Puits de carbone

Ces écosystèmes comptaient parmi les meilleurs puits de carbone, mais de nombreuses tourbières ont été exploitées, drainées (ce qui entraine une minéralisation avec perte de carbone), brûlées (en Indonésie par exemple pour planter des palmiers à huile), ou simplement, sous l'effet du réchauffement peuvent voir leur sol rapidement évoluer (et des études expérimentales de sols légèrement réchauffés montrent que les pertes de carbone des sols induites par le réchauffement sont les plus importantes en zone périarctique là où les stocks de carbone sont les plus importants ; si l'eau ne manque pas le réchauffement augmente la photosynthèse, mais sans compenser les émissions de CO₂ ou de méthane dues à une activité accrue des microbes du sol, activité d'autant plus importante que le sol est riche en carbone[4]).

Une estimation faite en 2016 pour un réchauffement de 2 °C en 2100, avec l'hypothèse la plus prudente en termes de perte de carbone, a conclu à une perte nette minimale de 55 pétagrammes de carbone (1 Pg = 10¹⁵ g) entre 2015 et 2050, soit l'équivalent de cinq ans d'émissions anthropiques actuelles[4]. La majeure partie des pertes se fera dans l'hémisphère nord[4].

Stock de carbone dans le monde (hors océans), selon le GIEC (2001[5]).

L'écosystème forestier (et en particulier le système arbre/sol) est, après le plancton océanique et avec les tourbières et les prairies, le principal puits de carbone naturel planétaire, essentiel au cycle du carbone. Il accumule d'énormes quantités de carbone dans le bois, les racines, le sol et l'écosystème via la photosynthèse. L'ONU/FAO estime que « l'expansion des plantations d'arbres pourrait compenser « 15 % des émissions de carbone des combustibles fossiles » dans la première moitié du XXI^e siècle sous réserve qu'elles ne le relarguent pas prématurément[6], et qu'on n'ait pas surestimé les surfaces enforestées et leur capacité de stockage[6] et qu'il ne s'agisse pas que de plantation d'essences à croissance rapide[6].

En effet, les plantes absorbent le CO₂ de l'atmosphère, stockant une partie du carbone prélevée et rejetant de l'oxygène dans l'atmosphère. Chez les arbres, les essences pionnières, à croissance rapide (ex : Peuplier, saule ou bouleau en zone tempérée, Bois-canon (creux, à la manière du bambou) en zone tropicale), n'absorbent généralement que peu de carbone et le relarguent vite et facilement. Au contraire, les bois durs et denses en contiennent beaucoup plus, et pour le plus longtemps, mais ils croissent généralement bien plus lentement (siècles à millénaires pour les « très gros bois »). À maturité, l'absorption est moindre, mais le carbone représente 20 % de leur poids (en moyenne, et jusqu'à 50 % et plus pour des bois denses tropicaux).

Quand l'arbre meurt, il est décomposé par des communautés saproxylophages (bactéries, champignons et invertébrés) qui recyclent son carbone sous forme de biomasse, nécromasse (cadavres, excrétas et excréments de ces organismes) et sous forme de gaz (CO₂, méthane, libérés dans l'atmosphère ou l'eau). La forêt et d'autres écosystèmes continueront à stocker ou recycler ce carbone via une régénération naturelle. Toutes les forêts tempérées (hors incendies et exploitation) accumulent le carbone. Une grande partie des forêts tropicales (hors forêts tourbeuses) sont réputées à l'équilibre (source = puits), et les forêts boréales jouent un rôle plus complexe (plus sensibles aux défoliations et au feu).

Il arrive localement que les arbres morts, roseaux et plantes des marais se décomposent lentement et imparfaitement, en conditions anaérobies, sous la surface du marais, produisant des tourbes. Le mécanisme est suffisamment lent pour que, dans la plupart des cas, le marais grandisse assez vite et permette de fixer plus de carbone atmosphérique que ce qui est libéré par la décomposition. Un quart du carbone absorbé par les forêts l'est par les plantes et le sol[7].

