LE CYCLE DU CARBONE
Photosynthèse, respiration, décomposition, humification et minéralisation : comprendre le carbone comme moteur du sol vivant
Le carbone est l’un des éléments structurants du fonctionnement des écosystèmes.
Il est simultanément présent dans :
- l’atmosphère, principalement sous forme de CO₂ ;
- les végétaux ;
- les racines ;
- les organismes du sol ;
- la matière organique morte ;
- l’humus ;
- les sols ;
- les eaux ;
- les sédiments ;
- les combustibles fossiles.
Dans un écosystème vivant, le carbone circule en permanence entre ces différents compartiments.
On peut représenter le cycle simplifié ainsi :
ATMOSPHÈRE CO₂ │ │ photosynthèse ↓ ┌────────────┐ │ VÉGÉTAUX │ └─────┬──────┘ │ ┌──────────┼──────────┐ ↓ ↓ ↓ racines litière récoltes │ │ ↓ ↓ exsudats décomposition │ │ └─────┬────┘ ↓ MATIÈRE ORGANIQUE │ ┌────────┴────────┐ ↓ ↓ humification minéralisation ↓ ↓ HUMUS éléments minéraux │ │ └────────┬────────┘ ↓ ORGANISMES │ ↓ respiration │ ↓ CO₂ │ └────────→ ATMOSPHÈRE
Le cycle est donc une succession de captation, transfert, transformation, stockage et restitution.
1. Le carbone atmosphérique
Le carbone atmosphérique est principalement présent sous forme de : CO2
Le dioxyde de carbone constitue une source de carbone pour les organismes photosynthétiques.
Les plantes prélèvent le CO₂ atmosphérique et incorporent son carbone dans leur biomasse.
2. La photosynthèse
La photosynthèse constitue l’une des grandes portes d’entrée du carbone atmosphérique dans la biosphère.
Elle utilise :
- CO₂ ;
- eau ;
- énergie lumineuse.
Pour produire notamment :
- glucides ;
- biomasse végétale ;
- molécules organiques.
Une représentation simplifiée est : 6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2
L’énergie solaire est ainsi transformée en énergie chimique stockée dans la matière organique.
Rayonnement solaire
CO₂
Eau
Oxygène
Glucose
Tous les apports sont au niveau faible, donc le taux de photosynthèse est faible ; aucun n’est plus disponible que les autres
LumièreFaibleMoyenÉlevé
FaibleMoyenÉlevé
CO₂FaibleMoyenÉlevé
FaibleMoyenÉlevé
EauFaibleMoyenÉlevé
FaibleMoyenÉlevé
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3. Le carbone capté par une plante
Le carbone fixé par une plante ne reste pas nécessairement dans les feuilles.
Il peut être réparti entre :
- feuilles ;
- tiges ;
- branches ;
- tronc ;
- racines ;
- fruits ;
- graines ;
- exsudats racinaires.
Une partie importante du fonctionnement du sol dépend donc directement de la façon dont la plante répartit son carbone.
4. Les exsudats racinaires
Les racines libèrent dans le sol diverses molécules organiques.
Ces exsudats peuvent alimenter :
- bactéries ;
- champignons ;
- mycorhizes ;
- autres microorganismes.
La plante peut ainsi transférer une partie de son carbone directement vers le réseau biologique du sol.
On obtient : CO2→plante→racine→microorganismes
5. La rhizosphère
La zone immédiatement influencée par les racines constitue la rhizosphère.
Elle peut présenter une activité biologique très supérieure à celle d’un sol biologiquement pauvre.
Les racines y modifient :
- pH ;
- disponibilité des nutriments ;
- humidité ;
- concentration en composés organiques ;
- activité microbienne.
Le carbone devient donc un vecteur majeur des interactions entre plante et sol.
6. La respiration
La respiration constitue l’un des principaux processus de retour du carbone vers l’atmosphère.
Les organismes utilisent de la matière organique pour obtenir de l’énergie.
