Changement environnemental à la limite alpine de la forêt

Les écosystèmes en altitude jouent un rôle important dans la recherche sur le changement environnemental parce qu’on s’attend à ce que les changements climatiques liés aux émissions de gaz à effet de serre dus aux activités humaines soient plus prononcés dans ces zones que dans la plupart des autres régions du monde (GIEC 2007). Ce projet comprend une expérience d’enrichissement en CO₂ à l’air libre (Free Air CO₂ Enrichment - FACE) et d’augmentation de la température du sol menée dans un environnement naturel à la limite de la forêt près de Davos en Suisse (Stillberg, à 2200 m d’altitude). Le lieu de l’étude fait partie du site de recherche à long terme à Stillberg où près de 100.000 arbres ont été plantés en 1975.

Larix decidua		Pinus mugo spp. uncinata

Pendant les neuf années écoulées, la végétation naturelle, y compris les deux espèces d’arbres Larix decidua (mélèze européen, à aiguilles caduques) et Pinus mugo spp. uncinata (pin de montagne, sempervirent) et la végétation de sous-étage composée essentiellement d'arbustes nains ont été exposées à des concentrations atmosphériques accrues de CO₂ (+200 ppm). Un traitement ayant pour effet d’augmenter la température du sol (+4 K) a été ajouté en 2007 pour créer des conditions de CO₂ et de réchauffement réalistes pour la région vers l’année 2050. Un large éventail de travaux de recherche écologique et biogéochimique sont menés dans le cadre de ce projet portant sur le changement environnemental (plus d'informations en allemand).

Ces recherches liées à une thèse de doctorat se concentrent sur les réponses des plantes aux traitements expérimentaux: croissance, phénologie (chronologie des événements clés tels que débourrement et floraison), réponse aux conditions climatiques extrêmes et composition de la communauté végétale. Certains des principaux thèmes de recherche sont esquissés ci-après.

Effets de la concentration accrue de CO2 et de l’augmentation de la température du sol sur la croissance des arbres

Notre expérience d’enrichissement de l’air en CO₂ et du réchauffement du sol au niveau de la limite de la forêt offre la possibilité de répondre à la question fondamentale de savoir si le carbone (source) et/ou les basses températures (puits) limitent la croissance des arbres à haute altitude. En mesurant la croissance des pousses et des tiges des deux principales espèces d’arbres qui poussent à la limite de la forêt, nous pouvons également faciliter les prévisions en matière de changement du rythme de croissance des plantes et de la composition des espèces végétales dans le voisinage de la limite de la forêt en raison des changements environnementaux. Tout au long des neuf années d’enrichissement en CO₂, on a observé une augmentation constante de la croissance annuelle des pousses en présence d’un enrichissement en CO₂ (par rapport à la croissance avant le traitement) pour ce qui concerne le mélèze, bien que l’effet n’ait été significatif qu’en 2002. En revanche, le pin ne présentait pas de stimulation de la croissance des pousses en présence d’un enrichissement en CO₂ pour aucune des années examinées. Le réchauffement du sol sur trois saisons de croissance n'a pas, à lui seul, modifié la croissance des pousses ou l'effet du CO₂ sur le mélèze, tandis que le pin affichait en 2008 une croissance supérieure dans les parcelles à élévation de température par rapport aux parcelles non réchauffées indépendamment du traitement au CO₂.

Section d’une microcarotte

Ces résultats de croissance des pousses laissent supposer que pour le mélèze, le carbone est au moins partiellement un facteur qui détermine la croissance sur ce site à la limite de la forêt, bien que l'absence de forte stimulation au CO₂ pendant plusieurs années semble indiquer que d’autres ressources pourraient également limiter la croissance. En revanche, la croissance des pousses de pin ne semble pas être limitée par l’apport de carbone, tandis que le réchauffement du sol pourrait atténuer une limitation de la croissance par la température et/ou créer des conditions plus favorables (plus sèches) d’humidité du sol. Les différentes réactions aux changements environnementaux de ces deux espèces importantes d’arbres qui poussent à la limite de la forêt laissent supposer que des modifications futures dans la biodiversité et la composition de la végétation sont probables au niveau de la limite de la forêt. Des microcarottes comprenant les 12+ anneaux de croissance des arbres ont été récoltées à l’automne 2009, et l’analyse de la croissance des tiges complétera les mesures des pousses pour obtenir une indication solide quant aux effets du traitement sur la croissance des arbres.

