Émissions de méthane des zones humides

Contribuant à hauteur d'environ 167 Tg de méthane à l'atmosphère par an[1], les zones humides sont la plus grande source naturelle de méthane atmosphérique (en) au monde et restent donc un sujet de préoccupation majeur en ce qui concerne le changement climatique[2],[3],[4]. Les zones humides sont caractérisés par des sols hydromorphes, c'est-à-dire gorgés d'eau et des communautés distinctives d'espèces de plantes et d'animaux qui ont évolué et se sont adaptées à la présence constante d'eau. Ce niveau élevé de saturation en eau crée des conditions propices à la production de méthane.

La plupart de la méthanogenèse, ou production de méthane, se produit dans des environnements pauvres en oxygène. Parce que les microbes qui vivent dans des environnements chauds et humides consomment de l'oxygène plus rapidement qu'il ne peut en diffuser à partir de l'atmosphère, les zones humides sont les environnements anaérobies idéaux pour la fermentation ainsi que l'activité méthanogène. Cependant, les niveaux de méthanogenèse peuvent fluctuer car ils dépendent de la disponibilité de l'oxygène, de la température du sol et de la composition du sol; un environnement plus chaud et anaérobie avec un sol riche en matière organique permettrait une méthanogenèse plus efficace[5].

La fermentation est un processus utilisé par certains types de micro-organismes pour décomposer les nutriments essentiels. Dans un processus appelé méthanogenèse acétoclastique, les micro-organismes du domaine de classification des archées produisent du méthane en fermentant de l'acétate, et du H2-CO 2 en méthane et en dioxyde de carbone .

H3C-COOH → CH 4 + CO 2

Selon la zone humide et le type d'archées, la méthanogenèse hydrogénotrophe, un autre processus qui produit du méthane, peut également se produire. Ce processus se produit à la suite de l'oxydation de l'hydrogène par les archées avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane et de l'eau.

4H 2 + CO2 → CH4 + 2H2O

Progressions naturelles des zones humides

Il existe de nombreux types de zones humides, tous caractérisés par des compositions uniques de vie végétale et des conditions aquatiques. Pour en citer quelques-uns, les marais, les marécages, les tourbières, les fens, les mires, les muskegs[6], et les pocosins sont tous des exemples de différents types de zones humides. Étant donné que chaque type de zone humide est unique, les mêmes caractéristiques utilisées pour classer chaque zone humide peuvent également être utilisées pour caractériser la quantité de méthane émise par cette zone humide particulière. Tout environnement saturé d'eau avec des niveaux modérés de décomposition crée les conditions anaérobies nécessaires à la méthanogenèse, mais la quantité d'eau et la décomposition affecteront l'ampleur des émissions de méthane dans un environnement spécifique. Par exemple, une nappe phréatique plus basse (niveau piézométrique) peut entraîner une baisse des émissions de méthane, car de nombreuses bactéries méthanotrophes nécessitent des conditions oxiques pour oxyder le méthane en dioxyde de carbone et en eau. Cependant, des nappes phréatiques plus élevées entraînent des niveaux plus élevés d'émissions de méthane car il y a moins de surface habitable pour les bactéries méthanotrophes, et ainsi le méthane peut plus facilement se diffuser dans l'atmosphère sans se décomposer.

Souvent, la progression écologique naturelle des zones humides implique le développement d'un type de zone humide en un ou plusieurs autres types de zones humides. Ainsi, au fil du temps, une zone humide modifiera naturellement la quantité de méthane émise par son sol.

Par exemple, les tourbières sont des zones humides qui contiennent une grande quantité de tourbe ou des végétaux partiellement décomposés. Lorsque les tourbières se développent pour la première fois, elles sont souvent au départ des fens, des zones humides caractérisées par un sol riche en minéraux. Ces zones humides inondées, avec des nappes phréatiques plus élevées, auraient naturellement des émissions de méthane plus élevées. Finalement, les fens se transforment en tourbières, zones humides acides avec des accumulations de tourbe et des nappes phréatiques plus basses. Avec des nappes phréatiques plus basses, les émissions de méthane sont plus facilement consommées par les bactéries méthanotrophes, ou consommatrices de méthane, et ne parviennent jamais à l'atmosphère. Au fil du temps, les tourbières se développent et se retrouvent avec des flaques d'eau accumulées, ce qui augmente encore une fois les émissions de méthane.

