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Les échanges de carbone entre la biosphère et l'atmosphère

Les échanges de carbone entre l'atmosphère et la biosphère sont visibles à différents niveaux :

• au niveau planétaire (voir la banque de données internationales WCDGG),
• au niveau des écosystèmes (consulter les banques de données internationales du réseau Fluxnet),
• au niveau des organismes (l'expérimentation assistée par ordinateur permet de replacer la photosynthèse et la respiration au coeur du cycle du carbone jouant un rôle essentiel sur le climat). 

Les preuves des échanges entre l'atmosphère et la biosphère existent au niveau planétaire

Les plus anciennes mesures directes de la concentration atmosphérique en CO2 ont été effectuées par Charles Keeling sur la grande Ile d'Hawaï depuis 1958.

Lien vers la banque de données

La teneur atmosphérique en CO2 est passée de 315 ppmv en 1958 à 360 ppmv en 1995. Cette augmentation de la concentration en CO2 atmosphérique peut être attribuée aux activités humaines (c'est la montée anthropique).

Dans le même temps, ces mesures montrent des variations cycliques de la teneur en CO2 : une augmentation durant la période "printemps-été" et une baisse durant la période "automne-hiver", les saisons étant celles de l'hémisphère Nord. L'hémisphère Nord contrôle le phénomène ce qui peut s'expliquer par une surface continentale supérieure dans cet hémisphère, la surface océanique dominant dans l'hémisphère Sud. L'impact de la biosphère terrestre l'emporte sur celui de la biosphère marine. On attribue ces variations cycliques de la teneur en CO2 à l'activité de la biosphère terrestre de l'hémisphère Nord. A l'échelle mondiale lorsque la photosynthèse l'emporte sur la respiration (la période "printemps-été"), la concentration en CO2 diminue. Réciproquement, la concentration en CO2 augmente durant la période "automne-hiver" lorsque la respiration l'emporte sur la photosynthèse.

Les mécanismes de la respiration et de la photosynthèse sont ainsi responsables des flux importants de carbone entre l’atmosphère et la biosphère : ces flux sont dix fois plus importants que les émissions dues à la combustion des matières fossiles. Cependant les flux biosphériques responsables des fortes variabilités inter saisonnières et annuelles des concentrations en CO2 dans l’atmosphère, produisent, en moyenne, un bilan net nul.

La boucle qui combine les cycles du CO2 et de l’O2 localement au niveau des végétaux n’est pas le phénomène important pour le changement climatique. Ce qui est important ce sont les flux nets de carbone transformés par la photosynthèse en matière organique, car ces quantités là produisent un bilan net annuel non nul, et ont des temps de résidence dans la biosphère et la lithosphère variables à l’échelle de la dizaine d’années.

Ainsi, photosynthèse et respiration laissent leurs empreintes au niveau planétaire

Les preuves des échanges entre l'atmosphère et la biosphère existent au niveau de chaque écosystème :

Les stations d'écophysiologie qui sont implantées sur de nombreux continents (stations FLUXNET) montrent que la biosphère terrestre modifie localement et cycliquement la teneur en CO2 de l'atmosphère. En consultant la banque de données du réseau Amériflux : vous trouverez des données graphiques concernant divers écosystèmes (de la toundra à la forêt tropicale en passant par les forêts d'Eucalyptus du continent Australien) et qui illustrent les échanges entre l'atmosphère et la biosphère.

Nous retenons ici à titre d'exemple : les mesures effectuées au niveau de la hêtraie de Sarrebourg (France).

La hêtraie de Sarrebourg est un écosystème en équilibre : en hiver (décembre, janvier, février) , il fait tellement froid que le métabolisme est presque nul. Au début du printemps (en mars), les bourgeons ne sont pas encore éclos, mais dans le sol, les champignons, les bactéries etc. commencent à respirer. L'écosystème produit du CO2 et consomme du O2. En avril, le "sol repire" de plus en plus car il fait de plus en plus chaud. La photosynthèse augmente également et domine largement la respiration. L'écosystème consomme du CO2 et produit du O2. En mai et en juin, la photosynthèse des arbres domine largement la respiration du sol. En juillet et en août, il fait extrêmement chaud, la photosynthèse diminue. Certains jours, il y a à peu près équilibre entre la photosynthèse et la respiration. En automne (septembre, octobre et novembre), la photosynthèse diminue et la respiration du sol est encore importante.

Ainsi, photosynthèse et respiration laissent leurs empreintes au niveau de l'écosystème.

Les preuves des échanges entre l'atmosphère et la biosphère existent au niveau de l'organisme

Dans les programmes actuels, l'étude du métabolisme des êtres vivants est déconnectée des changements climatiques. Dans une optique moderne, nous pensons que photosynthèse et respiration devraient être étudiés comme éléments du cycle du carbone jouant un rôle essentiel sur le climat.

Les échanges gazeux entre les êtres vivants et leur milieu peuvent étudiés au laboratoire. Des études conduites avec le matériel EXAO permettent d'identifier les flux de CO2 et de d'O2 des deux phénomènes respiration et photosynthèse, d'évaluer l'importance relative des deux mécanismes et de relever les facteurs influençant les échanges (température, pCO2, nature du végétal, ...).

Les vitesses de réaction augmentent généralement avec la température. Les faibles températures inhibent plus l’activité des microorganismes du sol que la photosynthèse. Les basses températures freinent la décomposition de la matière organique du sol. Le puits litho-biosphérique effectue donc un stockage net de carbone plus important les années froides que les années chaudes. Le puits litho-biosphérique effectue un stockage important dans les sols gelés de type permafrost.

L'approche expérimentale permet de mesurer le flux entrant et le flux sortant de CO2 en fonction des facteurs du milieu. Cette étude permet de préciser l'intensité de la photosynthèse apparente estimée en micromoles/litre, l'intensité de la respiration et d'en déduire l'intensité de la photosynthèse nette. Il semble nécessaire de rechercher le devenir du carbone fixé par la plante et d'identifier la matière organique. On pourra suivre le devenir de cette matière organique dans le sol. On montrera que la matière organique se décompose dans le sol (fragmentation mécanique et transformation chimique) mettant en jeu la microflore et la microfaune du sol.

Les activités "paillasses" permettent de montrer que le CO₂ atmosphérique circule normalement entre les deux compartiments, l'atmosphère et la biosphère. Cette circulation correspond à deux flux : la respiration d'une part, la photosynthèse d'autre part.