La taille des graines et les conditions du sol forestier déterminent la survie des semis d’arbres dans des conditions climatiques extrêmes : Étude

Le changement climatique mondial entraîne une augmentation des précipitations extrêmes, qu’il s’agisse de sécheresses sévères ou de fortes pluies, qui devraient se multiplier au cours du XXIe siècle. Les événements météorologiques violents ont déjà un impact sur les environnements humains, avec des incendies et des inondations intenses, et transforment considérablement les écosystèmes naturels.

Comment ces périodes de précipitations excessives ou de sécheresse affecteront-elles l’établissement des espèces d’arbres forestiers et leur distribution future – comment migrer, survivre et s’adapter à un climat changeant ? Dans la vie d’un arbre, le stade de jeune plant est le plus sensible aux extrêmes climatiques en raison de racines moins profondes et d’un accès moindre à l’eau stockée dans le sol.

Dans une nouvelle étude publiée dans EcologieDans le cadre d’un projet de recherche, des chercheurs de l’Université du Vermont (UVM) ont étudié l’impact des précipitations extrêmes sur la survie des semis d’arbres dans une forêt de feuillus du nord. Ils ont découvert que la survie dépend des effets combinés de l’état du lit de semence, de la taille des graines et de la variation des précipitations, et non pas simplement de l’occurrence de sécheresses ou de précipitations importantes. Ils ont documenté les différences de survie entre 10 espèces d’arbres.

« Nos résultats soulignent l’importance des conditions du lit de semence et des traits de régénération des espèces d’arbres, comme la taille des graines, dans l’amortissement des effets des précipitations extrêmes sur la survie des semis dans les forêts tempérées du nord-est des États-Unis », a déclaré Peter Clark, un associé postdoctoral de l’UVM qui a mené cette recherche en tant qu’étudiant en doctorat.

Impacts des précipitations extrêmes et de la sécheresse

Clark et Anthony D’Amato de la Rubenstein School of Environment and Natural Resources ont manipulé les précipitations lors d’une expérience sur le terrain dans la forêt de recherche de Jericho de l’UVM, dans le nord-ouest du Vermont. Ils ont testé les taux de survie à la première année des semis cultivés à partir de graines dans le cadre de trois scénarios de précipitations extrêmes différents (sécheresse, sécheresse plus épisodes de fortes pluies, et fortes pluies fréquentes) ainsi que des précipitations historiques.

Les chercheurs ont créé trois ouvertures dans la canopée de la forêt d’un quart d’acre, c’est-à-dire des espaces pouvant être causés par la chute d’arbres lors d’une perturbation par le vent ou par l’exploitation forestière couramment pratiquée dans la région du nord-est. Ils ont construit une structure semblable à une serre dans chaque ouverture pour exclure les précipitations naturelles, qu’ils ont collectées pour les utiliser dans les abris pour l’irrigation afin de simuler des événements pluvieux.

La survie des graines semées dans les abris dépendait fortement de la quantité de précipitations qu’elles recevaient. Bien que les précipitations aient augmenté la survie des semis, lorsqu’elles suivaient une sécheresse, même les événements pluvieux extrêmes ne fournissaient pas assez d’eau pour compenser la période de sécheresse. Étant donné que les scientifiques prévoient que les précipitations futures seront plus sporadiques avec de plus longues périodes de sécheresse ponctuées de fortes pluies, cette recherche met en évidence les conséquences potentielles de ces changements climatiques sur la régénération future des forêts.

Effets du lit de semence

Les conditions du lit de semence sur le sol de la forêt constituent un équilibre complexe pour la survie des semis d’arbres. Pour s’établir et se développer, les semis doivent avoir accès à une source d’humidité stable autour des racines. Les chercheurs ont testé deux types de lits de semis que l’on trouve couramment dans la forêt. Un lit de semis non perturbé contenait un sol intact recouvert de litière de feuilles naturelles et d’une couche d’humus décomposée. Dans un lit de semis scarifié, la partie supérieure du sol est ameublie et le sol minéral est exposé, une condition que l’on trouve naturellement à la base des arbres renversés par le vent ou que l’on crée délibérément comme technique de gestion forestière.

Dans cette étude, même si les précipitations ont joué un rôle critique, le type de lit de semence était deux fois plus important pour déterminer la survie des semis. Les semis dans les lits de semis scarifiés avaient un taux de survie sept fois plus élevé que les semis dans les lits non perturbés. Alors que les sols exposés s’assèchent probablement plus rapidement, les conditions dans les lits scarifiés permettent également à l’humidité de s’infiltrer dans le sol plus rapidement, ce qui peut empêcher la mort des semis.

