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Géophysique externe climat et environnement (Climat)

Contribution des écosystèmes continentauxà la séquestration du carbone

Michel Roberta,∗, Bernard Saugierb

a Service de la Recherche et de la Prospective, ministère de l’Aménagement du Territoire, 20, av. de Ségur, 75302 Paris 07 SP, Fb « Écologie, Systématique et Évolution », bât. 362, université Paris-11, 91405 Orsay cedex, France

Reçu le 21 janvier 2003 ; accepté le 20 mai 2003

Rédigé à l’invitation du Comité éditorial

Résumé

Cet article est centré sur la contribution des écosystèmes naturels (forêts, prairies) ou cultivés au stockage de carla biomasse et dans les sols. Les stocks actuels sont importants (650 Gt pour la végétation, 1500 à 2000 Gt pour les750 Gt pour le CO2 atmosphérique) ; les flux le sont également, avec des émissions de CO2 dans le passé (déforestation, men culture) et actuellement un stockage de carbone (>2 GtC/an). Cet article met en évidence la variabilité des stocks et desainsi que les grandes difficultés de mesure, en particulier pour ce qui concerne les variations des stocks. Une action apar le reboisement, le changement d’utilisation des terres et de bonnes pratiques culturales peuvent augmenter la séde carbone dans la biomasse et dans les sols pour des durées de plusieurs décennies, ce qui peut constituer unnégligeable à la lutte contre l’effet de serre dans le cadre du protocole de Kyoto et peut avoir, en plus, des effets bénéfil’environnement.Pour citer cet article : M. Robert, B. Saugier, C. R. Geoscience 335 (2003). 2003 Académie des sciences. Publié par Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés.

Abstract

Contribution of terrestrial ecosystems to carbon sequestration.This article focuses on the contribution of natural ecostems (forests, grasslands) and agrosystems to carbon sequestration either in biomass or in soil. Carbon stocks are(650 Gt in biomass, 1500 to 2000 Gt in soils as compared with 750 for atmospheric CO2), and also fluxes that led to CO2emissions in the past (due to deforestation or cultivation) and which now turn to carbon sequestration (2 GtC/year). This articleshows great spatial variations in stocks and fluxes and great measurement difficulties, especially for stock variations.actions such as reforestation (mainly in the North), changes in land use or in crop management, can increase carbontion in biomass or soil, with a residence time of several decades, which is not insignificant with respect to the Kyotoand which also has other environmental benefits.To cite this article: M. Robert, B. Saugier, C. R. Geoscience 335 (2003). 2003 Académie des sciences. Publié par Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés.

Mots clés :changement climatique ; protocole de Kyoto ; effet de serre ; forêt ; prairie ; sol ; matière organique des sols ; agriculture ; lautilisation des terres ; puits de carbone

Keywords:climatic change; Kyoto protocol; greenhouse effect; forest; grassland; soil; biomass; soil organic matter; agriculture; tillageuse; carbon sink

* Auteur correspondant.Adresse e-mail :Michel.Robert@environnement.gouv.fr (M. Robert).

1631-0713/$ – see front matter 2003 Académie des sciences. Puréservés.doi:10.1016/S1631-0713(03)00094-4

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Abridged English version

The presentation of the global carbon cycle shothe specific contributions of both soils and biomasscarbon stocks (respectively of 1500 to 2000 Gt a500 to 650 Gt) and to carbon fluxes that can eitcontribute to carbon storage or to carbon emission

In the first part, the spatial distribution of carbstocks is illustrated for the world and for France. Bmes depend mainly on latitude, but soil carbon stoare increased by low temperature and hydromorand vary with agricultural practices. This part is copleted by a presentation on carbon repartition betwbiomass and soil for three different ecosystemsforest, a grassland, and an annual crop. Soil carclearly exceeds biomass carbon for the grasslandthe crop.

The second part deals with fluxes. A recent histocal analysis since 1850 shows that the contributionterrestrial ecosystems to CO2 emissions has been veimportant during the last century, in relation with tdevelopment of agriculture. Nowadays, if deforestion is still active in the south of the globe (with aannual emission rate of 1.6 GtC), the direction of theflux is reversed to the north, with a carbon sink duereforestation and some changes in tillage practices

In the last part, an attempt is made to explthe formation and evolution of a carbon sink througlobal change (increase in photosynthesis due tocreases in CO2, in temperature and in nitrogen depsition). But anthropic actions of prevention throuarticles 3.3 and 3.4 of the Kyoto protocol could abe very effective. Different solutions are presentalternatives to deforestation, afforestation, and deopment of a wood-based energy chain, modificatiof agrosystems (with, for example, the developmof conservation agriculture), conservation and restotion of grasslands and pastures, desertification pretion.

In conclusion, even if variations and uncertaintare large, it appears that the present participatioterrestrial ecosystems to carbon sequestration is l(over 2 GtC/year). It can certainly be increasedanthropic actions to help in mitigation of climatchange. These actions are important to considereference to Kyoto protocol, as they also repressustainable solutions for environment and develment.

