En route vers les arbres !
Durant le semestre d'été, les scientifiques de l'environnement étudient, à l'aide de feuilles individuelles, comment les arbres gèrent la lumière, l'eau et les nutriments et comment cela influence les émissions de CO2-l'image de forêts entières est influencée.
L'assistante auxiliaire Eva Merz se tient au pied d'un hêtre imposant, au milieu de la forêt. Deux cordes d'escalade descendent de la couronne de l'arbre. A une hauteur vertigineuse, les arboristes-grimpeurs Markus Gysin et Anja Erni, bien assurés, s'élancent à travers les branches, coupent une branche et l'attachent soigneusement à une fine corde. Merz saisit la branche, la détache de la corde. "Je suis repartie", leur lance-t-elle et elle se précipite avec la récolte vers le "camp de base".
Le camp de base se trouve sur un chemin de gravier dans une forêt du versant sud de la L?geren, à l'est de Wettingen. Les appareils de mesure sont prêts, certains sur une petite table de camping, les plus grands sur le sol. Merz, l'étudiante d'échange Aldara Sabuz Millàn et le post-doctorant Christoph Bachofen du groupe de la professeure de l'ETH Nina Buchmann commencent immédiatement à examiner les feuilles de la branche coupée. Ils mesurent la quantité de vert de la feuille (chlorophylle) à l'aide d'un spectromètre à fluorescence, la quantité d'eau que la feuille évapore par ses stomates à l'aide d'un poromètre, et la quantité de CO2 La feuille absorbe la photosynthèse dans différentes conditions de lumière.
Tout doit se passer rapidement : Dans les minutes qui suivent la coupe de la branche, les feuilles réagissent au manque d'eau et aux changements de conditions environnementales : Les feuilles ferment leurs stomates, évaporent moins d'eau, dégradent la chlorophylle et réduisent la photosynthèse.
Feuilles de l'ensemble de la canopée
Mais pourquoi tous ces appareils et toutes ces analyses ? Bachofen et ses assistants travaillent avec Petra D'Odorico, postdoctorante à l'ETH, sur un projet de deux ans appelé "Leaf2Canopy". L'objectif est de réduire les émissions de CO2-L'objectif est de mieux comprendre les échanges des écosystèmes forestiers avec l'atmosphère et, si possible, de mieux les modéliser. Les scientifiques peuvent calculer ces échanges en mesurant les feuilles. Jusqu'à présent, les calculs se basent souvent sur des feuilles proches du sol, faciles à atteindre. "Nous décrivons en revanche des feuilles de l'ensemble de la canopée. Nous essayons ainsi de rendre les modèles plus réalistes", explique Bachofen.
Des mesures des échanges gazeux au niveau de l'écosystème sont également effectuées depuis plus de dix ans pour le peuplement forestier de la L?geren. Sur une tour construite pour un réseau national d'observation, des capteurs mesurent le CO2-concentration, direction et vitesse du vent au-dessus de la canopée. Ces données permettent de calculer en permanence les émissions de CO2-prélèvement et -dépense de la forêt calculés. "Il faut toutefois interpréter ces calculs avec prudence", explique Bachofen. Récemment, une doctorante de l'ETH a pu montrer que les couches d'air au-dessus et en dessous de la canopée ne sont pas toujours bien mélangées. Lorsque le feuillage est complet, les mesures de la tour ne saisissent pas une partie considérable des échanges gazeux avec l'atmosphère.
Chiffre d'affaires des arbres déterminé
Avec son projet, le post-doctorant souhaite désormais quantifier en premier lieu la photosynthèse et l'évaporation à partir de différents étages de la canopée, afin de mieux en déduire la quantité de vapeur d'eau et de CO2-Il n'y a pas de raison que les arbres, et en fin de compte toute la forêt, n'en profitent pas.
Afin d'obtenir des données précises, les chercheurs étudient cette année deux espèces d'arbres différentes, le hêtre et le sapin blanc. Sur trois spécimens de chaque espèce, ils prélèvent deux branches par échantillonnage, sur quatre étages différents et depuis deux orientations différentes de l'arbre. Sur chaque branche, les scientifiques analysent à leur tour deux feuilles en détail.
Grimpeurs d'arbres sur cordes fixes
Ce jour-là, début ao?t, c'est le tour de trois hêtres. Dès la fin du mois, les arbres commenceront à dégrader leur chlorophylle et à retirer les substances nutritives de leurs feuilles - l'automne et la chute des feuilles approchent. Il ne sera alors plus possible d'analyser les feuilles de hêtre. "Actuellement, nous avons un pic de chlorophylle", explique Bachofen.
Cette année, lui et ses assistants se sont rendus sur la surface d'échantillonnage sept fois en mai, trois fois en juillet et justement en ao?t pour collecter des feuilles. Ou plut?t : pour les faire ramasser. Car l'escalade des arbres est réservée aux deux arboriculteurs professionnels Markus Gysin et Anja Erni. Ils grimpent agilement le long de cordes fixes jusqu'à la cime des arbres ; là, ils filment et photographient les endroits d'où ils coupent les branches.