Les effets néfastes d’une sécheresse extrême ou de fortes pluies ont été compensés par la capacité des semis à survivre à des taux plus élevés lorsqu’ils sont cultivés dans des sols exposés et scarifiés. Grâce à ces nouvelles informations, les gestionnaires forestiers peuvent choisir d’appliquer la scarification du sol dans les stratégies de gestion pour atténuer les effets négatifs des précipitations changeantes sur la régénération forestière dans le Nord-Est.

Différences entre les espèces d’arbres

Les chercheurs ont choisi d’étudier les espèces d’arbres indigènes à la région, dont plusieurs devraient augmenter en abondance en réponse aux conditions climatiques changeantes. Les espèces étudiées sont les suivantes : Hêtre américain, châtaignier américain, caryer cordiforme, bouleau noir ou doux, cerisier noir, pruche de l’Est, pin blanc de l’Est, chêne rouge du Nord, érable à sucre et bouleau jaune.

Ils ont semé des graines pour étudier la survie des semis nouvellement germés. Étant donné l’enthousiasme croissant pour les initiatives de plantation d’arbres visant à s’adapter au changement climatique et à atténuer les émissions de gaz à effet de serre, ils ont également planté des semis de quatre ans issus de pépinières afin d’évaluer l’évolution des résultats en fonction de l’âge.

La sensibilité à l’humidité variait selon les espèces et dépendait de la taille des graines. Dans des conditions de sécheresse, plus la graine est grosse, plus le semis est résistant. La taille de la graine n’était pas un facteur de survie dans des conditions humides.

Le traitement des précipitations – humide ou sec – n’a pas modifié la survie des espèces d’arbres à grosses graines – chêne rouge du Nord, châtaignier d’Amérique, caryer cordiforme, hêtre américain et cerisier noir. Les espèces à graines plus petites – érable à sucre, pin blanc de l’Est, pruche de l’Est, bouleau noir et bouleau jaune – avaient de meilleurs taux de survie en conditions humides qu’en conditions sèches.

La combinaison de la pluie et d’un lit de semence scarifié a amélioré de 28 % la survie de ces espèces à petites graines et sensibles à l’humidité. Pour certaines espèces d’arbres, comme l’érable à sucre, la litière de feuilles fournit des nutriments, un refroidissement protecteur et une rétention d’humidité. D’autre part, les sols minéraux exposés peuvent aider les semis à démarrer, en particulier pour ceux dont les graines sont plus petites, comme le bouleau jaune, qui autrement ne parviendraient pas à pénétrer les couches de litière du sol forestier.

« En testant des graines semées, un peu comme la régénération naturelle dans la forêt, les résultats montrent que les modèles de précipitations futures peuvent avoir un impact sur la germination et la survie de certaines espèces d’arbres, mais que ces impacts varieront en fonction des conditions du lit de semence », a déclaré D’Amato, professeur de foresterie. « Ces résultats aideront les biologistes de la conservation et les gestionnaires des ressources naturelles qui envisagent différentes techniques de régénération artificielle pour maintenir, restaurer ou adapter les écosystèmes forestiers dans les conditions climatiques futures. »

Le traitement des précipitations n’a pas affecté la survie des transplants de semis plus matures cultivés en pépinière, qui ont eu des taux de survie beaucoup plus élevés que les semis de première année cultivés à partir de graines, en particulier pour les petites graines de pin blanc de l’Est, de pruche de l’Est et de bouleau noir.

Les chercheurs suggèrent que les caractéristiques des graines vont probablement séparer la réponse des plantes au climat futur, les espèces à petites graines ne s’en tirant pas aussi bien lors de longues périodes de sécheresse interrompues par des salves de pluies intenses. Les espèces, telles que le chêne rouge du Nord, qui sont plus tolérantes à une plus grande variabilité des précipitations extrêmes, pourraient être mieux adaptées à des conditions nouvelles et changeantes.

« Nos résultats confirment les preuves de plus en plus nombreuses que si le climat reste important, d’autres facteurs biophysiques peuvent interagir avec les effets du changement climatique sur l’établissement et la distribution des arbres forestiers, du moins à court terme, ou les annuler », a déclaré M. Clark. « Ce travail permet d’affiner les modèles de distribution des espèces et d’informer les stratégies de reboisement pour maintenir la biodiversité forestière et la fonction des écosystèmes dans des conditions climatiques extrêmes croissantes. »