Les pores des feuilles expliquent le mystère de longue date de la croissance inégale des arbres dans un monde enrichi en carbone

Les bases de la photosynthèse sont enseignées à l’école : du dioxyde de carbone, de l’eau et de la lumière entrent ; de l’oxygène et du sucre pour la croissance en sortent. Dans un monde où les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique augmentent, il est plausible de penser que la croissance des arbres et des autres plantes augmentera proportionnellement.

Mais ce n’est pas ce que les observations ont révélé. Alors que les niveaux mondiaux de dioxyde de carbone ont augmenté, les mesures de la croissance des arbres — et la quantité de carbone qu’ils stockent à long terme — ont considérablement varié. La part de cette variance attribuable aux niveaux de dioxyde de carbone est longtemps restée inconnue.

Dans un article publié en ligne le 24 novembre dans la revue Nature Climate Change , des chercheurs dirigés par l’Université Duke et l’Université de Wuhan décrivent un modèle qui répond à nombre de ces questions. En examinant les compromis entre l’absorption de plus de dioxyde de carbone pour la croissance et la perte d’eau par évaporation, ils montrent comment une vision d’ingénieur de cet équilibre délicat dans les pores des feuilles d’un arbre peut expliquer et prédire sa croissance sur des décennies et des siècles.

« Il y avait une hypothèse commune selon laquelle des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone feraient pousser les arbres davantage et stockeraient plus de carbone », explique Gaby Katul , professeur distingué George Pearsall de génie civil et environnemental à Duke. « Mais des expériences de référence ont montré que si cela peut être vrai isolément, d’autres facteurs environnementaux jouent également un rôle important. Nous avons maintenant découvert certains des mécanismes sous-jacents à l’œuvre. »

Les expériences de référence auxquelles Katul fait référence ont eu lieu à l’Université Duke et à l’ETH Zurich pour étudier combien de carbone les forêts du monde pourraient capturer dans une future atmosphère riche en carbone. Sur une période de 16 ans, le site de Duke a nourri des groupes d’arbres avec un excès de dioxyde de carbone tandis que le site de l’ETH Zurich augmentait les niveaux d’humidité locaux. En mesurant étroitement la croissance des arbres et la séquestration du carbone, et en surveillant de nombreuses autres variables, les chercheurs ont montré que les arbres en général n’absorberaient pas autant de carbone que précédemment conjecturé.

Mais les raisons de ce phénomène n’étaient pas encore tout à fait comprises. Pour aider à expliquer ces résultats, ainsi que des dizaines d’autres provenant du monde entier, Katul et ses collaborateurs se sont tournés vers la vision d’un ingénieur sur le mouvement de l’eau dans un arbre.

Pour qu’un arbre absorbe le dioxyde de carbone, il doit ouvrir les pores de ses feuilles appelés stomates. Avec plus de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, l’hypothèse de travail était que proportionnellement plus de dioxyde de carbone pénétrerait dans ces pores.

Cependant, dans les environnements plus chauds et plus secs, l’eau s’évapore plus rapidement de ces pores dans l’atmosphère. Pour maintenir l’équilibre de leur système hydrique interne, les arbres compensent en réduisant la taille de leurs pores stomatiques, ce qui les amène à absorber moins de dioxyde de carbone.

Cette dynamique entraîne un compromis direct entre la collecte d’une plus grande quantité de dioxyde de carbone pour croître et la perte d’eau nécessaire à la survie. Pour compliquer encore les choses, il existe un équilibre délicat entre la tension hydrique maintenue dans les racines, le tronc et les branches d’un arbre, qui risque d’être perturbé si trop d’eau est perdue trop rapidement, en particulier lorsque les arbres atteignent leur taille adulte.

« Les stomates sont comme des valves qui contrôlent la quantité d’eau absorbée par les feuilles et libérée dans l’air », explique Katul.

Considérer l’interaction entre l’ouverture des stomates, les niveaux de carbone et la perte d’eau comme un problème d’optimisation est une nouvelle approche qui vient compléter les théories physiologiques, explique Katul. Mais elle s’est avérée précise pour décrire les résultats des expériences de référence menées à Duke et à l’ETH Zurich.

Au cours de ces études, les chercheurs ont recueilli des données extrêmement riches sur l’activité stomatique. En encapsulant des feuilles individuelles et en contrôlant et surveillant étroitement des variables telles que la température, l’humidité, le dioxyde de carbone, la taille des stomates et bien d’autres, les expériences à long terme ont fourni à l’équipe de Katul toutes les données nécessaires pour construire son modèle.

Une fois leur travail terminé, les chercheurs ont utilisé leur approche pour analyser des dizaines de rapports sur la croissance des arbres tropicaux qui présentaient une grande variabilité. Malgré l’augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l’atmosphère au cours des cinquante dernières années, certaines études ont constaté des augmentations, d’autres n’ont constaté aucun changement et d’autres encore ont même constaté des diminutions. Grâce à leur nouveau modèle, les chercheurs ont enfin pu fournir une explication précise à ce phénomène.

Il existe bien sûr de nombreux autres facteurs atténuants qui peuvent être ajoutés au nouveau modèle afin d’accroître sa précision. Les nutriments du sol, la disponibilité en eau, la faune et la flore environnantes et l’évolution des cycles saisonniers viennent immédiatement à l’esprit. Et bien que ce modèle puisse décrire le comportement de chaque arbre individuellement, il reste encore du travail à faire pour intégrer ces résultats dans des modèles climatiques régionaux à grande échelle.

« Il est très utile d’aborder ces questions environnementales et biologiques d’un point de vue technique », a déclaré M. Katul. « Pour déterminer la meilleure façon d’atténuer le changement climatique à l’aide de technologies vertes basées sur la nature au cours des prochaines décennies, il faudra faire appel à de nombreuses disciplines. »

Zhang, Q., Zhang, J., Adams, M.A. et al. Increased efficiency of water use does not stimulate tree productivity. Nat. Clim. Chang. (2025). https://doi.org/10.1038/s41558-025-02504-w