Qu’adviendra-t-il des forêts du monde dans un monde qui se réchauffe ? L’augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique aidera-t-elle les arbres à pousser ? Ou les extrêmes de température et de précipitations freineront-ils la croissance ? Tout dépend si la croissance des arbres est plus limitée par la quantité de photosynthèse ou par les conditions environnementales qui affectent la croissance des cellules des arbres – une question fondamentale en biologie des arbres, et dont la réponse n’était pas bien comprise jusqu’à présent.
Une étude menée par des chercheurs de l’Université de l’Utah, avec une équipe internationale de collaborateurs, constate que la croissance des arbres ne semble généralement pas limitée par la photosynthèse mais plutôt par la croissance cellulaire. Cela suggère que nous devons repenser la façon dont nous prévoyons la croissance des forêts dans un climat changeant, et que les forêts à l’avenir pourraient ne pas être en mesure d’absorber autant de carbone de l’atmosphère que nous le pensions.
« Un arbre qui pousse est comme un système de chevaux et de charrettes qui avance sur la route », explique William Anderegg, professeur agrégé à l’École des sciences biologiques de l’Université et chercheur principal de l’étude. « Mais nous ne savons fondamentalement pas si la photosynthèse est le cheval le plus souvent ou s’il s’agit de l’expansion et de la division cellulaires. C’est une question de longue date et difficile sur le terrain. Et cela compte énormément pour comprendre comment les arbres réagiront au changement climatique.
L’étude est publiée dans Science et est financé par le Département américain de l’agriculture, la Fondation David et Lucille Packard, la National Science Foundation, le Département américain de l’énergie et l’Arctic Challenge for Sustainability II.
Source contre puits
Nous avons appris les bases à l’école primaire : les arbres produisent leur propre nourriture grâce à la photosynthèse, en prenant la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l’eau et en les transformant en feuilles et en bois.
Il y a plus dans l’histoire, cependant. Pour convertir le carbone issu de la photosynthèse en bois, il faut que les cellules du bois se dilatent et se divisent.
Ainsi, les arbres obtiennent du carbone de l’atmosphère grâce à la photosynthèse. C’est la source de carbone des arbres. Ils dépensent ensuite ce carbone pour construire de nouvelles cellules de bois – le puits de carbone de l’arbre.
Si la croissance des arbres est limitée par la source, elle n’est limitée que par la quantité de photosynthèse que l’arbre peut effectuer et la croissance des arbres serait relativement facile à prédire dans un modèle mathématique. Donc, l’augmentation du dioxyde de carbone dans l’atmosphère devrait atténuer cette limitation et permettre aux arbres de pousser davantage, n’est-ce pas ?
Mais si au lieu de cela la croissance des arbres est limitée par le puits, l’arbre ne peut croître qu’à la vitesse à laquelle ses cellules peuvent se diviser. De nombreux facteurs peuvent affecter directement la photosynthèse et le taux de croissance cellulaire, notamment la température et la disponibilité de l’eau ou des nutriments. Donc, si les arbres sont limités en puits, la simulation de leur croissance doit inclure la réponse du puits à ces facteurs.
Les chercheurs ont testé cette question en comparant les taux de source et de puits des arbres sur des sites en Amérique du Nord, en Europe, au Japon et en Australie. Mesurer les taux de puits de carbone était relativement facile – les chercheurs ont juste collecté des échantillons d’arbres qui contenaient des enregistrements de croissance. « L’extraction de noyaux de bois à partir de tiges d’arbres et la mesure de la largeur de chaque anneau sur ces noyaux nous permettent essentiellement de reconstruire la croissance passée des arbres », explique Antoine Cabon, chercheur postdoctoral à l’École des sciences biologiques et auteur principal de l’étude.
