La toundra est un vaste biome froid qui s'étend sur les régions arctiques et subarctiques d'Amérique du Nord, d'Europe et d'Asie. Elle couvre environ 10 % de la surface terrestre de la Terre et joue un rôle profondément important et de plus en plus précaire dans le cycle du carbone de la planète. Depuis des millénaires, la toundra agit comme un puits net de carbone, en fermant d'énormes quantités de carbone organique dans ses sols gelés. Cependant, à mesure que les températures mondiales augmentent, ce réservoir de carbone gelé dégele, avec le potentiel de libérer de grandes quantités de gaz à effet de serre et d'accélérer les changements climatiques.

La toundra comme puits de carbone à long terme

La capacité de la toundra à stocker du carbone est enracinée dans son climat et ses conditions de sol uniques. Les températures froides ralentissent la décomposition des matières végétales, ce qui permet à la matière organique d'accumuler sur des milliers d'années. Cette matière organique est conservée dans pergélisol—sol qui reste gelé pendant deux années consécutives ou plus.

Les estimations suggèrent que le pergélisol sous-jacent à la toundra détient environ 1 400 à 1 600 milliards de tonnes de carbone métriques, soit environ le double de la quantité actuellement présente dans l'atmosphère terrestre. Ce carbone s'accumule depuis la dernière période glaciaire, se construisant progressivement sous forme de matière organique enterrée et congelée avant de pouvoir se décomposer complètement. Les conditions gelées agissent efficacement comme un casier naturel de stockage à froid, en fermant le carbone qui serait autrement recyclé dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone (CO2) ou de méthane (CH4).

Mécanismes d'accumulation de carbone

Pendant le court été arctique, la couche supérieure du sol (la couche active) dégele, permettant aux plantes de croître et de prendre du CO2 par photosynthèse. Les plantes de la toundra sont des graminées, des carex, des arbustes, des mousses et des lichens à faible croissance et à croissance lente, mais elles fixent collectivement une quantité importante de carbone chaque année. Lorsque ces plantes meurent, les conditions froides et les sols ensemencés inhibent l'activité microbienne qui les décompose.

Pergélisol : la clé du stockage du carbone

Le pergélisol n'est pas une couche uniforme, mais il varie en épaisseur, en étendue et en teneur en glace. Dans les zones de pergélisol continu, le sol est gelé toute l'année, sauf pour une mince couche active qui dégele en été. Dans les zones discontinues, il existe des poches de terre dégelée. Le carbone stocké dans le pergélisol est sensible aux changements de température. Tant que le sol reste gelé, le carbone est effectivement séquestré. Cependant, lorsque le pergélisol dégele, la matière organique devient accessible aux microbes, qui commencent à le décomposer, libérant du CO2 et du CH4.

Le dégel du pergélisol s'accélère en raison de l'augmentation des températures arctiques, qui se réchauffent à peu près deux à quatre fois la moyenne mondiale, phénomène connu sous le nom d'amplification arctique. Le dégel peut se produire graduellement de la surface vers le bas, ou brusquement sous la forme de thermokarst : l'effondrement du sol causé par la fonte de la glace, qui entraîne un effondrement, des glissements de terrain et la formation d'étangs et de lacs.

Pour plus de détails sur la dynamique du carbone du pergélisol, la revue 2019 Pergélisol Carbon Network in Nature Climate Change fournit un aperçu faisant autorité.

Impacts des changements climatiques sur le bilan carbone de la toundra

Le réchauffement de l'Arctique modifie fondamentalement le cycle du carbone de la toundra. Les températures qui augmentent et qui prolongent la saison de croissance et peuvent augmenter la productivité des plantes, ce qui augmente potentiellement l'absorption du carbone, accélèrent également la décomposition et le dégel du pergélisol, libèrent du carbone stocké.

Croissance accrue des plantes et écologisation

La chaleur et la saison de croissance plus longue ont entraîné une expansion des arbustes et des plantes plus hautes dans certaines régions, un processus souvent appelé « verdissement arctique ». La biomasse végétale plus grande peut augmenter l'absorption photosynthétique de CO2 pendant l'été, compensant partiellement les pertes de carbone de la décomposition. Cependant, cet effet est limité par les nutriments disponibles, en particulier l'azote et le phosphore, qui sont enfermés dans le pergélisol et lentement libérés à mesure que le sol dégele.

