À une époque où les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique sont sans précédent, la question de savoir si les plantes et les arbres peuvent utiliser l'excès de carbone par photosynthèse est d'une importance primordiale. Les chercheurs ont observé ce qu'on a appelé le CO 2 effet fertilisant, où les taux de photosynthèse des plantes augmentent en réponse à des niveaux plus élevés de CO 2 dans l'atmosphère, bien que cela dépende de divers autres facteurs tels que la température, humidité, disponibilité des nutriments, etc. Un groupe de chercheurs du Québec a cherché à mieux comprendre comment les plus vieux arbres boréaux d'Amérique du Nord—Thuja occidentalis L, cèdre blanc - ont répondu à des niveaux plus élevés de CO atmosphérique 2 ( c une ) en termes d'efficacité intrinsèque de l'utilisation de l'eau de ces arbres (iWUE ).

Claudie Giguère-Croteau et ses collègues ont publié leur étude « Les arbres boréaux les plus anciens de l'Amérique du Nord sont des utilisateurs d'eau plus efficaces en raison de l'augmentation de [CO 2 ], mais ne grandissez pas plus vite, " récemment dans PNAS . Leur étude des cèdres blancs de la lisière sud de la forêt boréale nord-américaine comprend une analyse à double isotope d'anneaux d'arbres de 715 ans situés autour des rives du lac Duparquet au Québec. L'âge extrême des arbres est significatif en ce que les anneaux de croissance échantillonnés fournissent des centaines d'années de données sur le climat et les conditions de croissance avant le début de la révolution industrielle et l'augmentation concomitante du dioxyde de carbone atmosphérique ( c une ), lequel, selon les critères de cette étude, a commencé en 1850. Comme le notent les auteurs de l'étude, « les plantes n'ont pas été exposées à des concentrations [de c une ] au-dessus de 290 ppm pendant au moins 650, 000 ans, ainsi le couplage dynamique carbone-eau qui a prévalu pendant plusieurs millénaires pourrait être perturbé avec un potentiel, encore incertain, impacts sur le fonctionnement de l'hydro-écosystème."

Élevé c une , en termes de réponse physiologique des plantes, est connu pour correspondre à iWUE —une mesure de l'absorption de carbone par unité d'eau perdue—bien que iWUE peut également être régi par des variables telles que le taux d'assimilation ( UNE ) et la conductance stomatique ( g s ), et comment ces variables affectent finalement le carbone interne d'une plante ( c je ). Les auteurs citent trois scénarios possibles qui expliquent les processus d'acclimatation des arbres en réponse à l'augmentation c une en relation avec iWUE .

Le scénario 1 (S1) suppose une constante c je , dans lequel iWUE augmente fortement. Le scénario 2 (S2) permet une constante c je /c une rapport, dans lequel iWUE augmente modérément. Le scénario 3 (S3) suppose une différence constante entre c une et c je , par lequel iWUE reste constant. S1 semble le scénario le plus plausible face au CO 2 effet fertilisant, bien que peu de données à long terme existent pour élucider davantage la nature spécifique de iWUE dans une forêt boréale nord-américaine, et beaucoup d'incertitudes existent à cet égard. Dans ce contexte, Giguère-Croteau et ses collègues présentent leurs conclusions.

Les chercheurs ont utilisé une analyse à double isotope des cernes des arbres (δ 13 C et δ 18 O; carbone-13 et oxygène-18, respectivement) pour suivre les changements dans iWUE sur une période de 715 ans. Leurs résultats ont montré « un résultat remarquable et sans précédent (59%) iWUE augmenter au cours des 150 dernières années, " la période de suivi du début des principales émissions de carbone atmosphérique anthropique. L'examen des données à double isotope de cette période a révélé deux modèles distincts de iWUE activité, correspondant chacun à deux des trois iWUE scénarios décrits précédemment.

La première phase, couvrant les années 1850 à 1965, correspondait à S1, où c je reste constant par rapport à l'augmentation c une . Cette période a montré une augmentation de 28 % de iWUE par rapport à la moyenne préindustrielle de la période précédente de 550 ans. En 1965, lorsque c une les niveaux ont atteint 320 ppm cependant, iWUE l'activité s'est déplacée pour refléter une constante c je /c une rapport (0,49), comme décrit dans S2, et cela s'est accompagné d'une augmentation supplémentaire de 31 % des iWUE .