Pour l'ONU, la FAO, pour ses statistiques et inventaires forestiers, distingue[8] cinq différents stocks de carbone :

• la biomasse aérienne : « Carbone présent dans toute la biomasse vivante au-dessus du sol, y compris les tiges, les souches, les branches, l’écorce, les graines et le feuillage »[8] ;
• la biomasse souterraine : « Carbone présent dans toute la biomasse de racines vivantes. Les radicelles de moins de deux mm de diamètre sont exclues car il est souvent difficile de les distinguer empiriquement de la matière organique du sol ou de la litière »[8] ;
• le carbone du bois mort : de la nécromasse ligneuse – hors de la litière – « soit sur pied, soit gisant au sol, soit dans le sol. Le bois mort comprend le bois gisant à la surface, les racines mortes et les souches dont le diamètre est supérieur ou égal à dix cm ou tout autre diamètre utilisé par le pays »[8] ;
• le carbone de la litière : « Carbone présent dans toute la biomasse non vivante dont le diamètre est inférieur au diamètre minimal pour le bois mort (p. ex. dix cm), gisant à différents stades de décomposition au-dessus du sol minéral ou organique »[8] ;
• le carbone dans le sol : « Carbone organique présent dans les sols minéraux et organiques (y compris les tourbières) jusqu’à une profondeur spécifique indiquée par le pays et appliquée de façon cohérente à travers toutes les séries chronologiques »[8].

Remarque : En 2015, des chercheurs de l'université de Brême ont (dans Atmospheric Chemistry and Physics début janvier), à partir de données satellitaires, estimé que les forêts européennes extrairaient plus de deux fois plus de dioxyde de carbone qu'on ne le pensait jusqu'ici[9], mais une tendance au recul continu ou à la minéralisation des tourbières forestières ou paraforestières et au développement rapide de valorisation du bois (voire du petit-bois et des feuilles mortes) en biomasse-énergie laisse penser que cette absorption de carbone pourrait souvent être suivie d'un relargage rapide dans l'atmosphère.

Mais dans un contexte climatique incertain, certaines forêts plus vulnérables peuvent devenir des « sources » de CO₂ (le contraire d'un puits de carbone), notamment en cas d'incendie, ou provisoirement après les grands chablis couchés par de fortes tempêtes ou après les grandes coupes rases. En 2016 une étude a conclu que la toundra et la taïga sont les écosystèmes qui risquent proportionnellement (notamment parce que leur sol était très riches en carbone), de perdre le plus de carbone du sol d'ici 2100, au risque de basculer d'une situation globale de puits de carbone, vers une situation d'émetteur, qui pourrait alors encore exacerber le réchauffement climatique[4].

Certaines techniques de génie écologique (BRF, conservation de gros bois mort, réintroduction du castor, restauration des zones humides et tourbières, etc.) peuvent contribuer à augmenter la résilience écologique de certaines forêts (Europe, Canada, Amérique du Nord, etc.). Les travaux récents (2017) issus des données du satellite OCO-2 montrent notamment que dans les années 2010, près d'un quart du CO₂ anthropique est absorbé par l'océan (en l'acidifiant) et un autre quart est absorbé par les sols et écosystèmes terrestres. Toutefois, les lieux et processus de puits terrestres de carbone restent mal cernés en particulier concernant les parts respectives des forêts tempérées, tropicales et équatoriales, eurasiennes notamment (certains auteurs comme Baccini & al. (2017) estiment à partir des données MODIS qu'une partie importante de ces régions est actuellement source nette et importante de CO₂ en raison de la déforestation, des incendies[10], et que cela pourrait empirer avec un risque croissant de sécheresses, dégradation des sols et incendies de forêt). Il y a au moins consensus sur le fait que ces puits varient quantitativement beaucoup selon les années[11]. Il n'y a pas encore de consensus sur la quantité de carbone réellement stocké et/ou libéré à court, moyen ou long terme, mais le satellite OCO-2 devrait d'ici 2020 apporter des données permettant de mieux comprendre ces phénomènes. OCO-2 va notamment permettre de préciser le rôle et la part et l'efficacité des différents puits planétaires et donc d'améliorer la prospective climatique et les possibilités de correction et d'adaptation.

