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Il existe à la fois des sources humaines et des sources naturelles d'émissions de protoxyde d'azote. Les sources naturelles principales comprennent les sols sous la végétation naturelle et les océans. Les sources naturelles créent 62% du total des émissions. Les sources humaines principales proviennent de l'agriculture, de la combustion de combustibles fossiles, et des procédés industriels. Les sources liées à l'homme sont responsables de 38% du total des émissions.
Les activités humaines ont ajouté de grandes quantités de composés azotés réactifs dans l'environnement, et ont pratiquement doublé les principaux apports naturels existant au début de l'ère industrielle. Toutefois, une grande partie de ces composés se perd, cascadant à travers les sols, les voies d'eau et l'atmosphère de la Terre. Ceci a eu pour effet d'augmenter les émissions de protoxyde d'azote d'environ 40-50% par rapport aux niveaux préindustriels.
Avant la révolution industrielle, la concentration atmosphérique de protoxyde d'azote maintenait des niveaux dans une marge de sécurité, grâce aux puits naturels. Mais depuis un certain temps, les activités humaines ont crée des émissions beaucoup plus rapidement que la terre ne peut les supprimer. Les niveaux de protoxyde d'azote sont plus élevés aujourd'hui qu'à tout autre moment au cours des derniers 800 000 ans.
Depuis la révolution industrielle, les sources humaines d'émissions de protoxyde d'azote se sont accrues. Les activités telles que l'agriculture, la combustion de combustibles fossiles, et les procédés industriels, sont la principale cause de l'augmentation des concentrations de protoxyde d'azote dans l'atmosphère. Ensemble, ces sources sont responsables de 77% de l'ensemble des émissions de protoxyde d'azote de source humaine. D'autres sources incluent la combustion de la biomasse (10%), les dépôts atmosphériques (9%) et les eaux usées domestiques (3%).
Schéma 1:
Source: IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007, Intergovernmental Panel on Climate Change. [GIEC Quatrième Rapport d'Évaluation: Changement Climatique 2007, Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat.]
La plus grande source d'émissions de protoxyde d'azote provient de l'agriculture, qui représente 67%. L'agriculture crée des émissions directes et indirectes. Les émissions directes proviennent des sols agricoles fertilisés et des effluents d'élevage (42%), et les émissions indirectes proviennent de l'écoulement et du lessivage des engrais (25%). L'agriculture crée 4,5 millions de tonnes de protoxyde d'azote par an.
En raison de l'inefficacité de l'absorption d'azote par les plantes et les animaux, seuls 10 à 15% d'azote réactif entre dans le système digestif humain en temps qu'aliment. Le reste est perdu dans l'environnement. Les pratiques agricoles industrialisées ont aggravé cette perte, et le résultat a été une augmentation des émissions. De ce fait, l'agriculture est la source humaine la plus importante d'émissions de protoxyde d'azote.
L'utilisation des engrais synthétiques pour l'agriculture est une source importante d'émissions de protoxyde d'azote. Les engrais participent à la nutrition des plantes en ajoutant directement de l'azote aux sols. Mais les bactéries du sol profitent elles aussi de cet azote supplémentaire, et l'utilisent pour produire l'énergie dont elles ont besoin pour vivre et se multiplier. Les processus microbiens de nitrification et de dénitrification produisent du protoxyde d'azote qui est alors libéré dans l'atmosphère. De même, l'utilisation des effluents d'élevage comme l'engrais, provoque elle aussi des émissions provenant des sols agricoles. Le protoxyde d'azote peut être créé rapidement lorsque les sols sont chauds et humides et qu'ils contiennent une réserve disponible d'azote réactif.
Les engrais synthétiques posent de lourdes contraintes sur l'environnement ainsi que sur la qualité de la nourriture produite. Ces produits chimiques synthétiques sont absorbés par les plantes, que nous absorbons par la suite. En dehors de cela, de grandes quantités de gaz naturel sont utilisées pour fabriquer les engrais synthétiques, parce que le protoxyde d'azote en est l'ingrédient principal. De plus, le processus de production d'engrais synthétiques utilise lui aussi beaucoup d'énergie, et de ce fait, l'impact des engrais synthétiques sur le changement climatique est en fait plus considérable lorsque nous prenons en compte ce facteur.
