Pergélisol de Hulugou : comment le dégel modifie l’export de carbone dissous

Dans les montagnes de l’ouest de la Chine, des équipes de recherche ont passé des années à quantifier le carbone qui s’échappe de versants gelés au moment du dégel. Le schéma paraissait évident : plus le débit augmentait, plus le carbone exporté augmentait ; quand le débit baissait, le carbone diminuait - sauf au printemps, où l’on observait un pic très concentré alors que presque aucune eau ne s’écoulait.

Longtemps, personne n’a su l’expliquer. Un modèle informatique appliqué à ces mêmes pentes a désormais relié ce phénomène à ce qui se passe sous la surface. Tout dépend de la profondeur atteinte par le dégel et de la couche de sol dans laquelle circule l’eau.

Le carbone se déplace sous terre

Dans les sols froids, le carbone s’échappe principalement de deux manières. La majeure partie remonte directement vers l’atmosphère sous forme de gaz - c’est celle que les climatologues surveillent le plus. Le reste se dissout dans l’eau puis migre latéralement dans le sol, en s’écoulant des pentes vers les ruisseaux. On parle alors de carbone organique dissous transporté par l’eau.

C’est précisément cette circulation latérale que les chercheurs comprennent le moins, et que l’équipe dirigée par Chen Ding (Southern University of Science and Technology, SUSTech) a voulu clarifier. Leur terrain d’étude se situe en zone de pergélisol, où le sol demeure gelé toute l’année.

L’enjeu est considérable : le pergélisol nordique renferme environ la moitié du carbone des sols de la planète, soit près du double de la quantité présente dans l’ensemble de l’atmosphère. À mesure que le gel se relâche, une part plus importante de ce carbone cherche une voie de sortie.

Un versant de montagne gelé

Pour construire leur modèle, l’équipe de Ding s’est appuyée sur un site bien réel : un bassin de haute montagne nommé Hulugou, situé dans les sources du fleuve Heihe, au nord-ouest de la Chine. Le site se trouve sur le plateau Qinghai-Tibet, une région d’altitude très froide, où la moyenne annuelle avoisine -3 °C (26 °F).

Plutôt que de s’en remettre à des hypothèses simplificatrices, le modèle suit, jour après jour, l’eau, la chaleur et la chimie le long d’une coupe de versant de plus de 213 mètres (700 pieds). Il y observe l’activité des couches actives - ces sols qui dégèlent chaque été puis regelent chaque hiver - et leur alternance entre « réveil » et mise en sommeil.

Lorsque cette couche dégèle, l’eau de fonte et la pluie s’infiltrent, deviennent une nappe peu profonde et s’écoulent vers l’aval. Or, le sol n’est pas homogène : les 30 à 60 premiers centimètres environ regorgent de racines et de feuilles mortes, tandis que les horizons plus profonds contiennent très peu de carbone.

Un pic de carbone au printemps

En simulant une année complète, le modèle fait apparaître une dissociation surprenante. La concentration de carbone la plus élevée qui quitte la pente survient en avril, au tout début du dégel. En revanche, la charge totale la plus importante (la quantité exportée) se produit bien plus tard, en septembre.

La clé, c’est la profondeur. Au début du printemps, seule la couche superficielle, riche en carbone, a dégélé : le mince filet d’eau qui sort du versant est donc contraint de traverser cette zone, et il se charge fortement en carbone. Ce comportement correspond à ce qu’une autre étude avait observé pendant la fonte nivale : très peu d’eau circule, mais chaque goutte est très riche en carbone.

À la fin de l’été, la situation s’inverse. De fortes pluies arrivent au moment où le dégel s’enfonce dans des couches pauvres en carbone, et un volume important d’eau plus diluée s’échappe du versant.

Les équipes de terrain avaient déjà mesuré ce pic printanier, sans pouvoir voir, en temps réel, l’évolution de la « plomberie » souterraine. Elles n’avaient pas non plus démontré que l’alternance gel-dégel pilotait directement la dynamique du carbone.

Pourquoi l’Arctique se comporte autrement

C’est ici que le plateau se distingue de l’Arctique. Dans une grande partie des hautes latitudes, la concentration et la charge atteignent toutes deux leur maximum lors de la fonte printanière de la neige. L’eau de fonte rince d’un seul coup la fine couche organique de surface - un schéma que des études arctiques documentent depuis des années.

À Hulugou, les règles ne sont pas les mêmes. La neige ne représente qu’environ 3 % des précipitations annuelles, et une grande partie disparaît directement dans l’air sans produire d’écoulement lié à la fonte. Le printemps apporte bien un réchauffement et un dégel superficiel, mais presque pas d’eau pour emporter le carbone hors du versant.

La véritable poussée attend les pluies d’été. Lorsqu’elles arrivent, le dégel est déjà plus profond : l’eau qui se met enfin à circuler emprunte donc un trajet inférieur, dans des sols pauvres en carbone. Un même processus de dégel peut ainsi produire, ici, un résultat opposé à celui observé en Arctique.

Le réchauffement creuse plus profond

L’équipe a ensuite projeté le versant dans l’avenir en simulant 40 ans de réchauffement modéré et régulier. Le sol gelé recule.

D’année en année, l’épaisseur de la couche dégelée augmente : elle passe d’environ 1,5 mètre (5 pieds) à presque 2 mètres (6,5 pieds) à la fin de la période.

À mesure que la base de la zone dégelée s’abaisse, l’écoulement d’eau se décale vers le bas lui aussi. Une part croissante du flux délaisse la surface riche en carbone et traverse davantage les horizons profonds, pauvres en carbone. Comme ces couches profondes en contiennent très peu, le versant exporte moins de carbone au total.

Dans ce scénario, l’export latéral de carbone diminuerait d’environ 16 % sur 40 ans, et ce qui s’échappe deviendrait près d’un quart plus dilué.

Cela va à l’encontre d’une crainte fréquente, exprimée dans de nombreux travaux : l’idée que le dégel ne ferait qu’augmenter le transfert de vieux carbone vers les rivières.

Repenser le budget carbone

Le message est plus tranchant que ne le laissait entendre l’hypothèse classique. Le gel et le dégel déterminent quel « chemin » souterrain suit le carbone ; et ce chemin fixe la concentration du carbone quittant les terres : superficiel et riche au printemps, plus profond et dilué à l’automne.

Si l’on applique cette logique à un siècle de réchauffement, la voie latérale du carbone s’amenuise plutôt qu’elle ne s’épaissit.

Cela complique l’établissement du budget carbone dans des régions élevées et froides comme le plateau, où des modèles supposant que le dégel signifie toujours davantage de carbone vers l’aval risquent de surestimer les exportations.

Les conséquences concernent aussi ce qui se passe en aval. Les rivières et les petits réseaux trophiques qu’elles abritent tirent une partie de leur énergie de ce carbone dissous ; une baisse progressive pourrait donc se répercuter pendant des décennies dans les cours d’eau des régions froides.

Grâce au modèle, les scientifiques peuvent observer cette transformation s’installer, versant après versant, avant qu’elle ne se manifeste dans les eaux de surface.