Stocks de carbone en France métropolitaine, par surface, compartiment et type d'occupation du sol (en millions de tonnes de carbone).

Dans le monde, la forêt métropolitaine française compte peu en termes de stock de carbone. À l'échelle du pays, elle joue un rôle important, mais variant régionalement[6]. Sa taille augmente, mais après une longue phase de régression.

Plusieurs estimations ont été faites : en 1990 l'IFN estimait à deux milliards de tonnes environ[12]. Ce chiffre a été porté en 2004[13] à 2,5 milliards de tonnes de carbone (soit l’équivalent de 9,2 milliards de tonnes de CO₂ absorbé). De 2000 à 2004, environ 24,4 millions de tonnes (Mt)/an de carbone auraient ainsi été provisoirement séquestrées par les arbres et les sols forestiers (89 Mt/an de CO₂). L'estimation a ensuite baissé au niveau de 62 Mt/an de CO₂ (soit 17 Mt/an de carbone) entre 2005 et 2011 dont en raison de la tempête de 2009 et de la sécheresse de 2003[14]. Au vu de la surface boisée de France métropolitaine, 1,68 t de carbone/ha/an auraient été séquestrées de 2000 à 2004 (14,5 Mha[15]) et de 1,04 t/ha/an sur 2005-2011 (16,5 Mha[16]).

Cette quantité de carbone serait stockée pour moitié dans les sols (litière plus humus) et plus provisoirement peut-être pour moitié dans les arbres (feuilles, branches, racines y compris)[13]. Seule une petite partie de ce carbone peut être considérée comme durablement stockée.

Le prix de la tonne de CO₂ stockée a chuté de 32 € en avril 2006, puis 0,20 € en 2007), ce serait 0,6 milliard d’euros, 2,8 milliards d’euros et 0,02 milliard d’euros économisés[13]. Cette variation des prix dictée par le marché ne permet pas d'évaluer la valeur financière de la fonction puits de carbone des forêts, mais cette valeur devrait a priori augmenter avec le temps.

La filière bois, selon la durée de vie du bois extrait et manufacturé, contribue ou non à la lutte contre le réchauffement climatique. Elle a en 2004 utilisé 98 Mt de carbone (équivalant 359 Mt de CO₂) mais dont une partie (papier, carton, cagettes, etc.) ne contribue pas à stocker du carbone[13].

La forêt française, qui s'étend sur 168 000 km², soit un tiers du territoire métropolitain, piège de moins en moins de carbone. Depuis le milieu des années 2000, ses capacités de stockage s'érodent sous l'effet du réchauffement climatique. Elles sont passées de 45 Mt de CO₂ au milieu des années 2000 à environ 35 Mt en 2015 et seulement 14 Mt en 2020 selon le Citepa. Or la Stratégie nationale bas carbone (SNBC) prévoit de plus que doubler entre 2015 et 2050 la taille du puits de carbone de la France, à 80 Mt, afin de compenser les émissions résiduelles. La SNBC compte sur des solutions telles que la plantation de haies (quintuplement des surfaces plantées et « agroforestées »), l'arrêt du retournement des prairies, la baisse de l'artificialisation des terres, la relance des plantations et la prolongation dans le temps du stockage du carbone en valorisant la matière bois dans des filières comme celles des produits bois à longue durée de vie, plutôt que dans le chauffage[17].

Cycle du carbone dans les océans.

Le blanchissement des récifs coralliens (ici à la Réunion) a des causes encore mal comprises, peut-être liées à des microbes, à l'eutrophisation, l'acidification des eaux et/ou aux prémisses de changement climatique. Il préoccupe les experts du monde entier.

À Leicester, ville peu boisée, une étude[18] a estimé que les espaces verts publics et privés stockent environ 231 500 t de carbone, dont 97 % dans les arbres urbains (surtout les plus grands).