Mesurer les sources de carbone est plus difficile, mais faisable. Les données sources ont été mesurées avec 78 tours de covariance turbulente, hautes de 30 pieds ou plus, qui mesurent les concentrations de dioxyde de carbone et la vitesse du vent en trois dimensions au sommet des canopées forestières, explique Cabon. « Sur la base de ces mesures et d’autres calculs », dit-il, « nous pouvons estimer la photosynthèse forestière totale d’un peuplement forestier. »
Découplé
Les chercheurs ont analysé les données qu’ils ont recueillies, à la recherche de preuves que la croissance des arbres et la photosynthèse étaient des processus liés ou couplés. Ils ne l’ont pas trouvé. Lorsque la photosynthèse augmentait ou diminuait, il n’y avait pas d’augmentation ou de diminution parallèle de la croissance des arbres.
« Un couplage fort entre la photosynthèse et la croissance des arbres serait attendu dans le cas où la croissance des arbres est limitée par la source », explique Cabon. « Le fait que nous observions principalement un découplage est notre principal argument pour conclure que la croissance des arbres n’est pas limitée par la source. »
Étonnamment, le découplage a été observé dans des environnements du monde entier. Cabon dit qu’ils s’attendaient à voir un certain découplage à certains endroits, mais « nous ne nous attendions pas à voir un schéma aussi répandu ».
La force du couplage ou du découplage entre deux processus peut se situer sur un spectre, de sorte que les chercheurs se sont intéressés aux conditions conduisant à un découplage plus fort ou plus faible. Les arbres fruitiers et à fleurs, par exemple, présentaient des relations source-puits différentes de celles des conifères. Plus de diversité dans une forêt augmente le couplage. Des canopées de feuilles denses et couvertes l’ont diminué.
Enfin, le couplage entre la photosynthèse et la croissance a augmenté dans des conditions chaudes et humides, avec l’inverse également vrai : dans des conditions froides et sèches, les arbres sont plus limités par la croissance cellulaire.
Cabon dit que cette dernière découverte suggère que le problème source vs puits dépend de l’environnement et du climat de l’arbre. « Cela signifie que le changement climatique peut remodeler la distribution des limites des sources et des puits des forêts mondiales », dit-il.
Une nouvelle façon d’envisager l’avenir
La principale conclusion est que les modèles de végétation, qui utilisent des équations mathématiques et les caractéristiques des plantes pour estimer la croissance future de la forêt, devront peut-être être mis à jour. « Pratiquement tous ces modèles supposent que la croissance des arbres est limitée par la source », explique Cabon.
Par exemple, dit-il, les modèles de végétation actuels prédisent que les forêts prospéreront avec un dioxyde de carbone atmosphérique plus élevé. « Le fait que la croissance des arbres soit souvent limitée signifie que pour de nombreuses forêts, cela peut ne pas se produire. »
Cela a des implications supplémentaires : les forêts absorbent et stockent actuellement environ un quart de nos émissions actuelles de dioxyde de carbone. Si la croissance des forêts ralentit, il en va de même pour la capacité des forêts à absorber le carbone et leur capacité à ralentir le changement climatique.
D’autres auteurs de l’étude incluent Steven A. Kannenberg, Université de l’Utah ; Altaf Arain et Shawn McKenzie, Université McMaster; Flurin Babst, Soumaya Belmecheri et David J. Moore, Université de l’Arizona ; Dennis Baldocchi, Université de Californie, Berkeley ; Nicolas Delpierre, Université Paris-Saclay ; Rossella Guerrieri, Université de Bologne ; Justin T. Maxwell, Université de l’Indiana à Bloomington ; Frederick C. Meinzer et David Woodruff, Service forestier de l’USDA, Station de recherche du nord-ouest du Pacifique ; Christoforos Pappas, Université du Québec à Montréal; Adrian V. Rocha, Université de Notre Dame ; Paul Szejner, Université nationale autonome du Mexique ; Masahito Ueyama, Université de la préfecture d’Osaka ; Danielle Ulrich, Université d’État du Montana ; Caroline Vincke, Université. Catholique de Louvain; Steven L. Voelker, Université technologique du Michigan et Jingshu Wei, Académie polonaise des sciences.
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