De manière simplifiée : matieˋre organique+O2→CO2+H2O+eˊnergie
Cela concerne :
- plantes ;
- animaux ;
- bactéries ;
- champignons ;
- nombreux organismes du sol.
7. La respiration des racines
Une partie du carbone capté par photosynthèse est consommée par les racines.
On parle de respiration racinaire.
Ainsi, même une plante en croissance : CO2 capteˊ
ne signifie pas : CO2 deˊfinitivement stockeˊ.
Une partie est continuellement réémise.
8. La respiration du sol
Le sol possède lui aussi un flux de CO₂ vers l’atmosphère.
Ce flux provient notamment de :
- respiration racinaire ;
- respiration microbienne ;
- décomposition de matière organique.
La mesure du flux de CO₂ du sol est donc un indicateur particulièrement intéressant pour caractériser son activité biologique.
9. La matière organique morte
Lorsque des feuilles, racines, branches ou organismes meurent, leur carbone entre dans le compartiment de la matière organique morte.
Cette matière peut être :
- rapidement décomposée ;
- partiellement transformée ;
- incorporée au sol ;
- transportée par l’eau ;
- stabilisée pendant des périodes plus longues.
10. La décomposition
La décomposition est assurée par une communauté extrêmement diversifiée.
Elle implique notamment :
- bactéries ;
- champignons ;
- microarthropodes ;
- collemboles ;
- vers de terre ;
- autres décomposeurs.
Ils fragmentent et transforment la matière organique.
11. Une chaîne de transformation
On peut simplifier :
FEUILLE MORTE ↓fragmentation ↓matière organique ↓microorganismes ↓molécules plus simples ↓CO₂ + biomasse microbienne ↓matière organique du sol
La décomposition n’est donc pas une simple disparition.
C’est une transformation chimique et biologique progressive.
12. Le rôle des champignons
Les champignons sont particulièrement importants dans la décomposition de nombreux matériaux végétaux.
Ils participent notamment à la transformation de composés complexes.
Ils peuvent exploiter :
- cellulose ;
- hémicellulose ;
- lignine, selon les groupes fonctionnels.
Les réseaux fongiques permettent également une exploration très importante du volume du sol.
13. Le rôle des bactéries
Les bactéries interviennent dans de nombreuses étapes du recyclage de la matière organique.
Elles utilisent :
- composés carbonés ;
- azote ;
- phosphore ;
- soufre ;
- autres éléments.
Une partie du carbone devient :
- biomasse bactérienne ;
- CO₂ ;
- composés organiques transformés.
14. La biomasse microbienne
Une partie du carbone entre temporairement dans la biomasse des microorganismes.
On obtient donc un compartiment dynamique : matieˋre organique↔biomasse microbienne
La biomasse microbienne constitue ainsi un réservoir de carbone à renouvellement relativement rapide.
15. L’humus
Le terme « humus » est couramment utilisé pour désigner la matière organique transformée et relativement stabilisée du sol.
Mais il faut éviter de considérer l’humus comme une substance unique et homogène.
La matière organique du sol constitue plutôt un continuum de composés présentant des vitesses de transformation différentes.
16. L’humification
L’humification correspond à l’ensemble des transformations conduisant à des formes de matière organique relativement stabilisées dans le sol.
Elle dépend notamment :
- de la nature des résidus ;
- de leur composition chimique ;
- de l’activité biologique ;
- de l’argile ;
- des oxydes minéraux ;
- du pH ;
- de l’humidité ;
- de l’oxygénation ;
- de la structure du sol.
17. Carbone particulaire et carbone associé aux minéraux
Une distinction particulièrement importante pour l’étude des sols est celle entre différentes fractions de matière organique.
On peut notamment distinguer :
- matière organique particulaire ;
- matière organique associée aux minéraux ;
- biomasse microbienne ;
- matière organique dissoute.
Ces compartiments ne possèdent pas la même stabilité.
18. Le complexe organo-minéral
Les interactions entre matière organique et minéraux jouent un rôle majeur dans la stabilisation du carbone.
Les particules fines, notamment les argiles, peuvent protéger une partie de la matière organique contre une décomposition rapide.
