Quand les arbres n'arrivent plus à se refroidir

Les arbres utilisent leurs feuilles un peu comme des ventilateurs naturels. L’eau circule des racines vers les feuilles, et quand elle s’évapore à travers de petites ouvertures appelées stomates, cela permet de refroidir les feuilles, un peu comme la sueur pour les humains. Quand le sol est très sec, les arbres ont moins d’eau disponible. Il devient alors plus difficile pour eux de tirer l’eau jusqu’aux feuilles. Si l’eau manque, les stomates se ferment pour éviter de trop en perdre. Quand les stomates sont fermés, la transpiration ne se fait plus correctement. Les feuilles ne peuvent plus se refroidir et leur température peut monter très rapidement, surtout en cas de forte chaleur et de soleil direct. On parle de cascade hydraulique et thermique.

Pendant cinq ans, des chercheuses et chercheurs de l’EPFL, en collaboration avec le WSL, l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage à Birmensdorf, ont soumis des hêtres et des chênes pubescents à un climat plus chaud et plus sec. Ces expériences ont été menées dans les serres de l'installation Modoek* du WSL, où il est possible de contrôler précisément l’hydratation du sol et la température ambiante, avec jusqu’à 5 °C supplémentaires et moins d’eau disponible. Ces deux espèces sont particulièrement intéressantes car elles ont une grande importance économique en Europe centrale. « Nous avons inclus un chêne qui pousse surtout dans les régions autour de la Méditerranée, présent en Suisse, pour comparer ses stratégies hydriques à celles du hêtre, plus vulnérable à la sécheresse, surtout lorsqu’il est jeune, » explique Alyssa Therese Kullberg, du Laboratoire d’écologie végétale de l’EPFL, qui a étudié ce processus au long cours.

Coups de soleil et brûlures

Son objectif était de comprendre comment les arbres s’adaptent aux épisodes de sécheresse et de fortes chaleurs, et pourquoi leurs feuilles peuvent perdre leur capacité à se refroidir, se déshydrater, voire subir des brûlures. « Nous parlons ici de la thermorégulation. Dans la canopée, directement exposées au rayonnement solaire, les feuilles peuvent être jusqu’à 10 °C plus chaudes que l’air ambiant et atteindre 40 à 45 °C, des températures pourtant supérieures à celles que nous connaissons habituellement en Europe centrale. Malgré cela, elles parviennent le plus souvent à fonctionner normalement. On observe parfois un léger « coup de soleil », avec des dommages temporaires au système de photosynthèse, mais ceux-ci restent généralement réparables », ajoute la chercheuse. La vraie différence apparaît ensuite lorsque l’on regarde les conséquences sur le fonctionnement des feuilles : « Nous n’avons pas observé beaucoup de brûlures chez le chêne, même si ses marges de sécurité thermique étaient dépassées à peu près aussi souvent que chez le hêtre. Autrement dit, les deux espèces atteignent des températures critiques avec une fréquence comparable, mais le chêne semble mieux tolérer ces conditions. Cette différence, inattendue, n’est pas entièrement expliquée par les mécanismes que nous avons mesurés dans cette étude.», continue Alyssa Therese Kullberg.

La biologiste a pu constater qu’il y a un certain compromis qui s’installe chez les arbres, lorsqu’ils subissent uniquement la chaleur, ils arrivent à se rapprocher de ce que l’on appelle la marge de sécurité hydraulique. Autrement dit, ils s’approchent de la limite où il n’y a plus assez d’eau pour maintenir les feuilles fraîches. Certains individus peuvent « dépenser » un peu plus d’eau pour garder les feuilles plus fraîches, en restant proches de cette limite. Mais, dès qu’on ajoute la sécheresse, la demande en eau pour maintenir le refroidissement des feuilles devient beaucoup plus forte. L’eau est utilisée plus rapidement, les stomates finissent par se fermer — peu importe si les feuilles ont besoin de se refroidir ou non — et on observe alors une rupture du système : les feuilles ne sont plus bien hydratées et deviennent trop chaudes en même temps.

« Nous avons montré expérimentalement que, lorsque les feuilles dépassent cette marge de sécurité thermique, donc qu’elles entrent dans une zone de danger thermique, et qu’elles sont en même temps exposées à la sécheresse, on commence à observer des dommages permanents sur les feuilles, sous forme de brûlures. C’est un résultat important, car ce lien n’avait encore jamais été démontré expérimentalement de manière aussi claire. Pour nous, cela a donc été une découverte très enthousiasmante. »

Cela peut paraître surprenant, mais si ce phénomène n’avait pas été montré auparavant, c’est surtout parce qu’il est très difficile de mesurer la température des feuilles avec une résolution temporelle suffisamment fine pour pouvoir dire avec certitude : cette feuille a atteint telle température tel jour, et cela a provoqué une brûlure observée le lendemain. C’est un suivi extrêmement compliqué à réaliser dans des conditions réelles. Grâce à de nouvelles technologies, les scientifiques ont pu effectuer ce type de mesure dans cette étude, ce qui leur a permis d’établir clairement ce lien.

Stress test cet été

« Cet été, nous allons utiliser les mêmes arbres, qui ont continué à pousser ces deux dernières années, et tous les exposer à la sécheresse, y compris les arbres témoins et ceux soumis au réchauffement. Nous verrons alors si les arbres déjà exposés à la sécheresse survivent plus longtemps et conservent une meilleure fonctionnalité que les arbres témoins. Cela nous permettra de savoir si, malgré leur performance réduite et le stress qu’ils subissent, ils sont mieux préparés à faire face aux mêmes conditions extrêmes », conclut Alyssa Therese Kullberg.