Voies d'émission de méthane dans les zones humides

Une fois produit, le méthane peut atteindre l'atmosphère par trois voies principales: la diffusion moléculaire, le transport à travers l'aérenchyme végétal et l'ébullition. La productivité primaire alimente les émissions de méthane à la fois directement et indirectement, car les plantes fournissent non seulement une grande partie du carbone nécessaire aux processus de production de méthane dans les zones humides, mais peuvent également affecter son transport.

Diffusion

La diffusion à travers le profil fait référence au mouvement du méthane à travers le sol et les plans d'eau pour atteindre l'atmosphère. L'importance de la diffusion comme voie varie selon les zones humides en fonction du type de sol et de végétation[7]. Par exemple, dans les tourbières, la quantité massive de matière organique morte, mais non en décomposition, entraîne une diffusion relativement lente du méthane à travers le sol[8]. De plus, comme le méthane peut voyager plus rapidement dans le sol que dans l'eau, la diffusion joue un rôle beaucoup plus important dans les zones humides où le sol est plus sec et plus lâche.

Aérenchyme
Le flux de méthane d'origine végétale à travers l'aérenchyme végétal, illustré ici, peut contribuer de 30 à 100% du flux total de méthane des zones humides avec de la végétation émergente[9].

L'aérenchyme végétal fait référence aux tubes de transport en forme de vaisseau dans les tissus de certains types de plantes. Les plantes avec aérenchyme possèdent un tissu poreux qui permet le déplacement direct des gaz vers et depuis les racines des plantes. Le méthane peut voyager directement du sol dans l'atmosphère en utilisant ce système de transport[8]. Le « shunt » direct créé par l'aérenchyme permet au méthane de contourner l'oxydation par l'oxygène qui est également transporté par les plantes jusqu'à leurs racines.

Ébullition

L'ébullition fait référence à la libération soudaine de bulles de méthane dans l'air. Ces bulles se produisent à la suite de l'accumulation de méthane au fil du temps dans le sol, formant des poches de méthane. Au fur et à mesure que ces poches de méthane piégé grossissent, le niveau du sol lentement s'élève également. Ce phénomène se poursuit jusqu'à ce que la pression s'accumule tellement que la bulle « éclate », transportant le méthane à travers le sol si rapidement qu'il n'a pas le temps d'être consommé par les organismes méthanotrophes du sol. Avec ce dégagement de gaz, le niveau de sol s'abaisse alors de nouveau.

L'ébullition dans les zones humides peut être enregistrée par des capteurs délicats, appelés piézomètres, capables de détecter la présence de poches de pression dans le sol. Les charges hydrauliques sont également utilisées pour détecter la montée et la descente subtiles du sol à la suite de l'accumulation et de la libération de pression. À l'aide de piézomètres et des charges hydrauliques, une étude a été menée dans les tourbières du nord des États-Unis pour déterminer l'importance de l'ébullition comme source de méthane. Non seulement il a été déterminé que l'ébullition est en fait une source importante d'émissions de méthane dans les tourbières du nord des États-Unis, mais il a également été observé qu'il y avait une augmentation de la pression après des précipitations importantes, ce qui suggère que les précipitations sont directement liées aux émissions de méthane dans les zones humides[10].

Facteurs de contrôle des émissions de méthane des zones humides

L'ampleur des émissions de méthane d'une zone humide est généralement mesurée à l'aide de techniques de covariance de Foucault, de gradient ou de flux de chambre, et dépend de plusieurs facteurs, y compris la nappe phréatique, les rapports comparatifs des bactéries méthanogènes aux bactéries méthanotrophes, les mécanismes de transport, la température, le type de substrat (en) substrat, la vie végétale et le climat. Ces facteurs agissent ensemble pour affecter et contrôler le flux de méthane dans les zones humides.

Dans l'ensemble, le principal déterminant du flux net de méthane dans l'atmosphère est le rapport du méthane produit par les bactéries méthanogènes qui parvient à la surface par rapport à la quantité de méthane oxydé par les bactéries méthanotrophes avant d'atteindre l'atmosphère[11]. Ce ratio est à son tour affecté par les autres facteurs de contrôle du méthane dans l'environnement. De plus, les voies d'émission de méthane affectent la façon dont le méthane se déplace dans l'atmosphère et ont donc un effet égal sur le flux de méthane dans les zones humides.

