Nicolas Martin, Inrae; Hervé Cochard, Inrae; Isabelle Maréchaux, Inrae et Julien Lamour, Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

C’est une réalité révélée par les sécheresses récentes : les forêts peuvent émettre plus de CO₂ qu’elles n’en capturent. Cet état de fait est alarmant quand on sait que les sécheresses sont de plus en plus fréquentes et que les forêts jouent un rôle clé dans les politiques d’atténuation du changement climatique.

Même si la quantification du CO₂ capté par les forêts mondiales reste un exercice difficile, on estime qu’elles captent environ un quart du CO₂ émis par les activités humaines. Mais face au manque d’eau, donc, les forêts peuvent cesser d’être des puits de carbone. Pour comprendre pourquoi, il faut regarder les feuilles des arbres.

L’eau, monnaie d’échange du CO₂

Les feuilles des arbres constituent le point d’entrée principal du CO₂ dans l’écosystème forestier. Elles agissent comme de véritables usines chimiques en captant l’énergie solaire pour convertir en sucre le CO₂ présent dans l’air : c’est la photosynthèse. Ces sucres alimentent les besoins énergétiques de la plante. Ils permettent aussi aux arbres de grandir et, ainsi, de stocker davantage de CO₂ émis par les activités humaines.

La surface des feuilles est en partie couverte de stomates, de minuscules fentes qui peuvent s’ouvrir et se fermer. C’est par ces pores que le CO₂ pénètre dans l’arbre. Ce déplacement du CO₂ ne nécessite pas d’énergie à l’arbre. Il se fait naturellement du milieu où le CO₂ est plus abondant – l’atmosphère – vers le milieu où il l’est moins, ici l’intérieur de la feuille.

Mais l’ouverture des stomates ne permet pas seulement au CO₂ d’entrer. Elle entraîne aussi une perte en eau pour l’arbre, car les cellules de l’intérieur des feuilles sont bien plus riches en vapeur d’eau que l’atmosphère, et ce, même dans les régions les plus humides. C’est ce qu’on appelle la transpiration des arbres.

En moyenne, pour chaque molécule de CO₂ absorbée par un stomate, environ 400 molécules d’eau s’échappent simultanément.

Cette transpiration est nécessaire à la croissance et au métabolisme des plantes. Elle peut représenter jusqu’à plusieurs centaines de litres d’eau – l’équivalent de plusieurs baignoires – par jour selon la taille de l’arbre en saison de croissance, et plusieurs dizaines de milliers de litres par jour pour un hectare de forêt. Ces grandes quantités d’eau sont puisées dans le sol par les racines de l’arbre.

Un fil d’eau fragile qui s’élève contre la gravité

Pour acheminer l’eau des racines jusqu’aux feuilles, les plantes ont besoin d’un système hydraulique performant. Le moteur de ce transport, à contre-courant de la gravité, est l’évaporation de l’eau au niveau des stomates. Celle-ci crée une tension qui « tire » les colonnes d’eau vers le haut, comme une paille géante, grâce à la forte cohésion des molécules d’eau entre elles.

Ce principe a été formulé à la fin du XIXᵉ siècle par le botaniste irlandais Henry Horatio Dixon, et a ainsi été appelé « tension-cohésion ». Il explique comment la transpiration est un mécanisme passif, sans coût énergétique pour l’arbre.

Pourtant, la tension nécessaire pour élever l’eau jusqu’à la cime des arbres est colossale. Imaginez que l’eau est aspirée comme à travers une paille de plusieurs dizaines de mètres, mais que cette paille est remplie d’obstacles : les parois des vaisseaux, les cellules… Résultat ? La force nécessaire pour faire monter l’eau jusqu’au sommet de l’arbre équivaut à celle qu’il faudrait pour pomper de l’eau d’un puits de plusieurs centaines de mètres de profondeur !

Dans ces conditions extrêmes, l’eau se trouve dans un état dit « métastable », c’est-à-dire qu’elle peut brusquement passer à l’état gazeux si la tension augmente encore : si c’est le cas, c’est la cavitation.

Lorsque la cavitation survient, cela génère des bulles d’air dans ce réseau qu’on appelle le système hydraulique de l’arbre. Des embolies gazeuses empêchent alors la circulation de l’eau et le système hydraulique défaille. Les feuilles ainsi que les autres tissus de l’arbre se déshydratent progressivement, jusqu’à se dessécher de manière irréversible.

