Cycles biogéochimiques : exercices progressifs, étude de cas et erreurs fréquentes

Un cycle biogéochimique se lit toujours de la même façon : un élément quitte un réservoir, subit un transfert (physique ou réalisé par un être vivant) et arrive dans un autre réservoir, sans jamais disparaître.

Objectifs

Appliquer une méthode en trois questions pour analyser n'importe quel transfert de matière.
Distinguer, dans un exercice, un transfert abiotique d'un transfert biologique.
Suivre le trajet d'un atome de carbone ou d'azote dans un écosystème d'Afrique de l'Ouest.
Faire le bilan d'un réservoir (entrées et sorties) et expliquer l'effet d'une activité humaine.
Repérer et corriger les erreurs les plus fréquentes sur les cycles de l'eau, du carbone et de l'azote.

Notions clés : la boîte à outils avant les exercices

Les cours précédents ont présenté les trois cycles. Ici, on s'entraîne. Il suffit de quatre mots :

Réservoir : un endroit où l'élément est stocké (atmosphère, océan, sol, roches, êtres vivants, nappe d'eau souterraine…).
Transfert (ou flux) : le passage d'un réservoir à un autre.
Transfert abiotique : réalisé sans être vivant (évaporation, précipitation, ruissellement, infiltration, dissolution du \(\ce{CO2}\) dans l'eau, combustion d'un carburant fossile).
Transfert biologique : réalisé par un être vivant (photosynthèse, respiration, transpiration des plantes, décomposition, fixation du diazote \(\ce{N2}\) par des bactéries, nitrification, dénitrification).

Pour le carbone, deux transferts biologiques se répondent :

Photosynthèse (plantes, algues, à la lumière) :

\[\ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}\]

Respiration (presque tous les êtres vivants, plantes comprises, jour et nuit) :

\[\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}\]

La transpiration d'un manguier fait passer de l'eau du sol vers l'atmosphère. Ce transfert est :

abiotique, car c'est de l'évaporation
un transfert du cycle du carbone
biologique, car c'est la plante qui le réalise

L'eau passe par les racines, les tiges puis sort par les stomates des feuilles : c'est un être vivant qui la transfère, donc le transfert est biologique, même s'il fait partie du cycle de l'eau.

Exercices progressifs corrigés

Niveau 1 : classer les transferts

Énoncé. Pour chaque situation, indique le cycle concerné, le réservoir de départ, le réservoir d'arrivée et la nature du transfert (abiotique ou biologique).

L'eau de la mare s'évapore sous le soleil.
Les feuilles de mil fabriquent du sucre à la lumière.
Le bois brûle dans le foyer.
Des bactéries du sol transforment l'ammonium en nitrates.
La pluie s'infiltre jusqu'à la nappe d'eau souterraine.

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Cycle de l'eau : mare vers atmosphère, évaporation, abiotique.
Cycle du carbone : atmosphère (\(\ce{CO2}\)) vers mil (matière organique), photosynthèse, biologique.
Cycle du carbone : bois (matière organique) vers atmosphère (\(\ce{CO2}\)), combustion, abiotique : le feu n'est pas un être vivant, même si le bois vient d'un être vivant.
Cycle de l'azote : sol (ammonium \(\ce{NH4+}\)) vers sol (nitrates \(\ce{NO3-}\)), nitrification, biologique : le réservoir ne change pas, mais la forme chimique change.
Cycle de l'eau : surface du sol vers nappe souterraine, infiltration, abiotique.

Niveau 2 : suivre un atome de carbone

Énoncé. Un atome de carbone se trouve dans une molécule de \(\ce{CO2}\) de l'air au-dessus du champ de Moussa, à Kaya. Décris un trajet possible qui le ramène dans l'atmosphère en passant par le mil puis par une chèvre. Nomme chaque transfert.

Étape 1 : le \(\ce{CO2}\) entre dans une feuille de mil par les stomates. Par la photosynthèse, l'atome de carbone est intégré dans du glucose, puis dans l'amidon du grain ou la cellulose de la tige.

Étape 2 : la chèvre mange les tiges. Par la digestion puis l'assimilation, l'atome de carbone devient une partie de la matière organique de la chèvre : il change de réservoir sans changer de famille (matière organique).

Étape 3 : dans les cellules de la chèvre, la respiration utilise le glucose et rejette du \(\ce{CO2}\), expiré dans l'air. L'atome est revenu dans l'atmosphère.

Variante : si l'atome reste dans une tige laissée au sol, les décomposeurs (champignons, bactéries) la dégradent ; leur respiration rejette aussi du \(\ce{CO2}\). Une partie peut rester un temps dans l'humus du sol.

Niveau 3 : faire le bilan d'un réservoir

Énoncé (valeurs fictives choisies pour l'exercice). Pendant un mois de saison des pluies, une mare près de Tahoua reçoit \(120\ \text{m}^3\) d'eau de pluie et \(30\ \text{m}^3\) d'eau de ruissellement. Elle perd \(100\ \text{m}^3\) par évaporation et \(40\ \text{m}^3\) par infiltration. Le volume de la mare augmente-t-il ou diminue-t-il ? De combien ?

