Les zones humides, et en particulier leur sol, sont de véritables puits de carbone, contribuant ainsi activement à la régulation du climat. Dans quelles mesures des actions de gestion peuvent augmenter la séquestration du carbone par les zones humides ? Et dans quelles proportions ? Dans cette étude, les scientifiques ont démontré la pertinence d’un modèle d’états-transitions, qui combiné à une méthode rapide et simple d’estimation des stocks de carbone dans les différents compartiments des écosystèmes, a permis de suivre la dynamique des stocks de carbone en fonction des pratiques de gestion des zones humides. Cette approche pourrait être appliquée dans le cadre de la séquence « Éviter, Réduire, Compenser » lors de projets d’aménagement du territoire.

Contexte

Services écosystémiques, plans de gestion et méthodes d’estimation

Les services écosystémiques (SE) désignent les biens et les services fournis aux sociétés par les écosystèmes de manière durable. Ils se regroupent en trois grandes catégories : les services d’approvisionnement en matières premières et ressources alimentaires, les services de régulation et les services culturels (EFESE, 2017). Les SE sont des processus dynamiques dans le temps et dans l’espace, et sont en tant que tels des cibles pour la gestion des écosystèmes.

Dans le contexte actuel du changement climatique, en grande partie résultant des émissions anthropiques de gaz à effets de serre (GIEC, 2014), la régulation du climat global par le stockage de carbone est un SE au cœur des préoccupations. Ce SE est assuré par la végétation qui, par la photosynthèse, fixe une partie des gaz à effet de serre (CO2) présents dans l’atmosphère, participant ainsi à la limitation du réchauffement climatique, avec un rôle majeur des écosystèmes forestiers (Bonan, 2008). Le sol joue également un rôle essentiel dans la régulation du climat global. Le stock de carbone du sol provient essentiellement de la végétation – par la production de litière aérienne et souterraine, mais aussi des exsudats des racines et des symbioses avec les mycorhizes et les bactéries fixatrices d’azote. La durée du stockage du carbone organique dans le sol dépend de nombreux facteurs biotiques, dont les activités des micro-organismes du sol, et abiotiques. Elle peut aller de quelques jours à plusieurs siècles (Dignac et al., 2017). La régulation du climat global est un SE à considérer en priorité à l’échelle globale, mais qui doit se baser sur des décisions de gestion prises à l’échelle locale.

En effet, les SE ont été conceptualisés comme une interface entre les scientifiques, les politiques, et les décideurs. Ils devraient alors être considérés pour les démarches de gestion environnementale et de planification territoriale, notamment par le biais de leur intégration dans les études d’impact (Diehl et al., 2016). La prise en compte des SE dans les plans de gestion et les études d’impact devrait se généraliser dans l’Union européenne et en France avec la loi pour la reconquête de la biodiversité, de la nature et des paysages promulguée en août 2016.

Cette prise en compte suppose des mesures de terrain fiables et comparables, qui nécessite des méthodes simples, rapides et standardisées pour une estimation efficace des SE sur le terrain permettant des comparaisons entre sites et/ou entre études. Dans ce cadre, une collaboration s’est établie entre le Laboratoire d’écologie alpine (LECA, CNRS, Grenoble) et le bureau d’études EGIS afin de développer des méthodes d’estimation rapide de SE de régulation, dont la régulation du climat global estimé via le stock de carbone d’un écosystème (Bartholomée et al., 2018). Cette méthode a été utilisée pour estimer le stock de carbone de milieux humides le long de trajectoires d’évolution dépendant de la gestion afin de répondre à la question suivante : la gestion conservatoire affecte-t-elle les stocks de carbone des zones humides étudiées ?

Les zones humides et leurs caractéristiques

Les zones humides (ZH) sont réputées pour la multiplicité des fonctions qu’elles remplissent, telles que d’être des lieux privilégiés de reproduction pour de nombreux oiseaux et amphibiens. Milieux d’interface entre écosystèmes aquatiques et terrestres, les ZH sont des écosystèmes essentiels pour la fourniture de différents SE tels que la régulation du régime hydrique, la purification de l’eau et la régulation du climat global (Barnaud et Fustec, 2007 ; EFESE, 2018 ; Gayet et al., 2016).

