Cet article de blog sur « Le mouvement des éléments dans les écosystèmes » fait partie du BES »Concepts clés en écologie‘ série, conçue pour aider les écologistes à apprendre les sujets clés de l’écologie ! Jetez un oeil à série complète de blogs pour une liste de sujets clés que vous pourriez généralement trouver dans un manuel d’écologie, chacun fournissant une introduction rapide au sujet, ainsi qu’une liste d’articles suggérés auxquels les étudiants peuvent se référer.
Les études écologiques constituent une pierre angulaire importante pour comprendre le mouvement d’éléments tels que le carbone (C), l’azote (N) et le phosphore (P) au sein des écosystèmes. La transformation du C, N et P passant des formes inorganiques aux formes organiques crée la base biochimique du flux d’énergie et du métabolisme dans la gamme d’organismes présents dans tous les écosystèmes, de l’océan aux forêts tropicales humides (Schlesinger et Bernhardt 2013). Les cycles biogéochimiques sont des moteurs importants du fonctionnement des écosystèmes, déterminant la circulation des éléments essentiels entre les compartiments biotiques et abiotiques. Le cycle du C, essentiel au flux d’énergie dans tous les écosystèmes, implique l’échange de carbone entre l’atmosphère, les océans, le sol et les organismes vivants, avec des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Pour être accessible au biote, l’azote de l’atmosphère doit d’abord être converti en formes organiques via la fixation de l’azote, puis subir un cycle complexe de transformations à travers le sol et les organismes vivants dans l’eau et les environnements terrestres. Le phosphore, crucial pour le transfert d’énergie dans les organismes vivants, circule également dans les roches, le sol, l’eau et les organismes, l’altération et les processus biologiques contribuant principalement à sa biodisponibilité. Le plus intéressant est que ce ne sont pas seulement ces cycles élémentaires fonctionnant indépendamment, mais aussi leur interaction ou leur disponibilité relative en termes de ratios, appelée stœchiométrie élémentaire, qui sont importantes pour déterminer la limitation des nutriments et la structure des réseaux alimentaires. Ces cycles interconnectés soutiennent non seulement la vie, mais influencent également les modèles climatiques mondiaux et la disponibilité des nutriments, soulignant ainsi leur importance dans le maintien du fonctionnement des écosystèmes.
Les activités humaines ont considérablement perturbé les flux et les réserves de C, N et P, avec des conséquences importantes pour l’écologie. La combustion de combustibles fossiles et la déforestation ont entraîné une libération excessive de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère, contribuant ainsi au réchauffement climatique et à d’autres changements climatiques profonds (GIEC 2023). Dans le cycle de l’azote, les activités industrielles et les pratiques agricoles ont intensifié la fixation de l’azote, provoquant une surabondance de composés azotés réactifs qui entraînent des problèmes tels que la pollution de l’air et de l’eau, ainsi que des perturbations dans la stœchiométrie élémentaire de nombreux écosystèmes. De même, l’utilisation généralisée d’engrais à base de phosphore dans l’agriculture a modifié le cycle du phosphore, provoquant le ruissellement de nutriments dans les plans d’eau, déclenchant l’eutrophisation et affectant négativement les écosystèmes aquatiques. Les activités humaines sont ainsi devenues une force dominante façonnant ces cycles biogéochimiques, avec des conséquences sur le climat mondial, la biodiversité et la santé des écosystèmes. L’écologie sert de base pour comprendre et atténuer ces profonds changements que les humains subissent dans les environnements aquatiques et terrestres.
