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Les feuilles des arbres feuillus tempérés brillent de toute leur gloire jaune et rouge juste avant de tomber, signalant que l'automne est arrivé. Ce processus, appelé sénescence des feuilles, permet aux arbres de se préparer à l'hiver à venir en suspendant leur croissance et en extrayant les nutriments du feuillage. Dans le cycle phénologique des arbres, la sénescence des feuilles marque la fin de la période de production pendant laquelle ils absorbent du CO2 par photosynthèse.
Le réchauffement climatique a entraîné un allongement de la période de végétation ces dernières années, l'émergence des feuilles au printemps des arbres européens se produisant environ deux semaines plus tôt qu'il y a 100 ans et la sénescence en automne environ six jours plus tard. On s'attend généralement à ce que la sénescence continue d'être retardée dans un climat en réchauffement, ce qui augmenterait la quantité de carbone capturée par ces plantes dans le cadre du changement climatique.
Cependant, les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich sont maintenant arrivé·es à la conclusion inverse. Dans une étude publiée dans la revue Science, ils et elles ont démontré un mécanisme d'autorégulation qui limite la période de production. L'augmentation de la photosynthèse au printemps et en été entraîne une sénescence plus précoce, ce qui pourrait se traduire par une chute des feuilles plus précoce en automne.
La limitation du puit de carbone comme facteur de sénescence
«Il était auparavant difficile de prévoir avec précision la saison de croissance des arbres, car les facteurs de la sénescence des feuilles n'étaient pas bien compris», explique Constantin Zohner, responsable de l'étude et scientifique principal au Crowther Lab de l'ETH Zurich.
Jusqu'à présent, les scientifiques ont généralement supposé qu'après la fin de l'été, les baisses automnales de température et de longueur des jours sont les principaux indices déterminant le moment de la sénescence des feuilles. Certaines études ont en outre indiqué que l'émergence des feuilles au printemps a un effet sur la mort des feuilles en automne. «Mais comme l'importance de ces mécanismes est restée floue, les modèles phénologiques n'ont pu, au mieux, prendre en compte ces effets que partiellement», explique le biologiste.
Constantin Zohner soupçonne que le lien entre la phénologie du printemps et de l'automne peut être expliqué par l'activité photosynthétique - ou plus précisément, le phénomène de limitation du puits de carbone. Dans cette hypothèse, la rareté des nutriments du sol comme l'azote, entre autres, limite la quantité de CO2 qu'une plante peut absorber pendant la saison. Plus les arbres absorbent de carbone au printemps et en été, plus la sénescence des feuilles devrait donc commencer tôt.
Ce rôle de la photosynthèse dans le contrôle de la sénescence des feuilles est connu depuis longtemps, par exemple dans les cultures, mais n'a jamais été testé sur les arbres. C'est ce qui a motivé les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich à étudier les moteurs de la phénologie automnale par une approche combinée d'observations sur le terrain, de tests en laboratoire et de modélisation.
Fort effet de la photosynthèse
Les observations à long terme de six espèces d'arbres feuillus européens au cours des six dernières décennies ont constitué la base de l'étude. À l'aide de ces données, l'équipe de Constantin Zohner a testé l'influence relative de divers facteurs sur le moment de la sénescence automnale, notamment l'émergence des feuilles au printemps, la photosynthèse saisonnière, la concentration de CO2, la température et les précipitations.
En outre, les chercheuses et chercheurs ont également réalisé une série d'expériences avec des jeunes arbres dans des chambres climatiques et à l'extérieur. Cela leur a permis d'isoler les effets de la température, de la lumière du jour et de la teneur en CO2 qui déterminent la corrélation entre la photosynthèse et la sénescence des feuilles.
Les observations à long terme ont révélé un effet important de la photosynthèse : les années où la photosynthèse a augmenté au printemps et en été, la sénescence des feuilles a commencé plus tôt, chaque augmentation de 10% de l'activité photosynthétique faisant avancer la sénescence de huit jours. Les expériences ont confirmé ces résultats.
Un nouveau modèle de sénescence d'automne
«Nos analyses suggèrent que la photosynthèse saisonnière, les températures d'automne et la longueur des jours sont les principaux moteurs de la sénescence», dévoile l'auteure principale de l'étude, Deborah Zani, en expliquant les forces en jeu. «Plusieurs autres facteurs, tels que les concentrations atmosphériques de CO2, les températures estivales, les niveaux de lumière et les précipitations semblent également influencer la sénescence, mais seulement indirectement en affectant la photosynthèse».
Les automnes plus chauds sous l'effet du changement climatique ont donc tendance à retarder la sénescence. Cet effet est toutefois contrecarré par l'augmentation de la photosynthèse au printemps et en été grâce à l'augmentation des concentrations de CO2, à des périodes estivales plus chaudes et à une émergence plus précoce des feuilles.
Deborah Zani et Constantin Zohner ont développé un nouveau modèle de la phénologie automnale qui prend en compte tous les facteurs selon leur importance. Ce modèle a permis aux chercheuses et chercheurs de prédire le moment de la sénescence automnale au cours des six dernières décennies avec une précision jusqu'à 42 % supérieure à celle des modèles précédents.
Les auteur·es ont ensuite utilisé ce modèle pour générer des prévisions actualisées du moment de la sénescence des feuilles sur le reste du siècle et les résultats ont été tout à fait inattendus. Jusqu'à présent, on s'attendait à ce que la sénescence se produise deux à trois semaines plus tard, à la fin du siècle. «Notre nouveau modèle suggère le contraire : si la photosynthèse continue d'augmenter, les feuilles sénescentes se produiront trois à six jours plus tôt qu'aujourd'hui», déclare Deborah Zani: «Cela signifie que la saison de croissance ne sera prolongée que de 8 à 12 jours d'ici la fin du siècle, soit environ deux à trois fois moins que ce que nous pensions auparavant». Elle a effectué l'analyse des données et la modélisation dans le cadre de son travail de master au Crowther Lab.
Impact sur le bilan carbone
Dans leur étude, les chercheuses et chercheurs ont utilisé les données du projet paneuropéen de phénologie, évaluant un total de 434 000 observations phénologiques sur 3 800 sites en Europe centrale entre 1948 et 2015. Six espèces représentatives ont été étudiées : Le marronnier d'Inde, le bouleau, le hêtre, le mélèze, le chêne et le sorbier.
Les auteur·es considèrent leur étude comme la preuve que les forêts tempérées ont une capacité limitée d'absorption du CO2: «L'absorption saisonnière de CO2 augmentera probablement dans une moindre mesure avec la hausse des températures que ce que prévoyaient les anciens modèles», déclare Constantin Zohner. Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich veulent maintenant mieux comprendre la limitation des puits de carbone dans les forêts de la terre.