Cycles biogéochimiques

Les éléments chimiques constitutifs de la vie circulent sans fin entre les organismes, le sol, l'eau et l'atmosphère ; le suivi de ces cycles révèle les liens entre les écosystèmes et le système terrestre.

Definition

Les cycles biogéochimiques sont les voies par lesquelles les éléments chimiques se déplacent et se transforment entre les compartiments vivants, édaphiques (sol), aquatiques et atmosphériques des écosystèmes et du système terrestre.

Scope

Ce sujet couvre le cyclage à l'échelle mondiale et écosystémique des éléments essentiels à la vie : le cycle du carbone et ses échanges entre la biosphère, l'atmosphère et les océans ; le cycle de l'azote avec la fixation, la nitrification et la dénitrification ; le cycle du phosphore ; le cycle du soufre ; et le cycle hydrologique en tant que vecteur de nutriments dissous. Il aborde les réservoirs (pools) et les flux, les temps de résidence, et la manière dont l'activité humaine a modifié ces cycles.

Core questions

• Comment le carbone, l'azote et le phosphore se déplacent-ils entre les organismes et l'environnement ?
• Quelles transformations chaque élément subit-il au cours de son cycle ?
• Comment les réservoirs et les flux sont-ils quantifiés et qu'est-ce qui détermine les temps de résidence ?
• Comment les activités humaines ont-elles modifié les cycles biogéochimiques mondiaux ?

Key theories

Réservoirs, flux et temps de résidence

Chaque cycle est décrit par des réservoirs d'un élément et les flux entre eux, le rapport entre la taille du réservoir et le flux définissant le temps de résidence et révélant quels compartiments réagissent rapidement ou lentement aux perturbations.

Altération anthropique des cycles élémentaires

La fixation industrielle de l'azote, la combustion de combustibles fossiles et l'utilisation d'engrais ont approximativement doublé les apports d'azote réactif et considérablement perturbé les cycles du carbone et du phosphore, avec des conséquences écologiques généralisées.

Mechanisms

Les éléments se déplacent entre les réservoirs par des transformations biologiques et un transport physique. Le carbone est fixé par la photosynthèse, restitué par la respiration et la décomposition, et échangé avec l'atmosphère et les océans ; l'azote est fixé à partir de l'atmosphère par des microbes spécialisés, converti par nitrification et assimilation, et renvoyé dans l'air par dénitrification ; le phosphore, dépourvu de phase gazeuse, circule lentement par l'altération des roches, l'absorption et la sédimentation. La taille de chaque réservoir par rapport aux flux entrants et sortants détermine sa vitesse de renouvellement et sa sensibilité aux perturbations.

Clinical relevance

La compréhension biogéochimique est fondamentale pour la science du changement climatique, la gestion de l'eutrophisation due à la pollution par les nutriments, la fertilité des sols et l'utilisation des engrais, ainsi que la conception de politiques visant à limiter la perturbation des cycles élémentaires mondiaux. Ceci est un contexte éducatif, et non une prescription de gestion.

History

Vernadsky a conceptualisé la biosphère comme une force géochimique dans les années 1920, et Hutchinson a fait progresser la biogéochimie quantitative au milieu du XXe siècle. L'inquiétude concernant les perturbations anthropiques s'est accrue avec les études sur les pluies acides, la cascade d'azote décrite par Galloway, et le rôle du cycle global du carbone dans le changement climatique.

Key figures

• Vladimir Vernadsky
• G. Evelyn Hutchinson
• William Schlesinger
• James Galloway

Seminal works

• schlesinger2013
• chapin2011
• galloway2004

Frequently asked questions

Pourquoi le phosphore a-t-il un cycle différent de celui du carbone et de l'azote ?

Le phosphore n'a pas de forme gazeuse significative, il ne peut donc pas circuler dans l'atmosphère ; il pénètre plutôt lentement dans les écosystèmes par l'altération des roches et est finalement perdu dans les sédiments, ce qui en fait un nutriment limitant courant.

Qu'est-ce que la cascade d'azote ?

La cascade d'azote est la séquence d'effets environnementaux qu'un seul atome d'azote réactif peut provoquer en se déplaçant dans l'air, l'eau et le sol, contribuant tour à tour au smog, aux pluies acides, à l'eutrophisation et au réchauffement climatique avant d'être dénitrifié.