On retrouve ici le lien avec :
- texture ;
- CEC ;
- agrégation ;
- structure ;
- stabilité du carbone.
19. Les agrégats du sol
La structure du sol est également essentielle.
Les agrégats peuvent physiquement protéger une partie de la matière organique.
On peut schématiser :
MATIÈRE ORGANIQUE ↓ micro-organismes ↓ agrégats ↓protection physique ↓carbone plus durable
La structure du sol devient donc une composante du stockage du carbone.
20. La minéralisation
La minéralisation correspond à la transformation de certains éléments de la matière organique en formes minérales disponibles ou mobilisables.
Pour le carbone organique, une part importante aboutit à : CO2
Dans d’autres cycles, la minéralisation libère par exemple :
- ammonium ;
- phosphate ;
- ions soufrés.
Le cycle du carbone est donc étroitement couplé aux autres cycles biogéochimiques.
21. Carbone et azote
La décomposition dépend fortement de la disponibilité en azote.
Le rapport : C/N
des matières organiques influence leur vitesse de transformation.
Des matériaux très carbonés et pauvres en azote peuvent être décomposés plus lentement ou provoquer temporairement une immobilisation de l’azote minéral.
22. Carbone et phosphore
Le carbone influence également la dynamique du phosphore.
L’activité microbienne peut :
- immobiliser ;
- mobiliser ;
- transformer
différentes formes de phosphore.
Les mycorhizes jouent également un rôle important dans l’acquisition du phosphore par les plantes.
23. Le carbone dissous
Le carbone n’est pas uniquement stocké dans la biomasse ou le sol solide.
Une fraction circule sous forme de :
carbone organique dissous — COD.
Il peut être transporté par :
- infiltration ;
- drainage ;
- nappes ;
- rivières.
Ainsi, le cycle du carbone est également un cycle hydrologique.
24. Le rôle de l’eau
L’eau transporte :
- carbone dissous ;
- particules organiques ;
- microorganismes ;
- nutriments.
Le système : sol↔eau↔veˊgeˊtation
constitue donc un continuum biogéochimique.
25. Le carbone exporté par érosion
Un sol dégradé peut perdre du carbone avec ses particules.
Lorsqu’une pluie provoque : eˊrosion→transport de particules
elle peut exporter :
- argiles ;
- matière organique ;
- carbone associé aux particules.
La protection contre l’érosion est donc également une stratégie de conservation du carbone.
26. Sol nu contre sol couvert
Sol nu
- température plus variable ;
- ruissellement plus important ;
- érosion potentielle ;
- apport réduit de carbone ;
- activité biologique souvent plus faible.
Sol couvert
- apports organiques ;
- racines ;
- activité biologique ;
- meilleure protection physique ;
- infiltration souvent améliorée.
Le couvert végétal constitue donc une interface carbone-eau-sol.
27. Le carbone sous prairie
Une prairie permanente peut stocker une quantité importante de carbone dans le sol grâce notamment à :
- renouvellement racinaire ;
- exsudats ;
- accumulation de matière organique ;
- activité microbienne.
La dynamique dépend toutefois du climat, du sol, de la gestion et de l’histoire du site.
28. Le carbone forestier
Dans une forêt, le carbone est réparti entre :
- arbres ;
- arbustes ;
- herbacées ;
- racines ;
- bois mort ;
- litière ;
- sol.
Le stockage ne doit donc jamais être estimé uniquement à partir du volume de bois.
29. Le carbone du verger
Un verger associe plusieurs compartiments :
ARBRES ↓ ┌───────┴───────┐ ↓ ↓ bois racines ↓ ↓ litière exsudats ↓ ↓ └──────→ SOL ←──┘ ↓ microorganismes ↓ humus
La gestion de l’enherbement, des couverts et des résidus influence fortement ces flux.
30. Le carbone du potager
Dans un potager, les flux sont particulièrement rapides.
On retrouve :
- croissance ;
- récolte ;
- résidus ;
- compost ;
- racines mortes ;
- paillage ;
- respiration ;
- décomposition.