Le stockage et la manipulation des effluents d'élevage sont une autre source directe d'émissions de protoxyde d'azote liées à l'agriculture. Lorsque le fumier de bétail n'est ni utilisé comme engrais ni laissé dans les champs durant le pâturage, il doit être traité et éliminé par les systèmes de gestion des déchets animaux. Un grand nombre de ces systèmes créent des conditions qui sont favorables aux bactéries productrices de protoxyde d'azote.
Les processus microbiens responsables de la formation de protoxyde d'azote dans les sols, de la nitrification et de la dénitrification, sont aussi responsables de l'émission de protoxyde d'azote issu de la décomposition de l'azote contenu dans le fumier. Ainsi, certains lieux tels les fermes bovines, avicoles, et laitières, produisent des quantités importantes de protoxyde d'azote.
Les systèmes d'élevage intensif ont une faible efficacité d'utilisation de l'azote, créant de grandes quantités de pertes. Seule une petite fraction de l'azote ingéré dans l'alimentation animale (environ 5-30%) est conservée dans le lait, la viande, et les œufs. La plus grande partie, 70-95 %, est perdue par l'intermédiaire des déchets animaux. Cet azote supplémentaire s'ajoute à l'environnement et est à l'origine d'une augmentation des émissions de protoxyde d'azote.
L'écoulement et le lessivage des engrais provenant des sols agricoles sont une source indirecte de protoxyde d'azote. L'eau provenant des pluies ou des irrigations pousse une partie de l'azote réactif présent dans les engrais à s'infiltrer dans les eaux souterraines, ou à être emportée par le courant des tranchées de drainage, pour finalement s'écouler dans les fleuves, les estuaires et les zones côtières reliés.
Ceci augmente les niveaux d'azote dans ces régions: les microbes de ces régions brisent l'azote, causant ainsi davantage d'émissions de protoxyde d'azote. Une utilisation excessive d'engrais, ou des précipitations excessives, rendent souvent les effets d'écoulement et de lessivage encore plus graves.
Les émissions de protoxyde d'azote par les rivières, les estuaires, et les eaux côtières, sont en général considérées comme due à l'homme, car la plupart de l'azote réactif entrant dans ces écosystèmes est associé aux activités agricoles.
La combustion des combustibles fossiles et les procédés industriels sont des sources importantes d'émissions de protoxyde d'azote. A elles deux, ces activités sont responsables de 10% des émissions humaines, ce qui équivaut à 700 000 tonnes de protoxyde d'azote par an.
Le protoxyde d'azote est un sous-produit de la combustion de sources aussi bien mobiles que fixes. Lorsqu'un combustible fossile, quel qu'il soit, est brûlé, une partie de l'azote qui se trouve dans le carburant et dans l'air environnant est oxydé, créant ainsi des émissions de protoxyde d'azote. La majorité des émissions fixes provient de centrales nucléaires alimentées au charbon. Quant aux émissions mobiles, la majorité provient des voitures et des camions qui sont utilisés pour transporter les personnes et les marchandises.
Les procédés industriels eux aussi entraînent des émissions de protoxyde d'azote. Les deux sources industrielles principales sont les productions d'acide nitrique et d'acide adipique. L'acide nitrique est un ingrédient important des engrais synthétiques, tandis que l'acide adipique est principalement utilisé pour la fabrication des fibres synthétiques. Pour ces deux acides, de l'oxydation de composés d'azote au cours du processus de production génère du protoxyde d'azote.
Une quantité substantielle de protoxyde d'azote est causée par la combustion de la biomasse, qui représente 10% des les émissions anthropiques. La combustion de la biomasse représente la combustion de la végétation vivante et morte. Dans les incendies, une partie de l'azote de la biomasse et de l'air environnant est oxydée, créant ainsi des émissions de protoxyde d'azote.
Les grands feux ouverts sont principalement utilisés par les humains pour détruire les déchets de la récolte et pour et défricher les terres à des fins agricoles ou autres. Alors que les incendies naturels peuvent contribuer à cela, la grande majorité de la combustion de biomasse est causée par les humains. Cela crée 700 000 tonnes de protoxyde d'azote par an.
Le dépôt atmosphérique est une autre source substantielle d'émissions de protoxyde d'azote. Les activités humaines libèrent des composés d'azote dans l'air; ceux-ci finissent par retomber sur la surface de la Terre. Ceci permet aux écosystèmes d'avoir une source d'azote disponible supplémentaire, azote qui stimule les microbes nitrifiants et dénitrifiants, provoquant une augmentation des émissions. Ceci est responsable de 9% des émissions anthropiques.
