Objectifs

• Décrire un cycle avec le vocabulaire des réservoirs et des flux, et calculer un temps de séjour.
• Distinguer les transferts abiotiques (physiques, chimiques) et biologiques dans les cycles de l'eau, du carbone et de l'azote.
• Suivre le trajet d'un atome à travers plusieurs réservoirs.
• Expliquer le rôle des organismes (plantes, décomposeurs, bactéries du sol) et des activités humaines.

1. Réservoirs, flux et temps de séjour

Un cycle biogéochimique est le trajet qu'un élément chimique (ou l'eau) fait en boucle entre le vivant (bio) et le non-vivant (géo : air, eau, sol, roches).

• Un réservoir est un compartiment où l'élément est stocké : atmosphère, océans et eaux douces, sols et roches, êtres vivants (biomasse).
• Un flux est la quantité qui passe d'un réservoir à un autre pendant une durée donnée (par jour, par an).
• Les transferts sont abiotiques quand ils ne dépendent pas des êtres vivants (évaporation, pluie, dissolution dans l'eau, volcanisme, sédimentation) et biologiques quand des êtres vivants les réalisent (photosynthèse, respiration, transpiration des plantes, décomposition, fixation de l'azote).

Quand un réservoir reçoit autant qu'il perd, sa quantité reste stable. On définit alors le temps de séjour moyen de l'élément dans ce réservoir :

Exemple résolu 1 : la mare du village

Une mare contient 60 000 m³ d'eau. Pendant la saison des pluies, elle reçoit 1 500 m³ par jour (pluie et ruissellement) et en perd autant (évaporation, infiltration, abreuvement du bétail). Combien de temps, en moyenne, une goutte d'eau reste-t-elle dans la mare ? (valeurs d'exercice)

2. Le voyage d'une molécule d'eau

Le cycle de l'eau est mis en mouvement par l'énergie du Soleil (qui évapore l'eau) et par la gravité (qui la fait tomber et s'écouler).

1. Évaporation à la surface de l'océan, des lacs et des sols (abiotique), et transpiration des plantes par leurs feuilles (biologique) : ensemble, on parle d'évapotranspiration.
2. Condensation en nuages en altitude, transport par les vents.
3. Précipitations (pluie).
4. Au sol : ruissellement vers les rivières puis la mer, ou infiltration vers les nappes phréatiques ; une partie est absorbée par les racines.

Légende toi-même le schéma : touche chaque point et donne le nom du réservoir ou du phénomène.

Les pointillés montent depuis l'océan (évaporation) et depuis l'arbre (transpiration) ; la flèche qui descend dans le sol représente l'infiltration ; celle qui longe la pente vers la mer, le ruissellement.

3. Le voyage d'un atome de carbone

Le carbone se trouve dans l'atmosphère (\(\ce{CO2}\)), dans les océans (\(\ce{CO2}\) dissous, ions hydrogénocarbonate), dans les êtres vivants (matière organique), dans les sols (humus) et dans les roches (calcaire, charbon, pétrole, gaz naturel).

flowchart LR
  A[CO2 de l air] -->|photosynthese| B[Plantes]
  B -->|consommation| C[Animaux]
  B -->|respiration| A
  C -->|respiration| A
  B -->|feuilles mortes| D[Sol et decomposeurs]
  C -->|cadavres| D
  D -->|respiration| A
  A <-->|dissolution| E[Ocean]
  E -->|coquilles| F[Calcaire]
  G[Charbon petrole gaz] -->|combustion| A

Les principaux transferts biologiques s'écrivent avec deux équations inverses :

Dans la mer, des organismes fabriquent leur coquille en calcaire : \(\ce{Ca^2+ + 2HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}\). Accumulées au fond pendant des millions d'années, ces coquilles forment des roches calcaires : le carbone y est stocké pour très longtemps. Les combustibles fossiles sont aussi d'anciens restes d'êtres vivants transformés dans le sous-sol.

Exemple résolu 2 : suivre un atome de carbone

Un atome de carbone est dans l'air de Kara. Il entre dans une feuille de néré, la feuille est mangée par une chèvre, la chèvre le rejette en respirant. Nomme chaque transfert et dis s'il est biologique ou abiotique.

4. Le voyage d'un atome d'azote

L'air est composé en majorité de diazote \(\ce{N2}\), mais ni les plantes ni les animaux ne peuvent l'utiliser directement. Les plantes absorbent l'azote du sol, surtout sous forme d'ions nitrate \(\ce{NO3-}\). Ce sont des bactéries qui font la plupart des transformations :

1. Fixation : des bactéries, dont les Rhizobium logées dans les nodosités des racines des légumineuses (arachide, niébé, soja), transforment \(\ce{N2}\) en azote utilisable \(\ce{NH4+}\). Les éclairs en fixent aussi un peu (transfert abiotique).
2. Absorption et consommation : la plante fabrique ses protéines ; l'animal qui la mange récupère cet azote.
3. Ammonification : les décomposeurs transforment l'azote des cadavres, feuilles et excréments en ions ammonium \(\ce{NH4+}\).
4. Nitrification : d'autres bactéries du sol oxydent l'ammonium en nitrite puis en nitrate, \(\ce{NH4+ -> NO2- -> NO3-}\).
5. Dénitrification : dans les sols gorgés d'eau, privés d'oxygène, certaines bactéries renvoient l'azote dans l'air, \(\ce{NO3- -> N2}\).

flowchart LR
  A[N2 de l air] -->|fixation| B[Ammonium du sol]
  B -->|nitrification| C[Nitrate du sol]
  C -->|absorption| D[Plantes]
  D -->|consommation| E[Animaux]
  D -->|restes| F[Decomposeurs]
  E -->|restes| F
  F -->|ammonification| B
  C -->|denitrification| A

Exemple résolu 3 : pourquoi le mil pousse mieux après l'arachide

Explique, à l'aide du cycle de l'azote, l'avantage de cultiver du mil sur une parcelle où l'on a récolté de l'arachide l'année précédente.

5. L'homme dans les cycles

Erreurs fréquentes

• Confondre cycle et flux : la matière (eau, carbone, azote) suit un cycle ; l'énergie, elle, traverse l'écosystème et se perd en chaleur.
• Croire que les plantes respirent seulement la nuit : elles respirent jour et nuit ; le jour, la photosynthèse est simplement plus forte que la respiration.
• Penser que les plantes prennent l'azote de l'air : seules certaines bactéries savent fixer \(\ce{N2}\).
• Utiliser la formule du temps de séjour quand le réservoir n'est pas stable : elle suppose entrées = sorties.

Récapitulatif

• Un cycle relie des réservoirs (air, eaux, sols et roches, êtres vivants) par des flux ; temps de séjour = stock ÷ flux.
• Eau : évaporation et transpiration, condensation, précipitations, ruissellement et infiltration ; moteur : Soleil et gravité.
• Carbone : photosynthèse et respiration en sens inverses ; stockage long dans les roches et les combustibles fossiles.
• Azote : fixation, ammonification, nitrification, dénitrification, presque toutes réalisées par des bactéries.
• L'homme accélère certains flux (combustion, engrais, déforestation) mais peut aussi les rééquilibrer (légumineuses, reboisement, compost).