Décomposition accélérée et rejets de gaz à effet de serre

La principale préoccupation est que le dégel du pergélisol libèrera plus de carbone que celui qui est absorbé par une croissance accrue des plantes, en faisant basculer la toundra d'un puits net de carbone vers une source nette de carbone. Cela se produit déjà dans de nombreuses régions. Lorsque la matière organique se décompose en présence d'oxygène (conditions aérobies), elle produit du CO2. Lorsque la décomposition se produit dans des conditions anaérobies et anaérobies, elle produit du méthane – un gaz à effet de serre qui est environ 28 à 80 fois plus puissant que du CO2 à différents horizons temporels.

Un article de 2022 dans Nature a mis en évidence les preuves croissantes que les émissions de méthane provenant des lacs et des milieux humides de l'Arctique augmentent plus rapidement que prévu.

La boucle de rétroaction : un point de basculement potentiel

Le dégagement de CO2 et de CH4 de la toundra amplifie le réchauffement climatique dans une boucle classique de rétroaction climatique. Le réchauffement initial dégele le pergélisol, dégage des gaz à effet de serre. Ces gaz emprisonnent davantage de chaleur, provoquant un dégel supplémentaire et plus d'émissions. Ce cycle d'auto-renforçage est l'un des «points de basculement» les plus dangereux du système climatique de la Terre.

La boucle de rétroaction n'est pas linéaire : des événements de dégel brusque, une fréquence accrue des feux de forêt (rarement dans le passé mais maintenant plus fréquente dans les régions de la toundra comme l'Alaska et la Sibérie) et des changements d'hydrologie peuvent causer des rejets soudains et importants qui sont difficiles à prévoir.

Facteurs influant sur le rejet de carbone

Plusieurs facteurs environnementaux et anthropiques déterminent le taux et l'ampleur des rejets de carbone de la toundra, facteurs essentiels pour améliorer les modèles prédictifs et éclairer les politiques.

Augmentations de température

Les températures plus élevées accélèrent la décomposition microbienne de la matière organique, augmentant directement la production de CO2 et de CH4. La relation entre la température et le taux de décomposition est exponentielle dans certaines gammes, ce qui signifie que même les petits accroissements de réchauffement peuvent entraîner des augmentations significatives des émissions.

Changements de végétation

Les arbustes se développent dans des zones autrefois dominées par les graminées et les carex, ce qui modifie le bilan énergétique local (les canopes d'arbuste piègent la neige, isolent le sol en hiver et ralentissent éventuellement le réchauffement du pergélisol dans certaines zones) et modifie la quantité et le type d'apport de matière organique dans les sols.

Activités humaines

Le développement industriel, y compris l'extraction du pétrole et du gaz, l'exploitation minière et les infrastructures comme les routes, les pipelines et les établissements, perturbe directement les sols pergélisols. L'élimination de la végétation et le compactage du sol peuvent accroître la profondeur de dégel et déclencher l'érosion. Les déversements de pétrole ou d'autres produits chimiques peuvent perturber davantage les communautés microbiennes.

De plus, le carbone noir (soot) provenant d'une combustion incomplète de combustibles fossiles et de biomasse peut s'installer sur la neige et la glace, obscurcir la surface et accroître l'absorption de la lumière du soleil, ce qui accélère le réchauffement local et la fonte de la neige et de la glace.

Les précipitations

Les conditions plus humides favorisent la décomposition anaérobie et les émissions de méthane plus élevées. Les conditions plus sèches augmentent la décomposition aérobie, produisant du CO2 au lieu du méthane, mais aussi entraînant une perte plus rapide de carbone dans le sol. Les régions de pergélisol connaissent des changements dans les précipitations totales et leur calendrier saisonnier, les précipitations hivernales plus importantes étant la pluie dans certaines régions, ce qui peut causer des événements de givrage qui peuvent endommager la végétation et modifier l'hydrologie.

Feu de forêt

Les feux de forêt ont toujours été rares dans la toundra en raison des conditions froides et humides, mais ils deviennent plus fréquents et plus graves à mesure que les températures augmentent. Les feux libèrent directement de grandes quantités de CO2 et de méthane de la végétation et de la couche organique du sol. Plus important encore, les incendies éliminent la végétation isolante et la couche organique de surface, entraînant un dégel plus profond du pergélisol et des pertes de carbone qui peuvent persister pendant des décennies.

Rôle de la faune et des écosystèmes de la toundra

L'écosystème de la toundra comprend des animaux emblématiques comme le caribou (le renne), le renard arctique, le lemming et les oiseaux migrateurs. Bien que ces animaux ne soient pas directement responsables de grands flux de carbone, ils influencent le cycle du carbone par leurs interactions avec la végétation et les sols.

