La limite forestière augmente partout dans le monde en raison du réchauffement climatique. Selon les régions, ils grimpent entre 10 et 100 mètres par an, rapprochant ainsi les forêts des lacs de haute altitude et de haute latitude. Cela aura sans aucun doute un impact sur les deux écosystèmes.

Pour la première fois, une équipe de scientifiques a examiné de près quelles pourraient être les conséquences possibles au niveau moléculaire. Leurs conclusions, publiées récemment dans Nature Communications , suggèrent que l'élévation de la limite des arbres pourrait affecter la matière organique dissoute (MOD) dans les lacs de haute altitude et de haute latitude et modifier la composition biogéochimique de l'eau des lacs.

Plus précisément, les scientifiques ont observé que les bactéries naturelles exposées à ce nouveau carbone pourraient devenir moins efficaces dans la production de biomasse, créant ainsi une source potentielle d'émissions de gaz à effet de serre. Cette découverte est particulièrement importante compte tenu des milliers de lacs de ce type sur notre planète.

Le carbone organique du sol est composé différemment selon qu'il se trouve dans une prairie alpine ou dans une forêt. Jusqu'à présent, les scientifiques ne savaient pas exactement comment le carbone organique contenu dans les sols réagirait une fois infiltré dans les lacs alpins et subarctiques.

Ces lacs contiennent déjà de petites quantités de DOM, qui jouent un rôle vital en tant que ressource pour les bactéries naturelles. Mais à mesure que la limite forestière avance, la composition du sol entourant les lacs changera et lorsqu'il pleuvra ou à mesure que la neige fondra, le carbone organique contenu dans le sol sera transporté dans les lacs.

C'est le processus qu'a étudié l'équipe de recherche, dont fait partie Hannes Peter de l'EPFL. Peter est écologiste et biogéochimiste au Laboratoire des écosystèmes fluviaux (RIVER) de l'EPFL, qui fait partie du centre de recherche ALPOLE sur les environnements alpins et polaires à Sion.

Lacs du nord de la Finlande et des Alpes autrichiennes

Les bactéries des lacs réagissent généralement à la DOM de deux manières :soit elles s'en nourrissent et se développent pour produire la biomasse qui constitue la base de la chaîne alimentaire ; soit ils le traitent de manière inefficace et le respirent sous forme de CO₂ . Pour étudier ces mécanismes de plus près, les chercheurs ont mené des expériences sur le terrain dans un lac de haute latitude dans le nord de la Finlande et dans un lac de haute altitude en Autriche, et les ont associées à des expériences et analyses en laboratoire.

"Notre plan était d'exposer les bactéries du lac au carbone organique provenant de différents types de sol", explique Peter. "Nous avons collecté des échantillons d'eau de lac et ajouté de la DOM dérivée du sol au-dessus et en dessous de la limite forestière, puis avons observé la réponse de la bactérie.

"Nous voulions savoir s'ils produiraient plus de biomasse ou rejetteraient plutôt du CO₂ . La réponse était que lorsqu'elles étaient exposées à la DOM dérivée du sol en dessous de la limite forestière, les bactéries émettaient plus de CO₂ ."

Résolution de molécules de carbone individuelles

L'équipe a utilisé un instrument sophistiqué et de haute précision installé dans une université partenaire en Allemagne pour mener ses analyses. Avec cet instrument, ils ont pu examiner chaque molécule de DOM individuellement.

"La technologie avancée et les systèmes haute performance désormais disponibles pour analyser le carbone nous permettent de voir l'intérieur de la "boîte noire"", explique Peter. "Nous avons identifié plus de 2 500 molécules contenues dans le DOM et avons pu comprendre lesquelles les bactéries métabolisaient le plus rapidement.

"Nous avons également étudié l'ensemble du processus de décomposition. C'est ainsi que nous avons pu conclure que les bactéries des lacs alpins peuvent émettre plus de CO₂ quand la limite des arbres s'élève."

Il poursuit en expliquant que les conséquences pourraient être importantes. "Notre étude n'était que la première étape. Nous avons uniquement examiné l'efficacité des bactéries dans la gestion du DOM. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer comment le carbone supplémentaire affectera l'environnement. Mais ce qui est fascinant chez les bactéries, c'est la rapidité avec laquelle elles peuvent s'adapter à conditions changeantes."

Cartographie de l'expansion de la forêt alpine en Suisse

Un autre groupe de scientifiques du centre de recherche ALPOLE de l'EPFL étudie également les effets du déplacement de la limite des arbres. Thien-Anh Nguyen, titulaire d'un doctorat. étudiante au Laboratoire de sciences informatiques de l'environnement et d'observation de la Terre (ECEO) et ses collègues ont développé un programme basé sur l'IA qui cartographie l'expansion forestière dans les Alpes suisses sur une période de 80 ans.

Le programme est disponible en open source et montre clairement comment la limite forestière s'est déplacée vers des altitudes plus élevées à travers les Alpes vaudoises et valaisannes.

Nguyen et ses collègues ont entraîné leurs algorithmes à l’aide de milliers de photographies prises entre 1946 et 2020 et fournies par l’Office fédéral suisse de topographie. Le défi consistait à entraîner efficacement les algorithmes malgré le large éventail de qualités d'image et de résolution contenues dans l'ensemble de données.

Le programme illustre la rapidité avec laquelle le changement se produit, principalement en raison des températures plus élevées et de l'abandon des terres agricoles. Il sera utilisé pour quantifier l'effet de ces deux facteurs.

L'étude de Nguyen, publiée dans Remote Sensing of Environment , est le premier à cartographier la progression de la limite forestière alpine à une si grande échelle et à un niveau aussi granulaire.