Les cycles biogéochimiques

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L'eau est souvent décrite comme le plus visible des cycles planétaires. Elle l'est effectivement, mais cette visibilité cache son rôle moins immédiat et peut-être plus fondamental : vecteur des échanges de matière entre le vivant, l'atmosphère et les sols. Les cycles du carbone, de l'azote et du phosphore sont les principaux cycles biogéochimiques sur lesquels repose la stabilité de la biosphère. Les 3 s'entrelacent avec le cycle de l'eau de manière si intime qu'il est difficile de comprendre l'état d'un bassin versant sans les avoir à l'esprit.

Qu'est-ce qu'un cycle biogéochimique ?

Un cycle biogéochimique décrit le cheminement d'un élément chimique entre ses différents réservoirs, la lithosphère (roches et sols), l'hydrosphère (eaux liquides), l'atmosphère et la biosphère (organismes vivants). Ce cheminement est cyclique parce que la matière se transforme, passe d'un compartiment à l'autre, puis revient sous une forme modifiée à son point d'entrée. La durée de chaque cycle varie de façon radicale selon les éléments : quelques jours pour l'azote atmosphérique fixé par les légumineuses, quelques millions d'années pour le phosphore immobilisé dans les sédiments.

Le terme « biogéochimique » signale 3 dimensions inséparables : la biologie (les organismes vivants jouent un rôle actif dans les transformations), la géologie (les roches et les sols constituent des réservoirs à long terme) et la chimie (chaque transition d'un compartiment à l'autre s'accompagne d'une réaction chimique). Aucun de ces 3 champs ne suffit à lui seul à décrire le cycle.

Ce cadre est lié à la notion de limites planétaires : 2 des 9 processus identifiés par Rockström et al. [HY14] correspondent directement à des cycles biogéochimiques perturbés, les flux d'azote et de phosphore, tous deux franchis en 2023 selon Richardson et al. [HY12]. La limite de l'eau douce est elle-même au carrefour de plusieurs cycles.

L'eau comme vecteur

L'eau occupe dans les cycles biogéochimiques un rôle de milieu de transport autant que de cycle en soi. Elle dissout les ions, les emporte de l'amont vers l'aval du bassin versant, les concentre dans les zones basses, les restitue à l'atmosphère par évapotranspiration ou les stocke dans les nappes et les sédiments. Faute d'eau, les cycles du carbone, de l'azote et du phosphore se figent : la matière reste immobilisée sans vecteur pour la transporter d'un compartiment à l'autre. Plusieurs fonctions de transport se distinguent.

Le ruissellement et l'érosion emportent les particules de sol enrichies en matière organique et en phosphore vers les cours d'eau. Une grande partie de la charge en phosphore des rivières suit ce chemin, notamment lors des crues.

L'infiltration achemine les ions solubles, nitrates au premier chef, vers les nappes souterraines. La concentration en nitrates de nombreuses nappes françaises dépasse le seuil réglementaire de 50 mg/L dans les zones agricoles intensives, reflet direct d'un cycle de l'azote déséquilibré et d'une infiltration non atténuée.

L'évapotranspiration restitue à l'atmosphère une fraction de l'eau absorbée par les végétaux. Ce flux, appelé eau verte par distinction avec l'eau bleue des cours d'eau et des nappes, transporte aussi des composés volatils et contribue à l'humidification des masses d'air continentales.

La sédimentation, enfin, immobilise dans les fonds de lacs et de retenues une partie du carbone organique et du phosphore particulaire. Ce stockage peut être durable, au point que les grands lacs et tourbières constituent des puits de carbone significatifs, mais il peut aussi être remis en circulation par les crues, le dragage ou la modification des débits.

Ces 4 fonctions expliquent pourquoi la qualité d'une eau à l'exutoire d'un bassin versant est, pour une grande part, le bilan des cycles biogéochimiques qui se sont déroulés à l'amont.