Le taux d'augmentation de iWUE observée dans la première phase de l'étude est parmi les plus élevées jamais observées dans l'hémisphère nord, et remarquable également en ce que la réponse s'est produite dans des arbres déjà matures. Le passage d'une activité constante c je à une proportion C je /C une relation - un changement de paradigme de S1 à S2 - qui a eu lieu dans la deuxième période commençant en 1965, était aussi remarquable. Aucun changement de ce genre n'avait été observé auparavant dans une forêt boréale nord-américaine.

Le changement observé dans la stratégie d'acclimatation des arbres a suggéré des changements physiologiques soit dans UNE , g s , ou les deux, Les chercheurs ont donc recherché des indices dans l'analyse à double isotope pour clarifier le mécanisme à l'œuvre dans les deux périodes. Ils ont constaté qu'en première période, de 1850 à 1965, UNE (taux d'assimilation) stimulation par augmentation du CO 2 probablement conduit iWUE augmente; mais après 1965, les iWUE réponse probablement changée en une réponse dominée par g s , C'est, dans ce cas, baisse de la conductance stomatique. En substance, ces arbres semblaient employer une stratégie qui maximisait les gains de carbone à relativement faible c une , comme vu dans la période 1. Cependant, à partir de 1965, les arbres sont passés à une stratégie d'évitement de la sécheresse alors que leur appareil photosynthétique approchait d'un point de saturation, après quoi les pertes en eau seraient disproportionnellement élevées par rapport aux gains de carbone, devaient-ils maintenir une constante c je .

Prochain, les chercheurs ont examiné les variations du climat en relation avec iWUE , examiner des variables telles que l'indice d'humidité du sol, déficit de pression de vapeur, et la température. Leur analyse a montré que, bien que chacun de ces facteurs liés au climat ait eu un effet significatif sur iWUE entre 1953 et 2014, chacun a eu un effet maximal à une fréquence de temps différente. De plus, la très forte augmentation de iWUE à partir de 1850 ne pouvait pas être attribué à des changements climatiques tels que les conditions plus chaudes/sèches qui ont prévalu depuis 1965. Les preuves indiquent que des conditions plus froides et plus humides ont en fait prévalu, et la conductance stomatique élevée nécessaire pour iWUE des augmentations au taux observé entre 1850 et 1965 n'auraient probablement pas été possibles dans des conditions plus chaudes et plus sèches. La tendance climatique des conditions plus chaudes et plus sèches peut avoir joué un rôle en facilitant le passage de S1 à S2, toutefois.

Peut-être la conclusion la plus importante de cette étude cependant, est le fait que le sans précédent iWUE les augmentations observées depuis 1850 n'ont pas entraîné une croissance substantiellement plus élevée. En regardant les indices de largeur d'anneau des arbres, les chercheurs ont trouvé des périodes de forte croissance des temps modernes relativement récents (années 1980-1990) d'une ampleur équivalente à d'autres périodes bien avant 1850. Les chercheurs proposent plusieurs explications plausibles pour ce manque de croissance apparente, allant de la croissance des composantes non souches des trois, tels que les exsudats de racines, aux limitations nutritionnelles, par exemple, l'effet du phosphore sur la croissance de la biomasse du thuya.

Indépendamment, les résultats de cette étude servent de mise en garde à ceux qui développent des modèles de végétation mondiale dynamiques (DGVM) qui reposent sur l'hypothèse qu'un carbone atmosphérique plus élevé se traduit nécessairement par un stockage plus important de carbone via la photosynthèse en biomasse. Ainsi les auteurs concluent :« Nos résultats suggèrent ainsi que même dans des conditions favorables à la croissance, tous les arbres ne peuvent pas profiter des niveaux élevés de c une et iWUE . Ces mécanismes ne sont généralement pas pris en compte par les modèles écophysiologiques et les DGVM, ce qui peut les conduire à surestimer les effets positifs conférés par une plus grande c une sur l'assimilation et la fixation du carbone. Prédictions d'une croissance future élevée et effets d'atténuation possibles sur c une pourrait être trop optimiste si les modèles ne permettent pas la possibilité d'une croissance constante ou même réduite dans un contexte d'augmentation c une ."

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