Pour mieux comprendre les dynamiques importantes en jeu dans les zones côtières sujettes aux inondations, les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge travaillant sur des simulations des cycles du carbone et des nutriments de la Terre ont rendu visite à des scientifiques collectant des données dans une zone humide du Texas. Là-bas, le retour d’une espèce clé de mangrove contient des indices importants sur les impacts climatiques actuels et futurs sur les écosystèmes côtiers.
Ben Sulman et Shannon Jones de l’ORNL se sont rendus cet été à Port Aransas, au Texas, où les mangroves noires connaissent une renaissance après avoir été dévastées par un gel extrême en 2021. Les mangroves, qui prospèrent dans les eaux salées et saumâtres, défendent les écosystèmes côtiers des ondes de tempête et fournissent habitat important pour les poissons, les reptiles et les oiseaux. Ils soutiennent l’industrie de la pêche, éliminent le carbone de l’atmosphère et pourraient se développer le long des côtes américaines du Golfe à mesure que le climat se réchauffe.
Les mangroves et autres processus côtiers affectant les cycles du carbone et de l’azote sont sous-représentés dans les modèles actuels de systèmes terrestres à l’échelle de la Terre. En observant la collecte de données le long de la côte du Texas, Sulman et Jones ont acquis une meilleure compréhension des conditions et de la dynamique nécessaires pour améliorer les simulations terrestres à grande échelle, capables de mieux prédire et aider à préparer les communautés côtières aux inondations et à d’autres risques liés au climat.
Jones est un chercheur postdoctoral avec une formation en hydrologie et en modélisation des inondations. Elle travaille avec Sulman sur la représentation des processus biogéochimiques dans les modèles de zones humides côtières afin de mieux prédire les réponses des écosystèmes au changement climatique, à l’activité humaine et à l’élévation du niveau de la mer. Les travaux font partie d’un ministère de l’Énergie Prix du programme de recherche en début de carrière dirigé par Sulman.
L’objectif de Jones est d’évaluer les changements dans le cycle du carbone et de l’azote dans ces écosystèmes dans le modèle terrestre Exascale Earth System, ou E3SM, du DOE, connu sous le nom d’ELM, en mettant l’accent sur les effets de l’expansion des mangroves dans les zones de marais salants.
Les scientifiques de l’ORNL ont rejoint les responsables des excursions sur le terrain de l’Université du Texas à Austin et des collaborateurs de l’US Geological Survey et de l’Université de Louisiane à Lafayette. Dans ce récit de première main, Jones décrit son expérience de travail sur le terrain et la manière dont elle éclaire ses recherches actuelles.
Naviguer vers la restauration de l’écosystème des mangroves
J’ai contacté des scientifiques de l’UT-Austin pour discuter des principales caractéristiques du cycle des nutriments des mangroves qui les différencient des autres espèces de plantes des zones humides.
Une équipe universitaire dirigée par Ashley Matheny avait collecté des données sur un site de mangrove côtier du Texas qui fournissent des informations uniques sur la façon dont l’écosystème se rétablit après un épisode de gel profond en 2021. Cela a piqué mon intérêt et celui de Ben alors que nous nous concentrons sur la définition, ou paramétrage des limites de survie des plantes dans le modèle pour simuler plus précisément les plantes des zones humides qui vivent dans des zones très dynamiques. Nous avons décidé de participer à une excursion sur le terrain organisée et dirigée par Matheny.
Nous avons commencé tôt le jour de la campagne d’échantillonnage sur le terrain, au départ de l’Institut des sciences marines de l’Université du Texas, ou UT MSI, à Port Aransas.
Le site de mangrove, accessible uniquement par bateau, est situé sur une île de la baie d’Aransas, entre le continent et l’île-barrière. À 7 heures du matin, nous avons rencontré Ashley Matheny, Melinda Martinez de l’US Geological Survey et deux étudiants diplômés, Robert Bordelon et Aaron Gondran de l’UL de Lafayette, pour un bref briefing sur la sécurité, pour discuter du plan de terrain et charger l’équipement dans le bateau. Le bateau de huit places appartient et est exploité par UT MSI et était conduit par un capitaine de bateau agréé UT MSI.
Les vagues étaient calmes lorsque le bateau a décollé du quai. Une brume de sel et des vagues remplissaient l’air alors que le bateau se dirigeait vers l’île. Le trajet en bateau a duré environ 20 minutes à travers un chenal de navigation jusqu’à Harbour Island, près d’un phare historique.
Une fois arrivés sur le site, nous sommes descendus du bateau dans de la boue molle entourée d’une étrange « forêt fantôme » de mangroves rabougries et mortes dans 2 pieds d’eau. Avant le gel de 2021, l’écosystème était sain et dense, avec des racines qui assuraient la stabilité de la boue. Désormais, de la plupart des mangroves matures, il ne restait que les branches mortes qui ne retenaient plus les sédiments ensemble, ce qui faisait couler un peu nos bottes, rendant la marche difficile.
