Chaleur et sécheresse : l’expérience du WSL et de l’EPFL à +5 °C sur les forêts

Un avenir plus chaud semble annoncer de mauvaises nouvelles pour les forêts - et c’est probablement le cas. Mais une nouvelle expérience indique que, pour de nombreux arbres, le vrai danger ne vient pas de la température seule : c’est la chaleur combinée à un sol sec.

Cette étude, pilotée par l’Institut fédéral suisse de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) et l’EPFL, s’appuie sur un dispositif rare et suivi dans la durée à Birmensdorf, près de Zurich.

Depuis plus de cinq ans, de jeunes hêtres et chênes pubescents y poussent dans des chambres climatiques où les chercheurs peuvent augmenter la chaleur, réduire l’eau, ou appliquer les deux contraintes simultanément.

L’objectif était volontairement simple : reproduire le type d’étés auxquels l’Europe centrale pourrait être confrontée si le réchauffement atteint environ +5°C (soit +9°F), puis observer ce qui arrive réellement aux feuilles.

Le résultat, assez contre-intuitif, est le suivant : lorsque l’eau ne manque pas, les feuilles supportent des niveaux de chaleur étonnamment élevés ; en revanche, sous sécheresse, la même chaleur peut provoquer des lésions irréversibles.

À l’intérieur d’un mini-test grandeur nature en forêt

Sur le site du WSL, l’équipe a installé des chambres à toit ouvert - à voir comme de petits « écosystèmes modèles » en extérieur. À l’intérieur, des jeunes arbres grandissent sous des combinaisons précisément réglées de température de l’air et d’humidité du sol.

Certains plants ont vécu avec une disponibilité en eau et des températures normales. D’autres ont été exposés à un air plus chaud, d’environ 5°C de plus que l’environnement extérieur, afin de simuler un climat futur.

Un troisième groupe a subi des conditions de sécheresse. Et le traitement le plus sévère a cumulé les deux contraintes : air plus chaud et sol sec en même temps.

L’étude s’est concentrée sur deux essences dont l’enjeu est majeur en Europe centrale. Le hêtre est très répandu et important sur le plan économique, mais il est connu pour souffrir en période de sécheresse - surtout au stade juvénile.

Le chêne pubescent présente un profil différent. Plus courant dans des climats de type méditerranéen, il pousse aussi en Suisse ; il est donc souvent considéré comme un arbre « de remplacement » possible dans des conditions plus chaudes.

« Nous voulions comparer sa stratégie d’utilisation de l’eau à celle du hêtre, un arbre plus sensible aux sécheresses, en particulier au stade de plant », a déclaré Alyssa Therese Kullberg, écophysiologiste des plantes à l’EPFL et au WSL, qui a dirigé ces travaux.

Comment les arbres régulent la chaleur

Les feuilles surchauffent plus vite qu’on ne l’imagine. En plein soleil, la surface des feuilles peut facilement atteindre 40 à 45°C (104 à 113°F), même si l’air ambiant est plus frais.

En général, les arbres se protègent grâce à un mécanisme comparable à une transpiration : la transpiration foliaire. Les feuilles libèrent de la vapeur d’eau par de minuscules pores, ce qui rafraîchit la surface au moment où l’eau s’évapore.

Mais cette protection ne fonctionne que si le sol contient suffisamment d’eau. Lorsque la sécheresse s’installe, les arbres se retrouvent face à un choix difficile.

Ils peuvent garder les pores ouverts pour refroidir les feuilles, au risque d’épuiser leurs réserves en eau et d’endommager l’ensemble de la plante. Ou bien ils peuvent fermer ces pores pour économiser l’eau - mais alors le refroidissement s’interrompt, et les feuilles deviennent très chaudes.

Dans cette expérience, les chercheurs ont suivi la température des feuilles et recherché des dommages visibles, notamment des changements de couleur. Quand l’eau était disponible, même une chaleur extrême n’a pas eu les effets catastrophiques auxquels on pourrait s’attendre.

« Nous pouvons observer un léger coup de soleil sur les feuilles, avec des dommages mineurs au système de photosynthèse, mais ces dommages sont généralement temporaires », a indiqué Kullberg.

Autrement dit, la chaleur seule - même lorsque les feuilles entraient dans une zone inconfortable - déclenchait souvent un stress de courte durée. Les problèmes sérieux apparaissaient surtout quand la sécheresse se mêlait à l’épisode chaud.

