Le cycle du carbone

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Le carbone est l'élément constitutif du vivant. Toute molécule organique en contient, et c'est sa capacité à former des liaisons stables avec l'hydrogène, l'oxygène et l'azote qui rend possible la diversité des formes de vie connues. Le cycle du carbone décrit comment cet élément circule entre l'atmosphère, les océans, les sols, les roches et les organismes vivants. Pour les gestionnaires de l'eau et du territoire, il est indissociable de la question climatique, mais aussi de celle, plus locale, de la qualité des milieux aquatiques et du rôle des zones humides.

Les grands réservoirs

Le carbone se répartit en quelques réservoirs principaux dont les quantités stockées et les temps de résidence diffèrent radicalement.

L'atmosphère contient du carbone essentiellement sous forme de dioxyde de carbone (CO₂) et de méthane (CH₄). Les concentrations actuelles de CO₂, voisines de 420 ppm en 2024 (données NOAA), sont supérieures d'environ 50 % aux niveaux préindustriels, sous l'effet cumulé des combustibles fossiles et de la déforestation.

Les océans stockent environ 50 fois plus de carbone que l'atmosphère, sous forme dissoute (CO₂ aqueux, ions bicarbonate HCO₃⁻ et carbonate CO₃²⁻). Ce stock tamponne les variations atmosphériques, mais l'absorption de CO₂ supplémentaire conduit à l'acidification des eaux marines, l'une des 9 limites planétaires identifiées par Rockström et al. (2009).

Les sols et les sédiments constituent le plus grand réservoir terrestre de carbone organique. Les tourbières et les zones humides méritent une mention particulière : elles ne couvrent qu'environ 3 % des terres émergées mais renferment de l'ordre de 30 % du carbone organique des sols de la planète, soit près de 2 fois le carbone stocké par l'ensemble des forêts, accumulé sur des millénaires dans des conditions d'anaérobiose qui ralentissent la décomposition [QU14].

Les roches sédimentaires carbonatées (calcaires, dolomies) et les gisements fossiles forment le réservoir géologique, de loin le plus massif, mais avec des temps de résidence de l'ordre du million d'années. L'extraction et la combustion des hydrocarbures mobilisent ce réservoir géologique à une cadence sans précédent dans l'histoire de la Terre.

Les flux principaux

La photosynthèse fixe le carbone atmosphérique dans la biomasse végétale. À l'échelle mondiale, la photosynthèse terrestre brute est estimée de l'ordre de 120 milliards de tonnes de carbone par an, ce qui en fait le plus grand flux de carbone de la biosphère ; les travaux récents suggèrent que ce chiffre historique est plutôt un plancher, des méthodes indépendantes le situant plus haut. La respiration des organismes restitue une grande partie de ce carbone à l'atmosphère.

La décomposition de la matière organique par les microorganismes du sol libère du CO₂ en conditions aérobies et du CH₄ en conditions anaérobies. Ce dernier processus est déterminant dans les zones humides et les rizières, où la saturation en eau crée des zones anoxiques favorables à la méthanogenèse. Le méthane étant environ 80 fois plus réchauffant que le CO₂ sur un horizon de 20 ans [CL11], la gestion de l'eau dans ces milieux a une incidence directe sur les émissions de gaz à effet de serre.

Le transport fluvial assure la connexion entre le réservoir terrestre et le réservoir marin. Les cours d'eau exportent du carbone sous 2 formes : carbone organique dissous (COD) et carbone organique particulaire (COP). Le premier provient de la décomposition partielle de la matière organique des sols et de la végétation riveraine ; le second résulte de l'érosion. La part de ce carbone qui atteint les océans est enfouie dans les sédiments marins ou reminéralisée en CO₂ par les organismes aquatiques. Cette pompe à carbone côtière et fluviale reste encore mal quantifiée à l'échelle mondiale.

Le rôle des zones humides et des cours d'eau

Pour la gestion de l'eau en France, 2 points méritent une attention particulière.

Les zones humides sont des puits de carbone nets lorsqu'elles sont intactes, en raison de l'accumulation lente de matière organique dans leurs sols saturés. Leur drainage pour l'agriculture ou la construction les transforme en sources : l'oxygénation des couches de tourbe déclenche une minéralisation rapide du carbone organique stocké et libère du CO₂, parfois pendant des décennies. La France a perdu près des 2 tiers de ses zones humides depuis le début du XX^e siècle, la moitié de cette disparition ayant eu lieu après 1960 (Office français de la biodiversité). Cette perte a une double conséquence : réduction de la capacité de rétention et d'épuration de l'eau (voir zone humide), et émission de carbone stocké sur des siècles.

