Nous, les êtres humains, avons besoin des plantes pour notre survie. Tout ce que nous mangeons est composé de plantes ou d'animaux qui dépendent de plantes quelque part le long de la chaîne alimentaire. Les plantes constituent également l'épine dorsale des écosystèmes naturels et absorbent environ 30 % de tout le dioxyde de carbone émis par l'homme chaque année. Mais alors que les impacts du changement climatique s'aggravent, comment des niveaux plus élevés de CO₂ dans l'atmosphère et des températures plus chaudes affectant le monde végétal ?

CO₂ augmente la productivité de l'usine

Les plantes utilisent la lumière du soleil, le dioxyde de carbone de l'atmosphère et l'eau pour la photosynthèse afin de produire de l'oxygène et des glucides que les plantes utilisent pour l'énergie et la croissance.

Augmentation des niveaux de CO₂ dans l'atmosphère entraînent une augmentation de la photosynthèse des plantes, un effet connu sous le nom d'effet de fertilisation par le carbone. De nouvelles recherches ont révélé qu'entre 1982 et 2020, la photosynthèse mondiale des plantes a augmenté de 12 %, suivant le CO₂ les niveaux dans l'atmosphère alors qu'ils ont augmenté de 17 pour cent. La grande majorité de cette augmentation de la photosynthèse était due à la fertilisation au dioxyde de carbone.

L'augmentation de la photosynthèse entraîne une plus grande croissance de certaines plantes. Les scientifiques ont découvert qu'en réponse à une concentration élevée de CO₂ niveaux, la croissance des plantes au-dessus du sol a augmenté en moyenne de 21%, tandis que la croissance souterraine a augmenté de 28%. En conséquence, certaines cultures telles que le blé, le riz et le soja devraient bénéficier d'une augmentation du CO₂ avec une augmentation des rendements de 12 à 14 pour cent. Cependant, la croissance de certaines graminées tropicales et subtropicales et de plusieurs cultures importantes, notamment le maïs, la canne à sucre, le sorgho et le millet, n'est pas aussi affectée par l'augmentation du CO₂ .

Sous CO₂ élevé concentrations, les plantes utilisent moins d'eau pendant la photosynthèse. Les plantes ont des ouvertures appelées stomates qui permettent au CO₂ à absorber et l'humidité à libérer dans l'atmosphère. Lorsque le CO₂ les niveaux augmentent, les plantes peuvent maintenir un taux élevé de photosynthèse et fermer partiellement leurs stomates, ce qui peut réduire la perte d'eau d'une plante entre 5 et 20 %. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que cela pourrait amener les plantes à libérer moins d'eau dans l'atmosphère, en gardant ainsi plus sur terre, dans le sol et les cours d'eau.

Mais d'autres facteurs comptent

Niveaux élevés de CO₂ du changement climatique peut permettre aux plantes de bénéficier de l'effet de fertilisation du carbone et d'utiliser moins d'eau pour pousser, mais ce n'est pas que de bonnes nouvelles pour les plantes. C'est plus compliqué que cela, car le changement climatique a également un impact sur d'autres facteurs essentiels à la croissance des plantes, tels que les nutriments, la température et l'eau.

Limites d'azote

Les chercheurs qui ont étudié des centaines d'espèces végétales entre 1980 et 2017 ont découvert que la plupart des écosystèmes terrestres non fertilisés deviennent déficients en nutriments, en particulier en azote. Ils ont attribué cette diminution des nutriments aux changements mondiaux, y compris la hausse des températures et du CO₂ niveaux.

L'azote est l'élément le plus abondant sur Terre, représentant environ 80 % de l'atmosphère. C'est un élément essentiel de l'ADN et de l'ARN et les plantes en ont besoin pour fabriquer des glucides et des protéines pour leur croissance. Cependant, les plantes ne peuvent pas utiliser l'azote gazeux présent dans l'atmosphère car il contient deux atomes d'azote triplement liés si étroitement qu'ils sont difficiles à séparer en une forme que les plantes peuvent utiliser. La foudre a suffisamment d'énergie pour rompre la triple liaison, un processus appelé fixation de l'azote. L'azote est également fixé dans le processus industriel de production d'engrais.

Mais la majeure partie de la fixation de l'azote se produit dans le sol, où certains types de bactéries se fixent aux racines des plantes, comme les légumineuses. Les bactéries obtiennent du carbone de la plante et dans un échange symbiotique, fixent l'azote, le combinant avec de l'oxygène ou de l'hydrogène dans des composés que les plantes peuvent utiliser.