Les vapeurs provenant des engrais, et la fumée issue de la combustion des combustibles fossiles ou de la biomasse, contiennent des gaz d'azote réactif. Ces gaz finissent par tomber de l'atmosphère, soit parce que la pluie les lessive, ou parce qu'ils s'attachent à la poussière et au pollen qui se dépose au sol. Le dépôt atmosphérique produit 700 000 tonnes de protoxyde d'azote par an.
Comme les déchets animaux, les déchets humains sont une source importante d'émissions de protoxyde d'azote. Les stations de traitement des eaux usées et les fosses septiques sont utilisées pour stocker et traiter les eaux usées. Un grand nombre de ces systèmes créent des conditions qui sont favorables aux bactéries productrices de protoxyde d'azote. Les eaux d'égouts produisent 3% des émissions humaines.
Les bactéries utilisent les processus de nitrification et de dénitrification pour briser les matériaux organiques à base d'azote que l'on retrouve dans les déchets humains (urée, ammoniac, et protéines). Cela crée 200 000 tonnes de protoxyde d'azote par an.
Outre le fait d'être créé par les activités humaines, le protoxyde d'azote est également libéré dans l'atmosphère par des processus naturels L'atmosphère, les sols, et les océans de la Terre, sont tous des sources naturelles d'émissions de protoxyde d'azote.
Les sources humaines de protoxyde d'azote sont plus petites que les émissions naturelles, mais elles perturbent l'équilibre du cycle de l'azote qui existaient avant la révolution industrielle. La quantité de protoxyde d'azote produite par les sources naturelles est entièrement compensée par puits naturels et l'a été ainsi pendant des milliers d'années. Avant l'influence de l'homme, les niveaux de protoxyde d'azote étaient assez stables en raison de cet équilibre naturel.
Les sols sous la végétation naturelle sont une source importante de protoxyde d'azote, représentant 60% de toutes les émissions produites naturellement. D'autres sources naturelles incluent les océans (35%) et les réactions chimiques atmosphériques (5%).
Schéma 2:
Source: IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007, Intergovernmental Panel on Climate Change. [GIEC Quatrième Rapport d'Évaluation: Changement Climatique 2007, Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat.]
La plus grande source naturelle de protoxyde d'azote provient des sols sous la végétation naturelle. Ceci produit 60% des émissions naturelles. Les sols non cultivés constituent la majorité de la surface de la Terre. En conséquence, le protoxyde d'azote produit par les microbes qui brisent l'azote dans ces sols, est considéré comme une source naturelle.
Les sols des forêts riveraines et tropicales contribuent de façon importante à cette source d'émission, parce qu'ils ont davantage d'éléments nutritifs et des taux d'humidité plus élevés. Ceci facilite la nitrification et la dénitrification microbienne. Les sols sous la végétation naturelle créent 6,6 millions de tonnes de protoxyde d'azote chaque année.
Une source naturelle d'émissions de protoxyde d'azote importante provient des océans. Ces émissions sont crées par les microbes vivant dans l'océan et qui produisent du protoxyde d'azote. Ceci produit 35% des émissions naturelles, ce qui équivaut à 3,8 millions de tonnes de protoxyde d'azote par an.
Une grande partie du protoxyde d'azote des océans provient de l'activité microbienne qui survient à l'intérieur et autour des particules qui sombrent dans l'océan, telles que les boulettes de matière fécale. Ces particules fournissent les conditions d'anaérobiose nécessaires pour la dénitrification, un processus qui crée du protoxyde d'azote comme un sous-produit.
Les réactions chimiques atmosphériques produisent une quantité importante d'émissions de protoxyde d'azote. L'atmosphère, qui agit comme une source de protoxyde d'azote par l'intermédiaire de l'oxydation d'ammoniac, est responsable de 5% des émissions.
L'ammoniac est un gaz présent naturellement dans l'atmosphère. Les océans, le lisier provenant d'animaux sauvages ainsi que le plantes qui vieillissement et se décomposent, constituent les sources naturelles d'ammoniac atmosphérique les plus importantes. L'oxydation de l'ammoniac provenant de sources naturelles crée 600 000 tonnes de dioxyde d'azote par an.
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