Dans certaines régions, il a été démontré que le pâturage intense réduit le dégel du pergélisol en limitant l'effet isolant de la neige profonde piégée par les arbustes. Inversement, les populations d'herbivores peuvent également piétiner la végétation, affecter le compactage du sol et modifier le cycle des nutriments. Les oiseaux migrateurs, en particulier les oies, déposent de grandes quantités de nutriments (guano) dans les zones humides de la toundra, qui peuvent fertiliser la croissance des plantes mais aussi stimuler la décomposition.

Incidences mondiales et projections futures

Le rôle évolutif de la toundra dans le cycle du carbone a des répercussions importantes sur la politique climatique mondiale. Le carbone actuellement stocké dans le pergélisol équivaut à environ la moitié du budget restant à l'échelle mondiale pour maintenir le réchauffement en dessous de 2°C. Même si les émissions humaines sont réduites de façon drastique, le carbone libéré par la toundra contribuera à un réchauffement supplémentaire, réduisant ainsi efficacement les émissions admissibles des combustibles fossiles et de l'utilisation des terres.

Les projections futures reposent sur des modèles du système terrestre qui tentent de simuler la dynamique du pergélisol, mais de grandes incertitudes subsistent. Les modèles actuels sous-estiment souvent la quantité de carbone stockée dans le pergélisol profond et ne représentent pas de manière adéquate les processus de dégel brusque ou la gamme complète des émissions de méthane. Par conséquent, la fourchette déclarée par le GIEC pour les émissions de pergélisol de 2100 (10–150 Pg de carbone, soit jusqu'à 550 milliards de tonnes d'équivalent CO2) a une large bande.

Parmi les régions clés à surveiller, mentionnons le delta du Yukon et du Kuskokwim en Alaska, le delta de la rivière Lena en Sibérie et les basses terres de la baie d'Hudson au Canada, où de grands réserves de carbone sont combinées à un réchauffement rapide et à un fort potentiel de dégel brutal.

Stratégies d ' atténuation et d ' adaptation

Pour faire face à la réaction de la toundra au carbone, il faut adopter une double approche : réduire de façon agressive les émissions mondiales de gaz à effet de serre afin de limiter le réchauffement qui provoque le dégel et prendre des mesures ciblées pour protéger les écosystèmes de la toundra contre d'autres perturbations.

Réduction des émissions mondiales

The most effective way to limit permafrost carbon release is to reduce anthropogenic emissions of CO₂, methane, and black carbon as quickly as possible. This includes transitioning to renewable energy, improving energy efficiency, reducing deforestation, and adopting sustainable agricultural practices. The slower the warming, the slower the permafrost will thaw and the more carbon will remain sequestered.

Protection des écosystèmes de la toundra

L'établissement de nouvelles aires protégées dans l'Arctique, comme les zones de conservation proposées sous l'égide des Autochtones au Canada, peut contribuer à préserver des écosystèmes intacts. Dans les régions où l'infrastructure ne peut être évitée, des solutions techniques comme les thermosyphons (qui éliminent passivement la chaleur du sol) et l'élévation de structures sur des pieux peuvent réduire les impacts thermiques sur le pergélisol.

Restauration et piégeage du carbone

Dans les régions où le pergélisol s'est déjà dégradé, on s'intéresse de plus en plus aux interventions de restauration, comme la remise en conditions des tourbières séchées, la plantation de végétation indigène et la gestion des populations d'herbivores pour reconstruire le carbone du sol.

Conclusion

La toundra n'est pas seulement un paysage isolé et gelé, elle est une composante essentielle du cycle du carbone de la Terre, qui contient plus de carbone que toutes les forêts pluviales du monde.Depuis des milliers d'années, elle agit comme un puits de carbone vital, mais le réchauffement rapide la transforme maintenant en une source potentielle de gaz à effet de serre puissants. La dynamique du dégel du pergélisol, du changement de végétation et des réactions écosystémiques sont complexes et ne sont pas encore entièrement résolues par la science.

Pour éviter de franchir des points critiques, la société doit considérer l'Arctique non pas comme une frontière pour l'extraction des ressources, mais comme une partie essentielle du système de survie de la Terre. Une surveillance complète, des réductions ambitieuses des émissions et une gestion prudente des écosystèmes de la toundra sont essentielles.