Kevin Griffin, professeur au Département d'écologie, d'évolution et de biologie environnementale de l'Université de Columbia et à l'Observatoire de la Terre Lamont-Doherty, a expliqué que la plupart des êtres vivants ont un rapport relativement fixe entre le carbone et l'azote. Cela signifie que si les plantes absorbent plus de CO₂ pour créer des glucides car il y a plus de CO₂ dans l'atmosphère, la quantité d'azote dans les feuilles peut être diluée, et la productivité d'une plante dépend d'avoir suffisamment d'azote. "Si vous augmentez le CO₂ autour d'une feuille ou autour de la plante ou autour de la parcelle de forêt, généralement la productivité augmente », a-t-il déclaré. « Mais que cette augmentation de la productivité dure ou non et soit permanente, cela peut dépendre de la question de savoir si vous avez [assez] d'azote. . Donc, si l'azote est limité, il se peut qu'une plante ne puisse tout simplement pas utiliser ce CO supplémentaire₂ et son gain de productivité peut être de courte durée."

Les arbres absorbent actuellement environ un tiers du CO₂ d'origine humaine émissions, mais leur capacité à continuer à le faire dépend de la quantité d'azote dont ils disposent. Si l'azote est limité, l'avantage de l'augmentation du CO₂ sera également limité.

Des recherches antérieures sur la fixation de l'azote, basées sur des mesures de bactéries libres, avaient prédit que le processus de fixation fonctionne le plus rapidement à 25°C, et que lorsque les températures s'élevaient au-dessus de 25°C, le taux de fixation diminuerait. Dans un monde en réchauffement, cela aurait signifié un scénario d'emballement où la fixation de l'azote diminuerait à mesure que les températures augmenteraient, entraînant une baisse de la productivité des plantes. Les plantes élimineraient alors moins de CO₂ de l'atmosphère qui provoquerait un réchauffement supplémentaire et moins de fixation d'azote, et ainsi de suite. Griffin et ses collègues ont développé un instrument qui leur a permis de mesurer la réponse thermique de l'azote sur les bactéries qui formaient une association avec les racines des plantes, par opposition aux bactéries libres.

"Ce que nous avons découvert avec notre nouvel instrument examinant les symbioses de plantes entières dans les arbres tempérés et tropicaux, c'est que la température optimale pour la fixation de l'azote était en fait supérieure d'environ 5 °C à toutes ces estimations précédentes, et dans certains cas jusqu'à 11 °C. ° C plus élevé. Cela doit être testé sur un grand nombre de plantes, mais si cela se vérifie, cela signifie que la probabilité de diminution de la fixation de l'azote est beaucoup plus faible que nous ne le pensions, ce qui signifie que les plantes pourraient rester plus productives et empêcher le scénario d'emballement ."

La hausse des températures

Les travaux de Griffin ont également révélé que la réponse en température de la fixation de l'azote est indépendante de la réponse en température de la photosynthèse, qui implique des enzymes fabriquées avec de l'azote. Des températures plus élevées peuvent rendre ces enzymes moins efficaces. Rubisco est l'enzyme clé qui aide à transformer le dioxyde de carbone en glucides lors de la photosynthèse, mais à mesure que les températures augmentent, il "se détend" et la forme de sa poche qui retient le CO₂ devient moins précis. Par conséquent, un cinquième du temps, l'enzyme finit par fixer l'oxygène au lieu du dioxyde de carbone, réduisant l'efficacité de la photosynthèse et gaspillant les ressources de la plante. Avec une augmentation de température encore plus importante, Rubisco peut se désactiver complètement. Étant donné que les plantes réagissent à l'engrais azoté en augmentant la quantité de Rubisco dont elles disposent et en poussant davantage, la découverte que la fixation de l'azote peut être maintenue à des températures plus élevées qu'on ne le pensait auparavant offre la possibilité de compenser l'efficacité décroissante de Rubisco à des températures plus élevées. /P>

La hausse des températures entraîne également des saisons de croissance plus longues et plus chaudes. Parce que les plantes pousseront plus et plus longtemps, elles utiliseront en fait plus d'eau, annulant les avantages de la fermeture partielle de leurs stomates. Contrairement à ce que les scientifiques croyaient dans le passé, le résultat sera des sols plus secs et moins de ruissellement nécessaire pour les ruisseaux et les rivières. Cela pourrait également conduire à un réchauffement plus local puisque l'évapotranspiration - lorsque les plantes libèrent de l'humidité dans l'air - maintient l'air plus frais. De plus, lorsque les sols sont secs, les plantes sont stressées et n'absorbent pas autant de CO₂ , ce qui pourrait limiter la photosynthèse. Les scientifiques ont découvert que même si les plantes absorbaient l'excès de carbone pour la photosynthèse au cours d'une année humide, la quantité ne pouvait pas compenser la quantité réduite de CO₂ absorbée au cours d'une année sèche précédente.

Des hivers plus chauds et une saison de croissance plus longue aident également les ravageurs, les agents pathogènes et les espèces envahissantes qui nuisent à la végétation. Pendant les saisons de croissance plus longues, davantage de générations de ravageurs peuvent se reproduire, car les températures plus chaudes accélèrent les cycles de vie des insectes, et davantage de ravageurs et d'agents pathogènes survivent pendant les hivers chauds. La hausse des températures pousse également certains insectes à envahir de nouveaux territoires, avec parfois des effets dévastateurs pour les plantes locales.

