Les réponses des prairies à l’intensité de la sécheresse ne sont pas linéaires et impliquent des seuils

Natalie Oram et Johannes Ingrisch discutent de leur récent article : L’intensité de la sécheresse modifie la productivité, la répartition du carbone et l’absorption d’azote par les plantes dans les communautés de prairies rapides par rapport aux lentes. En savoir plus sur comment l’intensité de la sécheresse affecte la productivité des plantes et le cycle plante-sol du carbone et de l’azote.

Nous nous sommes tellement habitués à entendre la phrase « les événements de sécheresse sont de plus en plus fréquents et graves » qu’elle commence à ressembler à un verset, fréquemment récité par le collectif écologique. Cependant, le caractère presque cliché de cette ligne ne doit pas en atténuer l’impact. Les sécheresses constituent l’une des plus grandes menaces pour l’humanité en raison de leur impact sur le fonctionnement des écosystèmes, la production alimentaire et les effets directs sur la santé humaine des vagues de chaleur associées. La situation devient désastreuse dans notre climat changeant. Les dernières décennies ont produit une multitude de recherches sur les impacts écologiques de la sécheresse. Ce qui n’est pas encore bien connu, c’est la mesure dans laquelle cet impact dépend de l’intensité de la sécheresse. La forme de la relation entre la fonction d’un écosystème et l’intensité de la sécheresse est essentielle pour comprendre comment les écosystèmes feront face à un avenir plus sec. Pour reprendre une phrase de Thom Kuyper, « rien n’est linéaire en écologie, à moins d’avoir deux points ». L’hypothèse sous-jacente des modèles expérimentaux répliqués est que la différence entre les traitements (par exemple, la sécheresse par rapport à un contrôle) est linéaire. Les conceptions de gradient, où le traitement expérimental est continu, permettent la détection de réponses non linéaires (Kreyling et al., 2018). Ces réponses non linéaires peuvent prendre la forme de seuils – des changements brusques dans une réponse qui peuvent modifier radicalement le fonctionnement des prairies pendant et après la sécheresse (Ingrisch et al., 2023).

L’expérience

C’est le point où le Réponses des prairies à l’intensité de la sécheresse (GReDI) début du projet. Nous avons décidé d’unir nos forces pour étudier comment l’augmentation de l’intensité de la sécheresse affecte les réponses des plantes et des microbes des prairies à la sécheresse. En collaboration avec Michael Bahn (Université d’Innsbruck), Richard Bardgett (Université de Manchester), Fiona Brennan (Teagasc) et Gerd Gleixner (MPI Biogeochemistry), nous avons conçu une expérience de sécheresse où nous avons exposé deux communautés végétales avec des stratégies d’acquisition de ressources contrastées à un gradient d’intensité de la sécheresse (augmentation du déficit hydrique du sol). Découvrez le résumé de 3 minutes ci-dessous :

Nous avons déterminé la productivité de la communauté végétale (biomasse aérienne) au pic de sécheresse et deux mois après la réhumidification, et avons constaté qu’il y avait des réponses seuils aux deux moments. Fait intéressant, il y avait une coordination entre les seuils de résistance et de récupération, signalant que le niveau d’intensité de la sécheresse où la productivité s’effondre pendant la sécheresse est lié à l’augmentation brutale de la surcompensation de la productivité après la sécheresse. Johannes avait récemment trouvé une réponse similaire dans une autre étude (Ingrisch et al., 2023), et le GReDI nous a donné la possibilité d’approfondir cette question en explorant les mécanismes potentiels qui sous-tendent les réponses observées en matière de productivité. Nous nous sommes demandé ce qui a permis ces réponses surcompensatoires : comment les plantes qui avaient subi un stress massif ont-elles rebondi si rapidement, produisant significativement plus de biomasse aérienne que celles qui n’avaient pas été affectées par la sécheresse ? La réponse pourrait-elle résider dans les effets de l’intensité de la sécheresse sur le cycle du carbone (C) et/ou de l’azote (N) ? En interactions avec la communauté microbienne du sol ?

Nous avons quantifié la dynamique plante-sol C et N après 21 jours de sécheresse et 7 jours après réhumidification. Nous avons suivi le C récemment assimilé par les plantes en étiquetant les communautés végétales avec ¹³CO₂ puis tracer ¹³C dans les feuilles, les racines, le sol (organique extractible ¹³C), et la communauté microbienne (biomasse microbienne ¹³C et ¹³C dans les acides gras phospholipidiques et lipidiques neutres), et enfin, retour dans l’atmosphère (respiration ¹³C). Nous avons déterminé l’azote dans le sol et les plantes pour comprendre comment l’intensité de la sécheresse affecte la disponibilité de N et la capacité des plantes à absorber N pendant et après la sécheresse.

Découvertes majeures

Comme nous l’avions espéré, notre modèle de gradient nous a permis de découvrir des relations non linéaires entre l’intensité de la sécheresse et la productivité de la communauté végétale, l’allocation de C et la dynamique de N pendant et après la sécheresse. Nous avons identifié des seuils de productivité des communautés végétales au pic de sécheresse : les communautés végétales ont pu faire face au stress hydrique jusqu’à un point où leur productivité a brusquement diminué. L’identification des seuils d’allocation du C et de la dynamique de l’azote, comme nous l’avons fait avec la productivité des plantes, nécessite un peu plus de données que nous n’avons pu collecter (sans dépasser un seuil et nous effondrer) pour pouvoir le faire avec une confiance statistique. Avec nos données à plus forte intensité de main-d’œuvre (l’étiquetage par impulsions est beaucoup de travail), nous sommes les premiers à montrer des relations non linéaires entre la répartition du C et l’intensité de la sécheresse. Une prochaine étape importante consisterait à étudier un gradient d’intensité de la sécheresse à une échelle plus fine pour caractériser les seuils d’allocation du C et la dynamique de l’azote. L’identification de cet espace liminal où se situe le seuil est essentielle pour comprendre les implications de la sécheresse sur les écosystèmes – quand un écosystème peut-il se rétablir et à quel moment le système s’effondre-t-il.

