Fig. 1. a/b Le voyage des gouttes de pluie à travers l'écosystème forestier: des chercheurs du laboratoire forestier de Zurich explorent les étapes à franchir. Photos: Alessandro Della Bella (a), Marius Floriancic (b)
Les forêts suisses ne sont pas épargnées par les longues périodes de sécheresse de plus en plus fréquentes. Les étés exceptionnellement secs de 2003, 2018 et 2022 ont parfois considérablement affecté les forêts, avec des dommages visibles et une croissance réduite chez les arbres et, dans certains cas, des perturbations des processus écosystémiques. Le changement climatique accroît la probabilité de conditions climatiques extrêmes, et celles-ci exercent une pression croissante sur l’écosystème forestier.
Lorsqu'il pleut, divers processus de transport et de stockage stockage, encore peu étudiés, se produisent en forêt. Pour comprendre les effets de la sécheresse, il faut d’abord savoir comment et en quelles quantités l’eau de pluie circule à travers l’écosystème forestier. Où trouve-t-on l’eau de pluie dans la forêt? Quelle quantité pénètre dans le sol et quelle part est disponible pour les arbres? Combien de temps faut-il pour qu’une goutte de pluie s’évapore à nouveau à travers le feuillage des arbres?
Les scientifiques du laboratoire forestier de Zurich – un projet de recherche interdisciplinaire – étudient notamment ces processus complexes du cycle de l’eau en forêt. Dans le cadre d’un vaste monitoring et d’expériences, ils analysent de manière approfondie les effets de la pénurie d’eau sur la forêt. Ils s'intéressent en particulier au rôle des précipitations hivernales, de la litière et du bois mort pour le régime hydrique des forêts, ainsi qu'à la question de savoir si des racines plus profondes peuvent compenser le manque d'eau dans les couches superficielles du sol pendant les périodes de sécheresse. Les premiers résultats des recherches menées sur l'épicéa (Picea abies) et le hêtre (Fagus sylvatica) révèlent déjà certaines découvertes parfois surprenantes.
Fig. 2. L'hydrologue Marius Floriancic dans le laboratoire forestier de Zurich, sur la piste des gouttes de pluie à travers l'écosystème forestier. Photo: Alessandro Della Bella
Au laboratoire forestier de Zurich, les scientifiques combinent des expériences hydrologiques avec des mesures physiologiques sur les plantes, déterminent le poids humide et sec de la litière et analysent la composition chimique d'échantillons d'eau. Ils enregistrent ainsi tous les flux d'eau pendant et après les précipitations, depuis la rétention par la canopée et la litière, y compris le bois mort, jusqu'à l'écoulement dans le ruisseau, en passant par l'eau du sol, les racines des plantes et les eaux souterraines.
Fig. 3. Prélèvement d'un échantillon d'eau dans le Holderbach sur le site du laboratoire forestier de Zurich. Photo: Jessica Droujko.
Les précipitations hivernales sont l'assurance-vie des épicéas et des hêtres
Alors que les précipitations n'ont pratiquement pas varié ces dernières années, la demande en eau de l’atmosphère a fortement augmenté en raison des températures plus élevées. En conséquence, une part toujours plus importante des précipitations s’évapore, alors qu'il y a moins d’eau disponible dans le sol, les nappes phréatiques et les eaux de surface. De plus, les besoins en eau accrus de l'atmosphère augmentent le stress hydrique des arbres et peuvent causer des dommages hydrauliques, en particulier pendant les longues périodes sans précipitations.
Fig. 4. Capteurs d'humidité du sol à différentes profondeurs dans le sol forestier. Photo: Marius Floriancic
Fig. 5. Grâce à des méthodes de mesure spécifiques, il est notamment possible d’enregistrer aussi l’écoulement de l’eau de pluie le long du tronc. Photo: Alessandro Della Bella
C'est principalement pendant le semestre estival, entre avril et septembre, que la majeure partie des précipitations s'évapore à nouveau dans l'atmosphère. Seules de faibles quantités d'eau peuvent être stockées temporairement dans le sol et sont alors disponibles pour les arbres forestiers. C'est pourquoi le stockage des précipitations hivernales est particulièrement crucial pour le régime hydrique des forêts.