Des températures plus élevées et une augmentation de l'humidité rendent également les cultures plus vulnérables. Les mauvaises herbes, dont beaucoup prospèrent dans la chaleur et le CO₂ élevé , causent déjà environ 34 pour cent des pertes de récoltes; les insectes causent 18 pour cent des pertes et les maladies 16 pour cent. Le changement climatique va probablement amplifier ces pertes.

De nombreuses cultures commencent à subir un stress à des températures supérieures à 32° à 35°C, bien que cela dépende du type de culture et de la disponibilité de l'eau. Les modèles montrent que chaque degré de chaleur supplémentaire peut entraîner une perte de 3 à 7 % des rendements de certaines cultures importantes, telles que le maïs et le soja.

De plus, une augmentation de la température accélère le cycle de vie de la plante de sorte qu'à mesure que la plante mûrit plus rapidement, elle a moins de temps pour la photosynthèse et produit par conséquent moins de grains et des rendements plus faibles.

Les plantes sont également en mouvement en réponse au réchauffement des températures. Les espèces adaptées à certaines conditions climatiques se déplacent progressivement vers le nord ou vers des altitudes plus élevées où il fait plus frais. Au cours des dernières décennies, de nombreuses usines nord-américaines se sont déplacées d'environ 36 pieds vers des altitudes plus élevées ou de 10,5 miles vers des latitudes plus élevées tous les 10 ans. La limite des arbres arctiques se déplace également de 131 à 164 pieds vers le nord en direction du pôle chaque année. Les nouveaux environnements peuvent être moins hospitaliers pour les espèces qui s'y installent car il peut y avoir moins d'espace ou plus de concurrence pour les ressources. Certaines espèces peuvent n'avoir nulle part où se déplacer et, en fin de compte, certaines espèces seront désavantagées par les changements tandis que d'autres en bénéficieront.

Temps extrêmes

Le changement climatique entraînera des phénomènes météorologiques extrêmes plus fréquents et plus graves, notamment des précipitations extrêmes, des perturbations éoliennes, des vagues de chaleur et des sécheresses. Les précipitations extrêmes peuvent perturber la croissance des plantes, en particulier dans les forêts récemment brûlées, et rendre les plantes plus vulnérables aux inondations et les sols à l'érosion. Des vents violents plus fréquents peuvent stresser les peuplements d'arbres.

Le changement climatique devrait également entraîner davantage de vagues de chaleur et de sécheresses combinées, ce qui annulerait probablement les avantages de l'effet de fertilisation par le carbone. Alors que les rendements des cultures diminuent souvent pendant les saisons de croissance chaudes, la combinaison de la chaleur et de la sécheresse pourrait entraîner une chute des rendements du maïs de 20 % dans certaines régions des États-Unis et de 40 % en Europe de l'Est et en Afrique du Sud-Est. En outre, la combinaison de la chaleur et de la rareté de l'eau peut réduire les rendements des cultures dans des endroits comme le nord des États-Unis, le Canada et l'Ukraine, où les rendements des cultures devraient augmenter en raison des températures plus chaudes.

Autres effets de l'augmentation du CO₂

Bien que certaines récoltes puissent augmenter, l'augmentation du CO₂ les niveaux affectent le niveau d'éléments nutritifs importants dans les cultures. Avec CO₂ élevé , les concentrations de protéines dans les grains de blé, de riz et d'orge et dans les tubercules de pomme de terre ont diminué de 10 à 15 % dans une étude. Les cultures perdent également des minéraux importants, notamment du calcium, du magnésium, du phosphore, du fer et du zinc. Une étude de 2018 sur les variétés de riz a révélé que, même si le CO₂ était élevé les concentrations de vitamine E ont augmenté, elles ont entraîné une diminution des vitamines B1, B2, B5 et B9.

Et, contre toute attente, le CO₂ -l'augmentation alimentée de la croissance des plantes peut entraîner une diminution du stockage du carbone dans le sol. Des recherches récentes ont montré que les plantes doivent puiser plus de nutriments dans le sol pour suivre la croissance supplémentaire déclenchée par la fertilisation au carbone. Cela stimule l'activité microbienne, qui finit par libérer du CO₂ dans l'atmosphère qui, autrement, auraient pu rester dans le sol. Les résultats remettent en question la croyance de longue date selon laquelle, à mesure que les plantes poussent davantage en raison de l'augmentation du CO₂ , la biomasse supplémentaire se transformerait en matière organique et les sols pourraient augmenter leur stockage de carbone.

Les plantes font face à un avenir incertain

De nombreuses études sur la réponse de la vie végétale au changement climatique semblent suggérer que la plupart des plantes seront plus stressées et moins productives à l'avenir. Mais il reste encore de nombreuses inconnues sur la manière dont les interactions complexes entre la physiologie et le comportement des plantes, la disponibilité et l'utilisation des ressources, l'évolution des communautés végétales et d'autres facteurs affecteront la vie végétale globale face au changement climatique.