Une partie du carbone sort du système lors des récoltes.
Il faut donc considérer le jardin comme un système ouvert.
31. Le carbone exporté par les récoltes
Une récolte exporte :
- carbone ;
- azote ;
- phosphore ;
- potassium ;
- autres éléments.
Pour maintenir la fertilité, une partie des éléments doit être réintroduite par :
- compost ;
- résidus ;
- engrais organiques ;
- biomasse ;
- fixation biologique de l’azote selon les systèmes.
32. Le bilan carbone du sol
On peut conceptualiser le stock de carbone : ΔC=Centreˊes−Csorties
Les entrées comprennent notamment :
- litière ;
- racines mortes ;
- exsudats ;
- amendements organiques.
Les sorties comprennent :
- respiration ;
- décomposition ;
- exportation ;
- érosion ;
- drainage.
33. Un sol peut-il toujours stocker davantage de carbone ?
Non.
Un sol possède une capacité de stockage limitée et dépendante de son environnement.
Elle dépend notamment :
- texture ;
- minéralogie ;
- profondeur ;
- climat ;
- saturation ;
- végétation ;
- historique d’utilisation.
Le stockage supplémentaire tend généralement à ralentir lorsque certains compartiments atteignent un état de quasi-équilibre.
34. Le carbone n’est pas automatiquement « séquestré »
Il faut distinguer :
Captation
Le CO₂ est fixé par photosynthèse.
Stockage
Le carbone est conservé dans un compartiment.
Séquestration durable
Le carbone reste stocké pendant une durée suffisamment longue pour avoir une signification climatique.
Cette distinction est essentielle.
35. Le rôle de la permanence
Un arbre peut capturer du carbone pendant sa croissance.
Mais si :
- il meurt ;
- est brûlé ;
- est décomposé rapidement ;
une partie importante du carbone retourne finalement dans l’atmosphère.
Il faut donc raisonner en : flux+stock+dureˊe.
36. Le carbone et le feu
Les incendies peuvent provoquer :
- combustion de biomasse ;
- émissions de CO₂ ;
- formation de charbon végétal ;
- perte de matière organique superficielle ;
- modification des communautés microbiennes.
Le bilan post-incendie dépend donc de nombreux facteurs.
37. Le biochar
Le biochar peut constituer une forme particulière de carbone relativement résistante à la décomposition.
Mais son intérêt dépend :
- de sa production ;
- de sa qualité ;
- de son origine ;
- de son application ;
- du sol ;
- de la gestion.
Il ne doit pas être présenté comme une solution universelle.
38. Le carbone et le climat local
Le carbone influence indirectement le climat local à travers la végétation.
Plus de biomasse peut signifier :
- davantage d’ombrage ;
- davantage d’évapotranspiration ;
- davantage de rugosité ;
- modification des flux d’énergie.
On retrouve donc : CARBONE↔VEˊGEˊTATION↔EAU↔EˊNERGIE↔CLIMAT
39. Le grand système Omakëya™
Le cycle du carbone ne doit donc jamais être séparé du cycle de l’eau.
On peut représenter le système :
SOLEIL ↓ PLANTE ↓ CARBONE ↓ ┌────────────────┼────────────────┐ ↓ ↓ ↓ RACINES LITIÈRE BIOMASSE ↓ ↓ ↓ EXSUDATS DÉCOMPOSITION MORTALITÉ ↓ ↓ ↓ └─────────── SOL VIVANT ─────────┘ ↓ HUMIFICATION / STABILISATION ↓ CARBONE DU SOL ↓ RESPIRATION / MINÉRALISATION ↓ CO₂ ↓ ATMOSPHÈRE
Et parallèlement :
PLUIE ↓SOL ↓INFILTRATION ↓EAU DISPONIBLE ↓VÉGÉTATION ↓ÉVAPOTRANSPIRATION ↓ATMOSPHÈRE
Les deux cycles sont intimement couplés.
40. Le sol vivant comme réacteur biogéochimique
Un sol vivant peut être considéré comme un réacteur biologique, chimique et physique complexe.
