Cycles Biogéochimiques et Succession Écologique : Analyse Détaillée

Cycles Biogéochimiques et Succession Écologique

Définition des Cycles Biogéochimiques

Le cycle biogéochimique désigne l'ensemble des processus par lesquels un élément chimique passe d'un sous-système à l'autre, impliquant des transformations au sein de différentes molécules.

Cycle Hydrologique

Le cycle biogéochimique de l'eau implique les quatre sous-systèmes dans les transformations de nombreux éléments. L'eau est essentielle dans :

• L'hydratation des oxydes non métalliques dans l'atmosphère, provoquant la formation d'aérosols.
• L'hydrolyse des minéraux dans la croûte terrestre, entraînant l'érosion des roches.

Dans les écosystèmes continentaux et côtiers (ICCL), l'eau agit comme un convoyeur, déplaçant les éléments d'un système à l'autre. Elle collecte les éléments des continents et les accumule dans les océans.

Cycles des Éléments Majeurs

Cycle de l'Azote (N)

Atmosphère

L'azote moléculaire ($ ext{N}_2$) constitue 79% du volume atmosphérique. Son origine est liée à l'activité des bactéries d'altération vivant dans des conditions anoxiques. On y trouve également des oxydes d'azote et de l'ammoniac.

Biosphère

L'azote est présent dans les acides nucléiques et les tissus des organismes vivants. Les bactéries fixatrices transforment l'azote moléculaire ($ ext{N}_2$) en nitrate, qui peut être assimilé par les producteurs primaires. Les consommateurs incorporent l'azote directement en consommant les plantes. Les activités humaines influencent fortement ce cycle, faisant de l'azote un contaminant de l'atmosphère et de l'hydrosphère (eaux souterraines).

Hydrosphère

L'azote est très soluble dans l'eau, principalement sous forme de nitrates, assimilables par les organismes photosynthétiques.

Écorce (Lithosphère)

L'azote se trouve principalement sous forme de sels dans les roches évaporites.

Cycle du Carbone (C)

Le carbone est le 3e élément le plus abondant dans la biosphère.

Ambiance (Atmosphère)

La majorité du carbone est sous forme de $ ext{CO}_2$, issu de la respiration des êtres vivants, de la combustion des combustibles fossiles, des incendies, et de la photosynthèse. Le méthane ($ ext{CH}_4$) provient de l'activité des bactéries aérobies, et le carbone est aussi présent dans les CFC.

Biosphère

Le carbone constitue les molécules organiques dissoutes dans les coquilles et les exosquelettes.

Hydrosphère

Le $ ext{CO}_2$ est très soluble. Il se présente sous forme d'ion bicarbonate ($ ext{HCO}_3^-$), de carbonate ($ ext{CO}_3^{2-}$), et de méthane ($ ext{CH}_4$) dans les sédiments.

Écorce

Le carbone est présent dans les roches carbonatées (calcaire et dolomie), les combustibles fossiles, et la matière organique morte.

Cycle du Soufre (S)

Atmosphère

Le soufre est présent sous forme d'oxydes, notamment le dioxyde de soufre ($ ext{SO}_2$). La combustion des combustibles fossiles et l'activité volcanique libèrent du soufre dans l'atmosphère. Une utilisation excessive génère des pluies acides.

Biosphère

Le soufre est contenu dans les acides aminés produits par la photosynthèse. Les bactéries chimiosynthétiques l'utilisent pour obtenir de l'énergie. L'exploitation minière libère de grandes quantités de soufre polluant dans l'hydrosphère.

Hydrosphère

On trouve du sulfure d'hydrogène ($ ext{H}_2 ext{S}$) et des anions oxyacides ($ ext{SO}_3^{2-}$, $ ext{SO}_4^{2-}$).

Croûte

Le soufre est présent sous forme de sels d'oxyacides dans les roches sédimentaires évaporitiques, comme le gypse. Les éruptions volcaniques libèrent de grandes quantités de soufre.

Cycle du Phosphore (P)

Biosphère

Le phosphore est essentiel aux biomolécules et aux squelettes des vertébrés, ainsi qu'aux acides nucléiques.

Hydrosphère

Il est très peu présent, s'accumulant dans les fonds marins, principalement sous forme de $ ext{PO}_4^{3-}$, $ ext{HPO}_4^{2-}$, $ ext{H}_2 ext{PO}_4^-$.

