I.2. Les flux de carbone et la plante
La végétation est l'élément
déterminant dans les échanges de carbones à l'interface
terreatmosphère. Le moteur de ces échanges de carbone est
assuré par la photosynthèse qui permet de fixer le gaz carbonique
et la respiration qui en libère. La base de la séquestration de
carbone par les formations forestières repose sur le bilan entre les
deux processus.
1.2.1. La photosynthèse : la fixation du dioxyde de
carbone par l'arbre
Le rôle de la photosynthèse dans la dynamique de
séquestration de carbone a été largement
étudiée par les biologistes (physiologistes) et les
écologues (Schimel, 1995; Waring et Running, 1998; Saugier, 2003). Le
rappel qu'on en fait ici est une synthèse simplifiée.
La photosynthèse, qui est activée par le
rayonnement solaire, permet à une plante de capter le CO2 de
l'atmosphère afin de synthétiser des glucides. La
photosynthèse utilise la radiation solaire visible (400 nm à 700
nm) qui représente environ 50 % de la radiation solaire globale (Waring
et Running, 1998). De cette fraction, environ 85 % de l'énergie solaire
est absorbée par les feuilles mais cette valeur peut varier
considérablement selon leur structure et l'âge des formations
végétales. Enfin, de la quantité de lumière
absorbée par la feuille, seulement 5 % sert à la
photosynthèse alors que le reste est transformé en chaleur.
L'équation suivante qui décrit la photosynthèse est :
nCO2 + 2nH2O + lumière--(CH2O)n + nO2 + nH2O
L'essentiel de la photosynthèse se fait dans le
feuillage. Les chloroplastes sont les organes contenant de la chlorophylle et
d'autres pigments qui peuvent absorber le rayonnement solaire. Cette
énergie solaire permet à la plante de dissocier
l'hydrogène (H) et l'oxygène (O2). L'hydrogène s'associe
avec le CO2 absorbé par les stomates pour générer des
composés carbonés qui seront plus tard synthétisés
en molécules plus grandes allouées à la biomasse ou
utilisées pour d'autres besoins métaboliques.
Le taux de photosynthèse varie selon les espèces
et les zones phytogéographiques, mais aussi selon le moment de la
journée et la saison. Ces variations relèvent de plusieurs
interactions entre des caractéristiques végétales comme
l'âge, la structure et l'exposition des feuilles, le développement
de la cime, le comportement des stomates, la quantité et
l'activité de Rubisco (ribulose biphosphate
carboxylase-oxygénase) et les facteurs environnementaux comme
l'intensité de la lumière, la température, la
disponibilité de l'eau, la concentration atmosphérique de CO2 et
des polluants atmosphériques et des conditions du sol (Waring et
Running, 1998). C'est grace à la photosynthèse que
l'arbre peut exercer sa fonction de puits de carbone.
Les plantes diffèrent par les types de
photosynthèse, à travers des processus physiologiques de
conversion de différents isotopes stables du CO2 en composantes
hydrocarbonées. Le dioxyde de carbone est fixé par les plantes
à travers les stomates. Il existe deux isotopes stables de CO2 : le
carbone-13 (13C) et le carbone-12 (12C) dont le rapport avec les conditions
actuelles de fortes émissions de CO2 est égal à
près de 1:84 (Waring et Running, 1998). Pendant la photosynthèse
les plantes dites C3 (les ligneux au niveau des savanes) ont tendance à
beaucoup fixer l'isotope 12C plus léger. Le rapport entre 13C/12C au
niveau de l'arbre dépend à la fois de la concentration de ces
isotopes mais aussi de la conductance stomatale des plantes qui fait varier la
fixation des isotopes de carbone selon le type de plante. La forte respiration
autotrophique des plantes C3 fait que le rendement photosynthétique est
plus faible comparé aux plantes C4 qui ont une plus grande
efficacité d'utilisation de l'eau sous l'influence d'une augmentation
des températures. Ces plantes C4 (les graminées, et autres
herbacées) peuvent aussi absorber une partie plus significative de
l'isotope 13C comparé aux plantes C3. La différence entre plantes
C3 et C4 peut être analysée alors en examinant le rapport 13C/12C.
La formule donnée par (Waring et Running, 1998) permet de calculer le
rapport 13C/12C :
ö13C(%o)= {[(13C/12C)
échantillon/13C/12C)
référence]-1}*1000
Ce rapport permet aussi de caractériser indirectement la
conductance stomatale qui induit une grande différence entre les plantes
en termes de rapport 13C/12C.
Les plantes C4 (comme les herbacées tropicales)
utilisent les processus chimiques des acides C4-dicarboxyliques pour faire la
photosynthèse; alors que les plantes C3 (les arbres) font la
photosynthèse utilisant un produit intermédiaire avec 3
molécules de carbone, (Rosenberg et al., 1983). A coté
de ces deux grands groupes on note des espèces dit CAM (Crassulacean
Acid Metabolism) ; ces plantes ont leurs stomates ouverts pendant la nuit
pour fixer du CO2 sous forme d'acide organique (plantes désertiques,
l'ananas). La photosynthèse n'est possible qu'en conditions optimales de
lumière, de température, d'humidité et de CO2. La plante
ne fait pas que la photosynthèse, elles respirent et libèrent par
conséquent du carbone.
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