3. Perturbations des cycles biogéochimiques : des écosystèmes à la biosphère

Les pluies acides sont une conséquence de la pollution de l’atmosphère. Les principaux polluants sont les gaz qui se combinent aux gouttelettes d’eau de l’atmosphère et finissent par former des précipitations ou des brouillards acides.

Dioxyde de soufre, SO2 (industrie, transport routier, chauffage);
Oxydes d’azotes NO, NO2, NO3 (combustions industrielles, domestiques et automobiles surtout);
Ammoniac, NH3 (élevage : stockage et épandage de lisier); le chlore, cl- (combuction des PVC; forme HCl avec la vapeur d ’eau) et l’ozone, O3 (photolyse du N2O)

Conséquence sur la végétation, acidification des sols et des eaux

Changement climatique : Emissions de carbone par les activités humaines. Activités humaines (combustion d’énergie fossile, exploitation du calcaire pour fabriquer le ciment et la chaux, agriculture) produise 5 Gt de CO2/an. Ajouter 2 Gt suite à la déforestation des forêts tropicales. 2/3 de ces 7 Gt sont absorbés par l’océan et le sol -> croissance annuelle du CO2 atmosphérique de 2 à 3 Gt

L’augmentation de la teneur de l’atmosphère en CO2 est moins rapide que les calculs fondés sur les connaissances actuelles le laissaient penser. Selon les calculs, depuis le début de l’ère industrielle, le CO2 atmosphérique devrait avoir augmenté de 2 ppm en moyenne/an suite à l’utilisation des combustibles fossiles. Or, l’augmentation mesurée n’a été que de 0,54 ppm/an en moyenne entre 1850 (270 ppm) et aujourd’hui (340 ppm). On ne retrouve dans le bilan que 37 % de l’émission de CO2 anthropique -> Les mécanismes de régulation de la teneur en CO2 atmosphérique ne sont donc pas tous bien connus actuellement (production nette accrue, absorption par le système CO2 de l’océan, importance du sol comme facteur de régulation = “puits de carbone” constitués par la MO stocké dans les sols)

L’effet de serre est un mécanisme naturel qu’il faut distinguer de l’accroissement de cet effet sous l’action des activités humaines (= forçage radiatif). Les principaux responsables de l’effet de serre :

vapeur d’eau et ozone
dioxyde de carbone (CO2) <-> combustibles fossiles;
méthane (CH4) et oxydes nitreux (N2O) <-> activités agricoles;
substances chimiques artificielles <-> procédés industriels : hydrocarbures halogénés (halocarbures) = CFC (chlorofluorocarbonés, aussi responsable du trou dans la couche d ’ozone), HFC et PFC; hexafluorure de soufre (SF6)

1988 : Programme des Nations Unies pour l'Environnement (PNUE) met en place Groupe d'Experts Intergouvernementale sur l'évolution du climat (GIEC) •

1992 : adoption de la Convention-cadre sur les changements climatiques (185 pays Parties actuellement) Elle vise à stabiliser les émissions de gaz à effet de serre

1997 : Protocole de Kyoto Les Parties de la Convention-cadre sont convenus par consensus que les pays développés devraient accepter l'engagement juridiquement contraignant de réduire leurs émissions de gaz à effet de serre d'au moins 5% par rapport au niveau de 1990 entre 2008-2012 …

En l'absence de lutte contre les émissions, augmentation de 367 ppm de CO2 (niveau actuel) à 490-1260 ppm d'ici 2100 <-> hausse de 70-350 % depuis 1750. Réchauffement mondiale de 1,4 (plutôt 2,0 actuellement) à 5,8°C d'ici 2100 (1990 étant l'année de référence). Augmentation du niveau des océans de 9 à 88 cm d'ici 2100. Hausse des précipitations mondiales, modification de la gravité ou de la fréquence des phénomènes extrêmes. Déplacement verticale des zones climatiques -> changement des zones de végétation

Formule :

Stock de Corg d’un horizon = Teneur en Corg x Densité apparente x épaisseur de l’horizon

Stock COS (kgC.m-²) = COS (kgC.kg de sol) x Densité apparente (kg de sol.m-3) x profondeur (m)

Stock de COS d’un profil = ∑ Stock de COS par horizon

Unités :

Couramment exprimé en kg.m-2, t.ha-1
mais SI : Mg.ha-1

Les processus de séquestration du C organique dans le sol :

Protection physique de la MO au sein des agrégats ;
Protection de la MO par récalcitrance biochimique ;
Protection de la MO par association avec la fraction minérale.

Schmidt et al. (2011) : importance de la persistance du Corg par l’association avec la fraction minérale par rapport à la récalcitrante biochimique (substance humique) qui était le processus considéré comme prépondérant jusqu’à présent.

On peut distinguer donc plusieurs compartiments dans le pool total de MO des sols selon leur temps de renouvellement (« turn-over ») ou de résidence : MO du sol pas homogènes car certaines minéralisées rapidement après leur entrée dans les sols, tandis que d’autres persistent très longtemps.

Les composés organiques résident dans le sol pendant une durée moyenne de quelques décennies, mais qui est très variable de quelques heures à plusieurs millénaires. Le temps de résidence du C dans le sol dépend de la composition de la matière organique et des conditions locales (température, humidité, aération…). Le temps de résidence est augmenté par l’association de la matière organique aux particules minérales du sol (aux argiles en particulier) qui assurent une protection physique et physicochimique de la MO vis-à-vis de l’action des microorganismes décomposeurs. Le carbone est donc stocké de manière temporaire dans les sols.

4 volants d’action pour stocker du C:

(1) augmenter les entrées en augmentant la production primaire (par exemple en augmentant les rendements en culture),
(2) favoriser le retour au sol de la biomasse végétale produite (en restituant les résidus de récolte plutôt que les exporter, en limitant le pâturage),
(3) importer des matières organiques externes à la parcelle (par exemple des produits résiduaires organiques tels que des composts, des effluents d’élevage),
(4) réduire la minéralisation des matières organiques (par exemple en limitant les opérations de travail du sol qui stimulent la décomposition).

4 pratiques visant à favoriser le stockage de C dans le sols :

Réduction du travail du sol
Implantation de davantage de couverts végétaux dans les systèmes de cultures
Développement de l’agroforesterie et des haies
Optimisation de la gestion des prairies

Engrais azotés sont synthétisés par réduction de l’azote atmosphérique : leur obtention met en jeu des réactions chimiques utilisant de l’acide sulfurique ou nitrique :

H2SO4 + 2 NH3 -> (NH4)2SO4 (sulfate d’ammonium)

HNO3 + NH3 -> NH4NO3 (nitrate d’ammonium)

Ces 2 engrais sont les plus utilisés avec le nitrate de calcium Ca(NO3)2.

Oxydes d’azote et dioxyde d’azote (N2O) en particulier sont rejetés par les gaz d’échappement automobile <-> appartiennent aux Gaz à Effet de Serre (GES)

L'eutrophisation est un phénomène naturelle mais s ’échelonne sur des milliers d’années, sa durée dépend de la profondeur initiale des plans d’eau. L’eutrophisation d’origine anthropique (dystrophisation) se déroule beaucoup plus rapidement. Rapport N/P idéal = 7,25 pour le plancton :

eau naturelle en dehors d’activité humaine : 20 < N/P < 40 (sols pauvres en P, plus d’apports de N par le lessivage)
eau sous l’effet de rejets de N et P : N/P diminue mais reste voisin de l’optimum, les flux de N et P estivaux entraînent une croissance exubérante du phytoplancton (Diatomées, Dinophycées et Chlorophycées)