1. Introduction

Pour situer la contribution des écosystèmesrestres à la séquestration de carbone, on peut raler les éléments du bilan global du carbone, repsentés sur la Fig. 1 d’après les documents de l’IP(http://www.ipcc.ch, Intergovernmental Panel on Clmatic Changeou en français GIEC, Groupe intergovernemental d’étude du climat). On voit que le cbone contenu dans la végétation (principalemenbois des arbres) représente presque autant questocké dans l’atmosphère sous forme de CO2, et quel’humus des sols en représente deux fois plus, mque ces stocks sont faibles devant le carbone mral contenu dans les océans. Les carbonates desreprésentent quant à eux un stock de 750 GtC, maisn’interviennent pas directement dans le cycle. Onmarque aussi l’importance des flux échangés annlement par la photosynthèse (PPB), la respirationtotrophe (Ra) et la respiration hétérotrophe (Rh). Rhrésulte pour l’essentiel de l’activité biologique des dcomposeurs qui minéralisent le carbone organiquelitières et des sols. Les échanges atmosphère–osont aussi élevés ; ils sont provoqués par la différede pression partielle de CO2 entre la surface de l’eaet l’atmosphère : absorption par les eaux froides sosaturées en CO2, dégagement par les eaux chausursaturées en CO2. Les flux de carbone provenant dl’utilisation des combustibles fossiles et de la défortation s’accumulent en partie dans l’atmosphère, epartie dans les océans et la biosphère continentale

Un bilan de ces flux est donné dans le Tableapour deux périodes successives. On remarquemalgré une augmentation de la consommationcarbone fossile, le stockage dans l’atmosphèreresté constant, à 3,3 GtC/an (soit une augmentatiomoyenne de concentration en CO2 de 1,5 ppmv/an)ce qui implique une augmentation de la fixatipar les océans et les continents. Les chiffresTableau 1 proviennent de mesures précises poucarbone fossile et l’atmosphère, d’estimations asgrossières pour la déforestation, et d’un modèle ajaux mesures disponibles pour les océans. Les chipour les continents sont déduits par différence eles sources et les puits atmosphérique et océanL’existence d’un puits continental important a éconfirmée par des modèles inverses déduisant lesde surface par bandes de latitude du réseau de me

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Fig. 1. Bilan global du carbone. Les boîtes représentent les stocks en milliards de tonnes et les flèches, les flux en milliards de ton(d’après [19], réactualisé d’après [21]).

Fig. 1. Global carbon balance. Boxes represent stocks in billion tons and the arrows the fluxes in billion tons per year (after [19]after [21]).

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Tableau 1Bilan global de carbone en GtC/an (1 Gt= 1 milliard de tonnes)Table 1Global carbon balance in GtC/year (1 Gt= 1 billion tonnes)

1980–1989 1990–1998

Combustion de carbone fossile 5,5± 0,5 6,3± 0,6Émissions liées à la déforestation 1,7± 0,8 1,6± 0,8Stockage dans l’atmosphère 3,3± 0,2 3,3± 0,2Fixation par les océans 2,0± 0,8 2,3± 0,8Fixation brute des continents 1,9± 1,3 2,3± 1,3

du CO2 atmosphérique (incluant le13C du CO2, quipermet de savoir si le flux est d’origine continentaleocéanique [9], et en comparant le gradient latitudde concentration en CO2 à ce qu’il serait sans puitcontinental [12]).

Dans cette contribution on ne considérera paméthane, qui constitue une émission importante ples sols hydromorphes et les sols de rizière.

On peut donc admettre que la biosphère contintale fonctionne déjà comme un puits et absorbemoins 2 GtC/an, soit près de 2% de la fixation phtosynthétique ou 3,5% de la fixation nette après respration. Le stockage de carbone a nécessairemen

dans les réservoirs continentaux, soit essentiellemdans la biomasse des arbres et la matière organdes sols. Cependant, une série de questions seauxquelles nous allons essayer de répondre. Comce stockage est-il réparti géographiquement? Peuen rendre compte par un modèle mécaniste permede prévoir son évolution future ? Peut-on favoriserstockage par une gestionad hocdes cultures, prairieet forêts ?

2. Les principaux stocks de carbone dans lesécosystèmes terrestres

Nous tenterons de répondre aux questions poci-dessus en regardant déjà la distribution actuellebiomes (ces grands types de végétation qui dépendu climat et déterminent la biomasse) et du carbdu sol. La Fig. 2 représente la répartition des biomdéterminée à partir de données satellitales NOAAVHRR, fournissant les variations saisonnièresl’indice de végétation, avec une résolution spatiale1 km. L’indice de végétation représente la fractionsol couverte par des feuilles vertes, et ses variat

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Fig. 2. Carte de végétation du globe, établie d’après les variations saisonnières d’indice de végétation du capteur satellital NOAA–AVHRR (d’après[13]).

Fig. 2. Vegetation map for the globe, established from seasonal variations of vegetation index (satellite data NOAA–AVHRR; from [13]).