La cavitation est un phénomène irréversible qui intervient lors des sécheresses extrêmes, souvent liées au manque de pluie combiné aux vagues de chaleur. Dans ces situations, d’une part, l’eau du sol est de plus en plus difficile à extraire au fur et à mesure que celui-ci s’assèche, on parle de sécheresse du sol. D’autre part, lorsque l’atmosphère chauffe, l’air devient plus desséchant et le moteur de l’évaporation au niveau des feuilles s’emballe, ce qui augmente la tension dans la plante et accélère la vidange du sol. On parle de sécheresse atmosphérique.

Une bulle d’embolie dans la nervure d’une feuille de noyer

Un dilemme entre la soif ou la faim

En période de sécheresse, les arbres font donc face à un dilemme : ouvrir les stomates pour favoriser la photosynthèse nécessaire au métabolisme et à la croissance de l’arbre ou fermer les stomates pour sauvegarder de l’eau et préserver leur système hydraulique de la rupture irréversible.

L’évolution des arbres au cours des temps géologiques a permis l’émergence d’un comportement qui résout ce dilemme. Les stomates s’ouvrent et se ferment dynamiquement, en quelques minutes, pour minimiser les pertes en eau quand les conditions sont défavorables à la photosynthèse, comme quand la lumière diminue. En situation de sécheresse, toutes les plantes vasculaires ferment leurs stomates.

Les forêts vont, pendant ce temps, continuer à émettre du CO₂. D’abord du CO₂ issu de la consommation des sucres produits par la photosynthèse et nécessaires à leur métabolisme. Ensuite, du CO₂ émis par les arbres qui meurent face à la sécheresse et relarguent ainsi dans l’atmosphère le carbone qu’ils ont stocké de leur vivant. Ces deux réalités peuvent donc amener une forêt à ne plus être un puits mais une source de carbone, une inversion qui peut être amplifiée par certains types d’exploitation forestière, notamment ceux fondés sur un interventionnisme massif.

D’un arbre à l’autre, d’une espèce à l’autre, la résistance à la sécheresse peut toutefois beaucoup varier en fonction de la vulnérabilité de son système hydraulique à l’embolie. La fermeture des stomates a été sélectionnée pour exploiter au maximum l’eau disponible au regard des capacités à résister à l’embolie de l’espèce.

Un arbre avec un système hydraulique plus vulnérable, comme le bouleau, aura tendance à fermer ses stomates plus tôt qu’un arbre avec un système hydraulique plus résistant, comme le chêne vert. En fait, tous les arbres fonctionnent à la limite de l’embolie, même les plus résistants vivant dans des zones très arides. En conséquence, toutes les forêts du monde sont vulnérables à une augmentation des sécheresses causées par le changement climatique.

En effet, lorsque les sécheresses dépassent les conditions de référence auxquelles les arbres sont adaptés, les impacts physiologiques deviennent critiques, car, même après la fermeture des stomates, des pertes d’eau résiduelles se poursuivent à travers la cuticule des feuilles et des tiges. Ce phénomène peut entraîner la chute des feuilles, une embolie au sein du système hydraulique et le dessèchement des bourgeons, menant in fine à la mort de l’arbre.

L’eau contrôle le cycle du carbone et vice versa

Ainsi, pour comprendre et prédire la capacité des forêts à agir comme puits de carbone, il faut comprendre et prédire la variation de l’eau dans le temps et l’espace.

Il a parfois été mis en avant que le changement climatique et l’augmentation de la concentration en CO₂ dans l’atmosphère auraient un effet fertilisant sur la végétation selon une logique en apparence implacable : qui dit plus de CO₂, dit plus de photosynthèse, plus de croissance et plus gros puits de carbone. Mais, c’est oublier que le changement climatique est aussi synonyme de sécheresses plus intenses et plus fréquentes, qui privent les arbres de leur monnaie d’échange.

Un tour à flux permettant de mesurer les flux de carbone d’une forêt

Et d’ailleurs, quand bien même les arbres auraient assez d’eau : le CO₂ augmente la photosynthèse, mais réduit aussi l’ouverture des stomates, car plus il y a de CO₂ dans l’air, plus celui-ci peut être capté avec une plus faible ouverture des stomates. Cela est bénéfique pour la plante qui sauvegarde de l’eau, mais, à large échelle, cela diminue la transpiration et donc le recyclage des eaux de pluie par les forêts. En effet, l’eau transpirée par les arbres est critique pour la stabilité des conditions climatiques sur les continents.

Par exemple, on estime que jusqu’à 50 % des précipitations à l’ouest de l’Amazonie proviennent de l’eau transpirée par la partie est du bassin amazonien et transportée par les alizés. La fermeture des stomates à l’est peut donc diminuer la pluie à l’ouest. Et ces effets en cascade pourraient mettre en péril la stabilité de ce fameux « poumon vert ».

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.

Sans eau, les forêts arrêtent de stocker du CO₂