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\begin{align} \text{Entrées} &= 120 + 30 = 150\ \text{m}^3\\ \text{Sorties} &= 100 + 40 = 140\ \text{m}^3\\ \text{Variation} &= 150 - 140 = +10\ \text{m}^3 \end{align}

La variation est positive : la mare gagne \(10\ \text{m}^3\). En saison sèche, la pluie et le ruissellement s'arrêtent presque, alors que l'évaporation continue : la variation devient négative et la mare se vide. L'eau n'a pas disparu : elle est passée dans l'atmosphère et dans le sous-sol.

Prolongement. Applique le même raisonnement à l'atmosphère pour le carbone : si les entrées de \(\ce{CO2}\) (respiration, décomposition, combustion du bois, du charbon, du gaz et du pétrole) dépassent les sorties (photosynthèse, dissolution dans les océans), que devient la quantité de \(\ce{CO2}\) dans l'air ?

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Elle augmente. C'est ce qui se passe depuis que l'humanité brûle massivement des combustibles fossiles : ce carbone, stocké dans les roches depuis des millions d'années, est renvoyé vers l'atmosphère beaucoup plus vite que les plantes et les océans ne peuvent le retirer.

Un réservoir reçoit 50 unités et en perd 65 pendant la même durée. Que se passe-t-il ?

Il gagne 15 unités
Il perd 15 unités
Il reste stable car l'élément circule

Variation = entrées moins sorties = 50 − 65 = −15 : le réservoir se vide de 15 unités. Circuler ne veut pas dire rester stable.

Étude de cas : le champ de niébé et de mil de Fatou

Le diazote \(\ce{N2}\) est le principal gaz de l'air, mais ni les plantes ni les animaux ne savent l'utiliser directement. Les plantes absorbent l'azote du sol sous forme de nitrates \(\ce{NO3-}\) ou d'ammonium \(\ce{NH4+}\).

flowchart LR
A[Diazote de l air] -->|fixation par bacteries| B[Ammonium du sol]
B -->|nitrification| C[Nitrates du sol]
C -->|absorption par les racines| D[Plantes]
D -->|consommation| E[Animaux]
D -->|mort et dechets| F[Decomposeurs]
E -->|dechets et cadavres| F
F -->|ammonification| B
C -->|denitrification| A
C -->|lessivage par la pluie| G[Nappe et puits]

Question 1. Pourquoi le mil pousse-t-il mieux après le niébé ?

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Le niébé est une légumineuse. Ses racines portent des nodosités qui abritent des bactéries (du groupe des Rhizobium). Ces bactéries fixent le diazote de l'air et le transforment en composés azotés que la plante utilise. Quand les racines et les feuilles de niébé se décomposent, cet azote enrichit le sol : le mil de l'année suivante en profite. C'est un transfert biologique de l'atmosphère vers le sol.

Question 2. Pourquoi l'excès d'engrais du voisin peut-il dégrader l'eau de son puits ?

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Les nitrates sont très solubles. Ce que le mil n'absorbe pas est entraîné par l'eau de pluie qui s'infiltre : c'est le lessivage. Les nitrates rejoignent la nappe, donc le puits. Ici, un transfert abiotique du cycle de l'eau transporte un élément du cycle de l'azote : les cycles sont liés.

Question 3. Classe les transferts du schéma en biologiques et abiotiques.

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Biologiques : fixation par les bactéries, nitrification, absorption par les racines, consommation, décomposition et ammonification, dénitrification (réalisée par des bactéries). Abiotique : lessivage par la pluie.

Sous quelle forme le mil prélève-t-il surtout l'azote dont il a besoin ?

Nitrates et ammonium dissous dans l'eau du sol
Diazote de l'air, par les feuilles
Protéines des feuilles mortes, telles quelles

Les plantes absorbent par leurs racines l'azote minéral (nitrates, ammonium). Le diazote n'est utilisable que grâce à certaines bactéries, et les protéines mortes doivent d'abord être décomposées.

Erreurs fréquentes

Aïcha écrit : « Le feu de brousse est biologique car il brûle des herbes vivantes. » Quelle correction est juste ?

Elle a raison
C'est une combustion, donc un transfert abiotique, même si la matière brûlée est organique
Ce n'est pas un transfert du cycle du carbone

Le feu transforme la matière organique en \(\ce{CO2}\) sans intervention d'un être vivant : c'est un transfert abiotique du cycle du carbone, de la biomasse vers l'atmosphère.

Cartes mémo

Réservoir

Lieu où un élément est stocké : atmosphère, océan, sol, roches, êtres vivants.

Transfert biologique

Passage réalisé par un être vivant : photosynthèse, respiration, transpiration, décomposition, fixation de l'azote.

Transfert abiotique

Passage sans être vivant : évaporation, pluie, ruissellement, infiltration, dissolution, combustion.

Bilan d'un réservoir

Variation = entrées moins sorties ; positif il se remplit, négatif il se vide.

Légumineuse

Plante comme le niébé ou l'arachide dont les nodosités abritent des bactéries fixatrices de diazote.

Lessivage

Entraînement des nitrates du sol par l'eau qui s'infiltre vers les nappes.

Récapitulatif

Pour chaque flèche : réservoir de départ, processus (vivant ou non), réservoir et forme d'arrivée.
On classe un transfert selon ce qui le réalise, pas selon l'origine de la matière.
Un réservoir se remplit si les entrées dépassent les sorties, et se vide dans le cas contraire.
Les cycles sont liés : l'eau transporte les nitrates, la photosynthèse utilise l'eau et le \(\ce{CO2}\).
Les activités humaines (combustibles fossiles, engrais en excès) modifient les flux et les réservoirs.