Les cycles biogéochimiques font rarement la une de l’actualité. Pourtant, sans eux, pas de climat stable, pas de sols fertiles, pas d’eau potable. Derrière ce terme un peu intimidant se cache une idée simple : les éléments chimiques essentiels à la vie (carbone, azote, phosphore, eau…) circulent en permanence entre l’atmosphère, les sols, les océans, les êtres vivants. Quand cette circulation est perturbée, ce sont les équilibres climatiques, agronomiques et écologiques qui vacillent.
Depuis le début de l’ère industrielle, l’humanité a profondément modifié ces grands cycles planétaires : émissions massives de CO₂, engrais azotés de synthèse, extraction de phosphates, artificialisation des sols, assèchement des zones humides… Les scientifiques parlent désormais de « limites planétaires » dépassées pour le climat, mais aussi pour les cycles de l’azote et du phosphore. Autrement dit, nous tirons trop fort sur certains maillons de la chaîne, au risque de rompre des régulations naturelles que nous ne savons pas remplacer.
Comment ces cycles régulent-ils concrètement le climat, les sols et la qualité de l’eau ? Et surtout, que changent-ils dans la manière de penser les politiques publiques et les projets de transition écologique sur les territoires ?
De quoi parle-t-on quand on évoque les cycles biogéochimiques ?
On appelle « cycles biogéochimiques » les grands circuits que suivent les éléments chimiques dans la biosphère (le vivant), la géosphère (roches, sols), l’hydrosphère (eaux) et l’atmosphère (air). Le préfixe « bio » renvoie au rôle du vivant, « géo » aux roches et sols, « chimique » aux transformations qui se produisent d’une forme à une autre.
Quelques repères essentiels :
- Le cycle du carbone régule l’effet de serre et donc la température de la planète.
- Le cycle de l’azote conditionne la fertilité des sols et influe fortement sur la qualité de l’air et de l’eau.
- Le cycle du phosphore est indispensable à la croissance des plantes et à l’agriculture, mais alimente aussi les marées vertes.
- Le cycle de l’eau relie évaporation, précipitations, ruissellement et recharge des nappes, en transportant au passage quantité de substances dissoutes.
Dans un monde non perturbé, ces cycles s’équilibrent sur des échelles de temps très variables, de l’année au millénaire. Mais l’industrialisation, l’agriculture intensive et la déforestation ont accéléré certains flux et bloqué certains « retours » à l’état initial. Résultat : accumulation de carbone dans l’atmosphère, surplus d’azote réactif dans les milieux, saturation des sols en phosphore, dérèglement du cycle de l’eau.
Le cycle du carbone : un thermostat bousculé
Le carbone circule entre l’atmosphère (CO₂, CH₄), la biosphère (biomasse végétale et animale), les sols (matière organique), les océans et, sur des temps très longs, les roches carbonatées. Dans ce cycle, plusieurs processus assurent une forme de « thermostat » climatique : la photosynthèse capte le CO₂, la respiration et la décomposition en libèrent, les océans absorbent une partie du CO₂ atmosphérique.
Depuis 1850, la combustion des énergies fossiles, la déforestation et la dégradation des sols ont profondément déséquilibré cette mécanique. Selon le GIEC, les activités humaines ont émis environ 2 400 milliards de tonnes de CO₂ entre 1850 et 2019. Les sols et les océans en ont absorbé environ la moitié, mais le reste s’est accumulé dans l’atmosphère, faisant grimper la concentration de CO₂ de 280 ppm à plus de 420 ppm aujourd’hui.
Ce dérèglement du cycle du carbone se traduit par :
- Un réchauffement global, avec +1,1 °C par rapport à l’ère préindustrielle.
- Une acidification des océans, qui perturbe le cycle du carbonate et fragilise récifs coralliens et coquillages.
- Une perte de carbone dans les sols, sous l’effet du labour intensif, du drainage des tourbières et de l’artificialisation.