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saisonnières permettent de différencier les principbiomes. On remarque que les forêts (en vert sucarte) sont exclues de la surface des continents pfroid des latitudes et altitudes élevées, la sécherdes zones arides et le défrichement par l’homme dde nombreuses zones tempérées et tropicales. Onfortes valeurs de biomasse dans les forêts tropicales forêts tempérées (mais avec un mitage lié à l’aculture) et les forêts boréales. La Fig. 3 représentcarte de répartition du carbone organique du sol, tqu’elle a été établie par le département américainl’agriculture (USDA) à partir de données diverses16,30]. On remarque les fortes valeurs de stock dles hautes latitudes de l’hémisphère nord. Ce stoccarbone dépend de la production végétale, qui amau sol de la matière organique fraîche sous formelitière aérienne et racinaire, et de la vitesse de décposition de cette matière organique, qui augmente ala température, l’humidité et la teneur en oxygènesol. À haute latitude, la production végétale est asfaible, mais les basses températures et l’engorgemfréquent des sols en eau limitent la décompositiofavorisent donc l’accumulation de matière organiqparticulièrement dans les tourbières et les pergélisLa Fig. 4 présente pour divers biomes la répartitioncarbone par unité de surface dans la biomasse [3le sol [23]. On retrouve l’importance du carbone dsols par rapport à la biomasse, particulièrementhautes latitudes (forêts boréales, toundra) et poucultures, prairies et déserts. La biomasse n’est nment dominante que pour les forêts. On remarquele stock total moyen de carbone des diverses forêtde l’ordre de 300 tC/ha, mais que sa répartition varavec la latitude, majoritairement dans la biomasseforêt tropicale, dans le sol pour les forêts boréalesen parties égales dans la biomasse et le sol pouforêts tempérées.

Pour évaluer, en climat tempéré, l’importancemode de gestion sur le bilan carboné, on a représsur la Fig. 5 les stocks et flux de carbone pour trécosystèmes types : une forêt de hêtre, une prnaturelle et une culture de maïs. C’est la cultureprésente la plus forte productivité primaire nette PPsuivie de la forêt, puis de la prairie. Ces chiffrsont assez représentatifs (comparer aux valeurla Fig. 4) : la biomasse d’une forêt adulte varie40 tC/ha pour une forêt boréale à 200 tC/ha pour uneforêt tropicale, mais on peut trouver des cas extrê

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sur de petites surfaces, avec 1000 tC/ha pour les forêtsde séquoias géants de la façade Pacifique de Califoet de l’Oregon. Les stocks de carbone dans les praet les cultures sont toujours limités (en général mode 10 tC/ha). Le stock moyen de carbone du svarie moins entre les biomes, passant de 50 tC/hadans les sols désertiques à 250 tC/ha sous forêboréale (Fig. 4). La relative faiblesse de la productprairiale sur la Fig. 5 provient de sa localisations’agit d’une prairie naturelle située à Matador, pde Swift Current, au sud de la SaskatchewanCanada, avec une saison de croissance de seulesix mois (avril à septembre), encore réduite d’un mou deux par une sécheresse estivale. Des prairiesol acide des Cerrados au Brésil peuvent avoirstocks (essentiellement présents dans le sol) dede 200 t/ha. Le stock de carbone est comparableprairie et sous forêt et nettement plus faible smaïs. À cause de sa forte biomasse, c’est la fqui, des trois écosystèmes, stocke le plus de carbglobalement.

Si on considère maintenant la répartition des stode carbone du sol au niveau de la France (Fig. 6climat (zonalité altitudinale) et le type d’occupatides sols sont les facteurs principaux qui déterminle stockage du carbone dans les sols [2]. Ainpour une épaisseur de sol de 30 cm, les stoles plus élevés (100 tC/ha) sont présents dans lsols d’alpage d’altitude, et dans les sols de foou de prairies (70 à 80 tC/ha) ; en revanche, lestocks sont moindres dans les sols cultivés, etparticulièrement dans les sols de vigne. Le stockcarbone contenu globalement dans les sols de Frest de 3,1 GtC. Notons que la valeur des stocks serbeaucoup plus élevée [4] si on prenait une épaisde 1 m, les podzols avec l’horizon noir (dit Bd’accumulation de matière organique en profonden étant la meilleure illustration. On peut apporter uautre illustration de la complexité du système et dde la difficulté de modéliser : au sein de la matiorganique des sols, on peut ainsi distinguer différecompartiments selon leur taille et leur localisatidans la structure, qui ont des temps de résidetrès différents : la matière organique particulaire lib(1 à 2 ans), les petits fragments protégés audes agrégats (quelques dizaines d’années) et enfiacides humiques, à la fois stables sur le plan chim

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Fig. 3. Carte de la distribution des stocks de carbone du sol, établie par l’USDA (département de l’Agriculture des États-Unis). Source : FAO–Unesco (Soil Map of the World, digitizedby ESRI. Soil climate map, USDA–NRCS, Soil Survey Division, World Soil Resources, Washington DC,http://www.nrcs.usda.gov/technical/worldsoils/mapindx/soc.html).

Fig. 3. Map of soil carbon (from the US Department of Agriculture). Source: FAO–UNESCO (Soil Map of the World, digitized by ESRI. Soil climate map, USDA–NRCS, SoilSurvey Division, World Soil Resources, Washington DC,http://www.nrcs.usda.gov/technical/worldsoils/mapindx/soc.html).

http://www.nrcs.usda.gov/technical/worldsoils/mapindx/soc.htmlhttp://www.nrcs.usda.gov/technical/worldsoils/mapindx/soc.html

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Fig. 4. Stocks de carbone par unité de surface (tC/ha) dans la végétation et le sol des principaux biomes (d’après [23,30]).

Fig. 4. Carbon amounts per unit area (tC/ha) in vegetation and soil of the main biomes (from [23,30]).

Fig. 5. Stocks et flux de carbone dans trois écosystèmes représentatifs des forêts, prairies et cultures. PPB est la productivité pri(carbone fixé par photosynthèse), PPN est la productivité primaire nette (carbone utilisé pour la formation de biomasse), PNE est la pnette de l’écosystème, qui correspond au stockage de carbone par cet écosystème.

