Fertilisation de la biosphère, mécanismes de rétroactions

Une estimation indépendante du puits biosphérique continental est obtenue en faisant des inventaires locaux des stocks de carbone des forêts et des écosystèmes. Le bilan à l’échelle de la planète montre des variations systématiques sur deux décennies. Le puits forestier brut est d’environ 2,4 GtC/an avec des contributions importantes aux latitudes tropicales et tempérées. Ce flux est partiellement compensé par un flux inverse d’environ 1,3 GtC/an lié aux modifications par l’homme des écosystèmes tropicaux (bilan de la déforestation et de la reforestation tropicale). Au final le puits forestier net est donc de l’ordre de 1,1 GtC/an pour les décennies 1990-2000. Des études précises des forêts sont conduites pour évaluer la variabilité du puits de carbone. Par exemple, la mesure systématique de la taille des arbres en Amazonie semble indiquer une diminution du puits de carbone en raison d’une mortalité accrue des arbres dont l’origine n’est pas encore élucidée.

Les satellites permettent de quantifier la végétation depuis l’espace en analysant le rayonnement solaire réfléchi. La mesure relative de la réflectance dans le rouge visible (absorbé par les plantes) par rapport aux infrarouges proches (diffusés par les plantes) conduit au calcul de l’index NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) que l’on peut relier à la production primaire de la végétation terrestre. La relation n’étant pas idéale, d’autres indices ont été développés avec la télédétection (FPAR : Fractional Photosyntetically Active Radiation, LAI : Leaf Area Index, etc.).

Plus récemment, on a découvert que les capteurs embarqués sur les satellites dédiés à la mesure de pCO₂ (GOSAT et OCO-2), peuvent aussi mesurer un signal de fluorescence de la chlorophylle active. Le suivi du puits de carbone de la végétation terrestre devrait donc faire des progrès significatifs dans un avenir proche.

À partir des données spatiales disponibles depuis les années quatre-vingt, il est possible de cartographier l’évolution de la production primaire nette à l’échelle de la planète. La compilation de ces cartes permet de déceler une augmentation d’environ 6 % pour les décennies 1980 et 1990, ainsi que de mettre en évidence une large variabilité interannuelle (± 2 GtC/an) corrélée à celle du taux d’augmentation de la pCO₂ atmosphérique. La subdivision du signal en bandes de latitudes montre que la variabilité de la production primaire végétale est concentrée dans la zone tropicale.

Les baisses transitoires du puits biosphérique correspondent aux phases El Nino de l’oscillation australe (ENSO) avec pour origine une baisse des précipitations à l’ouest du Pacifique au-dessus de l’Australie et des îles du sud-est asiatique. À l’opposé, les phases négatives de l’oscillation ENSO (La Nina) correspondent à un déplacement des précipitations vers l’ouest du Pacifique et à des augmentations de la productivité primaire des mêmes zones continentales conduisant à des chutes du taux d’augmentation de la pCO₂ atmosphérique.

Cette corrélation pCO₂-ENSO n’est cependant pas parfaite, notamment pour la période qui a suivi l’éruption volcanique du Mont Pinatubo en 1991. Cette éruption violente a injecté dans la stratosphère de l’oxyde de soufre qui s’est rapidement transformé en fines particules de sulfate. Des satellites spécialisés ont mesuré la dispersion mondiale de ces aérosols volcaniques qui ont conduit à un refroidissement transitoire au niveau du sol pendant quelques années, notamment pendant la saison d’été.

Les bilans radiatifs de la zone tropicale montrent qu’au niveau du sol l’irradiance directe a décru après l’éruption du Pinatubo, mais qu’en parallèle l’irradiance diffuse a augmenté significativement. Plusieurs études suggèrent que cette augmentation du rayonnement solaire diffus a favorisé la photosynthèse et stimulé le puits de la biosphère terrestre tropicale. Ce mécanisme expliquerait les baisses du taux d’augmentation de la pCO₂ atmosphérique qui ont suivi les éruptions violentes avec injection d’aérosols volcaniques dans la stratosphère (Pinatubo en 1991, El Chichon en 1982 et Agung en 1963). Néanmoins, la superposition avec la variabilité ENSO complique la distinction de l’impact des éruptions volcaniques sur la biosphère terrestre.

Pour comprendre et prévoir la réponse de la végétation aux variations environnementales, il est utile de revenir aux processus biochimiques et physiologiques qui contrôlent la croissance végétale. Des cultures en laboratoire permettent de quantifier les effets de la lumière, de l’eau et du CO₂, ainsi que de la température sur la photosynthèse et la respiration des différentes espèces de plantes. Celles-ci peuvent aussi s’adapter aux conditions extérieures, par exemple en augmentant la densité des stomates foliaires lorsque la pCO₂ diminue.

Les cultures en serre à petite échelle ne sont pas totalement satisfaisantes et représentatives pour étudier la réponse végétale. Pour cette raison, plusieurs laboratoires ont développé des systèmes en atmosphère ouverte, mais contrôlée, afin d’étudier la réponse des plantes en conditions réalistes. Ces expériences FACE (Free-Air CO₂ Experiment) ont été conduites dans de nombreux sites aux États-Unis ainsi que quelques autres pays.

La synthèse des données FACE montre que l’assimilation du carbone est sensible à la pCO₂ atmosphérique, mais que l’effet de fertilisation présenterait un phénomène de saturation pour les fortes pCO₂. Pour une teneur élevée d’environ 550 ppm, les taux de photosynthèse et d’assimilation du carbone augmentent de 20 à 40 % pour des types de plantes variées, des arbres aux herbacées, sauvages ou cultivées. Pour une même espèce végétale, la pCO₂ a un impact sur plusieurs caractéristiques de la plante : masse totale, hauteur, diamètre, nombre de branches ou de feuilles. Les expériences confirment l’importance du type de photosynthèse, les plantes en C3 étant plus sensibles à la pCO₂ que celles en C4 qui se sont adaptées en développant une préconcentration du CO₂ dans les cellules de leur mésophylle.