Les politiques climatiques françaises et européennes (Fit for 55, Stratégie nationale bas-carbone, Pacte vert européen) s’attachent surtout à réduire les flux de carbone vers l’atmosphère (émissions) et à renforcer les flux de retour vers les puits (forêts, sols, biomasse). Mais cette vision reste parfois trop « comptable » : on ajoute et on soustrait des tonnes de CO₂ sans toujours regarder la résilience des cycles sous-jacents. Une plantation monospécifique à croissance rapide n’offre pas les mêmes fonctions de stockage, de biodiversité et de régulation hydrique qu’une forêt diversifiée.
Cycle de l’azote : fertilité et pollutions en miroir
L’azote est paradoxal : il compose 78 % de l’air que nous respirons, mais sous une forme (N₂) inutilisable directement par la plupart des organismes. Pour devenir disponible, il doit être « fixé » sous des formes réactives (nitrates, ammonium, oxydes d’azote). Cette transformation se produit naturellement grâce à certaines bactéries et aux orages. Mais au XXe siècle, l’invention du procédé Haber-Bosch a permis de produire massivement des engrais azotés de synthèse.
Résultat : la quantité d’azote réactif introduite chaque année dans la biosphère par l’homme dépasse désormais largement la fixation naturelle. En Europe, l’agriculture représente la majorité de ces apports, via les engrais et les effluents d’élevage. Une part importante de cet azote n’est pas absorbée par les cultures et se disperse :
- Dans l’air, sous forme d’ammoniac (NH₃) et d’oxydes d’azote (NOx), contribuant aux particules fines et à l’ozone troposphérique.
- Dans l’eau, sous forme de nitrates, responsables d’eutrophisation et de zones mortes en aval (Manche, mer Baltique, golfe du Mexique).
- Dans l’atmosphère, via l’oxyde nitreux (N₂O), puissant gaz à effet de serre (environ 300 fois plus réchauffant que le CO₂).
En Bretagne, les nitrates transportés par les cours d’eau nourrissent les fameuses marées vertes, dont les coûts de ramassage se chiffrent en dizaines de millions d’euros chaque année. Dans les nappes phréatiques, ces surplus imposent des traitements de potabilisation coûteux, parfois techniquement complexes pour les petites collectivités rurales.
Les politiques publiques ont commencé à intégrer ce problème de cycle. La directive européenne Nitrates, transposée en France dès les années 1990, impose des plafonds d’épandage et des périodes d’interdiction. Les programmes comme « Eau & Agriculture » de l’Agence de l’eau Loire-Bretagne encouragent les systèmes de culture plus économes en azote. Mais les résultats restent contrastés : la réduction des flux d’azote dans les rivières est lente, et les objectifs de bon état écologique des masses d’eau fixés par la directive-cadre sur l’eau (DCE) sont encore loin d’être atteints dans de nombreux bassins.
Phosphore : entre ressource stratégique et marées vertes
Le phosphore est indispensable à la vie (ADN, membranes cellulaires, ATP) et à l’agriculture. Contrairement à l’azote, il ne peut pas être capté dans l’air : il provient essentiellement de l’altération des roches et de gisements concentrés, situés pour l’essentiel dans quelques pays (Maroc, Chine, États-Unis). L’Union européenne est fortement dépendante des importations de phosphates, ce qui en fait une ressource stratégique.
Dans le même temps, le phosphore en excès dans les milieux aquatiques accélère l’eutrophisation, en synergie avec l’azote. Les lacs, rivières et estuaires reçoivent des flux phosphorés issus des engrais, de l’érosion des sols agricoles, des eaux usées domestiques et industrielles. Les blooms algaux, puis leur décomposition, consomment l’oxygène de l’eau et étouffent la faune.
La particularité du cycle du phosphore est son caractère moins « volatil » : il se fixe davantage dans les sols et les sédiments. Cela signifie que les excès accumulés peuvent continuer à relarguer du phosphore dans l’eau pendant des années, même si les apports diminuent. Pour les territoires, l’enjeu est double :
- Limiter les pertes de phosphore vers les milieux, par la lutte contre l’érosion, la couverture des sols, la gestion fine des apports.
- Fermer la boucle en recyclant le phosphore contenu dans les effluents, les boues de stations d’épuration, les biodéchets.
Plusieurs projets pilotes, en France comme ailleurs en Europe, visent à extraire des sels de phosphore (struvite) des eaux usées pour les réinjecter comme engrais. Mais le cadre réglementaire, les coûts d’investissement et l’acceptabilité agronomique restent des freins à une généralisation.