Perturbations anthropiques et qualité de l'eau

Les sociétés humaines interfèrent avec les 3 cycles depuis plusieurs siècles, mais l'intensité de l'interférence a crû depuis le milieu du XX^e siècle au point de modifier les dynamiques à l'échelle planétaire. L'invention du procédé Haber-Bosch en 1913 a permis de fixer l'azote atmosphérique à grande échelle, démultipliant la disponibilité des engrais et la production agricole mondiale. En contrepartie, la quantité d'azote rendue biologiquement disponible chaque année a au moins doublé par rapport à ce que la seule fixation naturelle produisait : Vitousek et al. [QU10] tiennent ce doublement du transfert de l'azote atmosphérique inerte vers ses formes réactives pour la modification la plus profonde que les sociétés humaines aient imposée au cycle. La même logique vaut pour le phosphore : l'extraction des gisements de roche phosphatée, pour l'essentiel localisés au Maroc, en Chine et en Russie, a environ triplé la mobilisation mondiale de phosphore par rapport à son état naturel [QU12], et accéléré d'autant le flux qui rejoint les cours d'eau puis les océans.

Pour la qualité des eaux, les conséquences sont visibles à plusieurs échelles. Dans les bassins à dominante agricole, l'excès d'azote et de phosphore se traduit par des phénomènes d'eutrophisation, prolifération d'algues et de cyanobactéries, consommation de l'oxygène dissous, mortalité piscicole, dégradation des usages. Les zones côtières les plus touchées voient se former des « zones mortes » saisonnières, dont la zone hypoxique de l'embouchure du Mississippi est l'exemple le plus documenté. En France, la Bretagne et le bassin de la Seine concentrent les situations les plus sévères pour l'azote ; les retenues de l'ouest et du Massif central, pour le phosphore.

Pour le carbone, les cours d'eau et les zones humides jouent un rôle de régulation parfois sous-estimé dans les bilans nationaux. La déstabilisation de ces milieux, par le drainage, l'artificialisation ou la modification des débits, libère du carbone qui était immobilisé depuis des décennies.

Le temps long des cycles, une contrainte politique

Il y a un point que la littérature récente a rendu difficile à contourner et qu'il faut, je crois, mettre au premier plan : les cycles biogéochimiques ont de l'inertie, et cette inertie a des conséquences directes sur les politiques de l'eau. Réduire les apports d'azote ou de phosphore sur un bassin versant n'améliore pas la qualité de l'eau à l'exutoire dans la foulée. Elle traîne, parfois pendant des décennies.

2 mécanismes se cumulent. Le premier est un héritage biogéochimique : les nutriments accumulés dans les sols et les sédiments continuent d'alimenter les cours d'eau bien après la fermeture du robinet des apports. Le second est un héritage hydrologique : l'eau qui recharge une nappe aujourd'hui peut mettre des dizaines d'années à ressortir à la source, et elle transporte avec elle la signature chimique du moment où elle s'est infiltrée. Basu, Van Meter et al. [QU01] ont formalisé cette distinction et modélisé les temps de latence qui en résultent. La leçon est brutale pour qui espère des résultats rapides : sur les grands bassins agricoles nord-américains, même en supprimant complètement les apports d'azote, il faudrait de l'ordre de 3 décennies pour atteindre la réduction de charge nécessaire à la reconquête du golfe du Mexique. Liu et al. [QU05] confirment l'ampleur du stock d'azote piégé dans les nappes à l'échelle mondiale, un réservoir dont la vidange conditionne le calendrier réel de toute politique de dépollution.

Ce constat n'a rien de démobilisateur, au contraire. Il dit 2 choses. D'abord qu'une politique de l'eau efficace se juge sur des pas de temps longs, ce qui plaide pour des instruments stables et non pour des annonces à échéance électorale. Ensuite que chaque année d'apports excédentaires prolongée aujourd'hui hypothèque la qualité de l'eau des décennies suivantes : l'inertie joue dans les 2 sens, elle rend l'amélioration lente mais elle rend aussi la dégradation durable.

Articles de cette série

Chaque cycle fait l'objet d'une note dédiée :

• Le cycle du carbone : de la photosynthèse aux sédiments, le rôle des zones humides
• Le cycle de l'azote : fixation, nitrification, dénitrification et eutrophisation
• Le cycle du phosphore : un cycle lent sans retour gazeux, limite de productivité

Le cycle de l'eau lui-même est traité dans Un seul cycle de l'eau, auquel ces articles s'articulent sans le répéter.