Fig. 5. Carbon stocks and fluxes for three representative ecosystems: forest, grassland and culture. PPB (or GPP) is gross primary(carbon fixed by photosynthesis), PPN (or NPP) is net primary production (carbon used for biomass formation), PNE (or NEP) is net eproductivity, which corresponds to the storage of carbon by the ecosystem.

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et souvent liés aux particules d’argile, qui peuvpersister plus de 1000 ans (Fig. 7) [3].

3. Les principaux flux de carbone

3.1. L’évolution historique des flux

L’évolution des émissions mondiales de carbonereprésentée sur la Fig. 8. On peut noter qu’avant 1année qui marque le début d’un développement indtriel important, les émissions provenaient majorita

ment du développement de l’agriculture aux dépdes forêts et des prairies (0,6 à 0,7 GtC/an).

À partir de 1950, c’est la déforestation tropicaqui s’intensifie, en particulier en Amérique du Set en Asie [6], pour atteindre le taux d’émission atuel, proche de 1,7 GtC/an (la figure indique plutô2 GtC/an, en accord avec la dernière estimation pubpar Houghton [18]). Cette déforestation, qui conceannuellement 15 millions d’hectares environ, est svent accompagnée de brûlis de la biomasse (slash andburn) et de la minéralisation, sous forme de CO2,d’une bonne partie de la matière organique des

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Fig. 6. Carte de la répartition du carbone des sols de France, sur une épaisseur de 30 cm (0–9 kg m−2) [2].Fig. 6. Stocks of soil carbon (0–30 cm) in France (0–9 kg m−2) [2].

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forestiers. Une évaluation récente [27] pour les incdies de forêts et tourbes de 1997 en Indonésie avla fourchette, considérable, de 0,81 à 2,57 GtC. Ceciest également illustré par la Fig. 9, qui montre l’évotion du stock de carbone du sol au cours d’une misculture de forêt [1] ; le résultat serait le même (50de perte en moins de 10 ans), si on partait inilement d’une prairie naturelle. À un niveau région

(plaine centrale des États-Unis), on peut observerla Fig. 10 le même phénomène de perte de carblié à la mise en culture des terres de prairie jusqu1950 [7], année à partir de laquelle on constate unebilisation, suivie d’une remontée du stockage de cbone dans les sols, sous l’influence d’une politiquelutte contre l’érosion avec réduction du labour (ptiques dites de conservation).

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Fig. 7. Répartition du carbone au sein des différents niveaux d’agrégation du sol (d’après [3]). Sites de la matière organique du smatrice du sol (Chenu, non publié). ePOM= particule de matière organique externe, iPOM= particule de matière organique interne.

Fig. 7. Carbon location in various kinds of aggregates of the soil matrix (from [3]).

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Fig. 8. Émissions mondiales de carbone (GtC/an) liées à la consommation de combustibles fossiles et aux changements d’utilisades terres (principalement la déforestation).

Fig. 8. World carbon emissions (GtC/year) from energy sources ofrom land use changes (mainly from deforestation).

3.2. La mesure des stocks et flux et de leur variatio

Comment améliorer nos estimations de l’absotion de carbone par les écosystèmes terrestres ?

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Fig. 9. Courbe typique de décroissance du stock de carbone d’uforestier après mise en culture [1].

Fig. 9. Typical decrease of soil carbon, following forest clearingcultivation [1].

pistes sont possibles. L’une passe par une mesurstocks et de leurs variations, l’autre par une intégtion du flux vertical de CO2 échangé entre l’écosystème et l’atmosphère. Pour les stocks de carboneforêts françaises, on peut utiliser les données deventaire forestier national (IFN), avec les limitesdiquées dans ce numéro par Dupouey : en moye120 000 placettes sont mesurées tous les 10 anslume de bois fort sur pied, qu’il faut ensuite convtir en biomasse en ajoutant les branches, puis en

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Fig. 10. Changements simulés des stocks de carbone du sol (0–20 cm) de 1907 à 1990 pour la plaine centrale à blé des États

Fig. 10. Simulated changes in soil carbon (0–20 cm) from 1907 to 1990 for the central US Corn Belt.

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bone), mais sans revenir sur les mêmes placettequi limite la précision sur l’estimation de la variatioDans l’avenir, une partie au moins de ces placettesvrait être géoréférencée.

Les teneurs en carbone des sols sont particuliment hétérogènes (Fig. 6), et l’on a disposé d’enron 18 000 échantillons d’analyse, mais sur 30 cmprofondeur seulement et avec une répartition préfétielle dans les sols cultivés qui ont fait l’objet de dmandes d’analyses par les services spécialisés.l’avenir, on utilisera les 2100 sites géoréférencésnouveau réseau de surveillance des sols (RMQScours de mise en place, avec une maille de 16 km16 km, où l’on mesurera à la fois le profil de denset de teneur en carbone. On peut envisager alors dtimer une variation de stock de manière statistiqueun intervalle de 5 à 10 ans. L’expertise de l’Inra soligne le coût élevé de ces opérations statistiques siveut se replacer dans une procédure stricte de vérition pour le protocole de Kyoto.

