Fonctionnement des puits de carbone biosphérique et océanique

Nous allons construire un modèle très simple représentant les différents réservoirs et flux de la biosphère continentale. Il est possible de séparer le réservoir biosphérique en deux parties distinctes : la biomasse vivante (ou carbone organique « vivant ») à la fois aérienne et souterraine (racines) et le carbone organique « mort » (litière, humus, détritus...).

On a pu estimer la quantité de biomasse vivante totale sur le globe. Ces estimations sont basées sur la séparation de la biosphère continentale en plusieurs écosystèmes dont on estime séparément la quantité de biomasse au mètre carré par différentes méthodes (fauchage, séchage, pesée pour les écosystèmes herbacés ; mesure du diamètres des troncs et estimation du volume pour les forêts…).

On a pu estimer à 550 GtC la phytomasse vivante sur l'ensemble des continents.

La quantité d'humus et de litière est estimée plus grossièrement :

à on estime à 1 500 GtC la quantité de carbone organique mort

Enfin, on a pu estimer la production primaire brute totale sur les continents (100 GtC/an) et la production nette (50 GtC/an).

Q1 : A l'aide de ces valeurs, réalisez un schéma vous permettant de « boucler » le cycle du carbone dans la biosphère continentale. Explicitez chacun des échanges couplant les différents réservoirs de votre schéma.

Q2 : Estimez le temps de résidence moyen du carbone dans la biosphère vivante et dans la biosphère continentale totale.

Toutes ces valeurs ne représentent guère la diversité des écosystèmes terrestres. Ce tableau donne les valeurs moyennes de la biomasse, de la production primaire brute et de la production nette pour deux écosystèmes très différents (en GtC et GtC/an pour les flux)

Q3 : Faites un bilan de carbone pour ces deux écosystèmes et estimez les temps de résidence dans chacun des sous-réservoirs.

Q4 : En vous aidant de ces courbes, commentez l'impact d'une coupe de forêt ou de la dernière tempête en France sur les échanges de carbone avec l'atmosphère ?

Q5 : Discuter du rôle du sol dans les échanges biosphère - atmosphère.

Figure 1. Plant de soja s'étant développé dans une atmosphère à 700 ppm de CO2

Figure 2. Plant de soja s'étant développé dans une atmosphère à 350 ppm de CO2

Ces deux plants de soja ont été plantés dans les même conditions de sol, de température et d'humidité. Celui de gauche a vécu dans une atmosphère confinée où la pression partielle de CO₂ était maintenue à 700 ppm. Celui de gauche au contraire a vécu avec une pression partielle de CO₂ de 350 ppm (comparable à l'actuelle).

Figure 3. Photosynthèse nette (PN = photosynthèse – respiration) en fonction de la pression partielle de CO₂ atmosphérique

Q6 : En vous servant de ces deux figures (photos des plans de soja et courbe) que pouvez-vous dire de l'impact des concentrations élevées de CO₂ atmosphérique sur la croissance du plant de soja ?

Les tableaux ci-dessous donnent la masse de matière sèche des différentes parties du soja cultivé à 350 et 700 ppm de CO₂ atmosphérique (Rogers et al., 1992) ainsi que les caractéristiques morphologiques des racines des deux plants.

Q7 : Que pouvez conclure de l'effet du CO₂ sur la croissance des différents organes de la plante ?

Q8 : Avec ce qui a été vu précédemment, quel est l'impact d'une augmentation du CO₂ atmosphérique sur les flux de carbone vers la biosphère ?

Figure 4. Photosynthèse nette des plantes en C3 et C4 en fonction de la pression partielle de CO₂ atmosphérique

Le soja appartient aux plantes dites en C3. Par contre beaucoup de graminées tropicales (maïs,…) sont des plantes dites en C4 et ne sont pas limitées par le CO₂ atmosphérique aux faibles valeurs de CO₂ atmosphérique.

Q9 : Que pouvez vous conclure ?

Cette augmentation de CO₂ atmosphérique s'accompagne d'un changement climatique (augmentation de la température, de la sécheresse dans certaines régions…). Des simulations numériques utilisant des modèles de biosphère sont réalisées pour essayer d'appréhender l'impact de ces changements sur le puits biosphérique futur.

On distingue deux grands réservoirs océaniques. Le premier est celui des eaux de surface Dans chacun de ces réservoirs, le carbone se trouve sous différentes formes : le carbone inorganique dissous (CID), le carbone organique dissous (COD), le carbone organique particulaire (COP) et le carbone des êtres vivants (phytoplancton et zooplancton) : c'est la partie de l'océan où la lumière pénètre et où se concentre la vie (on parle de couche euphotique). Elle représente les premières dizaines de mètres de l'océan. Le second réservoir est celui des eaux intermédiaires et profondes.

Dans chacun de ces réservoirs, le carbone se trouve sous différentes formes : le carbone inorganique dissous (CID), le carbone organique dissous (COD), le carbone organique particulaire (COP) et le carbone des êtres vivants (phytoplancton et zooplancton).

Figure 5. Le cycle du carbone

La taille des réservoirs est donnée en GtC (en noir) et les flux en GtC/an (en bleu), les chiffres sont de 2004. Source : NASA, image libre de droits.