L'imperméabilisation des sols urbains perturbe le cycle du carbone de plusieurs façons. Elle réduit la photosynthèse en supprimant la couverture végétale, elle interrompt les flux de matière organique vers la nappe, et elle concentre le ruissellement, qui emporte les particules organiques vers les réseaux puis les milieux récepteurs sans que la dégradation ait pu s'effectuer en sol. La désimperméabilisation (voir désimperméabilisation) et la végétalisation urbaine ne se justifient donc pas seulement pour la gestion de l'eau : elles contribuent à maintenir les flux de carbone que les sols gèrent silencieusement.

Le sol vivant, un puits de carbone fait par les microbes

L'image classique du carbone du sol est celle d'un stock de débris végétaux plus ou moins décomposés. Les travaux de la dernière décennie ont déplacé cette image, et le déplacement compte pour qui pense la gestion de l'eau et des sols. Une part majoritaire du carbone stable des sols provient des micro-organismes eux-mêmes, et non de la matière végétale résiduelle : leurs résidus, ou nécromasse, se fixent sur les surfaces minérales de l'argile et forment un compartiment durable, la matière organique associée aux minéraux. Autrement dit, le sol séquestre d'autant mieux le carbone que sa vie microbienne est active et que ce qu'elle produit reste sur place au lieu d'être respiré. Tao et al. [QU07] ont montré, à partir de jeux de données mondiaux, que l'efficacité avec laquelle les microbes convertissent le carbone en biomasse plutôt qu'en CO₂ est un déterminant de premier ordre du stock de carbone des sols et de sa variation d'une région à l'autre.

Ce résultat n'est pas qu'une curiosité de laboratoire. Il donne un fondement mécaniste à une intuition que défend le monde praticien des sols vivants : un sol couvert, nourri en matière organique, jamais mis à nu, retient mieux le carbone qu'un sol travaillé et découvert. L'eau y tient un rôle direct. L'humidité conditionne l'activité microbienne ; un sol qui s'assèche brutalement, ou qui reste gorgé d'eau en permanence, ne stocke pas le carbone de la même façon qu'un sol au régime hydrique équilibré. Gérer l'eau à la parcelle, c'est donc aussi, sans toujours le nommer, gérer les conditions dans lesquelles le carbone se fixe ou se libère.

Les tourbières, l'angle mort des bilans carbone

Les tourbières méritent une attention particulière, parce qu'elles concentrent l'enjeu à un degré rare. L'évaluation mondiale du PNUE [QU14] a chiffré ce que la déstabilisation de ces milieux coûte : les tourbières drainées, soit environ 12 % des tourbières de la planète, émettent de l'ordre de 1,9 gigatonne de CO₂ équivalent par an, soit environ 4 % des émissions anthropiques mondiales, pour une emprise minuscule à l'échelle des terres. Un même milieu peut donc être un puits remarquable ou une source massive selon l'état de sa nappe, et c'est l'action humaine sur le régime d'eau qui fait basculer d'un régime à l'autre. La synthèse de Mander et al. [QU06] rappelle que le bilan de gaz à effet de serre d'une tourbière ne se résume pas au CO₂ : le méthane et le protoxyde d'azote entrent dans la balance, et leur production dépend finement du niveau et des fluctuations de la nappe. Réhumidifier une tourbière drainée réduit les émissions de CO₂ mais peut relancer celles de méthane, ce qui interdit les recettes uniformes et impose de raisonner site par site.

Pour la France, cette littérature conforte une position simple : le sort du carbone des zones humides et des tourbières se joue sur la maîtrise de leur régime hydrologique, c'est-à-dire sur des décisions de gestion de l'eau, plus que sur des mesures de compensation carbone abstraites.

Liens avec les limites planétaires

Le cycle du carbone est le plus directement lié à la limite climatique, première des 9 limites planétaires de Rockström et al. [HY14] et l'une des 2 désignées comme « centrales » par Steffen et al. [HY15]. La note Limites planétaires détaille le cadre ; il suffit d'indiquer ici que la perturbation du cycle du carbone par les activités humaines est directement liée à la politique de l'eau par au moins 2 canaux : le régime des zones humides et des tourbières, d'une part, et l'usage des sols en général, d'autre part.

La note Un seul cycle de l'eau rappelle que l'eau douce constitue elle-même une limite planétaire franchie, notamment du fait de la perturbation de l'eau verte par la déforestation et l'imperméabilisation. Les 2 limites, carbone et eau douce, se recoupent dans les mêmes milieux.