Réponses des arbustes nains à l’enrichissement à long terme en CO2 et à trois années de réchauffement du sol

Les arbustes nains couvrent de grandes superficies des régions arctique et alpine, et ils jouent un rôle important dans le fonctionnement des écosystèmes. Par conséquent, des modifications dans l'abondance des arbustes nains et la composition des espèces en raison des changements environnementaux auront vraisemblablement des retombées sur de nombreux processus écologiques. Dans notre expérience portant sur les changements environnementaux au niveau de la limite de la forêt, nous nous concentrons sur trois espèces d’éricacées naines: Vaccinium myrtillus à feuilles caduques (myrtille) et Vaccinium uliginosum (airelle noire), ainsi que Empetrum nigrum spp. hermaphroditum sempervirent (camarine). Nous étudions plusieurs réponses à l’élévation du CO₂ et aux traitements de réchauffement du sol, y compris la phénologie du printemps et de l’automne, l’écologie reproductive (telle que la production de baies et le taux de germination des semences), la croissance des pousses, et la composition végétale des parcelles.

En général, les mesures de la productivité des arbustes nains et du taux de reproduction pendant l’expérience ont donné des réponses spécifiques aux espèces. Ainsi par exemple, tout au long des neuf années de traitement au CO₂ on a observé une tendance constante à obtenir des croissances supérieures des nouvelles pousses avec une élévation du CO₂ dans le cas du Vaccinium myrtillus (9% de croissance moyenne pour toutes les années) mais non dans le cas du V. uliginosum ou de l’Empetrum hermaphroditum. La croissance des nouvelles pousses était également influencée par le réchauffement du sol, mais ici aussi uniquement dans le cas du V. myrtillus: la longueur moyenne de croissance des nouvelles pousses était de 24% supérieure dans les parcelles réchauffées sur les trois années de traitement par rapport aux années précédentes. Les différentes réponses de ces trois espèces d’arbustes nains dans plusieurs mesures de productivité pourraient donner lieu à des changements au niveau de l’abondance et de la répartition des espèces à long terme.

Vaccinium myrtillus	Vaccinium uliginosum	Empetrum hermaphroditum

Résistance au gel réduite en début de saison de croissance en présence d’une atmosphère enrichie en CO2

La fréquence d’épisodes de gel en début de saison de croissance et la vulnérabilité des plants au gel dans des environnements de haute altitude en Europe pourraient augmenter en cas de changement atmosphérique et climatique futur. Nous avons examiné les changements possibles dans la sensibilité des plants aux conditions de gel à l’occasion d’une étude expérimentale de gel comprenant dix espèces importantes présentes dans les parcelles expérimentales sur le site de Stillberg (plus d'informations). Nous avons constaté que l’exposition prolongée à une élévation de la concentration en CO₂ entraînait une plus grande sensibilité au gel chez cinq des dix espèces sélectionnées, mais qu’elle n’influençait pas le moment du débourrement des feuilles ou le développement foliaire, ce qui laisse supposer que les changements physiologiques dus à l’enrichissement en CO₂ étaient responsables de cet effet. Le réchauffement du sol entraînait un développement foliaire plus précoce et réduisait la résistance au gel dans le cas de l’arbuste nain Vaccinium myrtillus. Les résultats de cette étude laissent supposer que la fréquence des dommages causés par les épisodes de gel en début de saison de croissance sur le tissu foliaire augmentera pour certaines espèces au cours des décennies à venir. Les changements de résistance au gel qui en résultent parmi des espèces coexistantes pourraient, par la suite, altérer les interactions compétitives entre les espèces.

Papers

Dawes, M.A., Hagedorn, F., Zumbrunn, T., Handa, I.T., Hättenschwiler, S., Wipf, S. and Rixen, C. 2011. Growth and community responses of alpine dwarf shrubs to in situ CO₂ enrichment and soil warming. New Phytologist (191) 806-818. Abstract

Dawes, M.A., Hättenschwiler, S., Bebi, P., Hagedorn, F., Handa, I.T., Körner, C. and Rixen, C. 2011. Species-specific tree growth responses to nine years of CO₂ enrichment at the alpine treeline. Journal of Ecology (99) 383-394. Abstract

Martin, M.A., Gavazov, K., Hättenschwiler, S., Körner, C. and Rixen, C. 2010. Reduced early growing season freezing resistance in alpine treeline plants under elevated atmospheric CO₂. Global Change Biology (16:3) 1057-1070. Abstract

Hagedorn, F., Martin, M.A., Rixen, C., Rusch, S., Zürcher, A., Siegwolf, R., Wipf, S., Escape, C., Roy, J. and Hättenschwiler, S. 2010. Short-term responses of ecosystem carbon fluxes to experimental soil warming at the Swiss alpine treeline. Biogeochemistry (97:1) 7-19.

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• Melissa Dawes