les concentrations en nitrate mesurées à l'exutoire à l'occupation des sols en amont et au régime des pluies.

À mobiliser en colle et à l'écrit

1. Distinguer les deux origines du dioxyde de carbone anthropique et préciser le sous-cycle concerné par chacune.
2. Argumenter l'origine fossile de l'excès de dioxyde de carbone par trois traceurs indépendants.
3. Dresser la répartition du carbone émis entre atmosphère, océan et biosphère continentale, avec les ordres de grandeur.
4. Expliquer l'acidification des océans comme conséquence chimique directe du puits océanique, et ses effets sur la calcification.
5. Justifier que la perturbation du cycle de l'azote est proportionnellement plus forte que celle du carbone.
6. Détailler le devenir des engrais azotés et expliquer pourquoi le nitrate est la forme la plus perdue.
7. Enchaîner les étapes de l'eutrophisation jusqu'à l'anoxie, et l'illustrer par les marées vertes en raisonnant à l'échelle du bassin versant.
8. Pièges fréquents : dire que l'océan absorbe le dioxyde de carbone sans mentionner l'acidification, confondre eutrophisation et pollution toxique, oublier que le phosphore est souvent le facteur limitant en eau douce, présenter les puits de carbone comme permanents.

Notions et mécanismes clés

• Flux anthropique : transfert de matière entre réservoirs créé ou amplifié par une activité humaine. Il se compare toujours aux flux naturels du même cycle et à la taille du réservoir qui le reçoit.
• Fraction atmosphérique : part des émissions annuelles de dioxyde de carbone qui reste dans l'atmosphère. Elle vaut environ 0,45 et elle reste assez stable depuis plusieurs décennies.
• Conversion utile : 1 partie par million de dioxyde de carbone atmosphérique correspond à environ 2,1 gigatonnes de carbone.
• Puits : réservoir dont le stock augmente parce qu'il reçoit plus qu'il ne cède. L'océan et la biosphère continentale sont aujourd'hui des puits nets.
• Réaction bilan du puits océanique : CO₂ + H₂O + CO₃²⁻ → 2 HCO₃⁻. Le puits consomme donc les ions carbonate.
• Pouvoir tampon de l'eau de mer : capacité à convertir le dioxyde de carbone dissous en hydrogénocarbonate. Elle diminue à mesure que les ions carbonate s'épuisent, et l'océan absorbe alors moins bien.
• Signature isotopique : la matière organique, et donc le carbone fossile, est appauvrie en carbone 13 et dépourvue de carbone 14.
• Azote réactif : toute forme de l'azote autre que le diazote. Sa création anthropique passe surtout par la synthèse industrielle d'ammoniac.
• Efficience azotée : rapport entre l'azote exporté par la récolte et l'azote apporté. Le complément constitue le surplus, exposé aux pertes.
• Organisation microbienne : incorporation d'azote minéral dans la biomasse des décomposeurs. Elle est forte quand la matière organique a un rapport C/N élevé, comme la paille.
• Lessivage du nitrate : entraînement de l'anion nitrate par l'eau de drainage. Il n'est pas retenu par le complexe argilo-humique chargé négativement.
• Transport du phosphate : le phosphate est retenu dans le sol par adsorption et précipitation. Il rejoint les eaux surtout par l'érosion des particules et par les effluents urbains.
• Élément limitant : nutriment dont l'ajout augmente la production primaire. Le rapport atomique moyen du phytoplancton, dit de Redfield, vaut C:N:P = 106:16:1. Un rapport N:P dissous inférieur à 16 suggère une limitation par l'azote, et un rapport supérieur une limitation par le phosphore.
• Zone humide ripisylve et zone tampon : bande de sol saturé en bordure de cours d'eau où la dénitrification élimine une partie du nitrate avant la rivière.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi un petit flux produit un grand effet. Les échanges bruts naturels entre l'atmosphère, la biosphère et l'océan atteignent environ deux cents gigatonnes de carbone par an, mais ils se compensent presque. Le flux anthropique, d'environ onze gigatonnes, n'est compensé par aucun flux de retour de même ampleur. C'est le déséquilibre net, et non le flux brut, qui s'accumule dans un réservoir d'environ huit cent cinquante gigatonnes.

Du puits océanique à la calcification. Le dioxyde de carbone dissous réagit avec les ions carbonate pour former de l'hydrogénocarbonate. La concentration en carbonate baisse, donc l'eau devient moins sursaturée vis-à-vis du carbonate de calcium. Les organismes calcifiants doivent dépenser plus d'énergie pour construire leur squelette, surtout ceux qui fabriquent de l'aragonite, plus soluble que la calcite.

Pourquoi le nitrate part et le phosphate reste. Le nitrate est un anion très soluble, sans affinité pour le complexe d'échange, qui retient surtout des cations. Le phosphate se fixe sur les oxydes de fer et d'aluminium et précipite avec le calcium. On en tire deux voies de transfert : le nitrate part par l'eau d'infiltration, le phosphate part avec les particules érodées.

Du champ à la baie. Un surplus azoté en automne se trouve dans un sol nu, sans racines pour le prélever. Les pluies d'hiver lessivent le nitrate vers les nappes et les rivières, qui l'amènent au littoral avec un décalage de quelques mois à plusieurs années selon le temps de séjour dans la nappe. Au printemps, lumière et température lèvent les autres limitations, et l'azote devient le seul facteur qui commande la prolifération.