Une fois l’équipement chargé du bateau sur un radeau flottant, chacun des collaborateurs a commencé à travailler sur différentes tâches de collecte de données sous notre observation et notre assistance. Matheny s’est rendue de l’autre côté de la mangrove pour recalibrer et collecter les données d’une tour à flux qu’elle a installée il y a quelques années. La tour mesure les échanges de dioxyde de carbone et de méthane entre l’écosystème et l’atmosphère ainsi que la température, les précipitations ainsi que la direction et la vitesse du vent, entre autres données météorologiques.
Pendant que Matheny travaillait sur la tour à flux, les autres collaborateurs collectaient des données à l’aide de deux instruments principaux : des sippers d’eau interstitielle et une chambre à flux de gaz à effet de serre. L’eau interstitielle, qui est l’eau trouvée dans les espaces ouverts sous la surface du sol, a été collectée à l’aide d’un « sipper » – un dispositif constitué de tubes en acier inoxydable avec un port d’échantillonnage inséré dans de petits trous dans les sédiments.
Les sippers utilisent une pompe pour extraire l’eau du sol, qui est ramenée au laboratoire et analysée pour les concentrations de dioxyde de carbone, de méthane et d’oxyde nitreux. Une chambre flottante transparente reliée à un analyseur portable a été utilisée pour mesurer les émissions de dioxyde de carbone et de méthane des mangroves individuelles – mortes et vivantes – et de la surface de l’eau.
La mesure de ces gaz responsables du réchauffement climatique est inestimable pour déterminer comment les composants de l’écosystème – les plantes, l’atmosphère et le sol – absorbent et libèrent des gaz. Ces données aident les scientifiques à confirmer et à comprendre les flux de gaz globaux de l’écosystème mesurés à partir de la tour de flux.
La journée sur le terrain a été longue, mais nous avons bénéficié d’un temps magnifique. En raison de l’emplacement du site au milieu d’une zone humide inondée, il n’y avait pas de place pour s’asseoir, nous étions donc debout toute la journée ! En dialoguant avec les collaborateurs pendant la collecte, nous avons appris un contexte important sur les mangroves que nous aurions pu ignorer si nous n’avions pas visité le site. Il est intéressant de noter qu’à cet endroit et dans tout le Golfe, ces mangroves sont considérées comme des espèces naines mesurant 1 à 2 pieds de haut. Les mangroves noires, qui poussent sous forme de grands arbres dans les climats plus tropicaux, deviennent plus petites et plus arbustives le long de la côte américaine, où l’aire de répartition de leurs espèces est limitée par des gels périodiques.
En observant par nous-mêmes comment l’écosystème réagit à la suite d’un gel majeur et en utilisant ces informations pour ajouter des limites aux simulations de zones humides, nous pouvons aider à prédire comment les habitats de mangroves pourraient changer ou s’étendre avec un climat plus chaud à l’avenir. Après une journée complète de travail sur le terrain, nous sommes retournés à terre, où nous avons déchargé le matériel et célébré une journée sur le terrain réussie avec un dîner au Gaff, un favori local.
Le lendemain, Ben et moi avons rencontré Katie Swanson, coordinatrice de l’intendance pour la réserve nationale de recherche estuarienne Mission Aransas, et Matheny pour une visite des installations de l’UT MSI et une réunion finale des collaborateurs. Ben et moi avons demandé des données d’observation qui seraient utiles pour calibrer et comparer aux données modélisées. Nous avons discuté d’articles et de données déjà publiés, d’autres collaborateurs disposant de données possibles et des prochaines étapes de notre collaboration. Nous sommes repartis ravis de cette excursion réussie et de la poursuite du partenariat.
Exploiter les données pour mieux comprendre les mangroves
Le travail acharné de collecte de données est inestimable et n’est pas toujours reconnu dans la modélisation du système terrestre. Ainsi, ce voyage de recherche était important pour établir des liens avec les collaborateurs et pour fournir une meilleure compréhension globale des conditions et des dynamiques importantes à inclure dans les simulations de modèles.
Ben et moi avons adopté l’approche intégrée modèle-observation-expérience, ou ModEx, du programme de recherche biologique et environnementale pour garantir que le modèle utilise les connaissances de terrain les plus récentes sur les écosystèmes de mangrove et pour aider à éclairer les domaines où le modèle et la recherche sur le terrain peut s’améliorer. Dans le cadre de la préparation du voyage, nous avons testé un nouveau résumé de sécurité de la recherche ORNL qui rationalise le processus permettant au personnel non terrain, tel que les modélistes, d’effectuer des visites de site en toute sécurité afin de se familiariser avec un site et des méthodes d’observation.
Il est important de définir une nouvelle plante de zone humide de mangrove pour mieux représenter le cycle du carbone et des nutriments dans le modèle ELM afin de simuler l’évolution des différents types de zones humides le long de la côte américaine selon différents scénarios climatiques. Je définis actuellement les mangroves dans l’ELM sur la base des informations issues de la visite sur le terrain et des données de la littérature.
L’étape suivante consiste à comparer les simulations du modèle de l’écosystème de mangrove dans des scénarios climatiques extrêmes aux modèles issus des données observées. Je testerai plusieurs scénarios pour prédire comment le cycle du carbone et de l’azote dans les écosystèmes de mangrove pourrait changer en raison d’une élévation à long terme du niveau de la mer, d’un gel majeur et d’un ouragan majeur. L’objectif est de passer à des simulations régionales de disparition et d’expansion des mangroves.