La pollution à l’azote modifie la respiration du sol des forêts et le carbone

Un polluant discret est en train de modifier la manière dont les forêts du monde relâchent du carbone - et, pendant des décennies, les scientifiques n’ont pas réussi à s’accorder sur le mécanisme.

Une nouvelle étude, fondée sur 168 expériences menées en forêt, met désormais fin à cette impasse. Le fait que l’azote pousse les sols forestiers à libérer plus ou moins de carbone dépend d’un seul critère que les travaux précédents n’étaient pas conçus pour détecter.

Un sol qui « respire »

En enfonçant la main dans la litière de feuilles, on atteint une zone où l’activité ne s’arrête jamais. Des milliards de microbes décomposent feuilles mortes et bois, tandis que les racines fines des arbres dépensent de l’énergie pour croître. Dans les deux cas, du dioxyde de carbone est émis au fil de ce travail.

Cet ensemble d’émissions porte le nom de respiration du sol. À l’échelle planétaire, l’ordre de grandeur est vertigineux : chaque année, le CO₂ qui s’échappe des sols forestiers représente sept à huit fois les émissions liées à la combustion des énergies fossiles par l’humanité.

Vu ces volumes, une variation même modeste de ce flux suffit à se répercuter sur le budget carbone mondial. Lorsqu’un polluant courant a commencé à le faire basculer, les conséquences ont donc dépassé largement le cadre d’un seul massif forestier.

L’azote, un polluant

Le problème commence avec l’azote, un nutriment dont les plantes ont normalement besoin. Il est bénéfique - tant que les quantités restent adaptées. Or l’agriculture, la circulation routière et l’industrie lourde rejettent de l’azote réactif dans l’air, dont une part retombe ensuite avec la pluie, la neige et les particules fines.

Depuis la Révolution industrielle, les activités humaines ont, à l’échelle mondiale, à peu près triplé les dépôts d’azote sur les terres. Les scientifiques désignent cette retombée continue sous le terme de pollution à l’azote.

Des études antérieures ont associé cette pollution à des changements dans les gaz émis par les sols forestiers. Autrement dit, les chercheurs savent depuis longtemps que l’azote modifie le fonctionnement des forêts.

Ce qui divisait la communauté scientifique, c’était le sens de l’effet. Certaines expériences montraient qu’un apport d’azote accélère la respiration du sol ; d’autres observaient au contraire un ralentissement du même processus.

Une énigme scientifique

Pour démêler cette contradiction, une équipe internationale dirigée par Xiaoyu Cen, auteur principal, s’est mobilisée. Les chercheurs ont constitué l’un des plus grands ensembles de données jamais réunis sur ce sujet, puis ont laissé apparaître les régularités.

Leur analyse a agrégé 168 expériences d’ajout d’azote réalisées dans des forêts du monde entier, ainsi que des milliers de mesures de terrain, en grande partie via Land-CRAFT, un centre de recherche sur l’usage durable des terres à l’université d’Aarhus.

Traitées par des méthodes d’apprentissage automatique, ces données ont fait émerger un résultat plus net que prévu. Les forêts ne réagissent pas toutes à l’azote selon une règle unique : elles se répartissent en deux groupes, avec des trajectoires distinctes.

Forêts pauvres en azote

Dans les forêts où l’azote est un facteur limitant - de nombreuses forêts froides du Nord et des versants de montagne isolés - un apport supplémentaire nourrit l’ensemble du système.

L’activité microbienne s’intensifie, les racines s’allongent plus vite et la matière morte se décompose plus rapidement. La respiration du sol augmente. Cet avantage, toutefois, ne dure pas.

À mesure que l’azote s’accumule, les bénéfices initiaux s’estompent et le carbone disponible dans le sol devient plus rare. À fortes doses, l’azote peut commencer à nuire aux organismes qui assurent ces fonctions. La respiration du sol monte jusqu’à un maximum, puis redescend.

Ce profil en « hausse puis baisse » apparaît dans des forêts très différentes, ce qui a convaincu l’équipe qu’il s’agit d’un signal robuste plutôt que d’un bruit lié à un site particulier. De nombreux écosystèmes se trouvent encore sur la portion ascendante, et profitent donc des dépôts d’azote.

Surcharge et effondrement

Les forêts déjà saturées en azote racontent une autre histoire. Ici, un supplément d’azote n’entraîne pas une évolution progressive le long d’une courbe : il pousse l’écosystème au-delà d’un point de bascule - et la transition peut être rapide.

Des espèces sensibles disparaissent. Les communautés microbiennes du sol se transforment, les racines fines dépérissent et l’acidité du sol augmente. Au lieu de diminuer doucement, la respiration du sol peut chuter brutalement.

Une étude antérieure avait observé un schéma similaire dans une forêt tropicale soumise à des années d’apports d’azote.

Ces effondrements se concentrent là où la pollution imprègne les terres depuis des décennies : l’est des États-Unis, l’Europe de l’Ouest et l’est de la Chine.

Ainsi, deux forêts peuvent recevoir la même quantité d’azote et pourtant réagir à l’opposé : l’une s’améliore discrètement, tandis que l’autre s’écroule.

Un signal carbone trompeur

Une baisse des émissions de dioxyde de carbone pourrait sembler une bonne nouvelle pour le climat. Dans ces forêts saturées, ce n’est pas le cas. La diminution traduit plutôt un sol en difficulté qu’un nouvel équilibre atteint.

L’amenuisement des systèmes racinaires et le déclin des populations microbiennes correspondent précisément aux processus qui construisent et stabilisent le carbone des sols. Quand ils s’affaiblissent, la forêt perd en résilience, même si sa sortie de CO₂ recule.

Autrement dit, un sol forestier « plus silencieux » peut masquer des problèmes réels sous la surface. D’autres travaux vont dans le même sens, dont un article récent montrant que l’azote et le réchauffement, ensemble, continuent de modifier la quantité de carbone que les sols réémettent.

Prévoir les réactions des forêts

Après des décennies de résultats divergents, la contradiction s’évanouit. Le même azote peut accélérer la « respiration » d’une forêt ou au contraire la faire s’effondrer. Tout dépend de la quantité d’azote déjà présente dans l’écosystème. Une explication unique relie désormais des observations jusque-là désordonnées.

Selon l’équipe, il devient pour la première fois possible de prédire où un apport d’azote augmentera la respiration du sol et où il déclenchera une chute.

À l’échelle mondiale, la pollution à l’azote accroît encore la respiration des sols forestiers d’environ 5%, car la plupart des forêts restent suffisamment pauvres en azote pour que cet apport soit stimulant.

L’enjeu pratique est aussi très concret. De nombreux pays réduisent déjà la pollution à l’azote pour améliorer la qualité de l’air et protéger la faune et la flore.

Cet effort sert également à préserver le carbone stocké dans les sols forestiers. Les scientifiques peuvent en outre repérer les forêts qui approchent d’un seuil critique avant qu’elles ne basculent.