Pendant des siècles, les forêts ont suivi un rythme remarquablement constant. Sous les arbres, les racines et les organismes microscopiques libèrent régulièrement du dioxyde de carbone dans l’atmosphère à mesure qu’ils décomposent les matières organiques et alimentent la croissance des plantes.
Les scientifiques appellent ce processus la respiration du sol et il représente l’un des flux de carbone les plus importants sur Terre.
De nouvelles recherches suggèrent que ce rythme naturel est perturbé par une forme de pollution croissante et souvent négligée : l’excès d’azote.
La pollution par l’azote atteint les forêts du monde entier
Par une fraîche matinée de printemps, le sol forestier peut sembler calme et immobile. Pourtant, sous la surface, des milliards de microbes travaillent dur pour décomposer les feuilles, le bois et autres matières organiques. Dans le même temps, les minuscules racines libèrent du dioxyde de carbone à mesure qu’elles grandissent et fonctionnent.
Ensemble, ces processus créent un échange constant de carbone entre la terre et l’atmosphère.
Cependant, depuis des décennies, les forêts sont exposées à des quantités croissantes de pollution azotée. Les engrais, les émissions des véhicules et les activités industrielles libèrent de l’azote réactif dans l’air, dont une grande partie finit par retourner au sol sous la pluie, la neige ou les particules en suspension dans l’air.
Depuis la révolution industrielle, les activités humaines ont pratiquement triplé les dépôts mondiaux d’azote.
Les scientifiques savent depuis longtemps que l’excès d’azote affecte les écosystèmes forestiers. Ce qui reste incertain, c’est pourquoi certaines études ont montré que l’azote augmentait la respiration du sol, tandis que d’autres ont constaté l’effet inverse.
Résoudre un mystère forestier de longue date
Pour enquêter, une équipe internationale de chercheurs a rassemblé l’un des plus grands ensembles de données jamais utilisés pour étudier la respiration du sol.
L’analyse a combiné :
- 168 expériences d’ajout d’azote menées dans les forêts du monde entier
- 3 689 observations de respiration naturelle du sol
- Cartes mondiales montrant les forêts limitées en azote et saturées en azote
- Données sur les dépôts d’azote haute résolution
- Mesures de la respiration racinaire et de la respiration microbienne
L’équipe a ensuite utilisé l’apprentissage automatique pour modéliser la manière dont les forêts du monde entier réagissent à l’augmentation des apports d’azote.
Leur conclusion était étonnamment simple : les forêts ne réagissent pas toutes de la même manière. Au lieu de cela, ils suivent généralement l’une des deux voies distinctes.
Quand l’azote agit comme un engrais
Dans les forêts où l’azote est rare, un apport supplémentaire d’azote peut dans un premier temps stimuler l’activité biologique.
Ces forêts limitées en azote se trouvent souvent dans les régions boréales et les paysages montagneux éloignés.
Lorsque l’azote devient disponible, les microbes deviennent plus actifs, les racines poussent plus vite et la matière organique se décompose plus rapidement. En conséquence, la respiration du sol augmente.
Mais les bénéfices ne perdurent pas indéfiniment.
À mesure que les niveaux d’azote continuent d’augmenter, les effets positifs commencent à s’estomper. Une toxicité peut se développer, les sources de carbone facilement disponibles s’épuisent et l’augmentation de la respiration du sol finit par se stabiliser avant de décliner.
Les chercheurs décrivent ce modèle comme une réponse en forme de U inversé. La respiration du sol augmente, atteint un maximum, puis commence à diminuer.
Quand l’azote pousse les forêts au-delà de leurs limites
La situation est très différente dans les forêts qui contiennent déjà des niveaux élevés d’azote.
Dans ces écosystèmes saturés d’azote, un apport supplémentaire d’azote peut pousser le système au-delà de son seuil de tolérance.
Les communautés microbiennes changent. Les espèces sensibles disparaissent. Les fines racines rétrécissent ou meurent. L’acidité du sol augmente.
Plutôt que de réagir graduellement, la respiration du sol peut chuter fortement.
Selon l’étude, ce type de déclin brutal est courant dans les régions qui connaissent une forte pollution par l’azote depuis des décennies, notamment certaines parties de l’Europe, l’est de la Chine et l’est des États-Unis.
En conséquence, deux forêts recevant des quantités similaires d’azote peuvent réagir de manière complètement différente. L’un peut connaître une activité accrue du sol, tandis qu’un autre peut subir un déclin important.
Une connexion climatique cachée
Ces résultats sont importants car la respiration du sol est énorme à l’échelle mondiale.
Les chercheurs estiment que le carbone libéré par la respiration du sol est sept à huit fois supérieur aux émissions annuelles de combustibles fossiles produites par l’homme.
Même des changements relativement mineurs peuvent avoir des implications significatives.
Dans l’ensemble, l’étude a révélé que les dépôts d’azote augmentent la respiration globale du sol d’environ 5 %. La plupart des forêts restent suffisamment limitées en azote pour qu’un apport supplémentaire d’azote stimule encore l’activité biologique.
Cependant, le déclin de la respiration observé dans les forêts saturées en azote n’est pas forcément une bonne nouvelle.
La diminution des émissions de dioxyde de carbone provenant du sol dans ces zones reflète souvent une activité racinaire en déclin et une diminution des populations microbiennes. Ce sont des éléments clés d’écosystèmes sains et jouent un rôle important dans la constitution et le maintien des réserves de carbone dans le sol.
En d’autres termes, une diminution des émissions de dioxyde de carbone peut parfois signaler une perte de résilience des écosystèmes plutôt qu’un bénéfice environnemental.
Un nouveau cadre pour prédire les réponses des forêts
En combinant des milliers d’observations avec des décennies de recherche écologique, les scientifiques ont développé un nouveau cadre permettant d’expliquer à la fois les réponses graduelles et brusques observées dans le monde.
Le cadre intègre :
- Limites biochimiques
- Tolérance à l’azote spécifique à l’espèce
- Changements dans la composition de la communauté
- Points de bascule écologiques
- Modèles mondiaux de dépôt d’azote
Pour la première fois, les chercheurs affirment pouvoir prédire de manière plus fiable comment la pollution azotée influencera la respiration des sols à travers la planète.
Pourquoi il est important de réduire la pollution azotée
Des efforts visant à réduire la pollution azotée sont déjà en cours en raison des préoccupations concernant la perte de biodiversité et la qualité de l’air.
Les nouvelles découvertes suggèrent un autre avantage important.
La réduction des apports d’azote provenant de l’agriculture, des transports et de l’industrie pourrait contribuer à protéger le carbone stocké dans les sols forestiers.
En empêchant les écosystèmes de franchir les seuils de saturation en azote, les forêts pourraient être plus à même de maintenir leurs processus naturels de cycle du carbone et de rester résilientes à mesure que le climat continue de changer.
Collaborateurs : Land-CRAFT de l’Université d’Aarhus, de l’Université de Stanford, de l’Administration nationale des forêts et des prairies de Harbin en Chine, du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique, de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université normale de Pékin, de l’Université de Maastricht, du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, de l’Université Duke et de l’Institut de technologie de Karlsruhe.
Financement : Ce travail a été soutenu financièrement par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (32430067, 32588202, 42141004) et le programme national clé de R&D de Chine (2023YFF1305900, 2022YFF080210102) reçus par NH, et le Centre pionnier pour la recherche paysagère sur l’avenir agricole durable (Land-CRAFT), DNRF. numéro de subvention P2 reçu par KBB