Eau, sols et cycles biogéochimiques : un système indissociable
L’eau n’est pas seulement un cycle en soi, c’est aussi le principal vecteur des éléments chimiques. Elle dissout, transporte, dépose. Un épisode de pluies intenses après une période de sécheresse peut ainsi lessiver massivement les sols et entraîner en quelques jours vers les rivières des quantités d’azote et de phosphore accumulés pendant des mois.
Les sols jouent, eux, un rôle d’interface crucial :
- Ils stockent du carbone sous forme de matière organique, conditionnant la structure, la fertilité et la capacité de rétention d’eau.
- Ils abritent des micro-organismes qui transforment l’azote et le phosphore, assurant une partie des régulations.
- Ils filtrent et tamponnent les polluants, avant que ceux-ci n’atteignent les nappes et les cours d’eau.
Or, la France perd chaque année des milliers d’hectares de terres agricoles et naturelles sous l’effet de l’artificialisation (même si la dynamique ralentit). Un sol rendu imperméable par le béton ou l’enrobé ne joue plus son rôle de filtre, de réservoir de biodiversité, ni de stock de carbone. Le cycle de l’eau se modifie localement (ruissellement accru, inondations plus fréquentes, recharges de nappes réduites) et avec lui la circulation des éléments nutritifs et des polluants.
La loi Climat et Résilience et l’objectif de « zéro artificialisation nette » (ZAN) d’ici 2050 reconnaissent explicitement ces fonctions, mais la traduction opérationnelle sur les plans locaux d’urbanisme reste complexe. De nombreux élus s’interrogent : comment concilier accueil de nouvelles activités, besoins en logements et préservation des sols vivants qui régulent ces cycles ?
Politiques publiques : une approche encore trop sectorielle
Face à ces enjeux, les politiques françaises et européennes avancent souvent en silos : stratégie climat d’un côté, directives Eau et Nitrates de l’autre, politique agricole commune (PAC) à part, sans oublier les réglementations sur l’air ou les déchets. Chacune traite un fragment du problème, rarement le système dans son ensemble.
Quelques exemples de ces décalages :
- La promotion de la méthanisation agricole comme solution énergétique peut renforcer localement les flux d’azote et de phosphore si la gestion des digestats n’est pas strictement encadrée.
- Les reboisements monospécifiques pensés principalement comme puits de carbone peuvent limiter la biodiversité des sols et réduire la capacité d’infiltration de l’eau.
- Les stations d’épuration performantes sur l’azote peuvent laisser passer davantage de phosphore, ou inversement, selon les choix technologiques.
Au niveau européen, la proposition de règlement sur la restauration de la nature, les stratégies « De la ferme à la table » et « Biodiversité 2030 » vont dans le sens d’une vision plus intégrée : restauration des zones humides, désartificialisation, réduction des pesticides et engrais, gestion par bassin versant. Mais leur adoption et leur mise en œuvre rencontrent de fortes résistances, notamment du côté de certaines organisations agricoles et de quelques États membres.
Leviers d’action sur les territoires : réhabiliter les régulations naturelles
Sur le terrain, de nombreuses collectivités ne parlent pas spontanément de « cycles biogéochimiques », mais elles agissent sur leurs maillons. Quelques leviers concrets se dégagent :
- Réduire les flux à la source : sobriété énergétique (moins de CO₂), optimisation de la fertilisation (moins d’azote et de phosphore), réduction des intrants chimiques, économie circulaire des nutriments.
- Restaurer les écosystèmes régulateurs : zones humides qui filtrent les nutriments et amortissent les crues, haies et bocage qui limitent l’érosion, prairies permanentes stockant du carbone, sols couverts toute l’année.
- Réintroduire de la diversité : des cultures, des essences d’arbres, des pratiques agricoles. Les systèmes diversifiés sont plus résilients et régulent mieux les flux d’azote, de phosphore et de carbone.
- Repenser l’urbanisme : désimperméabilisation de parkings et de cours d’écoles, trames vertes et bleues, gestion intégrée des eaux pluviales pour favoriser l’infiltration plutôt que le tout-tuyau.