Niveau hydrostatique

Le premier facteur déterminant à considérer est le niveau piézométrique. Non seulement l'emplacement de la mare (pool) et de la nappe phréatique détermine les zones où la production ou l'oxydation du méthane peut avoir lieu, mais il détermine également la vitesse à laquelle le méthane peut se diffuser dans l'air. Lorsqu'elles voyagent dans l'eau, les molécules de méthane pénètrent dans les molécules d'eau en mouvement rapide et mettent ainsi plus de temps à atteindre la surface. Les déplacements dans le sol sont cependant beaucoup plus faciles et se traduisent par une diffusion plus facile dans l'atmosphère. Cette théorie du mouvement est étayée par des observations faites dans les zones humides où des flux importants de méthane se sont produits après une baisse de la nappe phréatique due à la sécheresse[11]. Si la nappe phréatique est à la surface ou au-dessus de la surface, alors le transport du méthane commence à se faire principalement par ébullition et par transport vasculaire ou pressurisé par les plantes, avec des niveaux élevés d'émission se produisant pendant la journée à partir des plantes qui utilisent la ventilation pressurisée.

Température

La température est également un facteur important à considérer car la température de l'environnement - et la température du sol en particulier - affecte le taux métabolique de production ou de consommation par les bactéries. De plus, comme les flux de méthane se produisent chaque année avec les saisons, des preuves suggèrent que les changements de température associés au niveau de la nappe phréatique agissent ensemble pour provoquer et contrôler les cycles saisonniers. [12].

Composition du substrat

La composition du sol et la disponibilité du substrat modifient les nutriments disponibles pour les bactéries méthanogènes et méthanotrophes, et affectent ainsi directement le taux de production et de consommation de méthane. Par exemple, les sols des zones humides avec des niveaux élevés d'acétate ou d'hydrogène et de dioxyde de carbone sont propices à la production de méthane. De plus, le type de vie végétale et la quantité de décomposition végétale affectent les nutriments disponibles pour les bactéries ainsi que l'acidité. Les lixiviats végétaux tels que les composés phénoliques de la sphaigne peuvent également interagir avec les caractéristiques du sol pour influencer la production et la consommation de méthane[13]. Une disponibilité constante de cellulose et un pH du sol d'environ 6,0 ont été déterminés pour fournir des conditions optimales pour la production et la consommation de méthane; cependant, la qualité du substrat peut être supplantée par d'autres facteurs[11]. Le pH et la composition du sol doivent encore être comparés aux effets de la nappe phréatique et de la température.

Production nette de l'écosystème

La production nette de l'écosystème (Net ecosystem production, NEP) et les changements climatiques sont les facteurs englobants, qui ont une relation directe avec les émissions de méthane des zones humides. Dans les zones humides avec des nappes phréatiques élevées, il a été démontré que la NEP augmente et diminue avec les émissions de méthane, probablement en raison du fait que les émissions de NEP et de méthane évoluent avec la disponibilité du substrat et la composition du sol. Dans les zones humides avec des nappes phréatiques plus basses, le mouvement de l'oxygène dans et hors du sol peut augmenter l'oxydation du méthane et l'inhibition de la méthanogenèse, annulant la relation entre émissions de méthane et NEP car la production de méthane dépend de facteurs profonds dans le sol.

Un climat changeant affecte de nombreux facteurs au sein de l'écosystème, y compris la nappe phréatique, la température et la composition des plantes dans la zone humide - tous facteurs qui affectent les émissions de méthane. Cependant, le changement climatique peut également affecter la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère environnante, ce qui réduirait à son tour l'ajout de méthane dans l'atmosphère, comme le montre une diminution de 80% du flux de méthane dans les zones où les niveaux de dioxyde de carbone ont doublé[11].