Test avec un drone
Bachofen estime que la méthode d'échantillonnage fonctionne bien, mais qu'elle présente un inconvénient majeur : Les chercheurs dépendent en permanence de l'aide des grimpeurs d'arbres. Les journées d'échantillonnage doivent être préparées à l'avance. Entre-temps, il est impossible de collecter et d'analyser les feuilles. Les grimpeurs n'atteignent pas non plus tous les étages de la canopée. Les branches les plus éloignées sont inaccessibles, même pour les professionnels.
Les collaborateurs techniques du groupe de Buchmann expérimentent donc un drone qui doit récolter les branches poussant à l'extérieur et tout en haut de l'arbre, à la place des grimpeurs. Le drone est équipé d'un grappin et d'une petite unité de coupe. Les premiers essais sont déjà prometteurs, selon les scientifiques. Toutefois, la méthode doit encore être optimisée pour pouvoir collecter systématiquement des feuilles en hauteur dans la canopée. Le drone ne rend pas non plus les arboristes grimpeurs superflus, car contrairement à ces derniers, il ne peut pas couper les branches à l'intérieur de l'arbre.
L'arbre face à un dilemme
Le projet Leaf2Canopy est en cours depuis 2016 et Bachofen dispose des premiers résultats de la première année. Ainsi, le chercheur confirme que chez les hêtres, les feuilles du haut font plus de photosynthèse que les feuilles des deux étages inférieurs dans le même temps. En revanche, les feuilles inférieures des hêtres peuvent utiliser la lumière plus efficacement. Elles atteignent déjà leur taux de photosynthèse maximal dans des conditions de lumière où les feuilles du soleil ne font qu'augmenter leur photosynthèse.
La photosynthèse dépend entre autres de la quantité de chlorophylle produite dans les feuilles, et pour produire de la chlorophylle, l'arbre a besoin d'azote. Pour l'arbre, un dilemme se pose : il pourrait profiter au maximum des bonnes conditions de lumière dans les étages supérieurs et y investir la majeure partie de l'azote. Cependant, pour la photosynthèse, l'arbre a également besoin d'eau, qu'il doit transporter depuis les racines jusqu'aux coins les plus éloignés de la couronne. Lors de journées chaudes et sèches, la disponibilité de l'eau dans les étages supérieurs pourrait être trop faible pour la photosynthèse. L'azote y serait alors mal investi.
Comment les arbres distribuent-ils l'azote ?
La répartition de l'azote dans les arbres est un facteur important pour les modèles de calcul des échanges gazeux dans la forêt. Pour les arbres de la L?geren, cette répartition n'est pas encore claire. Bachofen étudie donc cette année encore plus précisément comment les disponibilités en lumière et en eau contr?lent la photosynthèse et la répartition de l'azote dans la canopée.
Jusqu'à présent, Bachofen a pu montrer que dans les feuilles supérieures, il y a plus de chlorophylle par surface foliaire et que les feuilles peuvent donc faire plus de photosynthèse. Or, les feuilles supérieures du hêtre sont nettement plus épaisses que les feuilles inférieures. C'est pourquoi la question s'est posée de savoir si les feuilles du haut ont également plus d'azote et plus de chlorophylle par rapport à la masse foliaire que les feuilles du bas, et si les rapports changent de manière similaire avec la hauteur dans la canopée.
Conclusion de Bachofen jusqu'à présent : les feuilles contiennent une quantité similaire d'azote par masse foliaire à tous les étages. Mais dans les feuilles supérieures, la concentration de chlorophylle rapportée à la quantité d'azote était plus faible que dans les feuilles inférieures. "J'interprète cela comme le fait que l'arbre investit davantage l'azote des feuilles supérieures dans d'autres structures que la chlorophylle", explique-t-il. Il ne peut toutefois pas encore dire quelles sont ces structures.
"L'arbre doit utiliser l'azote là où cela est judicieux. C'est un conflit d'objectifs permanent", explique le scientifique environnemental. L'endroit où l'arbre effectue cet investissement au sein de la couronne dépend donc fortement de la stratégie de survie de l'espèce concernée.
Longues journées en forêt
Après un certain temps d'attente, Eva Merz met sa lecture de c?té. Les mesures de photosynthèse prennent beaucoup de temps, au moins 20 minutes par feuille. Un temps qu'elle comble en lisant. Un grésillement se fait entendre dans la radio, les grimpeurs d'arbres entrent en contact avec elle. L'échange de mots est bref. Merz se lève et dispara?t au détour d'un chemin - à peine deux minutes plus tard, elle réappara?t avec la branche de hêtre suivante. La procédure de mesure se répète. Un travail à la cha?ne pour la jeune chercheuse.
Une fois les feuilles fixées dans l'appareil de mesure de la photosynthèse, il faut à nouveau attendre, trois quarts d'heure, jusqu'à ce qu'elle puisse aller chercher les prochaines feuilles chez les grimpeurs d'arbres. "Nos journées en forêt peuvent alors être très longues", dit Bachofen. "Car en fin de journée, alors que nous avons déjà nettoyé et rangé la plupart des appareils, nous devons encore attendre que les dernières mesures soient terminées".
Série d'été
Dans le cadre d'une série, Actualités ETH présente pendant les vacances des articles sur la recherche et l'innovation qui ont quelque chose à voir avec la plus belle période de l'année.
Publié jusqu'à présent :
18.07. "Ne pas charger les vacances comme un moment de bonheur"
21.07. "L'asphalte a un inconvénient de taille"
La recherche sur les forêts de feuillus à Scientifica 2017
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