Dans le bassin de la Vilaine, par exemple, des programmes associant agences de l’eau, chambres d’agriculture et collectivités expérimentent des plans d’action intégrés : réduction des apports d’azote, restauration de zones humides, accompagnement des changements de pratiques agricoles, suivi à long terme des flux de nutriments et de la qualité de l’eau. Ces approches « par bassin versant » sont particulièrement adaptées, car l’eau y relie l’ensemble des acteurs et des usages.
Quels indicateurs pour suivre l’état des cycles ?
Agir sur les cycles biogéochimiques suppose de pouvoir les mesurer. Or, dans ce domaine, les indicateurs existent, mais ils sont encore peu mobilisés dans le débat public ou les décisions locales.
Pour le carbone, la France s’appuie sur les inventaires nationaux d’émissions et de puits, ainsi que sur des dispositifs comme le Label bas-carbone. Des programmes comme 4 pour 1000 mettent l’accent sur l’augmentation de la teneur en carbone des sols agricoles. Mais le suivi fin du carbone des sols à l’échelle des territoires reste inégal, faute de moyens et d’outils harmonisés.
Pour l’azote et le phosphore, les agences de l’eau disposent de réseaux de surveillance des rivières, nappes et littoraux. L’INRAE et d’autres organismes de recherche développent des bilans « entrée-sortie » pour les territoires agricoles, afin de quantifier les surplus. Ces outils permettent d’identifier les « points chauds » où les flux sont particulièrement déséquilibrés.
Pour l’eau, les indicateurs de débit, de niveau de nappes et de qualité physico-chimique sont bien établis. Ce qui manque encore souvent, c’est la connexion explicite entre ces données et les choix d’aménagement, de pratiques agricoles ou d’urbanisme. Par exemple, peu de plans locaux d’urbanisme analysent l’impact des nouvelles zones commerciales sur les flux d’azote ou la recharge des nappes.
À l’échelle européenne, des travaux sont en cours pour mieux intégrer ces dimensions dans les statistiques environnementales et économiques, à travers des approches comme la comptabilité écosystémique (SEEA-EA). L’enjeu est de rendre visibles, dans les décisions, les « services » rendus par des cycles fonctionnels : stockage de carbone, épuration naturelle de l’eau, maintien de la fertilité des sols.
Faire des cycles biogéochimiques un outil de lecture des politiques
Au fond, les cycles biogéochimiques offrent une grille de lecture utile pour juger de la cohérence des politiques publiques et des projets de transition. Une mesure est-elle réellement bénéfique si elle réduit les émissions de CO₂ mais augmente les pressions sur l’eau et les sols ? Une innovation technologique apporte-t-elle une solution durable si elle repose sur une ressource minérale critique ou amplifie certains flux de nutriments ?
Pour les élus locaux, intégrer cette approche peut paraître complexe. Mais quelques questions simples peuvent guider l’analyse d’un projet :
- Que change-t-il dans les flux de carbone, d’azote, de phosphore et d’eau sur mon territoire ?
- Crée-t-il des pressions nouvelles sur les milieux (sols, rivières, littoral) ou aide-t-il à les réduire ?
- Renforce-t-il ou affaiblit-il les régulations naturelles (zones humides, sols vivants, forêts diversifiées) ?
- Les bénéfices affichés à court terme se maintiennent-ils à long terme si l’on considère l’ensemble du cycle ?
Pour les citoyens, comprendre ces grands cycles, même sans entrer dans tous les détails techniques, permet de replacer certains débats dans un cadre plus large : celui de la capacité de la Terre, et de chaque territoire, à recycler ce que nous prélevons et rejetons. Derrière un chiffre de rendement agricole, de performance énergétique ou de création d’emplois, se pose toujours la question : comment cela s’inscrit-il dans les cycles du carbone, de l’azote, du phosphore et de l’eau ?
La transition écologique ne consiste pas seulement à « verdir » nos technologies, mais à réapprendre à composer avec ces cycles dont nous dépendons. Les politiques climatiques, agricoles, de l’eau et de l’urbanisme qui prendront au sérieux cette réalité auront, probablement, une longueur d’avance en termes d’efficacité et de résilience.