Développement humain des zones humides

Les humains drainent souvent les zones humides au nom du développement, du logement et de l'agriculture. En drainant les zones humides, la nappe phréatique est ainsi abaissée, augmentant la consommation de méthane par les bactéries méthanotrophes du sol[11]. Cependant, à la suite du drainage, des fossés saturés d'eau se développent, qui, en raison de l'environnement chaud et humide, finissent par émettre une grande quantité de méthane. Par conséquent, l'effet réel sur les émissions de méthane finit fortement par dépendre de plusieurs facteurs. Si les drains ne sont pas suffisamment espacés, des fossés saturés se formeront, créant des mini-milieux humides. De plus, si la nappe phréatique est suffisamment abaissée, la zone humide peut en fait être transformée d'une source de méthane en un puits qui consomme du méthane. Enfin, la composition réelle de la zone humide d'origine change la façon dont l'environnement environnant est affecté par le drainage et le développement humain.

Références
  1. « Global Methane Budget », Global Carbon Project (consulté le )
  2. Houghton, J. T., et al. (Eds.) (2001) Projections of future climate change, Climate Change 2001: The Scientific Basis, Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 881 pp.
  3. Bridgham, S. D., Cadillo-Quiroz, H., Keller, J. K. and Zhuang, Q. (2013), Methane emissions from wetlands: biogeochemical, microbial, and modeling perspectives from local to global scales. Glob Change Biol, 19: 1325–1346. DOI:10.1111/gcb.12131
  4. Comyn-Platt, « Carbon budgets for 1.5 and 2 °C targets lowered by natural wetland and permafrost feedbacks », Nature, vol. 11, no 8,‎ , p. 568–573 (DOI 10.1038/s41561-018-0174-9, Bibcode 2018NatGe..11..568C, lire en ligne)
  5. Christensen, T. R., A. Ekberg, L. Strom, M. Mastepanov, N. Panikov, M. Oquist, B. H. Svenson, H. Nykanen, P. J. Martikainen, and H. Oskarsson (2003), Factors controlling large scale variations in methane emissions from wetlands, Geophys. Res. Lett., 30, 1414, DOI:10.1029/2002GL016848.
  6. Tangen Brian A., Finocchiaro Raymond G., Gleason Robert A., « Effects of land use on greenhouse gas fluxes and soil properties of wetland catchments in the Prairie Pothole Region of North America », Science of the Total Environment, vol. 533,‎ , p. 391–409 (PMID 26172606, DOI 10.1016/j.scitotenv.2015.06.148, Bibcode 2015ScTEn.533..391T, lire en ligne)
  7. Tang J., Zhuang Q., White, J.R., Shannon, R.D., « Assessing the role of different wetland methane emission pathways with a biogeochemistry model », AGU Fall Meeting Abstracts, vol. 2008,‎ , B33B–0424 (Bibcode 2008AGUFM.B33B0424T)
  8. Couwenberg, John. Greifswald University. "Methane emissions from peat soils." http://www.imcg.net/media/download_gallery/climate/couwenberg_2009b.pdf
  9. (en) Bridgham, Cadillo-Quiroz, Keller et Zhuang, « Methane emissions from wetlands: biogeochemical, microbial, and modeling perspectives from local to global scales », Global Change Biology, vol. 19, no 5,‎ , p. 1325–1346 (ISSN 1354-1013, PMID 23505021, DOI 10.1111/gcb.12131, Bibcode 2013GCBio..19.1325B)
  10. Glaser, P.H., J.P. Chanton, P. Morin, D.O. Rosenberry, D.I. Siegel, O. Ruud, L.I. Chasar, A.S. Reeve. 2004. "Surface deformations as indicators of deep ebullition fluxes in a large northern peatland."
  11. Bubier, Jill L. and Moore, Tim R. "An ecological perspective on methane emissions from northern wetlands."
  12. (en) Turetsky, Kotowska, Bubier et Dise, « A synthesis of methane emissions from 71 northern, temperate, and subtropical wetlands », Global Change Biology, vol. 20, no 7,‎ , p. 2183–2197 (ISSN 1354-1013, PMID 24777536, DOI 10.1111/gcb.12580, Bibcode 2014GCBio..20.2183T)
  13. Medvedeff, Bridgham, Pfeifer-Meister et Keller, « Can Sphagnum leachate chemistry explain differences in anaerobic decomposition in peatlands? », Soil Biology and Biochemistry, vol. 86,‎ , p. 34–41 (ISSN 0038-0717, DOI 10.1016/j.soilbio.2015.03.016)
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