Croûte

Le phosphore se trouve dans les roches volcaniques et sédimentaires. L'utilisation d'engrais modifie significativement ce cycle.

Succession Écologique

La succession écologique décrit la tendance des systèmes biogéochimiques à augmenter en complexité et à accumuler de l'information au fil du temps. C'est un processus évolutif impliquant une série de changements dans la structure des communautés, de leur création jusqu'à leur maturité.

Changements Observés Durant la Succession

Au cours de la succession, différentes espèces s'installent, provoquant des changements dans le milieu qui facilitent ou entravent l'établissement de nouvelles espèces.

Augmentation de la Biodiversité

Avec le temps, le nombre d'espèces dans la communauté augmente, certaines espèces en remplaçant d'autres.

Accroissement de la Complexité de l'Écosystème

L'augmentation du nombre d'espèces entraîne une augmentation de la longueur des chaînes alimentaires et des relations de prédation, rendant les réseaux trophiques de plus en plus complexes.

Évolution des Paramètres Trophiques

Biomasse et Nécro-masse

La biomasse se développe jusqu'à un maximum dicté par les facteurs limitants. Cela est dû à l'introduction graduelle d'espèces de masse supérieure. La nécromasse augmente également. L'augmentation des organismes décomposeurs entraîne une augmentation de la respiration de l'écosystème.

Production Nette

La production primaire est initialement élevée et diminue à mesure que les consommateurs et les décomposeurs s'installent, mettant en équilibre la production avec la respiration.

Productivité

Les valeurs de productivité diminuent. Avec l'augmentation progressive de la biomasse, le rapport entre la production et la biomasse diminue.

Succession Primaire

Elle débute dans une zone qui n'a jamais été colonisée auparavant.

1. Stade Initial : Croissance de lichens sur les roches et de mousses dans les zones humides. La production primaire est négligeable, la faune est limitée (oiseaux, insectes, petits mammifères).
2. Stade Herbaceé : Les plantes herbacées commencent à croître sur le régolithe produit par l'altération et la sédimentation. Leur nécromasse permet la formation du sol. L'écosystème présente une production primaire croissante et une productivité élevée pour une biomasse très faible.
3. Stade Arbustif : La végétation arbustive se développe lorsque le sol est suffisamment développé, contribuant à l'érosion des roches et à l'épaississement du sol. La biodiversité et la biomasse augmentent significativement. La production nette et la productivité sont élevées.
4. Stade Forestier : La végétation luxuriante d'une forêt mature présente une biomasse très élevée, mais la productivité diminue rapidement. La respiration intense du sol bien développé équilibre presque la production brute.

Climax : Stabilisation et Autorégulation

La succession écologique ralentit et atteint un point mort lorsque les facteurs limitants empêchent la biomasse de continuer à croître. C'est le point culminant, la dernière étape de la succession.

Le point culminant représente une situation stable où il existe un équilibre entre la tendance intrinsèque de la biocénose à augmenter en biomasse et en complexité, et les facteurs environnementaux qui limitent cette augmentation. Cet écosystème climax possède un remarquable pouvoir de stabilisation pour amortir les chocs extérieurs (variations de nutriments, précipitations, épidémies, invasions d'espèces étrangères).

Un mécanisme de régulation homéostatique est l'ajustement de la taille des populations au maximum durable, impliquant souvent la famine et la mort d'une partie des individus.

Régression Secondaire et Succession

Lorsqu'un écosystème subit une perturbation intense (inondation, incendie, ouragan), sa structure est profondément modifiée. Cette perturbation induit une régression : l'écosystème revient à un état antérieur de complexité plus faible, et certaines populations diminuent ou disparaissent.

Si le sol n'est pas érodé de manière permanente, la récupération peut être relativement rapide. La succession engagée dans ces conditions est appelée succession secondaire.

Si la perturbation est si radicale qu'elle élimine la végétation et les sols, l'écosystème est considéré comme disparu, et la région entame une nouvelle succession primaire, pouvant mener à un écosystème différent du précédent.

Régression Auto-induite

La régression peut être critique et auto-induite, souvent d'origine anthropique (incendie, déforestation, déversement de polluants), ou parfois due à des facteurs naturels externes (éruption volcanique).