En utilisant l’une des expériences écosystémiques les plus anciennes de l’Arctique, une équipe de chercheurs dirigée par l’Université d’État du Colorado a développé une meilleure compréhension de l’interaction entre les plantes, les microbes et les nutriments du sol – des résultats qui offrent de nouvelles informations sur la façon dont les dépôts de carbone peuvent être critiques. libéré par le dégel du pergélisol arctique.
Les estimations suggèrent que les sols arctiques contiennent près de deux fois la quantité de carbone actuellement présente dans l’atmosphère. Alors que le changement climatique a provoqué le dégel de certaines parties des régions polaires les plus septentrionales de la Terre, les scientifiques s’inquiètent depuis longtemps des quantités importantes de carbone libérées sous forme de gaz à effet de serre, un processus alimenté par les microbes.
Une grande partie des efforts visant à étudier et à modéliser ce scénario se sont concentrés spécifiquement sur la façon dont la hausse des températures mondiales perturberait le carbone actuellement emprisonné dans les sols arctiques. Mais le réchauffement a également d’autres impacts sur la région, notamment en modifiant la productivité des plantes, la composition globale de la végétation dans le paysage et l’équilibre des nutriments dans le sol. Ces changements dans la composition des plantes affecteront également la manière dont le carbone est recyclé du sol vers l’atmosphère, selon une étude publiée cette semaine dans la revue Changement climatique.
Les travaux ont été dirigés par Megan Machmuller, chercheuse scientifique au département des sciences des sols et des cultures de la CSU.
« Notre travail s’est concentré sur l’identification des mécanismes responsables du contrôle du sort du carbone dans l’Arctique », a déclaré Machmuller. « Nous savons que la température joue un rôle important, mais il existe également des changements dans les écosystèmes qui accompagnent le changement climatique dans cette région. »
En particulier, a déclaré Machmuller, la région connaît une sorte de « arbuste-ification », une augmentation de l’abondance et de la croissance des arbustes. Et ce que Machmuller et ses co-auteurs ont découvert, c’est que, sur de longues périodes, ces arbustes peuvent contribuer à retenir davantage de carbone dans le sol.
« On s’est beaucoup concentré sur les effets directs du réchauffement sur le carbone du sol », a déclaré la co-auteure Laurel Lynch, professeur adjoint à l’Université de l’Idaho, « mais ce que nous constatons avec ce travail, c’est qu’il est plus complexe. Nous Nous devons considérer cet écosystème comme une communauté entière avec de nombreuses parties en interaction et des mécanismes concurrents. »
Une découverte surprenante
Pour ces nouveaux travaux, Machmuller et son équipe ont testé des échantillons de sol provenant d’une expérience écosystémique de 35 ans dans l’Arctique. En 1981, les scientifiques ont commencé à ajouter des éléments nutritifs à des parcelles d’essai sur le site de recherche écologique à long terme dans l’Arctique, dans le nord de l’Alaska, situé près du lac Toolik, au pied de la chaîne de montagnes Brooks. L’idée originale était de comprendre comment la végétation arctique réagirait à des nutriments supplémentaires au fil du temps, mais l’expérience a également permis aux scientifiques d’examiner comment les changements à long terme du sol peuvent avoir un impact sur le stockage du carbone.
Après 20 ans, les scientifiques ont découvert qu’il y avait eu une perte significative de carbone dans le sol lorsque des éléments nutritifs étaient ajoutés par rapport aux parcelles témoins, une découverte importante qui a façonné une vaste compréhension scientifique de la façon dont l’Arctique pourrait réagir au changement climatique. Ces expériences se sont poursuivies et Machmuller et son équipe ont testé à nouveau les parcelles après 35 ans d’application continue de nutriments.
Cependant, au lieu d’une perte continue de carbone, ils ont constaté que la tendance s’était inversée. Après 35 ans, la quantité de carbone stockée dans les parcelles tests avait soit récupéré, soit dépassé la quantité présente dans les parcelles témoins voisines.
« Nous avons été vraiment surpris par ces résultats et sommes devenus curieux de connaître le mécanisme sous-jacent », a déclaré Machmuller.