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Les mesures de flux de CO2 au-dessus des écosytèmes sont pratiquées de façon continue (une mepar demi-heure en général) en routine, dans env150 sites dans le monde (voir la carte sur la Fig. 1Trois de ces sites sont situés en France : un enraine, sur une jeune hêtraie à Hesse, près de Sbourg ; un sur une plantation de pin maritime, pde Bordeaux ; un sur taillis de chêne vert, au nde Montpellier. Deux autres sont en préparation, ldans la forêt de Barbeau, à l’ouest de Fontaineblsur chêne sessile, l’autre en forêt tropicale, prèsKourou, en Guyane. La Fig. 12 présente le fluxcarbone journalier (somme algébrique sur 24 h)dessus de la hêtraie de Hesse en 1997 [17]. Leest contrôlé par la phénologie (dates d’apparition esénescence des feuilles), avec des valeurs positivhiver, correspondant à un dégagement de CO2, et desvaleurs négatives pendant la saison de croissance,l’amplitude dépend de l’intensité du rayonnementlaire et de la disponibilité en eau du sol.

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Fig. 11. Répartition des stations de mesure du flux de CO2 au-dessus de couverts végétaux (http://www-eosdis.ornl.gov/FLUXNET/index.html).

Fig. 11. Sites used for the measurement of CO2 fluxes above vegetation canopies (http://www-eosdis.ornl.gov/FLUXNET/index.html).

http://www-eosdis.ornl.gov/FLUXNET/index.htmlhttp://www-eosdis.ornl.gov/FLUXNET/index.html

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Fig. 12. Flux net journalier de carbone (gC m−2 j−1) au-dessus d’une jeune hêtraie en 1997, mesuré par la méthode des corrélations [1

valeur positive correspond à un dégagement de CO2 par l’écosystème.

Fig. 12. Net carbon daily flux (gC m−2 j−1) above a young beech forest in 1997, as measured by eddy correlation [17]. A positive value

a release of CO2 by the ecosystem.

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Ces mesures de flux sont adéquates pour testemodèles de processus, mais leur intégration surannée fournit des valeurs entachées d’une grandcertitude, car résultant d’une différence faible endeux valeurs élevées, celle de la photosynthèse etde la respiration globale de l’écosystème. Les erreinévitables commises certains jours ne se compsent pas nécessairement. En particulier, on saitles mesures de respiration nocturne sont fort impcises lorsque la vitesse du vent est faible et la turlence intermittente, et il serait important de les dbler par une estimation indépendante, ce qui est psur les sites français, en utilisant un traceur comle radon. Même lorsqu’on parvient à sommer le flde CO2 sur une longue période, on obtient seulemune estimation locale de la fixation de carbone.massif forestier géré comme celui de Fontainebl(ou des Landes) comporte de nombreuses placavec des arbres d’âges variés, qui subissent, à ivalles réguliers des coupes d’éclaircie ou d’explotion. Pour estimer le carbone séquestré au niveaumassif, il faut combiner un modèle local de bilan cboné avec une carte de distribution spatiale desplements, comme celle établie par l’ONF à Fontaibleau. Le laboratoire d’écophysiologie végétale d’Osay (Éric Dufrêne et Valérie Le Dantec) a réalisé ceintégration spatiale sur la partie sud du massif de Ftainebleau, en utilisant comme paramètres d’entrémodèle des données estimées par satellite (indice

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liaire, teneur en azote du feuillage). Ceci a permd’établir les cartes de la Fig. 13, représentant la pduction primaire nette (PPN, carbone fixé dans la bmasse) et la production nette de l’écosystème (Pcarbone stocké dans l’écosystème). Il reste à vacette distribution spatiale, en particulier à partir deproduction de bois, qui peut être estimée à partiranalyses de cernes sur des carottes d’arbres (préments non destructifs). Pour être complet, il faut ause préoccuper du devenir du bois exporté de larêt : recyclage rapide vers l’atmosphère pour du bde chauffage (filière bois–énergie), ou stockage à lterme dans une charpente ou des meubles (filière bmatériau) ?

Un autre aspect concerne les forêts non exploitrares en zone tempérée, mais encore fréquentesles zones tropicales et boréales. Dans ces forêtsturelles, les arbres âgés meurent, ce qui provoquformation d’une trouée dans le feuillage, favorisanpénétration de la lumière au sol. Il en résulte une gmination des espèces sensibles à la lumière, etplus forte croissance des espèces déjà présentequi engendre une mini-succession écologique. Larêt naturelle se présente ainsi comme une mosade petites placettes de taille moyenne, égale à cd’un houppier d’arbre adulte (ou de plusieurs lorsqy a une tempête, ou un feu, ou une attaque de psites). La théorie écologique prévoit que le bilan cboné d’un tel écosystème en équilibre avec le clim

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Fig. 13. Estimation de la productivité primaire nette et de la productivité nette de l’écosystème pour divers peuplements de la forêt de Fontainebleau. Sorties du modèle Castanea,utilisant pour entrées des valeurs d’indice foliaire et de teneur en azote des feuilles, estimées à partir de données avion de réflectance multispectrale [24].

Fig. 13. Estimation of net primary productivity and of net ecosystem productivity for various stands of the Fontainebleau forest. Outputs of the Castanea model, using as inputsvalues of leaf area index and of leaf nitrogen content, estimated by multispectrum reflectance aircraft data [24].