Pourquoi l'azote est plus perturbé que le carbone. Le flux anthropique de carbone représente quelques pour cent des flux bruts naturels. Le flux anthropique d'azote réactif est du même ordre que toute la fixation biologique naturelle continentale. Comme chaque atome d'azote réactif agit plusieurs fois en cascade, l'effet sur les écosystèmes est encore multiplié.

Pourquoi l'arrêt des émissions ne suffit pas. L'océan de surface s'équilibre vite, mais le mélange avec l'océan profond demande des siècles. La neutralisation par dissolution des carbonates sédimentaires demande des milliers d'années. Le retour complet passe par l'altération des silicates, qui opère sur des centaines de milliers d'années.

Exemples et références à connaître

1. Courbe de Keeling : mesures continues du dioxyde de carbone à Mauna Loa (Hawaï) depuis 1958. Elle montre une hausse régulière et une oscillation saisonnière due à la photosynthèse des continents de l'hémisphère Nord.
2. Effet Suess : dilution du carbone 14 atmosphérique par le carbone fossile, mise en évidence par Hans Suess dans les cernes d'arbres au milieu du vingtième siècle. Après 1955, les essais nucléaires ont brouillé ce signal en injectant du carbone 14.
3. Composition isotopique : le carbone 13 du dioxyde de carbone atmosphérique est passé d'environ moins 6,5 pour mille avant l'industrialisation à environ moins 8,5 pour mille aujourd'hui. La matière organique des plantes en C3 est proche de moins 27 pour mille.
4. Revelle et Suess ont montré dès 1957 que l'océan n'absorbe pas le dioxyde de carbone aussi facilement que sa taille le laisse croire, à cause de la chimie des carbonates.
5. Procédé Haber-Bosch : synthèse de l'ammoniac à partir du diazote et du dihydrogène, industrialisée avant la Première Guerre mondiale. Il produit aujourd'hui de l'ordre de cent vingt millions de tonnes d'azote par an. Il nourrit indirectement une grande partie de l'humanité.
6. Oxyde nitreux : son pouvoir de réchauffement global est près de trois cents fois celui du dioxyde de carbone à l'horizon d'un siècle. C'est aussi aujourd'hui le principal gaz destructeur de l'ozone stratosphérique.
7. Expérience du lac 226 dans la région des lacs expérimentaux du Canada (David Schindler, années 1970) : un lac coupé en deux par un rideau. La moitié enrichie en carbone, azote et phosphore s'est couverte d'algues, pas la moitié sans phosphore. C'est la démonstration de la limitation par le phosphore en eau douce.
8. Lac Léman : eutrophisé dans les années 1970, restauré par la déphosphatation des eaux usées et la limitation des phosphates dans les lessives. C'est l'exemple d'une remédiation ciblée sur l'élément limitant.
9. Marées vertes bretonnes, baies de Saint-Brieuc et de Lannion : prolifération d'algues vertes du genre Ulva, alimentée par le nitrate de bassins versants d'élevage intensif. La décomposition des algues échouées dégage du sulfure d'hydrogène, toxique.
10. Zone hypoxique du golfe du Mexique, à l'embouchure du Mississippi : de l'ordre de dix à vingt mille kilomètres carrés certains étés, alimentée par le nitrate du bassin agricole du Midwest. C'est l'exemple de couplage continent-océan à l'échelle d'un continent. Seuil de potabilité européen : 50 milligrammes de nitrate par litre.

Techniques

Lecture d'une courbe temporelle de concentration

Réflexe en trois temps. Séparer la tendance de fond de l'oscillation saisonnière. Chiffrer la pente en unité par an, puis la convertir en masse de carbone. Relier chaque composante à un processus : émissions nettes pour la tendance, photosynthèse et respiration continentales pour l'oscillation.

Mini-exemple. Une courbe passe de 316 à 420 parties par million entre 1959 et 2023, avec une amplitude annuelle de 6 parties par million. La pente moyenne vaut 104 sur 64 ans, soit environ 1,6 partie par million par an, et elle augmente au cours du temps. La concentration est maximale vers mai, à la fin de l'hiver biologique pendant lequel la respiration des écosystèmes et des sols l'a emporté, au moment où la photosynthèse commence à dépasser la respiration. Elle est minimale vers septembre et octobre, à la fin de la saison de croissance. L'oscillation est plus forte au Nord, qui porte l'essentiel des terres émergées.

Conversion d'unités, le passage obligé

Pour le carbone, on multiplie les parties par million par 2,1 pour obtenir des gigatonnes de carbone, et on multiplie par 44 sur 12 pour passer du carbone au dioxyde de carbone. Pour l'azote, on multiplie par 62 sur 14 pour passer d'une masse d'azote à une masse de nitrate. Une erreur de conversion invalide tout le bilan. Écrire l'unité à chaque ligne.

Schéma bilan du cycle perturbé

Dessiner les réservoirs en boîtes, avec leur stock. Tracer en noir les flux naturels, en rouge les flux anthropiques, en bleu les puits qui répondent à la perturbation. Écrire le solde de chaque réservoir à côté de la boîte. Pour l'azote, placer la parcelle, la nappe, la rivière et la baie les unes à la suite des autres, pour faire apparaître la cascade et le couplage.

Plan de synthèse sur ce chapitre

Gabarit efficace : l'origine du flux perturbateur, son devenir dans les réservoirs, les conséquences et leviers d'action. Chaque partie doit contenir un chiffre et un mécanisme. Éviter le plan catalogue « effets sur l'air, l'eau, le sol », qui empêche de raisonner en flux.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes