Cycles biogéochimiques et écosystèmes continentaux
Georges Pédro
EDP Sciences
Rapport Science et Technologieiii
Composition du Comité RSTv
Avant-proposix
Composition du groupe de travailxv
Résuméxxxi
Summaryxxxv
Présentation du rapportxxxix
Conclusions générales et recommandationsxlvii
Introduction générale1
1. Objectif du rapport1
2. Géochimie et biogéochimie2
2.1. Cadre historique2
2.2. Domaines spécifiques de la géochimie et de la biogéochimie4
2.3. Les cycles biogéochimiques - Nature et constitution6
3. Cycles biogéochimiques et anthropisation7
3.1. Fertilisation azotée des terres cultivées9
3.2. Dépérissement des forêts tempérées11
4. Cadre du rapport12
4.1. Situation et caractéristiques de la biosphère terrestre12
4.2. Rôle du « système écologique »15
4.3. Importance du facteur sol et ses conséquences dans le domaine biogéochimique16
Partie I Approche par élément21
Chapitre 1 Cycle du carbone25
1. Réservoirs, flux et processus - Présentation générale28
2. Échelles de temps concernées32
3. Rôle de l'évolution biologique36
4. Histoire géologique du CO237
Chapitre 2 Cycle des principaux nutriments (azote, phosphore et soufre) à l'échelle planétaire49
1. Processus généraux communs aux divers cycles biogéochimiques des nutriments51
1.1. La stoechiométrie écosystémique, un problème d'équilibre entre les nutriments51
1.2. Le rôle de la matière organique55
1.3. Systèmes biologiques de régulation et zones tampons à diverses échelles55
1.4. Entrées et sorties des cycles60
2. Intérêt actuel de la connaissance des cycles globaux particuliers62
2.1. Cycle global de l'azote62
2.2. Cycle global du phosphore64
2.3. Cycle global du soufre66
Chapitre 3 Cycles du silicium, de l'aluminium et du fer75
1. Le silicium78
1.1. Recyclage biologique du silicium en milieu continental et son impact sur la pédogenèse79
1.2. Biogéochimie du silicium, bilans globaux et grands cycles81
1.3. Le silicium et la production végétale82
1.4. Le développement de nouveaux outils83
2. L'aluminium84
2.1. Spéciation et mobilité de l'aluminium85
2.2. La toxicité aluminique87
3. Le fer89
3.1. Spéciation et mobilité du fer90
3.2. Interactions entre les formes du fer et l'activité biologique91
3.3. Interactions entre les formes du fer et les éléments traces métalliques ou les métalloïdes93
4. Impact de l'activité biologique sur les interactions silicium, aluminium, fer en milieu continental93
Chapitre 4 Radionucléides naturels et artificiels101
1. Cinétiques d'injections dans l'environnement106
1.1. Effluents106
1.2. Accidents (cf. note complémentaire Tchernobyl)106
1.3. Tests nucléaires107
1.4. Autres sources108
2. Sources potentielles108
3. Commentaires108
Annexe A : La spéciation dans les cycles biogéochimiques des radionucléides113
Annexe B : Le comportement des radionucléides dans les cycles biogéochimiques117
Partie II Approche par milieu127
Chapitre 5 Écosystèmes peu anthropisés131
Sous-chapitre 5.1 Écosystèmes forestiers135
1. Cycles biogéochimiques dans les écosystèmes forestiers135
1.1. Aspects généraux et définitions135
1.2. Importance des cycles dans les différentes fonctions de l'écosystème139
1.3. La régulation et/ou le contrôle des cycles141
1.4. Conclusions sur l'état de l'art142
2. Les axes de recherche en vue d'améliorer la connaissance et la prévision143
2.1. Considérations d'ensemble143
2.2. Les axes de recherche à développer144
Sous-chapitre 5.2 Écosystèmes océaniques159
1. Disciplines concernées et leur évolution161
1.1. Chimie, géochimie et marqueurs organiques161
1.2. Biologie et écologie fonctionnelle : développement des approches moléculaire et génomique162
2. Cas du domaine profond166
3. Les apports continentaux et l'interface côte-large167
4. Changement climatique et flux biogéochimiques172
5. Rôle de l'évolution des outils d'observation ou de modélisation174
Chapitre 6 Milieux à pression anthropique accentuée177
Sous-chapitre 6.1 Agrosystèmes particuliers en relation avec l'épandage de matières organiques exogènes183
1. Matières organiques exogènes (MOE) et effluents d'élevage185
1.1. Cadre général de l'élevage intensifié185
1.2. Intérêt des matières organiques exogènes188
2. Influence des MOE sur les cycles biogéochimiques190
2.1. Aspect général du problème190
2.2. Enjeux environnementaux de l'épandage des matières organiques exogènes195
2.3. Régulations et contrôle des cycles par l'homme206
3. Perspectives et recommandations212
3.1. Amélioration des modes de régulation212
3.2. Amélioration des outils d'évaluation216
3.3. Développement de réseaux d'observation et de sites expérimentaux218
Sous-chapitre 6.2 Biogéochimie et réhabilitation des sites miniers et industriels223
1. L'exploitation minière d'uranium en France et ses impacts226
1.1. Introduction226
1.2. Exploitation minière : production de stériles et de résidus de traitement de minerai227
1.3. Réaménagement des sites miniers228
1.4. Gestion des résidus de traitement des minerais et aménagement des stockages229
1.5. Surveillance des sites230
1.6. Conséquences de l'exploitation de l'uranium la gestion des impacts230
2. Dégradation des sols et des écosystèmes en milieu tropical humide : les sites nickélifères de la Nouvelle-Calédonie238
2.1. Sols et biodiversité spécifique de la Nouvelle-Calédonie238
2.2. Résultats des essais de revégétalisation239
2.3. Enjeux de la mis en place d'une zone atelier/conservatoire en Nouvelle-Calédonie240
Sous-chapitre 6.3 Comportement des contaminants chimiques dans les estuaires245
1. Processus géochimiques généraux247
2. La matière organique naturelle et ses interactions avec les contaminants248
3. Les éléments en traces métalliques et métalloïdes249
4. Les xénobiotiques organiques et hydrocarbures aromatiques251
5. Les biogaz253
6. Production primaire, réseaux trophiques et contamination chimique253
7. Modélisation biogéochimique estuarienne, un enjeu national : cas des éléments en traces254
8. Risques chimiques256
Partie III Secteurs de recherche à développer261
Chapitre 7 Les micro-organismes, clé des recyclages biogéochimiques265
1. Production et acquisition de nutriments271
2. Rôle majeur des micro-organismes dans les étapes fondamentales du cycle de divers éléments272
2.1. Cycle du carbone272
2.2. Cycle de l'azote273
2.3. Cycle du soufre274
2.4. Cycle du phosphore276
2.5. Cycle du fer277
2.6. Éléments en traces278
3. Rôle des micro-organismes dans l'immobilisation et la solubilisation des métaux et non-métaux ; application aux radionucléides (cf. aussi chapitre 4)278
3.1. Immobilisation des éléments minéraux (dont les radionucléides)279
3.2. Solubilisation d'éléments minéraux dont les radionucléides par les micro-organismes280
3.3. Rôle spécifique des champignons mycorhiziens281
3.4. Tableau d'ensemble281
4. Les couplages de cycles281
4.1. Couplages entre processus biotiques281
4.2. Couplages entre processus biotiques et abiotiques283
5. Rôle de la rhizosphère284
6. Les associations faune - micro-organismes285
7. Applications aux biotechnologies de l'environnement et aux traitements de matériaux, minerais et déchets285
8. Des outils prometteurs pour le développement de l'écologie microbienne des milieux naturels286
Note sur la biosphère souterraine profonde
290
Chapitre 8 Nature, rôle et fonctions des matières organiques dans les sols297
1. Les matières organiques du sol et leurs grandes fonctions299
2. Nature des matières organiques300
3. Réactivité chimique et physicochimique302
4. Biodégradation et stabilisation des matières organiques304
5. Interactions organominérales et structure des sols308
6. Interactions matières organiques - micro-organismes - minéraux dans les sols : quelques exemples et questions309
6.1. Exemples d'interactions « argiles - matières organiques - micro-organismes »309
6.2. Interactions entre « constituants organiques naturels - contaminants organiques - micro-organismes » ; stabilisation à la biodégradation (« récalcitrante »)310
6.3. Impact des interactions micro-organismes - minéraux-matières organiques sur la mobilité des éléments en traces métalliques311
Partie IV Nécessité de recourir à des modélisations et à des observations319
Chapitre 9 Développements de la modélisation - Nécessité de mise en place d'indicateurs325
1. Grandeurs caractéristiques, échelles d'observation, maillage et approximation334
1.1. Grandeurs caractéristiques335
1.2. Échelles d'observation et de représentation336
1.3. Maillage et instrumentation338
2. Changements d'échelles, couplages et données339
2.1. Hiérarchie339
2.2. Agrégation, modèles bottom up340
2.3. Désagrégation, modèles top down344
2.4. Couplage et interfaçage345
2.5. Données346
Chapitre 10 Mise en place et gestion de réseaux d'observation de longue durée361
Sous-chapitre 10.1 Observatoires océaniques et réseaux forestiers365
Sous-chapitre 10.2 Observatoire permanent de la radioactivité373
1. Étude de l'atmosphère375
2. Étude du milieu terrestre378
3. Étude du milieu fluvial380
4. Étude du milieu marin380
Appendice 1 Quelques notions de base en biogéochimie
387
Appendice 2 Liste des éléments chimiques
391
Appendice 3 Tableau périodique des éléments chimiques
395
Appendice 4 Tableau des unités des mesures
399
Groupe de lecture critique
403
Composition du Groupe de lecture critique405
Commentaire du Centre de recherche pour l'ingénierie de l'agriculture et de l'environnement (Cemagref)409
Commentaire du Centre de coopération internationale en recherche agronomique pour le développement (Cirad)411
Commentaires de l'Institut français du pétrole (IFP)413
Commentaire de l'Institut national de la recherche agronomique (Inra)417
Commentaire de Scope France (Scientific Committee on Problems of the Environment)419
Présentation à l'Académie des sciences, par Bernard Tissot
421