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(et appelé climax pour cette raison) est nul, le cbone nécessaire à la croissance des arbres étantrement fourni par la respiration autotrophe et hététrophe. Mais cette théorie suppose un environnemconstant (climat, composition de l’atmosphère), cen’est plus le cas. Comment les changements globen cours modifient-ils le bilan carboné de ces ésystèmes « naturels » ? Nous avons la chance d’aà Fontainebleau, quelques parcelles en réservegrale, qui n’ont subi que peu ou pas de coupespuis le temps de Louis XIV (qui aimait chasser et avdemandé de créer quelques réserves pour le gibC’est un excellent modèle pour étudier si une fo« naturelle » stocke plus ou moins de carbone qu’forêt gérée par l’homme. On n’a pas encore de dnées pour conclure, mais on ne pourra pas expliql’importance du puits de carbone de la biosphère conentale sans prendre en compte ces forêts non gé

Le puits global de carbone résulte d’un déséquilientre les flux représentés sur la Fig. 1. La fixationcarbone augmente pour plusieurs raisons : la phsynthèse de la plupart des plantes (et de tous les arest stimulée par l’augmentation actuelle du CO2 at-mosphérique, et par l’augmentation des dépôts atés liés aux activités humaines ; par ailleurs, la dude la saison de croissance augmente avec le récfement dans les zones tempérées et boréales [26respiration autotrophe des plantes et des animauxavec retard cette augmentation, ce qui provoquestockage de carbone dans les écosystèmes. Une intion claire de l’augmentation des échanges végétatatmosphère est fournie par l’augmentation des fluctions saisonnières du CO2 atmosphérique, qui dépenà plus de 80% des échanges avec les continents [2le puits global est assez bien estimé, sa répartitiongraphique est encore incertaine. On a vu la difficud’estimer à l’échelle locale le flux net annuel de cbone, qui résulte d’une différence faible entre la phosynthèse du couvert et la respiration de l’écosystèIl serait préférable de mesurer directement la variade stock de carbone dans la biomasse et le sol,les stocks sont importants et leurs variations faibce qui rend la mesure difficile. Concernant les fortropicales non exploitées, Phillips et al. [28] estimeà partir de mesures sur environ 50 sites, que lesrêts néotropicales ont augmenté leur stock de carbdans la biomasse de 0,7±0,3 tC ha−1 an−1, suggéranque ces forêts pourraient représenter 40% du puits

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sphérique de carbone. Mais Chave et al. [8] ont cqué ces mesures, certaines étant réalisées sur decelles de trop petite surface, et trouvé que la forêtpicale de Barro Colorado au Panama avait accumseulement 0,1± 0,3 tC ha−1 an−1 au cours des 15 denières années. Le débat n’est donc pas clos. Onespérer dans l’avenir l’aide de techniques non desttives, comme la mesure des hauteurs des arbres pdar [14] ou la mesure du carbone du sol par diffusinélastique de neutrons [36].

3.3. La modélisation des flux de carbone

Il existe plusieurs types de modèles pour simulerflux de carbone de l’échelle locale à l’échelle globa

Les plus simples utilisent des relations empiriquentre la production végétale et des facteurs du mitels que la température moyenne annuelle ouprécipitations annuelles [25]. Ils permettent de tecompte des changements climatiques, mais paschangements de composition de l’atmosphère,modifient aussi la production via la photosynthèse

D’autres, encore très simples mais plus réalisutilisent le fait que la production d’un couvert végtal est, en première approximation, proportionnellerayonnement solaire absorbé par ce couvert [32,Comme on peut estimer à partir de satellites le recvrement végétal et le rayonnement incident, on pen déduire le rayonnement absorbé, puis la producsur de grandes surfaces. L’avantage de la méthodde bien prendre en compte la variabilité spatialela mesure satellitale. Ses limites sont qu’elle ne pmet pas de prédire l’évolution future des flux de cbone, puisqu’elle dépend de mesures, et que la reration hétérotrophe (des décomposeurs du sol prpalement) doit être estimée par une autre méthode

D’autres modèles sont dits mécanistes, car ils ttent explicitement les mécanismes de la productiode la décomposition de matière organique : photosthèse (de la feuille au couvert), respiration autotroet hétérotrophe, répartition des assimilats, phénolet croissance (voir [10] pour une revue). Les facteagissant sur la production, comme l’eau ou l’azosont simulés de façon empirique ou mécaniste sles modèles. Ce type de modèle est en général élapour une végétation particulière, dont les mesuresvent à déterminer les paramètres du modèle. La dculté est alors d’obtenir des cartes de répartition s

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tiale de ces paramètres à l’échelle désirée. Aussi,les modèles globaux, on cherche à simplifier au mmum la description des processus, de façon à limle nombre de paramètres. Un point délicat lconcel’acclimatation des processus à des changementcondition de milieu. On peut simuler la réponsela photosynthèse à l’augmentation du CO2, en suppo-sant qu’elle est identique à la réponse instantanéefeuille, mais l’expérience a montré que souvent laponse à long terme est moins marquée que la répinstantanée. Il en est de même pour la réponse drespiration (de la plante ou du sol) à la températCes phénomènes sont souvent non pris en compteles modèles.

En ce qui concerne la réponse du carbone duaux changements globaux et en particulier au réchfement climatique, on peut déjà craindre une minérsation importante de la matière organique (avec émsion de CO2) des sols boréaux, des tourbes et sd’altitude. Dans les autres cas, il faudra à la foisnir compte de l’accroissement des retours de biomau sol, et de l’augmentation des émissions due à lamulation de la respiration hétérotrophe, sachant quaussi, peuvent jouer des phénomènes d’acclimata

4. Les évolutions possibles sous l’actionanthropique

Les évolutions constatées dans le passé sont palement réversibles si une volonté politique est clament affichée, comme c’est le cas actuellement dacadre du protocole de Kyoto.