Fig. 6. Analyse de l’origine saisonnière de l’eau dans des hêtres (à g.) et des épicéas (à dr.). Tous les échantillons situés à gauche de la ligne noire contiennent nettement plus de précipitations hivernales, tandis que tous ceux situés à droite de la ligne contiennent plus de précipitations estivales. Chez les deux essences, la plupart des échantillons prélevés en été dans le laboratoire forestier présentent une proportion plus élevée de précipitations hivernales. Autrement dit, en été, ils évaporent en grande partie les précipitations de l’hiver précédent (modifié d’après Floriancic et al. 2024).
Le même résultat a pu être démontré dans le cadre des trois années de recherches menées au laboratoire forestier pour l’épicéa et le hêtre. Après l’analyse de centaines d’échantillons, le constat était clair:
L’eau utilisée par les arbres et leur transpiration proviennent en grande partie de précipitations hivernales, et cela tout au long de l’année. La majeure partie de l’eau que consomment les épicéas et les hêtres durant les mois d’été provient donc des précipitations de l'hiver précédent (d’octobre à mars), et ce alors même que les précipitations sont en réalité plus abondantes en été qu'en hiver.
Fig. 7. En été, la majeure partie des précipitations s'évapore et seules de petites quantités peuvent être stockées dans le sol pour être mises à la disposition des arbres. La rétention des précipitations hivernales est donc déterminante pour le régime hydrique de nos forêts. Photo: Alessandro Della Bella
Litière et bois mort, des réservoirs d'eau discrets avec un grand effet
Comme la majeure partie de l'eau absorbée par les arbres du laboratoire forestier provient des précipitations de l'hiver précédent, la rétention efficace de cette eau hivernale dans le sol est essentielle pour permettre aux forêts de mieux résister aux périodes de sécheresse prolongées.
Pour augmenter la capacité de rétention des sols forestiers, il faut conserver autant de matière organique que possible dans la forêt. Cela favorise de manière optimale le processus de formation des sols. Cela présente en outre un avantage majeur supplémentaire: le CO₂ y est temporairement fixé et stocké.
Fig. 8. Mesure de l'humidité du sol des placettes avec (li) et sans support litière et bois mort (re). Photo: Alessandro Della Bella
La litière et le bois mort jouent donc un rôle important dans la formation du sol et contribuent également de manière significative au cycle de l'eau dans la forêt.
Les recherches menées dans le laboratoire forestier montrent qu'environ 20 % des précipitations annuelles sont retenues dans la canopée et s'évaporent directement dans l'atmosphère.
40 % supplémentaires s'écoulent après plusieurs semaines, mois, voire années, sous forme d'eau de surface dans le Holderbach.
De nombreuses expériences sur le terrain et analyses en laboratoire ont également démontré qu'environ 18 % des précipitations sont stockées dans la litière et le bois mort au sol et sont également rejetées dans l'atmosphère. Ceci est remarquable dans la mesure où les capacités de rétention absolues de la litière ne sont en réalité que de quelques millimètres, alors que chaque goutte de pluie doit d'abord traverser cette couche avant d'atteindre le sol. En été notamment, lorsque les taux d'évaporation sont élevés, seule une très petite partie des précipitations atteint réellement le sol forestier et est directement disponible pour les arbres.
Malgré cela, l’eau temporairement retenue dans la litière et le bois mort apporte une contribution importante au climat forestier. Sous un couvert fermé, elle entretient un microclimat humide, réduit la demande atmosphérique en eau et aide les arbres à mieux supporter les journées de forte chaleur. Les sols et les matières organiques présents sur le sol forestier sont donc des éléments essentiels pour stocker l'eau dans nos forêts.
Implications pour la gestion forestière: En prévision de futures périodes de sécheresse, la litière et le bois mort devraient être davantage considérés comme des éléments fonctionnels de l’écosystème forestier, afin qu’ils puissent pleinement remplir leur rôle dans l’atténuation des effets de la sécheresse.
Les racines profondes aident les arbres pendant les périodes de sécheresse
Des analyses approfondies menées au laboratoire forestier ont montré dans quelle mesure les arbres modifient la profondeur à laquelle ils puisent l’eau lorsque la sécheresse augmente. Une occasion unique s'est présentée: pour installer des capteurs de flux de sève et des dendromètres sur des racines superficielles et profondes, le système racinaire de certains épicéas et hêtres a été mis à nu. Les capteurs de flux de sève mesurent la quantité d’eau circulant dans le tronc, tandis que les dendromètres enregistrent en continu les variations du diamètre des racines. Celles-ci se contractent durant la journée et se dilatent à nouveau la nuit lorsqu’elles sont saturées en eau.
