Qu'adviendra-t-il des forêts du monde dans un monde qui se réchauffe ? L'augmentation du dioxyde de carbone atmosphérique aidera-t-elle les arbres à pousser ? Ou les extrêmes de température et de précipitations freineront-ils la croissance ? Tout dépend si la croissance des arbres est plus limitée par la quantité de photosynthèse ou par les conditions environnementales qui affectent la croissance des cellules des arbres - une question fondamentale en biologie des arbres, et dont la réponse n'était pas bien comprise jusqu'à présent.

Une étude menée par des chercheurs de l'Université de l'Utah, avec une équipe internationale de collaborateurs, constate que la croissance des arbres ne semble généralement pas limitée par la photosynthèse mais plutôt par la croissance cellulaire. Cela suggère que nous devons repenser la façon dont nous prévoyons la croissance des forêts dans un climat changeant, et que les forêts à l'avenir pourraient ne pas être en mesure d'absorber autant de carbone de l'atmosphère que nous le pensions.

"Un arbre qui pousse est comme un système de chevaux et de charrettes qui avance sur la route", explique William Anderegg, professeur agrégé à l'École des sciences biologiques de l'Université et chercheur principal de l'étude. « Mais nous ne savons fondamentalement pas si la photosynthèse est le cheval le plus souvent ou s'il s'agit de l'expansion et de la division cellulaires. C'est une question de longue date et difficile sur le terrain. Et cela compte énormément pour comprendre comment les arbres réagiront au changement climatique.

L'étude est publiée dans Science .

Source contre puits

Nous avons appris les bases à l'école primaire :les arbres produisent leur propre nourriture grâce à la photosynthèse, en prenant la lumière du soleil, le dioxyde de carbone et l'eau et en les transformant en feuilles et en bois.

Il y a plus dans l'histoire, cependant. Pour convertir le carbone issu de la photosynthèse en bois, les cellules du bois doivent se dilater et se diviser.

Ainsi, les arbres obtiennent du carbone de l'atmosphère grâce à la photosynthèse. C'est la source de carbone des arbres . Ils dépensent ensuite ce carbone pour construire de nouvelles cellules de bois, le puits de carbone de l'arbre. .

Si la croissance des arbres est limitée par la source, elle n'est limitée que par la quantité de photosynthèse que l'arbre peut effectuer et la croissance des arbres serait relativement facile à prédire dans un modèle mathématique. Donc, l'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère devrait atténuer cette limitation et permettre aux arbres de pousser davantage, n'est-ce pas ?

Mais si au lieu de cela la croissance des arbres est limitée par le puits, l'arbre ne peut croître qu'à la vitesse à laquelle ses cellules peuvent se diviser. De nombreux facteurs peuvent affecter directement à la fois la photosynthèse et le taux de croissance cellulaire, notamment la température et la disponibilité de l'eau ou des nutriments. Donc, si les arbres sont limités en puits, la simulation de leur croissance doit inclure la réponse du puits à ces facteurs.

The researchers tested that question by comparing the trees' source and sink rates at sites in North America, Europe, Japan and Australia. Measuring carbon sink rates was relatively easy—the researchers just collected samples from trees that contained records of growth. "Extracting wood cores from tree stems and measuring the width of each ring on these cores essentially lets us reconstruct past tree growth," says Antoine Cabon, a postdoctoral scholar in the School of Biological Sciences and lead author of the study.

Measuring carbon sources is tougher, but doable. Source data was measured with 78 eddy covariance towers, 30 feet tall or more, that measure carbon dioxide concentrations and wind speeds in three dimensions at the top of forest canopies, Cabon says. "Based on these measurements and some other calculations," he says, "we can estimate the total forest photosynthesis of a forest stand."

Decoupled

The researchers analyzed the data they collected, looking for evidence that tree growth and photosynthesis were processes that are linked, or coupled. They didn't find it. When photosynthesis increased or decreased, there was not a parallel increase or decrease in tree growth.

"Strong coupling between photosynthesis and tree growth would be expected in the case where tree growth is source limited," Cabon says. "The fact that we mostly observe a decoupling is our principal argument to conclude that tree growth is not source-limited."

Surprisingly, the decoupling was seen in environments across the globe. Cabon says they did expect to see some decoupling in some places, but "we did not expect to see such a widespread pattern."

The strength of coupling or decoupling between two processes can lie on a spectrum, so the researchers were interested in what conditions led to stronger or weaker decoupling. Fruit-bearing and flowering trees, for example, exhibited different source-sink relationships than conifers. More diversity in a forest increased coupling. Dense, covered leaf canopies decreased it.

Finally, coupling between photosynthesis and growth increased in warm and wet conditions, with the opposite also true:that in cold and dry conditions, trees are more limited by cell growth.

Cabon says that this last finding suggests that the source vs. sink issue depends on the tree's environment and climate. "This means that climate change may reshape the distribution of source and sink limitations of the world forests," he says.

A new way to look forward

The key takeaway is that vegetation models, which use mathematical equations and plant characteristics to estimate future forest growth, may need to be updated. "Virtually all these models assume that tree growth is source limited," Cabon says.

For example, he says, current vegetation models predict that forests will thrive with higher atmospheric carbon dioxide. "The fact that tree growth is often sink limited means that for many forests this may not actually happen."

That has additional implications:forests currently absorb and store about a quarter of our current carbon dioxide emissions. If forest growth slows down, so do forests' ability to take in carbon, and their ability to slow climate change.