Il reçoit :
- carbone ;
- eau ;
- oxygène ;
- minéraux ;
- énergie.
Il produit ou transforme :
- biomasse ;
- CO₂ ;
- nutriments minéraux ;
- matière organique stabilisée ;
- eau infiltrée ;
- chaleur.
Cette vision est particulièrement intéressante pour l’ingénierie écologique Omakëya™.
41. Mesurer le cycle du carbone
Pour passer de la théorie au diagnostic, il faut mesurer.
Stock
- carbone organique du sol ;
- biomasse aérienne ;
- biomasse racinaire ;
- bois mort ;
- litière.
Flux
- respiration du sol ;
- croissance végétale ;
- production de biomasse ;
- décomposition ;
- exportations agricoles.
Indicateurs indirects
- matière organique ;
- C/N ;
- couverture végétale ;
- activité biologique ;
- stabilité des agrégats.
42. Construire un bilan carbone
Pour un écosystème donné : BC=Ccapteˊ−Crespireˊ−Cexporteˊ−Cperdu
Ce bilan doit être établi sur une période donnée.
Pour un projet sérieux, il faut préciser :
- périmètre ;
- profondeur de sol ;
- biomasse incluse ;
- durée ;
- méthodes analytiques ;
- incertitudes.
43. Le bilan carbone à 1, 10, 50 et 100 ans
Un système peut être :
- faible stockeur au départ ;
- important stockeur pendant sa phase de croissance ;
- puis tendre vers un nouvel équilibre.
Il faut donc modéliser : C(t)
plutôt qu’annoncer un seul chiffre.
44. Le rôle du temps
Le carbone constitue une excellente illustration d’une idée centrale du Tome 7 :
un écosystème est un système dynamique.
La question n’est pas seulement :
combien de carbone y a-t-il aujourd’hui ?
mais :
à quelle vitesse entre-t-il, à quelle vitesse sort-il et combien de temps reste-t-il dans chaque compartiment ?
45. Les indicateurs Omakëya™
Pour un jardin, un verger ou une ferme, on pourrait suivre :
| Indicateur | Mesure |
|---|---|
| Carbone du sol | t C/ha |
| Matière organique | % |
| Biomasse végétale | kg ou t |
| Biomasse microbienne | méthode analytique |
| Respiration du sol | flux CO₂ |
| C/N | rapport |
| Couverture du sol | % |
| Érosion | t/ha/an |
| Production primaire | biomasse/an |
| Exportations | kg C/an |
46. Le carbone comme indicateur de résilience
Un sol riche en matière organique et bien structuré peut présenter :
- meilleure rétention d’eau ;
- meilleure agrégation ;
- activité biologique plus importante ;
- meilleure capacité tampon.
Le carbone devient ainsi indirectement associé à plusieurs propriétés de résilience.
Mais il ne faut pas confondre corrélation et causalité : la qualité d’un sol dépend d’un ensemble de propriétés physiques, chimiques et biologiques.
47. L’objectif ultime
L’objectif d’une gestion agroclimatique n’est pas simplement :
« stocker le maximum de carbone ».
Il est de construire un système dans lequel : CARBONE+EAU+NUTRIMENTS+BIODIVERSITEˊ+BIOMASSE
sont gérés comme un ensemble cohérent.
C’est cette approche systémique qui permet de passer du simple stockage de carbone à la véritable ingénierie des cycles biogéochimiques.
48. Synthèse du chapitre
Le cycle du carbone peut finalement être résumé ainsi : CO2photosyntheˋsebiomasselitieˋre/racinesmatieˋre organiquedeˊcompositioncompartiments organiqueshumification/stabilisationcarbone du solrespiration/mineˊralisationCO2
Mais dans un véritable écosystème, ce cycle est couplé en permanence aux cycles :
- de l’eau ;
- de l’azote ;
- du phosphore ;
- du soufre ;
- de l’oxygène.
Le sol vivant n’est donc pas un simple réservoir de carbone : c’est l’un des principaux lieux où le carbone, l’eau, les nutriments et la vie interagissent en permanence.
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