Le reboisement a déjà commencé dans la panord du globe depuis les années 1980 (plus de 1,3lion d’ha par an, avec près de 20 000 ha par an pouFrance [29]). Ces pratiques devraient être encourapar l’article 3.3 du Protocole, qui concerne les boiments, mais avec des quantités contingentées par(0,88 MtC par an pour la France). En réalité, un potetiel élevé (de près de 10 millions de tonnes) existeforêt, correspondant à des taux annuels de 4 à 8 tC/hade séquestration, avec une durée de vie d’une cend’années ou plus, si on développe les filières bomatériau, et une économie des émissions de carfossile dans le cas d’une filière bois–énergie.

Le protocole de Kyoto a peu abordé le problèdes déforestations dans la partie sud du globe

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pour l’instant, seuls les pays industrialisés sont connés. Déjà, des possibilités existent dans le cadreMDP (mécanismes de développement propres),correspondent à des investissements dans le Sudnomies d’énergie) des pays du Nord. Des altertives existent à la déforestation émettrice de carben particulier par le développement de l’agroforesrie, qui comprend des systèmes mixtes culture/artrès variés et très intéressants à de nombreux pde vue (fixation du C, économique, environnemtal...).

Dans les agrosystèmes, des changements d’ocction des terres ou des changements de pratiquescoles peuvent également favoriser une séquestradu carbone dans les sols.

La réimplantation de forêts ou de prairies sur dterres cultivées entre dans ce cadre et l’on aurcumul de l’accroissement du carbone de la biomasde celui du sol, le premier étant évidemment largemmajoritaire dans le cas de la forêt, d’un facteur 10 (td’au moins 5 tC/ha/an par rapport à un accroissemmaximum de 0,5 tC/ha/an pour le sol).

Une meilleure gestion des pâturages et des tede parcours offre un potentiel de séquestrationà 1 tC/ha/an) considérable au niveau mondial,l’on considère qu’ils couvrent plus de 2 milliardd’hectares [23].

L’article 3.4 du Protocole, qui concerne de techangements d’occupation ou de pratique, a été adà Bonn (conférence des parties COP 6) sans limitade surface ou de quantité de carbone stockée. Lestiques culturales concernées peuvent être très vaet concernent toutes une meilleure gestion de latière organique des sols (Fig. 14), soit en augmenles apports, soit en diminuant les pertes. On manencore de données précises régionalisées (qui nsitent des expérimentations agronomiques de londurée) sur les gains de carbone possibles. Desluations réalisées au niveau européen [15] ou frçais [20] nous fournissent néanmoins des gammevariation (0,1 à 0,5 tC/ha/an) pour les taux de squestration des différentes pratiques agricoles, qusoient les apports de matière organique ou la mocation des pratiques aratoires (labour...).

La mise en prairie (0,5 à 1 tC/ha/an), l’enherbemendes vignobles ou des vergers, l’établissement dechères permanentes ou de haies de bocages peconstituer des moyens plus efficaces.

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Fig. 14. Pratiques utilisables pour favoriser le stockage de carbone par les sols agricoles.

Fig. 14. Available tools to induce carbon sequestration in cultivated soils.

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4.1. Quelques exemples au niveau mondial

L’exemple le plus ancien est celui du dévelopement d’une politique de protection des sols aÉtats-Unis. Le constat a été fait, dès 1930, quelabour pratiqué sur les terres limoneuses récemmmises en culture conduisait à une érosion éoliennetastrophique (ledust bowl). Des mesures ont alorencouragé une mise en réserve sous prairie penente des terres les plus fragiles (15 millions d’et des pratiques, dites de conservation, gardant leen partie couvert par les résidus des culturestuellement 41 millions d’ha sont concernées). Bsûr, ces mesures se sont accompagnées du dévelment d’un service de conservation des sols très dloppé et de financements spéciaux (une partie estconditionnelle) destinés aux agriculteurs, régulièment réajustés dans les différentes lois agricoles (farmbills). Le bilan du carbone stocké est très positif, cen’était pas l’objectif recherché, puisque les gainsraient de 6 millions de tC/an sous prairie et de 15 milions avec la réduction du labour. Des scénarios édent l’expérience aux 170 millions d’ha de terres cuvables des États-Unis.

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L’agriculture de conservation (Madrid 2001) rgroupe actuellement différents systèmes de cultqui vont des techniques culturales simplifiées (TCau non-labour, qui implique un semis direct d’uculture sur les résidus de la culture précédente, lerestant toujours couvert, soit par une plante ditecouverture, soit par des résidus végétaux ou un paCette forme d’agriculture, très développée en Amrique du Sud (en particulier au Brésil et en Argentinconcerne 60 millions d’ha. Elle est évidemment trecommandée lorsque les sols sont menacés. Lerad [11] s’est impliqué depuis plus de dix ans dandéveloppement de ces nouveaux systèmes de cul

L’Europe s’intéresse actuellement, dans le cadrla future réforme de la politique agricole communetoutes les pratiques agricoles faisables au plan agrmiques, capables de séquestrer du carbone et sutibles de présenter des avantages environnemenUn développement de ces pratiques pourrait stocselon certains scénarios, de 16 à 19 millions deCpar an, ce qui correspond à environ 1,6% des émis-sions [15].