La sécheresse rend la chaleur dangereuse pour les arbres

Avec un sol sec, les feuilles ne peuvent pas continuer à évaporer de l’eau sans mettre l’arbre en danger. Les pores se ferment donc, la transpiration ralentit ou s’arrête, et la température des feuilles augmente encore.

C’est alors qu’apparaît le « roussissement » : des plages brunes de tissus morts ou durablement abîmés.

Les chercheurs ont constaté que le dépassement de la « marge de sécurité thermique » d’une feuille - un seuil critique de température - était associé à des dommages persistants, en particulier en situation de sécheresse.

L’équipe a également utilisé des données expérimentales contrôlées pour montrer que le fait de dépasser ces marges de sécurité thermique peut entraîner un roussissement permanent, surtout lorsque l’eau est rare.

« C’est pour cela que nous sommes vraiment enthousiastes à propos de cette découverte », a déclaré Kullberg.

Le chêne pubescent fait mieux que le hêtre en période de sécheresse

Chez le hêtre, les effets étaient évidents. Sur les jeunes hêtres, la combinaison chaleur + sécheresse conduisait fréquemment à des feuilles roussies, avec des zones brunes s’étendant sur la surface.

Le chêne pubescent, lui, n’a pas réagi de la même manière - et c’est là que l’étude devient particulièrement intéressante.

« Nous n’avons pas observé beaucoup de roussissement sur les feuilles de chêne, alors même que leurs marges de sécurité thermique étaient dépassées à peu près aussi souvent que celles des feuilles de hêtre », a expliqué Kullberg.

« En d’autres termes, les deux espèces atteignaient des températures critiques aussi fréquemment, mais le chêne semblait mieux tolérer ces conditions. Cela nous a surpris, et cela ne peut pas être entièrement expliqué par les mécanismes que nous avons mesurés dans notre étude. »

En clair, chêne et hêtre franchissaient un niveau « trop chaud » à un rythme comparable, mais les feuilles de hêtre en payaient un coût bien plus élevé. Les feuilles de chêne, d’une manière ou d’une autre, l’encassaient mieux.

L’équipe ne peut pas encore dire précisément pourquoi, ce qui constitue une réserve importante. Néanmoins, le résultat reste essentiel, car il distingue deux phénomènes qu’on confond souvent : atteindre une température critique et subir des dégâts à cause de cette température.

Le rôle discret de l’air sec

Une autre dimension est que la sécheresse ne signifie pas uniquement « moins de pluie ». Même si les précipitations ne changent pas, le seul réchauffement peut rendre les sols, de fait, plus secs.

La raison : l’air chaud peut contenir davantage d’humidité. Quand la température augmente, la demande en eau de l’atmosphère s’accroît - elle extrait plus d’humidité des sols et des feuilles via l’évaporation.

Ainsi, les forêts peuvent se retrouver en stress hydrique plus tôt, sans variation spectaculaire des pluies. C’est l’une des raisons pour lesquelles le risque de sécheresse devrait augmenter avec le changement climatique.

En Suisse, par exemple, les étés chauds et secs de 2018 et de 2022 ont provoqué un roussissement généralisé des feuilles de hêtre, surtout dans les zones où les sols étaient déjà secs. L’expérience aide à comprendre ce mécanisme.

Le hêtre parvient à se refroidir tant que l’eau est accessible. Mais dès que le sol s’assèche, il doit arrêter son système de refroidissement foliaire, et la chaleur devient nettement plus dangereuse.

Tester les arbres dans la durée

Les arbres placés dans ces chambres climatiques vont continuer à pousser sous ces conditions contrôlées pendant encore deux ans. Cela offre à l’équipe la possibilité d’examiner une question de suivi cruciale pour les forêts réelles : les arbres « apprennent-ils » face au stress ?

Autrement dit, après une période de manque d’eau, un arbre s’ajuste-t-il de manière à mieux survivre à de futurs épisodes de chaleur et de sécheresse ?

Avec des séries de données plus longues, les chercheurs pourront peut-être vérifier si un stress précoce rend les arbres plus résistants - ou, au contraire, s’il les fragilise.

Pour les gestionnaires forestiers, le message paraît déjà net. Le réchauffement compte, mais l’eau est l’élément déclencheur.

Si les vagues de chaleur et les sécheresses deviennent toutes deux plus fréquentes, la survie des arbres dépendra moins du niveau de chaleur de l’air que de la présence d’assez d’eau dans le sol pour éviter la surchauffe des feuilles.

Les différences entre essences, comme entre le hêtre et le chêne pubescent, pourraient déterminer l’apparence des forêts de demain, y compris dans des régions que le hêtre domine depuis des siècles.