Les océans sont les principaux puits naturels de carbone, assimilé via le plancton, les coraux et les poissons, puis transformé en roche sédimentaire ou biogénique. On estime qu'ils concentrent 50 fois plus de carbone que l'atmosphère, 90 % par la pompe physique (en), 10 % par la pompe biologique. Mais ces chiffres de stock doivent être nuancés par les flux annuels. Une estimation sur la période 2000–2006 donne les chiffres suivants : les émissions anthropiques de dioxyde de carbone sont absorbées à 45 % dans l'atmosphère, 30 % par la terre et 24 % par les océans[19].

50 % environ des coraux des eaux chaudes semblent malades ou morts ces dernières décennies, et lorsque le niveau de CO₂ s'accroît au-delà d'un seuil critique dans l'atmosphère, en augmentant également l'acidité des eaux marines, créant potentiellement de désastreux océans acides qui pourraient tuer le plancton qui piégeait le mieux le carbone, et rendant l'océan plus acide encore. De plus des zones mortes s'étendent dans les océans, qui deviennent émettrices de carbone ou de méthane. Les mers contiennent une quantité variable de CO₂ dissoute, fonction de la biomasse et de la nécromasse, de la disponibilité en nutriments, de la température et de la pression.

Le phytoplancton marin, à l'instar des arbres, utilise la photosynthèse pour extraire le carbone du CO₂. Il est le point de départ de la chaîne alimentaire océanique. Le plancton et d'autres organismes marins utilisent le CO₂ dissous dans l'eau ou prélevé dans leur nourriture pour constituer leurs squelettes et coquilles à base de calcaire minéral, CaCO₃. Ce mécanisme élimine le CO₂ contenu dans l'eau et favorise la dissolution de celui contenu dans l'air. Les squelettes et coquilles calcaires ainsi que le « carbone organique » (nécromasse, excrétas et excréments) de ces organismes tombent finalement en une « pluie » continue (dite « neige marine ») dans les fonds marins où ils sédimentent pour lentement former des roches sédimentaires. Le carbone des cellules du plancton doit être immergé entre 2 000 et 4 000 mètres de profondeur pour être emprisonné pour plusieurs milliers à millions ou milliards d'années sous forme de roche, les sédiments superficiels étant pour partie brassés, remis en suspension et réutilisés comme nutriments par la biosphère.