En conclusion

Dans notre étude, nous avons identifié des seuils pendant la sécheresse, qui fixent la reprise du système sur une toute nouvelle trajectoire dans le cadre temporel de notre étude. Et bien que nous n’ayons pas été en mesure (statistiquement) d’identifier des seuils dans tous les paramètres des études, nous avons trouvé des réponses non linéaires dans l’allocation de C plante-sol et l’absorption de N à l’augmentation de l’intensité de la sécheresse. Ces dynamiques sont souvent négligées lors de l’utilisation de conceptions avec 2 (ou quelques) niveaux de stress hydrique. Ainsi, l’étude de l’intensité de la sécheresse, avec des conceptions expérimentales à gradient, est importante pour comprendre les réponses à la sécheresse des prairies et la récupération après la sécheresse. L’identification des seuils est essentielle pour aider à prédire comment les écosystèmes réagiront aux conditions météorologiques extrêmes.

Les conséquences du dépassement des seuils dans le fonctionnement des écosystèmes des prairies pourraient être catastrophiques, étant donné notre dépendance aux services écosystémiques fournis par les prairies. Des réductions drastiques des gaz à effet de serre sont essentielles pour freiner le réchauffement climatique (et les conditions météorologiques extrêmes associées), tout comme les pratiques de gestion qui peuvent atténuer les effets de la sécheresse extrême sur les écosystèmes des prairies.

« Les sécheresses sont de plus en plus fréquentes et graves ». Collectivement, la communauté écologique écrit la ligne suivante dans ce verset. Espérons qu’il en soit un qui englobe une compréhension plus approfondie de l’intensité de la sécheresse et propose des stratégies d’atténuation qui préservent le fonctionnement des prairies.

Nathalie Oram et Johannes IngrischUniversité d’Innsbruck, Autriche

Lire l’intégralité de l’article en ligne : L’intensité de la sécheresse modifie la productivité, la répartition du carbone et l’absorption d’azote par les plantes dans les communautés de prairies rapides par rapport aux lentes

^Merci

^{Merci à nos co-auteurs : Richard Bardgett, Fiona Brennan, Georg Dittmann, Gerd Gleixner, Nadine Praeg, Paul Illmer et surtout Michael Bahn pour leur discussion, leurs idées, leur résolution de problèmes et leurs encouragements.}

^{Le projet GReDI était un monstre expérimental qui n’était possible qu’avec une petite armée de stagiaires, d’étudiants et, fondamentalement, de tous ceux qui étaient prêts à se présenter à l’expérience. Deux mentions spéciales : à notre stagiaire au lycée Laura Dobrowz, peut-être la (future) écologiste la plus enthousiaste et avec qui travailler est un plaisir absolu. Peu de gens peuvent avoir un tel enthousiasme pour mesurer le GPP dans une chaleur de +30 ℃, ni ne semblent jamais s’ennuyer avec les tâches subalternes (mais nécessaires) qui sont normales dans les expériences. Grâce à notre BSc. l’étudiante en thèse Thea Schwingshackl qui a passé l’automne à peser chaque échantillon de biomasse végétale dans de minuscules gobelets en étain sur une micro-balance avec une persistance impressionnante. Au total, elle a broyé, regroupé/pesé plus de 1300 échantillons (et pourrait encore sourire à la fin), ce qui impressionnera sérieusement tous les utilisateurs de micro-balances. Merci à toute l’équipe pour leur travail acharné qui a rendu tout cela possible : Moritz Mairl, Greta Ploner, Dina in ‘t Zandt, Lena Müller, Akira Yoshikawa, Fabrizzio Protti, Deniz Scheerer, Suzanne Guyard, Andrew Giunta, Anna Reichstein, Heike Geilmann , Kathiravan Mohamed Meeran et Beverley Anderson.}

^{Merci à Markus et à l’équipe du Jardin botanique pour leur soutien, à Herbert et Mario pour leur expertise technique, au MPI Biogeochemistry à Jena pour avoir accueilli Natalie pour effectuer l’analyse PLFA/NLFA, et au Département de microbiologie de l’Université d’Innsbruck pour avoir soutenu le sol C et Analyse N. Un grand merci à nos groupes – le Functional Ecology Group, Université d’Innsbruck et le Soil Environmental Microbiology Group, Teagasc pour leur contribution et leur soutien.}

^{Nous apprécions le financement du programme Research Leaders 2025 cofinancé par Teagasc et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Sklowdowska-Curie numéro 754380 (à Natalie). Soutien d’une subvention avancée du Conseil européen de la recherche (ERC) (883621, SoilResist à Richard) et d’une subvention du Tiroler Wissenschaftsfonds (subvention ID F.16568/5-2019, à Johannas).}

^{Ingrisch, J., Umlauf, N., & Bahn, M. (2023). Les seuils fonctionnels modifient la relation entre la résistance des plantes et la récupération à la sécheresse. Écologie, 104(2), 1–15. https://doi.org/10.1002/ecy.3907}

^{Kreyling, J., Schweiger, AH, Bahn, M., Ineson, P., Migliavacca, M., Morel-Journel, T., Christiansen, JR, Schtickzelle, N. et Larsen, KS (2018). Répliquer ou ne pas répliquer – telle est la question : comment aborder les réponses non linéaires dans les expériences écologiques. Lettres d’écologie. https://doi.org/10.1111/ele.13134}