Il existe de nombreux exemples de la façon dont les plantes, les animaux et l’environnement abiotique interagissent pour déterminer les cycles élémentaires, mais quelques illustrations de l’importance des interactions écologiques peuvent être trouvées dans ces articles publiés dans les revues BES. Alors que les plantes constituent la base du réseau alimentaire grâce à leur capacité à transformer l’énergie solaire et le CO2 dans ces polymères organiques, le rôle crucial des micro-organismes dans ce cycle ne peut être sous-estimé, qui déterminent en grande partie les stocks de carbone du sol dans les environnements terrestres, avec des transformations possibles grâce à un ensemble d’enzymes microbiennes du sol (García-Palacios & Chen 2022). De plus, le cycle de l’azote dans les environnements terrestres est clairement affecté par les guildes de micro-organismes présents dans le sol, qui sont liés aux caractéristiques des plantes et à leur acquisition de différentes formes d’azote (Moreau et coll. 2019). Les organismes plus grands démontrent également leur polyvalence dans la modulation du cycle du C : en fonction de l’abondance microbienne des éponges dans les eaux froides, les éponges fonctionnaient à la fois au bas et au sommet de la chaîne alimentaire benthique, utilisant les ressources et recyclant efficacement le carbone et les nutriments qui étaient présents. indisponible pour d’autres organismes (Hans et coll. 2022). Pour le P, la couverture végétale et les ingénieuses croûtes cryptographiques sont en grande partie responsables du maintien du cycle labile du P avec les écosystèmes, leur présence étant largement déterminée par les facteurs macroclimatiques des précipitations (García-Vélasquez et coll. 2020).
Les interactions entre et au sein des niveaux trophiques et des nutriments peuvent avoir des conséquences importantes sur les cycles biogéochimiques, mais la nature complexe et la complexité de ces effets suscitent souvent davantage de questions et de futurs domaines d’investigation. Par exemple, en essayant de comprendre l’impact des caractéristiques des plantes sur le cycle du carbone dans les écosystèmes arctiques, la hauteur moyenne des plantes est apparue comme un prédicteur robuste dans la modulation du cycle du C de la toundra (Acide et coll. 2022). Néanmoins, la variabilité des traits au sein de la communauté, en particulier les traits des racines, ne l’a pas été. Cela souligne la nécessité d’explorer davantage les mécanismes particulièrement souterrains en tant que prédicteurs des réservoirs de carbone dans les écosystèmes de la toundra (Acide et coll. 2022). L’identification des plantes est essentielle pour déterminer les impacts biogéochimiques, démontré dans une étude en conditions contrôlées que les réponses spécifiques des espèces à une augmentation du CO2 et le P a influencé la croissance, la photosynthèse et les nutriments foliaires des espèces d’arbres tropicaux, souvent de différentes manières. Ces résultats suggèrent que nous masquons peut-être la complexité des réponses communautaires aux altérations des cycles du C et du P, et que les espèces individuelles doivent être prises en compte dans l’évaluation des impacts du changement global sur la biogéochimie des forêts tropicales (Thompson et coll. 2019). Enfin, il est bien connu que les déplacements des animaux dans le paysage peuvent affecter les cycles biogéochimiques. Une analyse mondiale des oiseaux marins a confirmé leur importance en tant que vecteurs de transport et de concentration de nutriments entre les environnements marins et terrestres via les dépôts de guano, démontrant que les apports peuvent améliorer considérablement la fertilité des sols (Accorder et coll. 2022). Dans le même temps, la guanotrophisation peut avoir trop de bonnes choses, car elle entraîne des niveaux de nutriments très concentrés et une toxicité due au transport de polluants, avec des effets différents, et parfois négatifs, sur la composition de la communauté végétale.
Dans l’ensemble, l’impact humain sur toutes ces interactions, du changement d’affectation des terres à l’augmentation du CO2 Les concentrations ou peut-être surtout les impacts sur les populations végétales ou animales pourraient tous avoir des conséquences importantes sur les équilibres des éléments au sein de ces écosystèmes.
Introduction rédigée par Amy Austin (Rédacteur principal, Journal of Ecology). Liste de lecture organisée par les éditeurs de la revue BES.
Références et suggestions de lecture
- GIEC (2023) Changement climatique 2023 : rapport de synthèse. Contribution des groupes de travail I, II et III au sixième rapport d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat [Core Writing Team, H. Lee and J. Romero (eds.)]. . . . (éd. IPoCC (GIEC)), pp. 35-1 Genève, Suisse.