Ces écosystèmes sensibles ont souvent été détruits, notamment par drainage ou comblement. Ainsi la surface des milieux humides en France a été divisée par deux entre 1960 et 1990 (EFESE, 2018) et leur état de conservation est globalement moins bon que pour d’autres écosystèmes terrestres. La réglementation française impose que toute destruction de zone humide par des aménagements soit compensée par la mise en œuvre de mesures telles que la restauration de milieux humides dégradés afin de maintenir un niveau similaire de fonctions des zones humides au sein du bassin versant concerné. Au niveau national, les mesures de conservation mises en œuvre aboutissent notamment à la création de nombreuses réserves telles que le réseau d’espaces naturels sensibles (ENS) faisant l’objet de plans de gestion.

Sites d’étude et trajectoires de gestion

Le choix a été fait de travailler en collaboration avec le réseau d'espaces naturels sensibles (ENS) isérois, géré par le Conservatoire d’espaces naturels de l’Isère (CEN 38) et le conseil départemental de l’Isère (CD 38). Nous avons retenu 24 parcelles localisées dans cinq ENS (figure 1) et représentatives de différents états le long de trajectoires d’évolution dépendantes d’actions de gestion. Nous avons identifié des actions de gestion permettant les transitions d’un écosystème à l’autre. Ceci a permis de construire un modèle d’états-et-transitions qui a été simplifié en vue des analyses (figures 2A et 2B, encadré 1). Les modèles « d’états-et-transitions » ont déjà été utilisés pour des études sur les zones humides parce qu’ils rendent compte de manière simple, robuste et intuitive des effets des changements environnementaux ou de la gestion sur les paramètres biotiques et abiotiques (Bino et al., 2015 ; Colloff et al., 2016). Ce sont des outils fréquemment utilisés dans le cadre d’études dites synchrones, qui se basent sur la comparaison instantanée d’écosystèmes différant selon un paramètre d’intérêt (par ex. la gestion, l’altitude…) pour en déduire leurs dynamiques en réponse à ce facteur de changement.

Le modèle comporte des écosystèmes herbacés humides dont le maintien est assuré par de la fauche ou du pâturage. Ces ZH herbacées en eau ont été regroupées avec les phragmitaies inondées afin de former le groupe « ZH herbacées en eau » ou « ZH non drainées », c’est-à-dire avec un niveau de la nappe d’eau assez élevé (figures 2A et 2B). Si ces ZH herbacées en eau sont modérément drainées, une plante invasive telle que le solidage (Solidago canadensis) peut alors dominer l’écosystème et former une mégaphorbiaie envahissante, ou la phragmitaie inondée peut se transformer en phragmitaie sèche. Ces deux écosystèmes drainés ont été regroupés dans l’état « ZH herbacées drainées ». Une augmentation du niveau d’eau pourrait en théorie permettre un retour à l’état « ZH herbacées en eau ». Le drainage considéré est d’une intensité modérée et donc insuffisant pour aboutir à un écosystème herbacé mésophile. Une évolution sans intervention humaine des ZH herbacées en eau mène à la fermeture du milieu avec la formation de boisements humides, qui vont varier au cours du temps. Ces écosystèmes forestiers ont été inclus dans l’état « ZH forestières ». Nous n’avons pas étudié les actions de gestion permettant la persistance d’un écosystème dans son état initial, telles que la fauche pour maintenir un espace herbacé ouvert, étant donné qu’elles n’apportent a priori pas de changement dans les stocks de carbone de l’écosystème étudié.

Estimation des stocks de carbone contenus dans les différents écosystèmes

L’estimation des stocks de carbone a été faite grâce à une méthode d’estimation rapide développée par le LECA et EGIS. Elle repose sur des indicateurs simples à mesurer sur le terrain pour chacun des quatre compartiments d’un écosystème stockant du carbone. En milieux forestiers, il s’agit de la biomasse aérienne, de la biomasse souterraine, de la matière organique morte (bois mort au sol et litière) et du carbone organique du sol (sur les 45 premiers centimètres). Pour les milieux herbacés et les phragmitaies, il s’agit des biomasse aérienne et souterraine ainsi que du carbone organique du sol. Les méthodes détaillées pour les différents compartiments, excepté la biomasse des phragmitaies, sont présentées dans l’article de Bartholomée et al. (2018).

