Le réchauffement pourrait amener les plantes et les microbes arctiques à libérer le carbone qu’ils stockent actuellement

Une nouvelle analyse montre qu’avec le temps, ce processus pourrait transformer les écosystèmes de la toundra du statut de puits de carbone à ceux de sources d’émissions.

Sous la neige et la végétation basse qui peut survivre dans les températures glaciales de la toundra se trouve le sol qui retient une réserve massive de carbone, le gardant hors de l'atmosphère. Contrairement à certains des puits de carbone les plus connus au monde, qui sont des forêts denses, comme l'Amazonie, une toundra est un vaste paysage ouvert avec des vues dégagées d'arbres. La hausse des températures mondiales menace cependant de bouleverser cet ordre, transformant les toundras des zones clés de séquestration du carbone en sources d’émissions de carbone. Une nouvelle recherche, publiée plus tôt ce mois-ci dans Nature, montre le rôle probable que les plantes et les microbes joueront pour exacerber ces dynamiques changeantes et aider les scientifiques à créer des modèles climatiques plus précis pour prédire la trajectoire du réchauffement climatique.

« Le réchauffement peut fortement stimuler les plantes et les microbes du système de la toundra pour qu'ils deviennent plus actifs et respirent plus de carbone », a déclaré Sybryn Maes, chercheuse postdoctorale à la KU Leuven en Belgique et auteur principal de l'article. « Nous devons vraiment avoir autant de compréhension que possible… dans le contexte actuel du changement climatique. »

Pour aider à comprendre la quantité de carbone que le sol de la toundra pourrait libérer si le réchauffement climatique se poursuivait sans relâche, les auteurs ont compilé les données de 56 expériences de réchauffement artificiel dans les écosystèmes de la toundra arctique et alpine. Ces données proviennent d’expériences qui ont duré de moins d’un an à 25 ans. Chaque expérience a utilisé un équipement appelé chambre à toit ouvert, dont le dessus est ouvert aux éléments et les côtés sont transparents, créant ainsi une mini-serre. Cette configuration simple fonctionne bien pour les écosystèmes arctiques, où il n'y a souvent pas de branchement électrique à proximité qui pourrait alimenter un réchauffeur de sol ou une végétation haute qui ruinerait l'effet de réchauffement de la chambre.

« Ce qui est précieux dans cet article, c'est qu'ils se concentrent sur le biome de la toundra arctique, et qu'ils sont ensuite capables de rassembler un assez grand nombre d'expériences sur un assez grand nombre de sites », a déclaré Serita Frey, professeur à l'Université de New York. Hampshire qui étudie les sciences microbiennes et des sols.

Les expériences ont augmenté les températures moyennes de l’air et du sol à l’intérieur des chambres de 1,4 et 0,4 degrés Celsius, respectivement. Les auteurs ont ensuite étudié comment cette hausse des températures affectait les plantes et les microbes à l’intérieur de la chambre. Lors de la photosynthèse, les plantes absorbent le dioxyde de carbone atmosphérique et l'utilisent pour produire du sucre. La respiration, que font les plantes et de nombreuses espèces de microbes, est à l'opposé : les plantes décomposent ce sucre afin de créer de l'énergie, libérant du dioxyde de carbone. Les microbes libèrent du dioxyde de carbone lorsqu’ils décomposent la matière organique, présente dans tous les sols mais particulièrement abondante dans l’Arctique.

En moyenne, il y a eu une augmentation de 30 pour cent de la libération de dioxyde de carbone par les plantes et les microbes dans des conditions plus chaudes pendant la saison de croissance de juin à août. Ce résultat était bien plus élevé que ce à quoi Maes s’attendait. Bien que les auteurs aient pu identifier que la respiration des plantes et des microbes jouait un rôle dans ce processus, la part exacte de chacun est inconnue. Maes a également découvert que les différences dans les conditions du sol entre chaque site artificiellement chauffé jouaient un rôle important dans la quantité de carbone libérée par le mini-environnement, le sol contenant moins d'azote conduisant à plus de respiration.

Matteo Petit Bon prend des mesures de respiration lors d'une expérience de réchauffement en Italie dans des conditions « sombres ». | Photo de Sybryn Maes

Joshua Schimel, professeur à l'Université de Californie à Santa Barbara, qui n'a pas participé à l'étude, a déclaré que les méthodes utilisées dans cette étude sont fiables et que les résultats sont plus ou moins attendus. Il ajoute que, comme les résultats ne séparent pas séparément la quantité de respiration provenant des racines et des microbes, il est difficile d'évaluer dans quelle mesure la respiration totale est liée à la dégradation de la matière organique dans le sol.

« Ce qui est moins sûr, c'est dans quelle mesure cela représente une respiration accrue par rapport à la dégradation et à la décomposition réelles du sol », a déclaré Schimel.

Les plantes et les microbes entretiennent une relation invisible sous le sol. Les microbes convertissent l’azote en une forme que les plantes peuvent utiliser pour croître, et les plantes sécrètent des composés qui nourrissent les microbes. Dans les sols pauvres en azote, il est avantageux que les microbes et les plantes augmentent la respiration afin que cette relation devienne plus bénéfique pour les deux parties.

La respiration des écosystèmes a une relation complexe avec le réchauffement, selon Anne Giblin, biogéochimiste au Laboratoire de biologie marine, qui n'a pas non plus été directement impliquée dans cette étude. Dans cette expérience, ainsi que dans d’autres expériences de réchauffement du sol dans différents écosystèmes, dans des conditions de sol constamment plus chaudes, le taux de respiration de l’écosystème peut changer au fil du temps. « Cela montre simplement que lorsque nous fabriquons nos modèles, ce qui va se passer dans 100 ans est un territoire inexploré », a déclaré Giblin.

Frey mène plusieurs expériences de réchauffement des sols dans la forêt de Harvard, un site de recherche écologique à long terme dans le Massachusetts. L’une de ses publications a permis de mettre en lumière les impacts à long terme du réchauffement des sols sur les communautés microbiennes. Alors que le réchauffement a augmenté la libération de carbone, après 18 ans, les microbes du sol ont libéré moins de carbone qu’au début de l’expérience.

Maes a souligné que cette étude n’examine qu’une partie d’un tableau beaucoup plus vaste. En fin de compte, de multiples facteurs détermineront si la toundra deviendra un puits ou une source de carbone. Si la libération de carbone dépasse son absorption dans l’environnement, cela pourrait créer une boucle de rétroaction qui continue de chauffer ce qui est déjà l’endroit où le réchauffement est le plus rapide de la planète.