En France, l’expertise confiée à l’Inra par le mnistère de l’Écologie et du Développement dura

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(MEDD) constitue une bonne base critique sur la qution de séquestration du carbone dans les solscoles, et fournit également des scénarios réalisteà 5 millions de tC/an, correspondant à 1 à 2% démissions totales). De nombreuses recherchesactuellement en cours sur le sujet, dans le cades programmes « Gestion et impact du changemclimatique » (GICC) et « Gestion durable des so(Gessol).

4.2. Les bénéfices des pratiques séquestrant lecarbone

Comme nous avons déjà pu le voir avec le casÉtats-Unis, on est typiquement dans une optiquewin-win situation, c’est-à-dire qu’une pratique visantstocker le carbone possède d’autres avantages. Lenéfices potentiels, actuellement insuffisamment qutifiés, sont multiples (Tableau 2). À côté de la pvention de l’effet de serre, on doit mettre en avla protection des sols contre l’érosion, et l’accroisment de la teneur en matière organique qui détermune série de propriétés (stabilité de la structure,pacité d’échange cationique) et un accroissemenl’activité biologique (en particulier de la faune). Dales régions soumises à la désertification, ce serabon moyen de prévention ou de lutte. À côté debénéfices [35], on doit également mieux évaluernouveaux problèmes susceptibles d’être créés dud’une utilisation accrue des herbicides et de l’émisséventuelle d’autres gaz à effet de serre (par exemN2O).

Les primes accordées actuellement au stockagcarbone ne constituent pas une incitation suffisa

Tableau 2Les bénéfices de la séquestration du carbone [31]

Table 2Benefits of carbon sequestration [31]

Lutte contre l’effet de serre

Protection des sols contre l’érosion et la dégradationAccroissement de la qualité physique chimique et biologique

des solsAccroissement de la biodiversité (faune...)Régulation du cycle et de la qualité de l’eauÉconomies de temps de travail et d’énergie pour les

agriculteurs (fuel)Agriculture plus durable

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pour l’agriculture des pays développés (sauf si esont éco-conditionnelles, comme aux États-Unis)revanche, elles peuvent constituer un moyen efficpour le développement d’une agriculture durablesud du globe.

5. Conclusion

Les écosystèmes terrestres représentent un ptiel de séquestration important :

– ce potentiel fonctionne déjà, de manière involtaire, avec un puits d’environ 2 GtC an−1 ;

– il pourrait être augmenté (d’un facteur 2 ?) pdes actions volontaires sur la gestion des fo(et de la déforestation), des prairies (et terresparcours) et le développement de l’agroforesrie et de nouvelles pratiques en agriculture ; laquestration dans la biomasse peut représentetaux annuels relativement élevés (1 à 10 tC/ha/an) ;ceux concernant les sols sont dix fois moins évés, mais ils peuvent concerner des surfaces codérables ;

– cela nécessiterait cependant des incitations foau niveau mondial européen ou national (Ptocole de Kyoto, Fonds mondial pour l’envronnement, Banque mondiale, Politique agriccommune, contrats territoriaux d’exploitation od’agriculture durable...).

On doit être conscient des limitations importanqui existent concernant la séquestration du carbdans les écosystèmes : la capacité et la durée dquestration (inférieure à 100 ans), sa permanenceversibilité possible des phénomènes puits–sourccas de changement de politique). Une politique voltariste de séquestration peut retarder l’accroissemde la teneur en CO2 de l’atmosphère pendant quelqudécennies ; elle ne peut pas se substituer à la rédunécessaire des émissions.

Le développement de ces nouveaux systèmenouvelles pratiques de culture doit donc impératiment être lié à d’autres bénéfices environnementaprotection des sols, biodiversité, lutte contre la détification. On a donc un bon exemple des interactipouvant exister entre les trois grandes conventionsle climat, la biodiversité et la désertification.

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Des surprises restent possibles, liées à l’évoludes écosystèmes continentaux du Nord (zone boréet, plus généralement, des pergélisols et desorganiques (tourbières), qui représentent actuellemdes puits de carbone et qui peuvent devenir des soud’émission de CO2 sous l’influence du réchauffemeclimatique.

Des incertitudes encore très grandes (capacitséquestration, durée, vérification, émission d’augaz à effet de serre) persistent. Il est donc nécesde développer les recherches et des expertisesniveaux mondial, européen et français (cf. travade l’IPCC, des programmes CarboEurope, GICexpertise Inra sur l’agriculture).

Précisons enfin que la solution à long terme plutter contre l’accroissement des gaz à effet de sest bien sûr une limitation des émissions provende l’utilisation du carbone des combustibles fossimais aussi de celui provenant de la déforestation,émissions de CH4 et de N2O provenant de l’agriculture. Les solutions passant par l’accroissement dubone de la biomasse ou des sols représentent destions écologiques, à mieux évaluer, pouvant permeà court ou moyen terme, de compenser une partil’accroissement des gaz à effet de serre, en attendadéveloppement de solutions énergétiques alternat

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Contribution des écosystèmes continentaux à la séquestration du carboneAbridged English versionIntroductionLes principaux stocks de carbone dans les écosystèmes terrestresLes principaux flux de carboneL'évolution historique des fluxLa mesure des stocks et flux et de leur variationLa modélisation des flux de carbone

Les évolutions possibles sous l'action anthropiqueQuelques exemples au niveau mondialLes bénéfices des pratiques séquestrant le carbone

ConclusionRéférences