• Une étude qui cherchait à affiner la mesure de la dissolution récente du CO₂ dans l'océan (utilisant les chlorofluorocarbones comme marqueurs), publiée en 2003 laissait penser que la capacité des océans à absorber le CO₂ avait été sous-estimée[20], cependant ceci est aussi le signe d'une accélération de l'acidification des océans qui peut mettre en péril le puits de carbone océanique et se traduire par un relargage de CO₂.
• Inversement, des travaux récents concluent à une émission importante de CO₂ et de méthane par les estuaires, et à une saturation du puits océanique pour l'hémisphère sud, ou plutôt à une dégradation de la capacité de ces mers à pomper du carbone en raison des changements climatiques qui affectent les vents et l'agitation de l'eau. Selon Nicolas Metzl et son équipe, les mesures faites de 1998 à 2007 par le service d'observation de l'océan indien (OISO) et les données accumulées depuis 1991 montrent que le taux de CO₂ a augmenté plus vite dans les eaux de surface de cet océan que dans l'air (sachant que la diffusion du CO₂ dépend de la température et de la différence de concentration dans l'air et l'eau). Cependant, les vents ont augmenté dans l'hémisphère sud, induisant un brassage des eaux de surface qui leur font perdre du CO₂, et qui induisent un mélange avec les eaux profondes plus riches en CO₂. Les puits de carbone de l'océan indien pourraient donc être environ 10 fois moins efficace qu'on ne l'avait antérieurement estimé.
  Un autre programme, européen, CARBOOCEAN a également conclu à une situation mauvaise au nord : la capacité de puits de CO₂ aurait été divisée par deux aux latitudes élevées de l'hémisphère nord, depuis 1996.
  Les hydrates de méthane piégés dans l'océan sont également un facteur à prendre en compte en cas de début de réchauffement marqué, qu'ils pourraient accélérer.
  Ces quatre éléments, sous réserve de confirmation pourraient significativement modifier les modélisations quand elles les intègreront[21].
• Une étude[22]. du début 2009 a montré qu'on avait fortement sous-estimé l'importance des poissons qui, par leur capacité à constamment produire dans leur intestin des carbonates peu solubles, contribuent aussi à séquestrer du carbone des eaux marines. Par exemple, le flet européen synthétise et rejette chaque heure et en moyenne 18 micromoles de carbone par kg de poisson (sous forme de calcite)[22]. Les poissons contribueraient ainsi à 3 %[23] à 15 %[24] du puits de carbone océanique (voire 45 % si l'on prenait les hypothèses les plus hautes)[22]. De plus, un climat chaud associé à la surpêche tendent à réduire le nombre de grands poissons ; or, une petite taille du poisson et un eau plus chaude favorisent la formation de carbonates de calcium ou de magnésium (qui sont éliminés avec la nécromasse, les fèces ou des boulettes de mucus)[22].
  Hélas, ces carbonates plus riche en magnésium sont aussi plus solubles à grande profondeur. Ils peuvent alors relarguer une partie de leur carbone, mais en tamponnant le milieu, au point que cela pourrait expliquer jusqu'à un quart de l'augmentation de l'alcalinité titrable des eaux marines dans les 1 000 mètres sous la surface (cette anomalie de dureté de l'eau était jusqu'ici controversée car non expliquée par les océanographes)[22].
  Hélas encore, c'est aussi dans les zones les plus favorables à ce piégeage du carbone (plateaux continentaux où se concentre environ 80 % de la biomasse en poisson) que la surpêche est la plus intense et que les zones mortes ont fait disparaître le plus de poissons.

Selon l'université Flinders[25] (Australie), les cachalots jouent par exemple un rôle important dans le recyclage du fer, via ses excréments qui en contiennent de grandes quantités ; le fer - quand il est biodisponible - est un stimulant connu de la productivité phytoplanctonique, qui est à la base de la pompe à carbone océanique[25]. Les 12 000 cachalots d'Antarctique contribuent ainsi à permettre l'absorption d'environ 400 000 t de carbone (environ deux fois ce que les cachalots émettent en respirant). Leurs excréments dispersent annuellement environ 50 t/an (de fer) dans les océans, ce serait au moins dix fois plus, s'ils n'avaient pas été pourchassés depuis deux siècles[25]. Sans la chasse à la baleine, on estime qu'il y aurait aujourd'hui environ 120 000 (90 % plus qu'en réalité) cachalots rien que dans l'océan Austral[25].

Certaines forêts stockent beaucoup de carbone dans leur biomasse et nécromasse, et via leur sol (ex : certaines tourbières boisées d'Indonésie atteignent 40 m d'épaisseur). D'autres forêts ne stockent que peu de carbone et le puits n'existe que si elles grandissent ou si leur sol s'enrichit durablement en carbone. Des incendies répétés peuvent leur faire perdre en quelques heures une grande partie du carbone stocké durant des décennies ou siècles.

La séquestration forestière est néanmoins faible au regard des rejets de CO₂ liés à la combustion de carbone fossile (charbon, pétrole et gaz naturel). Il y a un consensus sur l'importance de protéger les forêts relictuelles, notamment contre les incendies de forêt, mais même les scénarios les plus optimistes concluent que planter massivement de nouvelles forêts ne suffirait pas à contrebalancer l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre ni endiguer le réchauffement climatique. Ainsi, réduire les émissions américaines de carbone de 7 %, comme stipulé dans le protocole de Kyoto, nécessiterait la plantation d'une forêt de la taille du Texas tous les 30 ans, selon William H. Schlesinger, doyen de l'« École Nicolas sur l'environnement et les sciences de la terre » à l'université Duke de Durham, N.C. Pour compenser leurs émissions, la plupart des régions développées devraient planter une surface bien plus grande que l'ensemble de leur territoire. Il faudrait au total boiser une surface plus grande que celle qui est disponible sur les terres émergées (champs, villes et routes inclus).