Machmuller et son équipe ont mené des expériences avancées de traçage des isotopes en laboratoire pour en savoir plus sur la manière dont le carbone se déplaçait dans le système. Ce qu’ils ont découvert, c’est que lorsque les nutriments étaient ajoutés pour la première fois, ils stimulaient la décomposition microbienne – un processus naturel qui implique que les microbes se déplacent dans la matière organique du sol, ce qui entraîne la libération de dioxyde de carbone.
Mais cela a changé avec le temps, à mesure que des nutriments étaient continuellement ajoutés aux parcelles d’essai. « Les arbustes ont conditionné le sol d’une manière qui a modifié le métabolisme microbien, ralentissant les taux de décomposition et permettant aux stocks de carbone du sol de se reconstituer », a déclaré Lynch. « Nous ne nous attendions pas à cela. »
« Cela offre un mécanisme biologique potentiel qui pourrait expliquer pourquoi nous avons observé une perte nette de carbone au cours des 20 premières années, mais pas après 35 ans », a déclaré Machmuller.
L’importance de regarder à long terme
Selon Machmuller, ces résultats démontrent que la manière dont l’Arctique pourrait réagir au changement climatique est plus compliquée qu’on ne le pensait auparavant. « C’est un casse-tête complexe », a-t-elle déclaré, « et cette étude a souligné pour nous l’importance d’utiliser des études à long terme pour faire progresser notre compréhension des processus écosystémiques. »
Gus Shaver, un chercheur scientifique qui a contribué à la mise en place des premières parcelles expérimentales de Toolik Lake en 1981 et qui est co-auteur de l’étude, a également souligné l’importance de réaliser ce type de travail sur de plus longues périodes.
« Nous avons montré que les expériences à long terme offrent de fréquentes surprises lorsque nous suivons la trajectoire de leurs réponses au fil du temps », a déclaré Shaver. « Ce que l’on découvre au cours des premières années d’une expérience n’est souvent pas ce que l’on apprend à partir de la 10e, de la 15e ou de la 35e année. »
Lynch a noté qu’à mesure que cet écosystème évolue, d’autres facteurs doivent être pris en compte au-delà du simple carbone. Bien qu’une augmentation de l’abondance des arbustes puisse empêcher davantage de carbone du sol de se transférer dans l’atmosphère, d’autres impacts ne sont pas aussi bénéfiques, a-t-elle déclaré.
« Lorsque vous avez une espèce végétale qui surpasse massivement le reste de la communauté, cela a des implications majeures sur l’écosystème », a déclaré Lynch. Par exemple, a-t-elle déclaré, « l’habitat et les sources de nourriture de nombreux animaux de l’Arctique dépendent de diverses communautés végétales, et la perte de cette diversité peut se répercuter sur l’ensemble de l’écosystème ».
Lauren Gifford, directrice associée du Soil Carbon Solutions Center de la CSU, qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré que les travaux mettent en évidence la nécessité d’une modélisation plus robuste et plus détaillée pour mieux anticiper l’impact du changement climatique sur le carbone stocké dans l’Arctique.
« Il s’agit d’une étude remarquable de 35 ans sur l’un des écosystèmes les plus vulnérables de la Terre », a déclaré Gifford. « Même avec des études approfondies à long terme, les impacts du changement climatique restent souvent incertains. Les interventions visant à s’adapter et à atténuer le changement climatique peuvent conduire à des résultats analogues, contradictoires ou produire des conséquences inattendues. »
Pour sa part, Machmuller espère que ces travaux encourageront de futures recherches sur ce sujet. « La recherche sur le carbone dans l’Arctique est un sujet brûlant depuis longtemps en raison du rôle essentiel qu’elle joue dans la régulation de notre climat mondial », a-t-elle déclaré. « Mais nous ne savons toujours pas à quoi ressemblera exactement le futur bilan carbone. »
Plus d’informations :
Trajectoires du carbone dans les sols arctiques façonnées par les interactions plantes-microbes, Changement climatique (2024). DOI : 10.1038/s41558-024-02147-3