Une étude de modélisation révèle l’état des lacs allemands face au changement climatique

En utilisant des données de surveillance à long terme provenant de 46 lacs allemands, des chercheurs de l’Institut Leibniz d’écologie des eaux douces et de la pêche intérieure (IGB), en coopération avec le Centre Helmholtz de recherche environnementale de Magdebourg, ont montré que les températures de surface des lacs ont augmenté plus rapidement que les températures de l’air au cours des 30 dernières années.

Les concentrations d’oxygène dans les eaux profondes ont diminué. La modélisation suggère que cette tendance va se poursuivre. La bonne nouvelle est que le manque d’oxygène dans l’hypolimnion pourrait être atténué si les charges en nutriments provenant des rejets urbains et agricoles pouvaient être réduites. L’étude est publié dans le journal Ambiance.

À mesure que les lacs se réchauffent, leur teneur en oxygène diminue. Cela est dû en partie à la solubilité de l’oxygène dans l’eau, qui est plus faible à des températures plus élevées. De plus, les températures plus élevées provoquent une stratification thermique avec une couche superficielle plus chaude sur l’eau plus froide.

Si cette stratification persiste longtemps en été, les organismes de la zone profonde peuvent manquer d’oxygène, mais ne peuvent pas le reconstituer en raison d’un manque de mélange. Les faibles concentrations d’oxygène qui en résultent peuvent être problématiques pour toutes les formes de vie supérieures.

L’équipe de recherche a utilisé des données à long terme s’étendant sur au moins 30 ans et des modèles hydrodynamiques pour étudier comment la température de l’eau, la stratification des lacs et les concentrations d’oxygène dans la couche profonde de 46 lacs allemands changent en réponse au réchauffement climatique.

L’analyse des données à long terme montre que la température moyenne annuelle de surface de tous les lacs a augmenté de 0,5 degré Celsius par décennie (°C/décennie) entre 1990 et 2020. Cela signifie que les lacs allemands se sont réchauffés plus fortement que l’air au cours de la même période, avec une augmentation de 0,43 °C/décennie. La température de l’eau dans les eaux profondes est restée presque constante.

Entre 1990 et 2020, les concentrations d’oxygène étaient inférieures à 2 milligrammes par litre (mg/L) dans 51 % des mesures estivales et 62 % des mesures automnales. Cette concentration est considérée comme un seuil critique pour la survie de nombreux organismes d’eau douce.

« L’apparition de conditions de faible teneur en oxygène a augmenté parallèlement à l’augmentation des températures, en particulier en automne. Cela est dû à une stratification thermique plus stable », explique Robert Schwefel, chercheur à l’IGB et auteur principal de l’étude.

Changement climatique : la stratification thermique prolongée, et non l’augmentation des températures, est le principal facteur de désoxygénation

Les chercheurs ont utilisé des modèles hydrodynamiques de lacs pour simuler les tendances futures de la température et de l’oxygène jusqu’en 2099, sur la base de différents scénarios d’émissions du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Les simulations ont été réalisées sur 12 lacs pour lesquels des données de mesure à haute résolution étaient disponibles pour l’étalonnage du modèle.

Dans le scénario pessimiste d’émissions RCP 8.5, qui suppose une augmentation continue des gaz à effet de serre jusqu’à la fin du siècle, la température de surface des lacs continuerait d’augmenter de 0,3°C/décennie jusqu’en 2099.

Dans le scénario intermédiaire RCP 4.5, l’augmentation n’est que de 0,18°C/décennie. Dans le scénario optimiste RCP 2.6, dans lequel l’augmentation de la température de l’air est limitée à environ 2°C au-dessus des niveaux préindustriels, seule une augmentation minimale de 0,04°C/décennie est prévue. Conformément aux observations des trente dernières années, la température en profondeur augmenterait beaucoup moins.

« La différence croissante de température entre la surface et la couche profonde augmente la stratification de la température », explique Michael Hupfer, chercheur à l’IGB, qui a dirigé le projet.

Les calculs du modèle montrent que dans le scénario d’émissions pessimiste, la stratification estivale serait prolongée jusqu’à 38 jours d’ici la fin du siècle par rapport à la période 2006-2016 (de 22 jours pour le RCP 4,5 et de 13 jours pour le RCP 2,6).

La stratification croissante augmente le risque d’épuisement de l’oxygène dans la couche profonde : en utilisant un modèle d’oxygène simplifié, l’équipe a montré que les concentrations d’oxygène dans la couche profonde diminueraient de 0,7 à 1,9 mg/L en réponse à la période de stratification prolongée (RCP 4,5 de 0,6 mg/L, ou RCP 2,6 de 0,2 mg/L).

« Cela signifie que de plus grandes zones de l’hypolimnion resteraient hypoxiques, voire anoxiques, notamment en automne. Cela aurait de graves conséquences sur les habitats des poissons et sur les conditions chimiques des sédiments du lac », explique Robert Schwefel, chercheur à l’IGB.

La réduction des charges en nutriments pourrait atténuer les effets négatifs

Pour atténuer les effets du changement climatique, d’autres facteurs de stress peuvent être réduits, comme les charges en nutriments comme les nitrates et les phosphates provenant des rejets urbains et agricoles. Ces éléments agissent comme des engrais dans les plans d’eau et stimulent les processus biologiques tels que la croissance des algues. À leur tour, la consommation d’oxygène dans les eaux profondes augmente à mesure que l’oxygène s’épuise au cours des processus de décomposition ultérieurs.

Dans leur étude, l’équipe a également modélisé l’effet combiné du changement climatique et de la réduction des apports en nutriments sur le bilan d’oxygène. La bonne nouvelle : même dans le scénario d’émissions le plus pessimiste, une réduction des nutriments d’un niveau trophique entraînerait une augmentation des concentrations d’oxygène, ce qui atténuerait les effets du réchauffement.

Dans le scénario climatique le plus pessimiste, RCP 8,5, les concentrations d’oxygène dans les eaux profondes ont augmenté alors que la consommation d’oxygène dans les eaux profondes était supposée être typique des conditions d’apports réduits en nutriments.

« Nos résultats indiquent que les effets négatifs du changement climatique sur l’équilibre en oxygène des lacs peuvent être efficacement atténués par des efforts accrus pour limiter les apports de nutriments », a déclaré Hupfer.