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Carbone, azote et gaz à effet de serre associés (AST GES)

Animateurs : Frédéric Guérin (GET) et Dominique Serça (LA)

Laboratoires impliqués : CESBIO, ECOLAB, GET, LA, LEGOS + CNRM–GAME

La quantification des émissions de gaz à effet de serre (GES) tel que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), et l’oxyde nitreux (N2O) revêt une importance majeure pour la compréhension de l’évolution du climat qu’ils contrôlent directement, et aussi dans la mesure où ces gaz ont le pouvoir d’amplifier le changement climatique indirectement via des boucles de rétroactions. Depuis de début de l’ère industrielle, les émissions totales de GES sont contrôlées à la fois par des facteurs naturels et anthropiques. La distinction entre ces deux types d'émissions est cruciale dans le cadre des politiques de réduction des émissions de GES et d’adaptation au changement climatique. La capacité à distinguer et attribuer leurs origines requiertin fine une bonne compréhension des facteurs de contrôle des émissions naturelles.

Actuellement, les estimations de flux de carbone globaux (CO2 et CH4) déduits de simulations de modèles ou de modélisation inverse présentent de grandes différences par rapport aux mesures de terrain, tant en terme d’amplitude que de variabilité. Des efforts de recherche sont toujours nécessaires afin de contraindre les différents termes du bilan de carbone terrestre à l'échelle planétaire. Les écosystèmes aquatiques continentaux (zones humides, rivières, lacs naturels et de barrages) sont reconnus depuis peu comme des sources significatives de CO2, CH4 et N2O pour l’atmosphère. Les premières estimations montrent que ces flux sont d’importance pour les bilans globaux de carbone et d’azote. En effet, la somme des émissions de CO2 et de CH4 de ces écosystèmes serait d'une part équivalente à l’absorption de CO2 par l’océan ouvert et d'autre part au puits de carbone terrestre global. Par ailleurs, ces écosystèmes stockent de grandes quantités de carbone organique et inorganique dans leurs sédiments.

La confrontation de ces récentes compilations avec les bilans globaux montre qu'il y a longtemps eu une surestimation du stockage de carbone dans les sols et la végétation des bassins versant, en même temps qu'une sous-estimation des flux de carbone vers les écosystèmes aquatiques continentaux. Une meilleure compréhension du cycle du carbone continental est aussi indispensable pour mettre en œuvre des stratégies efficaces à court et moyen terme pour fixer ou refixer du carbone dans les écosystèmes terrestres. A ce sujet, les agro-écosystèmes représentent pour le GIEC un enjeu considérable puisque selon leur rapport de 2007, les sols agricoles pourraient permettre de compenser un tiers des émissions anthropiques de CO2 au cours de ce siècle via une adaptation des pratiques de gestion. Les écosystèmes côtiers (incluant les deltas, estuaires et zone d’upwelling), qui représentent environ 3% de la surface totale des océans, contribueraient pour moitié aux émissions océaniques de CO2 et N2O. Ces zones, sous la pression anthropique, reçoivent des quantités croissantes de carbone et d’azote issues notamment du traitement des déchets, de la modification de l’usage des terres et de l’agriculture, et sont le lieu de leur recyclage. La réactivité et le devenir de ces apports de carbone et d’azote, la distinction entre émissions anthropique et naturelle par ces zones ainsi que la quantification globale de ces émissions ne sont que peu documentées à ce jour. Notre connaissance du cycle du carbone et de l’azote des systèmes continentaux, océaniques et de leurs zones d’échanges doit donc encore être affinée pour mieux identifier le rôle de chaque système (et leurs processus associés) dans l’établissement des bilans des émissions naturelles et anthropiques de gaz à effet de serre.

