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La photosynthèse a augmenté à l’échelle mondiale sans parvenir à stabiliser la concentration de CO2 atmosphérique

La photosynthèse est le processus essentiel par lequel les plantes utilisent la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique en glucides nécessaires à leur croissance. Jusqu'à présent, et alors qu'elle est un paramètre majeur des projections climatiques futures, la réponse de la photosynthèse aux variations climatiques passées restait méconnue à l’échelle planétaire. En analysant les glaces de l’Antarctique, un consortium international de chercheurs, intégrant l’Inra, a démontré que la photosynthèse a fortement et rapidement augmenté au cours du XXe siècle (+30%). Même si les plantes absorbent davantage de CO2 que jamais enregistré lors des deux derniers siècles, cette augmentation de la photosynthèse ne parvient pas à suivre le rythme des émissions de CO2 dues aux combustibles fossiles. Ces résultats ont été publiés le 5 avril 2017 dans la revue Nature.

Visuel Article Photosynthèse. © UC Merced / NASA, UC Merced / NASA
Publié le 19/04/2017

Dans un contexte d'augmentation du CO2 dans l'atmosphère, la photosynthèse par les plantes a été favorisée, participant ainsi à soustraire une partie du CO2 émis dans l'atmosphère, ce qui a pu contribuer à retarder le réchauffement climatique. Cependant, la limitation en nutriments du sol peut contrecarrer cette tendance à l'augmentation de la croissance végétale. Estimer plus précisément l'évolution de la photosynthèse a donc été un objectif important pour la communauté scientifique depuis plusieurs décennies.

Un collectif interdisciplinaire et international de chercheurs, piloté par Elliott Campbell (UC Merced), a découvert un nouvel angle d'approche pour préciser les variations de ce taux de photosynthèse à l'échelle planétaire au cours des deux derniers siècles. Les travaux scientifiques précédents ne concernaient que de petites zones géographiques ou de courtes périodes de temps. Le but était donc d’identifier un indicateur valable à l’échelle mondiale et sur de grandes périodes de temps.

Les résultats de cette étude ont permis d'estimer que la photosynthèse a augmenté d’environ 30% sur Terre au cours des 200 dernières années. Les plantes semblent avoir pleinement profité de l'effet fertilisant du CO2, dont la teneur atmosphérique a également augmenté d’environ 30 % sur cette période. Des études ont déjà démontré des changements sans précédent de la concentration de gaz à effet de serre et du climat pendant l’ère industrielle. Malheureusement, les émissions de CO2 par les activités humaines dépassent de loin en intensité cette augmentation de la photosynthèse, qui s’accompagne inévitablement d’une augmentation de la respiration par la végétation, de sorte que le CO2 continue de s'accumuler toujours plus vite dans l'atmosphère.

La glace révèle ses secrets

Dans cette nouvelle étude, des prélèvements de glace de l’Antarctique fournis par la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) ont été analysés : les chercheurs y ont découvert un enregistrement de la photosynthèse terrestre à l'échelle globale, grâce aux gaz piégés dans les différentes strates de glace de l’Antarctique.

Un des gaz stockés dans la glace a fourni l’indicateur-clé pour reconstruire l’histoire de la photosynthèse à l’échelle mondiale : l'oxysulfure de carbone (OCS). Ce composé intéresse les scientifiques parce qu’il se comporte comme le dioxyde de carbone (CO2) : il est consommé par les plantes en même temps que le CO2 lors de la photosynthèse. De plus, à une échelle annuelle, l'OCS est bien mélangé dans l'atmosphère de sorte que les enregistrements de concentration d'OCS au niveau de l'Antarctique sont représentatifs des variations planétaires de ce même gaz. De ce fait, une modification de la photosynthèse globale, et donc du rythme d'absorption de l'OCS par la végétation, entraîne un changement de la quantité d'OCS dans l'atmosphère, modification enregistrée dans la glace.

 Une différence majeure entre le CO2 et l’OCS concerne l'océan. L’océan est un puits (en surface) et un réservoir (en profondeur) de CO2, alors qu'il est une source nette d'OCS, dont la production dépend essentiellement de l’ensoleillement qui a peu varié au cours du dernier siècle. Outre les océans et les plantes, les sols, mais également la production industrielle, peuvent aussi influencer la concentration d'OCS. En quantifiant l'impact de chacun de ces processus, l'étude a démontré que seule une augmentation sensible (+30%) de la photosynthèse pouvait expliquer les variations observées de la concentration d'OCS au cours des 200 dernières années. Cette augmentation de la photosynthèse se situe dans les valeurs hautes de la gamme prédite par les différents modèles numériques de l'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) utilisés pour les projections climatiques futures.

Ces nouveaux résultats confirment la nature dynamique des écosystèmes terrestres, ainsi que l’amplitude des changements induits par les actions humaines. Ces travaux réaffirment également que les réponses des grands écosystèmes ne sont pas parvenues à contrecarrer le changement climatique.  De plus, des limitations naturelles existent (nutriments, impact négatif des hausses des températures, etc.), qui peuvent à long terme ralentir voire annuler cette tendance des plantes à produire plus sous des concentrations élevées de CO2.

L'étude a rassemblé, autour d'Elliott Campbell (UC Merced) : Ulli Seibt (UCLA), Steve Smith (Pacific Northwest National Laboratory), Steve Montzka (NOAA), Thomas Launois (Inra), Sauveur Belviso (Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement), Laurent Bopp (Laboratoire de Météorologie Dynamique) et Marko Laine (Institut météorologique finlandais). Leur travail a été financé par le Département américain de l'énergie, la NOAA, l'Académie de Finlande, H2020 et le Conseil européen de la recherche.

Référence scientifique

Campbell J. E., Berry J. A., Seibt U., Smith S. J., Montzka S. A., Launois T., Belviso S., Bopp L.  & Laine M. (2017). Large historical growth in global terrestrial gross primary production. Nature. doi:10.1038/nature22030

En savoir +

Drapeau Union Européenne. © Inra
© Inra

Ce projet a notamment été financé par le Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du Programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne (Starting Grants SOLCA n ° 338264), dont Lisa Wingate, chercheuse à l’Inra, a bénéficié en 2013.

Au sein de l’équipe EcoFun de l’unité mixte de recherche Interactions Sol Plantes Atmosphère (UMR ISPA), Thomas Launois étudie les flux biosphériques d’OCS et de CO2 dans le but d’améliorer les estimations de photosynthèse et respiration à grande échelle et prédire la réponse des écosystèmes terrestres au climat futur.

Logotype ERC European Research Council. © Inra
© Inra