Résultats : les stocks de carbone dans les zones humides étudiées

Dans les ZH forestières, le stock de carbone (C), tous compartiments confondus, était deux fois supérieur au stock de C des ZH herbacées. Dans les premières, le stock de carbone était essentiellement réparti entre la fraction organique du sol (54 % du stock total) et la biomasse aérienne (36 %). La biomasse souterraine (9 %), le bois mort (0,4 %) et la litière (0,6 %) ne représentaient qu’une part totale mineure (10 % au total). Naturellement, l’importance du sol était encore plus marquée pour les ZH herbacées (prairies humides et roselières). Ainsi le sol des ZH herbacées non drainées contenait 87 % de leur stock de carbone, la biomasse aérienne 4 % et la biomasse souterraine 9 %. Dans le cas des ZH herbacées drainées, 92 % du stock total était contenu dans la fraction organique du sol alors que la biomasse aérienne ne contenait que 2 % du stock total et la biomasse souterraine 5 %.

La quantité de carbone stockée dans les trois compartiments des ZH herbacées n’était pas influencée significativement par le drainage ou la remise en eau (figure 3A). Le stock de carbone du sol n’était pas différent pour les trois types d’écosystèmes étudiés, c’est-à-dire que les changements de régime hydrique et les actions de gestion sur la biomasse aérienne (libre évolution/reforestation ou coupe à blanc/déforestation) ne paraissaient pas affecter ce compartiment de stockage.

Par contre, la transition des ZH herbacées non drainées vers les ZH forestières favorisait le stockage du carbone dans la biomasse aérienne vivante (figure 3B). En outre, la présence des deux compartiments liés à la matière organique morte dans les ZH forestières (litière et boismort au sol), et donc absentes des ZH herbacées, pourrait participer à un stock de carbone total plus élevé dans les ZH forestières. La combinaison de ces deux facteurs explique que le stock de carbone était pratiquement le double dans les ZH forestières par rapport aux ZH herbacées étudiées (figure 3B), ce qui est cohérent avec les résultats de la littérature scientifique (GIECC, 2003, 2006).

Actions de gestion et stocks de carbone

L’importance du stock de carbone du sol

La comparaison des différents types de ZH souligne l’importance du carbone organique du sol qui représente plus de 50 % du stock de carbone pour les trois types de ZH étudiées, et ce seulement en considérant les 45 premiers centimètres du sol. Il s’agit d’un rôle connu, notamment dans les zones humides dont l’épaisseur des sols peut atteindre plusieurs mètres, et qui constitue ainsi un pôle majeur du stockage de carbone à l’échelle globale (Mitra et al., 2005). Les stocks de carbone du sol des trois états comparés n’étaient pas différents, ce qui pourrait indiquer une absence d’effet des actions de gestion dont ils sont issus. En effet, contrairement à ce que l’on aurait pu attendre, les ZH herbacées drainées n’avaient pas un stock de carbone du sol inférieur à celles ne l’étant pas. Dans les ZH, la matière organique du sol est stockée dans des conditions anoxiques. Or, le drainage des ZH entraine un passage du sol en conditions aérobie, les micro-organismes du sol décomposent alors la matière organique plus rapidement et donc le CO2 est relâché sous forme de respiration (par exemple : voir Davidson,1995). Ainsi, le drainage de tourbières est à l’origine d’une minéralisation du carbone organique du sol (Maltby et Immirzi, 1993). Également, le drainage considéré était d’intensité modérée. Il est possible qu’un drainage plus sévère, menant à une végétation non hydrophile, permette de détecter des différences dans les stocks de carbone organique du sol. La sensibilité de la méthode d’estimation des stocks de carbone n’était sans doute pas suffisante pour détecter des différences de stocks entre ces états peu différents. De plus, le temps de résidence du carbone organique dans le sol peut être de quelques jours dans sa fraction la plus labile jusqu’à plusieurs siècles dans sa fraction la plus stable. Les actions de gestion visent à augmenter la proportion de carbone organique stable du sol. Cette stabilité dépend de nombreux facteurs biotiques et abiotiques (Dignac et al., 2017). Une méthode prenant en compte ces différentes fractions du sol qui peuvent être séparées selon différentes techniques (Saenger et al., 2015) permettrait sans doute de détecter des différences de répartition de stocks entre les différents états des ZH. Enfin, intégrer une étude de la profondeur totale du sol organique, pouvant atteindre plusieurs mètres d’épaisseur, permettrait une estimation plus juste du stock du carbone organique du sol et, par conséquent, faciliterait sans doute la détection de différences entre les écosystèmes. Par ailleurs, les mesures ponctuelles ne permettent pas d’intégrer la dynamique temporelle du stockage du carbone, c’est-à-dire des flux de carbone entrant et sortant des différents états étudiés. Afin de détecter d’éventuels effets du drainage et des autres actions de gestion sur les stocks de carbone d’un écosystème humide, il serait nécessaire de suivre les dynamiques du carbone après la mise en œuvre d’une action de gestion sur un même site, c’est-à-dire passer d’une étude synchronique à une étude diachronique. Une approche diachronique permettrait également de prendre en compte le fait que, la gestion étant souvent dépendante des types de sols, les parcelles drainées et les parcelles en eau puissent avoir des sols avec des propriétés différentes, par exemple la profondeur ou la texture.