De plus, on a montré en 2005 que si la croissance du taux de CO2 de l'air a dopé la croissance à court terme de certains arbres (notamment d'une gamme d'espèces européennes d'arbres), cette croissance accélérée s'accompagne aussi d'une croissance des champignons et bactéries symbiotes des arbres et d'autres des microorganismes, ce qui se traduit in fine par une augmentation significative de la « respiration microbienne du sol et une diminution marquée de la séquestration du carbone dérivé des racines dans le sol. Si de tels processus sont à l'oeuvre dans les écosystèmes forestiers, la taille du puits de carbone terrestre annuel peut être considérablement réduite, en entraînant une rétroaction positive sur le taux d'augmentation de la concentration de dioxyde de carbone atmosphérique »[26].

Pour les forêts d'altitude d'Afrique orientale, une étude de 2019 montre que le potentiel de stockage a au contraire été sous-estimé[2] et il n'est pas négligeable, surtout si l'on vise des bois durs et denses et l'enrichissement des sols en matière organique, en zone tempérée notamment[27].

On a récemment (2017) montré que certains sols forestiers sont aussi des « puits de méthane » significatifs grâce aux bactéries méthanotrophes qu'ils abritent, et que la consommation de méthane augmente avec l’âge des peuplements et avec la porosité des sols[28].

Le type de forêt est important : les forêts tempérées poussent le plus vite, mais les forêts tourbeuses nordiques forment aussi de bons puits de carbone (tourbières). Les forêts tropicales ont d'abord été jugées neutres à l'égard du carbone, mais une étude de 2008[29] (mesures faites sur deux millions d'arbres dans le monde) a montré qu'elles étaient globalement aussi des puits de carbone, fonction qui pourrait cependant bientôt être limitée par le stress hydrique et les incendies, tout comme en zone de taïga.

Le type de gestion importe également : une très jeune forêt plantée sur coupe rase peut avoir un bilan-carbone négatif les dix ou douze premières années, perdant plus de carbone (décomposition, lessivage) qu'elle n'en stocke. La coupe rase favorise l'érosion des sols et la perte du carbone qu'ils contenaient (significative en zone tempérée et froide).

Le « réseau forestier de puits de CO₂ » à long terme est exposé aux incendies, aux tempêtes, aux maladies. La canopée modifie la réflexion de la lumière solaire, ou albédo. Les forêts de haute à moyenne latitude ont un albédo plus faible en périodes de neige que les forêts enneigées de latitude basse, contribuant au réchauffement local, contrebalancé par une augmentation de l'évapotranspiration. Divers programmes proposent à des entreprises d'acheter des parcelles de forêt pour les protéger (ex action « Cool Earth »), en échange de « crédits-carbone » compensant des émissions industrielles ou de particuliers. Cette approche est discutée. Ainsi en octobre 2007, Davi Kopenawa (chamane amérindien (yanomami) ayant obtenu le prix Global 500 du PNUE en 1991) a remis à Gordon Brown (Premier ministre britannique) un rapport montrant que la protection de la forêt par la reconnaissance des droits fonciers de leurs populations autochtones permettrait de protéger rapidement 15 000 fois la surface concernée par le programme « Cool Earth » (162 millions d'ha de forêt tropicale ont déjà ainsi été protégées, par reconnaissance des droits des populations qui y vivent, à la suite notamment du mouvement lancé par Chico Mendes dans les années 1970)[30].

Selon l'étude de Beverly Law (2008) menée sur 519 plots forestiers âgés de l'hémisphère nord, ces arbres anciens ont bien un bilan de capture de CO₂ positif.

