Objectifs

• Définir réservoir, flux (transfert) et cycle biogéochimique.
• Décrire le cycle de l'eau, du carbone et de l'azote avec leurs principaux transferts.
• Distinguer les transferts abiotiques (physiques, chimiques) et biologiques (dus aux êtres vivants).
• Expliquer quelques impacts des activités humaines sur ces cycles.

1. Réservoirs et transferts : le vocabulaire du cycle

Un réservoir est un compartiment de la Terre où un élément est stocké : l'atmosphère, l'hydrosphère (océans, lacs, fleuves), la lithosphère (roches, sols) et la biosphère (êtres vivants).

Un transfert (ou flux) est le passage d'un élément d'un réservoir à un autre. Il peut être :

• abiotique : il se fait sans être vivant (évaporation, pluie, dissolution d'un gaz dans l'eau, combustion…) ;
• biologique : il est réalisé par des êtres vivants (photosynthèse, respiration, décomposition, fixation de l'azote par des bactéries…).

Un cycle biogéochimique (bio = vivant, géo = Terre, chimique = éléments) est l'ensemble des transferts qui font revenir un élément à son point de départ.

2. Le cycle de l'eau

Le cycle de l'eau est mis en mouvement par l'énergie du Soleil (qui fait évaporer l'eau) et par la gravité (qui la fait tomber et s'écouler). Les principaux transferts sont :

• évaporation : l'eau des océans, lacs et sols passe à l'état de vapeur ;
• transpiration des plantes : l'eau puisée par les racines sort par les feuilles (transfert biologique) ;
• condensation : la vapeur refroidie en altitude forme les gouttelettes des nuages ;
• précipitations : pluie, grêle ;
• ruissellement vers les rivières et infiltration dans le sol, qui recharge les nappes phréatiques (l'eau des puits).

Le plus grand réservoir d'eau est de loin l'océan (eau salée) ; l'eau douce liquide facilement utilisable (fleuves, lacs, nappes peu profondes) n'en représente qu'une toute petite partie.

Place chaque transfert du cycle de l'eau au bon endroit sur le schéma : l'eau monte de l'océan, forme un nuage, retombe sur le relief, s'écoule en surface ou s'enfonce jusqu'à la nappe.

3. Le cycle du carbone

Le carbone est stocké dans plusieurs réservoirs : l'atmosphère (sous forme de \(\ce{CO2}\)), les océans (\(\ce{CO2}\) dissous, ions hydrogénocarbonate), la biosphère (matière organique des êtres vivants), les sols (humus) et la lithosphère (roches calcaires, combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel).

Les transferts biologiques

• Photosynthèse : les producteurs prennent le \(\ce{CO2}\) de l'air ou de l'eau et le transforment en matière organique. \[ \ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2} \]
• Respiration : tous les êtres vivants (plantes comprises) dégradent la matière organique et rejettent du \(\ce{CO2}\). \[ \ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O} \]
• Décomposition : les décomposeurs dégradent la matière morte et libèrent du \(\ce{CO2}\).
• Alimentation : le carbone passe des producteurs aux consommateurs le long des chaînes alimentaires.

Les transferts abiotiques

• Échanges océan-atmosphère : le \(\ce{CO2}\) se dissout dans l'eau de mer ou s'en dégage.
• Combustion : bois, charbon, pétrole et gaz brûlent en libérant du \(\ce{CO2}\), par exemple \(\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}\) pour le gaz naturel.
• Volcanisme : il rejette du \(\ce{CO2}\) venu des profondeurs.
• Sédimentation : à très long terme, des coquilles calcaires et de la matière organique s'accumulent et forment des roches ou des combustibles fossiles.

flowchart LR
  ATM[CO2 de l air] -->|photosynthese| VEG[Vegetaux]
  VEG -->|alimentation| ANI[Animaux]
  VEG -->|respiration| ATM
  ANI -->|respiration| ATM
  VEG -->|matiere morte| SOL[Sol et decomposeurs]
  ANI -->|cadavres| SOL
  SOL -->|decomposition| ATM
  ATM -->|dissolution| OCE[Ocean]
  OCE -->|degazage| ATM
  FOS[Combustibles fossiles] -->|combustion| ATM

Le schéma montre que le carbone tourne en boucle entre l'air, les êtres vivants et le sol, avec des échanges avec l'océan ; la combustion des combustibles fossiles ajoute du carbone qui était stocké depuis des millions d'années.

Exemple résolu : suivre un atome de carbone

Un atome de carbone se trouve dans une molécule de \(\ce{CO2}\) de l'air au-dessus d'un champ d'arachide. Décris un trajet possible qui le ramène dans l'air, en nommant chaque transfert. Cherche d'abord.

4. Le cycle de l'azote

L'azote est indispensable aux êtres vivants : il entre dans la composition des protéines et de l'ADN. Le plus grand réservoir est l'atmosphère, dont il représente environ 78 % sous forme de diazote \(\ce{N2}\). Mais ni les plantes ni les animaux ne savent utiliser directement ce \(\ce{N2}\) : les plantes absorbent l'azote du sol sous forme d'ions, surtout les ions nitrate \(\ce{NO3-}\) et ammonium \(\ce{NH4+}\).

Les transferts, presque tous biologiques, sont réalisés en grande partie par des bactéries du sol :

5. Les impacts des activités humaines

• Combustion des combustibles fossiles (voitures, groupes électrogènes, centrales, usines) : elle libère rapidement dans l'air du carbone stocké depuis des millions d'années. La quantité de \(\ce{CO2}\) dans l'atmosphère augmente, ce qui renforce l'effet de serre et réchauffe le climat.
• Déforestation et feux de brousse : on brûle la biomasse (rejet de \(\ce{CO2}\)) et on supprime des arbres qui absorbaient du \(\ce{CO2}\) par la photosynthèse ; le sol nu retient aussi moins l'eau, qui ruisselle au lieu de s'infiltrer.
• Excès d'engrais azotés : les nitrates en trop sont entraînés par les pluies vers les rivières et les nappes. Dans les lacs et lagunes, ils provoquent une prolifération d'algues et de plantes : c'est l'eutrophisation, qui finit par priver l'eau de dioxygène et faire mourir les poissons.
• Pompage excessif des nappes et imperméabilisation des villes (goudron, béton) : l'eau s'infiltre moins, les inondations augmentent et les nappes se rechargent mal.

Exemple résolu : expliquer un conseil agricole

Un technicien agricole de Bobo-Dioulasso conseille de ne pas brûler les tiges de mil après la récolte, mais de les laisser se décomposer sur le champ. Explique ce conseil à l'aide des cycles du carbone et de l'azote. Cherche d'abord.

Erreurs fréquentes

Récapitulatif

• Un cycle biogéochimique relie des réservoirs (atmosphère, océans, sols, roches, êtres vivants) par des transferts abiotiques et biologiques.
• Eau : évaporation, transpiration, condensation, précipitations, ruissellement et infiltration, mis en mouvement par le Soleil et la gravité.
• Carbone : photosynthèse (prélève du CO2), respiration, décomposition et combustion (rejettent du CO2), échanges avec l'océan.
• Azote : fixation, assimilation, ammonification, nitrification, dénitrification, surtout grâce aux bactéries du sol.
• L'Homme dérègle ces cycles : excès de CO2, déforestation, eutrophisation, nappes mal rechargées.