Lorsqu'un arbre souffre de sécheresse, ses réserves en eau ne peuvent pas être entièrement reconstituées durant la nuit, ce qui apparaît très clairement dans les mesures dendrométriques, puisque le diamètre initial n’est plus atteint en période sèche. Depuis trois ans, le laboratoire forestier enregistre ainsi les flux d'eau dans les racines et dans le tronc de ces deux essences.
Fig. 9. Système racinaire d'un arbre mis à nu dans le sol forestier. Photo: Marius Floriancic
Fig. 10. Des instruments scientifiques peuvent également enregistrer le trajet de l’eau à l’intérieur des racines. Photo: Marius Floriancic
Les premières analyses montrent que le flux de sève dans les racines plates diminue avec l'augmentation de la sécheresse dans le sol. Dès que le sol commence à s'assécher, les racines superficielles ne peuvent plus absorber l'eau à pleine capacité. En revanche, dans les racines plus profondes, le flux de sève reste pratiquement constant, même lorsque la couche supérieure du sol commence à s'assécher. Les scientifiques en déduisent que les racines profondes favorisent la transpiration pendant les périodes de sécheresse et aident les arbres à mieux surmonter ces périodes. Cependant, le flux de sève dans le tronc diminue également lorsque la sécheresse du sol s'intensifie, ce qui signifie que l'arbre souffre de stress hydrique dès que toutes les racines ne peuvent plus absorber l'eau à pleine capacité. L'arbre doit donc réduire la photosynthèse et la consommation d'eau afin de ne pas subir de dommages hydrauliques.
Les principaux résultats en bref
20 % des précipitations annuelles dans la forêt restent dans la canopée et s'évaporent.
Nouvelles découvertes: une quantité presque équivalente d’eau de pluie (18 %) est retenue par la couche de litière composée de feuilles mortes, d'aiguilles et de bois mort sur le sol forestier. Cette fraction s'évapore également par la suite.
Jusqu'à présent, le rôle de la litière et du bois mort sur le sol forestier dans le cycle de l'eau en forêt était sous-estimé. Ils absorbent jusqu'à un cinquième des précipitations annuelles et les restituent par évaporation.
Au total, environ 38 % des précipitations annuelles sont ainsi retenues par la canopée et la litière.
Seuls 62 % des eaux de pluie pénètrent efficacement dans le sol forestier et sont utilisables par les plantes. Cependant, les racines des herbes et des arbustes en absorbent une grande partie. Seule une petite fraction parvient dans les couches profondes du sol et est disponible pour les arbres forestiers.
Il y a donc moins d’eau disponible pour les arbres de la forêt qu’on ne le pensait jusqu’ici.
→ Il est recommandé de laisser la litière et le bois mort dans la forêt afin de stabiliser la rétention de l'eau et le microclimat.Les arbres forestiers vivent en grande partie des précipitations hivernales.
→ Maintenir les précipitations hivernales dans le sol de manière ciblée, par exemple par des sols aussi intacts que possible et une gestion respectueuse des sols!
→ Tenir compte de l'architecture des racines et du comportement hydraulique comme critère lors du choix des essences et de l'adéquation à la station - promouvoir les essences à racines profondes!
Adapter les forêts pour assurer l'avenir
Le laboratoire forestier de Zurich, situé à proximité de l'ETH Zurich, étudie les processus liés au cycle de l'eau dans la forêt afin d'obtenir des informations importantes sur la résilience et la productivité des forêts suisses dans un contexte de conditions environnementales en rapide évolution. Les prochains résultats sont attendus avec impatience.
Comprendre comment les arbres absorbent l’eau et réagissent à la sécheresse joue un rôle central dans la sylviculture adaptative. Ces connaissances aideront à l'avenir les forestiers à adapter les forêts de manière ciblée à des conditions climatiques plus chaudes et plus sèches. En effet, la clé pour obtenir des forêts résistantes réside dans la promotion ciblée d'essences capables de s'adapter au changement climatique. Les résultats sont également intégrés dans des modèles de gestion de l'eau afin de mieux prévoir les changements futurs dans les forêts.
Traduction: Michèle Kaennel Dobbertin
![[Translate to Français:]](/assets/wald/boden/wsl_waldboden_filter/wsl_waldboden_filter_wald.jpeg "[Translate to Français:]")