L'arbre urbain et la forêt urbaine jouent un rôle très mineur par rapport aux émissions urbaines, mais leur capacité de stockage semble avoir été sous-estimée ; Une étude faite à Leicester[18] de ses puits de carbone (publiée en 2011) a montré que la flore urbaine y stockait en tout 231 521 tonnes de carbone, soit 3,16 kg m⁻² en moyenne. Les jardins privés en stockent plus que le milieu rural agricole (environ 0,76 kg, soit un peu plus qu’une prairie anglaise (0,14 kg m⁻²).

Mais ce sont surtout les grands arbres urbains qui formaient le principal puits de carbone (stockant plus de 97 % de la quantité totale de carbone de la biomasse végétale totale urbaine), avec en moyenne 28,86 kg m⁻² pour les espaces verts publics boisés. Or, les grands arbres sont rares à Leicester où les espaces verts sont surtout engazonnés et pauvres en arbres[18]. Si 10 % de ces gazons étaient plantés d’arbres, le stockage de carbone de la ville augmenterait de 12 % selon cette étude qui a aussi montré que les estimations existantes au Royaume-Uni avaient sous-estimé d’un ordre de grandeur l’importance de ce stock urbain de carbone[18].

Le rôle des forêts tend à être intégré dans les accords internationaux sur le climat, notamment dans le cadre de l'Accord de Paris sur le climat pour aider les pays a atteindre leurs cibles d'atténuation du changement climatique[31]. Si les CND étaient vraiment mis en œuvre, la forêt pourrait pourvoir un quart des réductions d'émissions prévues par les pays[32]. Ceci impliquerait cependant une plus grande transparence dans les engagements des pays et une amélioration de la confiance dans les chiffres, dont en réconciliant les estimations des rapports nationaux avec les études scientifiques (≈ 3 GtCO₂/an)[32].

L'océan est le principal puits de carbone planétaire, mais il est saturé et semble commencer à s'acidifier.

L'ajout de microparticules de fer (hématite) ou de sulfate de fer dans l'eau a été proposé pour doper la séquestration du carbone par l'océan par le plancton. Le fer naturel est un oligoélément, facteur limitant pour la croissance du phytoplancton. Il provient des remontées d'eau profonde le long de côtes (« upwellings »), des rivières et retombées d'aérosols et poussières. Certains estiment que les sources naturelles de fer diminuent depuis quelques décennies, limitant la productivité organique et la biomasse océaniques (NASA, 2003) et donc le pompage biologique du CO₂ atmosphérique par la photosynthèse.

En 2002, un test dans l'océan Pacifique près de l'Antarctique a suggéré qu'entre 10 000 et 100 000 atomes de carbone sont absorbés lorsqu'un atome de fer est ajouté dans l'océan. Des travaux allemands (2005) ont laissé penser que tout type de biomasse carbonique des océans, soit enfoui en profondeur, soit recyclé dans la zone euphotique, représente un stockage à long terme du carbone. L'apport de nutriments ferreux dans des zones sélectionnées de l'océan, à juste mesure, pourrait alors doper la productivité océanique et limiter les effets désastreux des émissions humaines de CO₂ dans l'atmosphère.

Le P^r Wolfgang Arlt de l'université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg (Allemagne) propose d'injecter du CO₂ dissous à grande profondeur, en veillant à le répartir à l'échelle planétaire et en le tamponnant éventuellement avec des substances alcalines. Il estime que ce CO₂ n'aurait qu'un faible impact en termes d'acidification s'il était injecté dans des eaux froides et denses plongeant dans l'océan profond, et que le CO₂ ainsi injecté près de l'Europe serait redistribué jusqu'en Australie en un siècle, selon lui sans affecter la vie marine ni la vie des fonds marins.

D'autres doutent de la fiabilité de la méthode, notamment à long terme. Ils argumentent que les effets globaux d'adjonction de fer sur le phytoplancton et sur les écosystèmes océaniques sont mal connus, et nécessitent des études plus poussées.