Agir sur le compartiment du sol est assez complexe. En effet, le service de régulation du climat global repose à la fois sur des propriétés du sol sur lesquelles il est difficile d’agir, telles que sa texture et sa structure et sur des propriétés gérables telles que la teneur en matière organique ou en carbone ou la porosité du sol (Dominati et al., 2014). Ceci permet des projets telle que l’initiative « 4 pour 1 000 » dont l’objectif serait d’augmenter le stockage de carbone de 4 ‰ (i.e. 0,4 %) dans les sols agricoles afin de limiter le changement climatique (Minasny et al., 2017). Dans le cadre de cette démarche, il est question d’augmenter les entrées de carbone via des changements de pratiques agricoles. Cependant, constater les effets de telles mesures nécessite également un suivi à long terme avec des estimations régulières des stocks de carbone.

Actions de gestion et biomasse aérienne

Le changement de stock de carbone le plus marqué était l’augmentation observée du stock de la biomasse aérienne entre une ZH herbacée et une ZH forestière. En effet, la biomasse aérienne est un compartiment où des actions de gestion peuvent être plus aisées. Dans la perspective de favoriser la régulation du climat global dans les ZH étudiées, les deux mesures à considérer seraient de limiter la déforestation et l’ouverture du milieu. Cela pourrait susciter de l’intérêt pour certains écosystèmes, telles que les saussaies qui sont généralement fauchées afin de laisser des milieux ouverts, mais qui semblent stocker significativement plus de carbone que les milieux herbacés. Ces décisions mèneraient surtout à la fermeture de milieux, entrant en conflit avec les avantages que présentent les espaces humides ouverts pour leur biodiversité caractéristique, leur valeur patrimoniale et le rôle des milieux ouverts dans l’esthétique d’un paysage. Ceci souligne l’importance de ne pas focaliser la gestion sur un SE donné, mais plutôt d’en considérer plusieurs en parallèle – ce qu’on appelle un bouquet de SE, avant de prendre des décisions de gestion favorisant un SE au détriment de plusieurs autres (EFESE, 2017 ; Lavorel et al., 2017).

Conclusion

Nous avons constaté que la principale action de gestion susceptible de fortement modifier à court terme les stocks de carbone dans les ZH étudiées était la libre évolution de milieux herbacés vers des milieux forestiers. Cette fermeture du milieu conduit en effet à une augmentation du carbone stocké dans la biomasse aérienne. L’utilisation de modèles d’états-et-transitions en combinaison avec des mesures de terrain semble une solution pertinente pour comprendre l’évolution d’un écosystème de long de trajectoires de gestion. La connaissance des différents états et de la nature des transitions permet en effet de mesurer et suivre les changements du niveau de fourniture d’un ou plusieurs services écosystémiques. La comparaison du niveau de SE mesuré(s) sur des parcelles existantes permet de projeter ce que seraient les conséquences de décisions de gestion ou, plus largement, de changements d’utilisation des sols sur les écosystèmes étudiés. Cette approche pourrait trouver son utilité pour développer des plans de gestion ou d’aménagement du territoire, par exemple en cherchant à optimiser un bouquet de SE sélectionnés pour répondre à des normes environnementales et/ou à une forte demande locale pour ces SE. Cette approche trouverait également sa place dans le cadre de la restauration ou de la compensation dans l’application de la séquence ERC (« Éviter, Réduire, Compenser ») lors de la réalisation de projets d’aménagement.

Pour citer cet article :

Référence électronique :
BARTHOLOMÉE, Océane ; LAVOREL, Sandra ; LABARRAQUE, Dorothée ; GAUCHERAND, Stéphanie, Évolution des stocks de carbone en fonction des trajectoires de gestion en zone humide, Revue Science Eaux & Territoires, article hors-série, 8 p., 10/12/2018, disponible en ligne sur <URL : http://www.set-revue.fr/evolution-des-stocks-de-carbone-en-fonction-des-trajectoires-de-gestion-en-zone-humide> (consulté le 21/05/2019), DOI : 10.14758/set-revue.2018.hs.07.

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