De plus, la problématique du changement climatique et des gaz à effet de serre ne peut pas être découplée de celle de la pollution et des gaz réactifs. En effet, le climat affecte la chimie de l’atmosphère, et de nombreux polluants atmosphériques forcent le climat en retour. De nombreuses questions se posent concernant les interactions entre la surface et l’atmosphère, surtout celles reliées aux cycles biogéochimiques du carbone et de l’azote à diverses échelles. Une des questions majeures concerne le rôle de l’azote dans la capacité de la biosphère à assimiler le carbone. L’accumulation de l’azote est le principal moteur des changements de composition d’espèces dans la majorité des écosystèmes (une des conséquences de la "cascade de l'azote"), et la réduction de la biodiversité par l’accumulation d’azote pourrait avoir des conséquences plus étendues que prévues, notamment en régions tropicales où les écosystèmes ne sont pas limités en azote. Des incertitudes subsistent sur la variation temporelle des paramètres qui vont influencer ces échanges surface-atmosphère. Une approche couplant des mesures de terrain sur le long terme en parallèle avec des modèles de complexité diverses est nécessaire pour permettre la généralisation des paramétrisations d’une part, et l’étude détaillée des processus d’autre part.

L'AST GES fédère les équipes et laboratoires de l'OMP et du CNRM-GAME travaillant sur les cycles du carbone, de l'azote, et les échanges de gaz à effet de serre entre les surfaces continentales, les écosystèmes aquatiques et marins et l’atmosphère. Elle regroupe environ 35 chercheurs de 5 des 6 laboratoires de l'OMP (LA, GET, CESBIO, ECOLAB, LEGOS) et du CNRM-GAME. Elle permet de regrouper un très large panel de compétences depuis la pédologie, la minéralogie et la géochimie jusqu'à la physico-chimie (sols, sédiments, eau, atmosphère), en passant par la microbiologie, l'écologie, l’écophysiologie, la bioclimatologie et l’agronomie. Ces différentes compétences reflètent la grande variété de milieux étudiés au sein des différents laboratoires. Un intérêt particulier concerne l’étude des écosystèmes terrestres (incluant les sols, les pergélisols et la végétation), des écosystèmes aquatiques naturels (incluant tourbières, zones humides, fleuves, lacs, estuaires, mangroves), des écosystèmes océaniques (océan hauturier, zone côtière, région d’upwelling et les milieux profonds tel que les dorsales océaniques) et de leurs zones d’interfaces. L'anthropisation des écosystèmes terrestres (culture, élevage, feux de biomasse) et aquatiques (barrages) est aussi un facteur important pris en compte par cette communauté.

D'un point de vue échelle spatiale, toute la gamme, de l'organe au globe, est couverte dans les différentes études menées par les chercheurs au sein de cette AST, avec une échelle de prédilection, l'échelle locale (au niveau du site), et cela pour de nombreuses régions climatiques : des tropiques aux hautes latitudes en passant par les régions tempérées, des zones de montagnes aux zones de plaines.  Pour les échelle de temps, il s'agit d'étudier des processus depuis le pas de temps horaire jusqu'aux échelles climatiques (décennies) avec un intérêt plus marqué pour les échelles saisonnières et interannuelles.

Bien que les différentes équipes et les différents laboratoires travaillent déjà ensemble dans le cadre de nombreux projets, la mise en commun de toutes ces compétences fait de ce groupe la plus vaste communauté travaillant en France sur ces thématiques, et, à notre connaissance, fait de ce consortium une des rares entités capable de travailler sur tous les aspects des cycles du carbone et de l’azote.

Le spectre de compétences des différents participants est très large et met en évidence la grande complémentarité des approches et des outils qui permet aux chercheurs de l’OMP de construire des synergies autour de plusieurs grandes questions scientifiques dont :

  • Les variabilité spatiale et temporelle des flux de C et de N (particules, dissous, gaz) aux différentes interfaces,
  • Les bilans de C et de N (stocks, flux latéraux et verticaux entrants et sortants),
  • Les processus physiques, biologiques et biogéochimiques contrôlant les flux, les stocks, les transferts, …,
  • Les modifications des bilans C et N et de la "cascade de l’azote" en contexte de changement global (changement climatique, changement d’usage des terres, charges critiques),
  • Les leviers pour la réduction des émissions (séquestration biologique du CO2, pratiques agricoles raisonnées, gestion des zones humides, design des barrages, …).
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