• Le phytoplancton produit des nuages via la libération de sulfure de diméthyle (DMS) qui est converti en aérosols sulfatés dans l'atmosphère et formant un noyau de condensation nuageuse (ou CCN en anglais), l'eau vapeur étant un gaz à effet de serre et les nuages contribuant à modifier l'insolation et donc la photosynthèse ;
• Le risque d'eutrophisation doit être localement pris en compte (les zones marines mortes sont plus nombreuses et s'étendent) ;
• les effets de l'adjonction de fer dans un contexte d'acidification doivent être mieux compris ;
• Enfin, ce sont les mers du Sud qui se sont montrées pauvres en fer, alors qu'il ne manque pas dans l'hémisphère Nord, là où les émissions de CO₂ sont les plus importantes et où la bioproductivité est la plus élevée ;
• Une campagne (KEOPS[33]) a montré[34] autour des îles Kerguelen, zone de floraison estivale annuelle de phytoplancton, que le phénomène était corrélé à la présence de fer venant des eaux profondes, mais que le puits de carbone était au moins deux fois plus important avec le fer naturel que dans le cas d'une fertilisation artificielle, et qu'il fallait bien moins de fer dans le cas de cette « fertilisation » naturelle qui s'est montrée plus de 10 fois plus efficace que les expérimentations d'ensemencement de la mer en fer.
  Ceci jette le doute sur les propositions d'intervention par l'homme (géo-ingénierie), tout en confirmant l'importance des apports naturels de fer qui pourraient aussi être modifiés par des modifications des courants profonds, ce qui pourrait expliquer certaines fluctuations paléoclimatiques.
• La restauration des forêts de varech au moyen de la Permaculture marine. Un article publié en 2016 dans Nature Geosciences a compilé les données d'études antérieures afin de fournir une estimation de la quantité de carbone atmosphérique éliminée par les macroalgues. Leur estimation approximative suggère qu'environ 200 millions de tonnes de dioxyde de carbone sont séquestrées par les macroalgues chaque année. [35].

Le GIEC reste très prudent sur les capacités de l'océan à absorber plus de carbone, mais juge que l'étude des impacts et du comportement du CO₂ dans l'océan profond doit être mieux étudiée.

L'OMI et la convention de Londres ont estimé fin 2008 que les activités de fertilisation de l'océan autres que pour des expérimentations scientifiques devaient être interdites[36].

Le cycle du méthane dans les écosystèmes et dans les eaux est par ailleurs encore également mal connu.

La recherche se poursuit, dont sous l'égide de conventions (OSPAR, ou de résolutions du réseau de collectivités KIMO[37].

On estime que les sols stockaient à la fin du XX^e siècle environ 2 000 gigatonnes de carbone sous forme de matière organique (et d'hydrates de méthane en zone très froide), essentiellement en zone périarctique (toundra, taïga, pergélisols) et dans les forêts tempérées. C'est presque trois fois le carbone atmosphérique, et quatre fois le carbone de la biomasse végétale. Mais cette fonction se dégrade rapidement et presque partout, dans les sols agricoles labourés surtout. La respiration du sol (s'il n'est pas tassé ou trop déshydraté) augmente avec la température ; son réchauffement peut être source de relargage de carbone allant jusqu'au bilan négatif (plus d'émission que de stockage) dans les sols déjà très riches en carbone[38].

Restaurer de grandes quantités d'humus et de tourbes (deux matières riches en matière organique stabilisée) permettraient d'améliorer la qualité de ces sols et la quantité de carbone séquestré. Le semis direct, la vraie jachère et la restauration de sols vivants par des techniques de type BRF (Bois raméal fragmenté) peuvent y contribuer.

Le sous-sol stocke deux fois plus que le sol très superficiel.

• Les prairies accumulent d'énormes quantités de matières organiques, essentiellement sous forme de racines et micro-organismes, de manière relativement stable sur de longues durées. Mais dans le monde, depuis 1850, une grande partie de ces prairies ont été converties en champs ou urbanisées, perdant ainsi par oxydation et minéralisation de grandes quantités de carbone.
• Une agriculture sans labour augmente le carbone stocké dans le sol, y compris en zone tempérée (ex : à Boigneville dans le Bassin parisien on a doublé le stockage annuel de carbone sous une rotation maïs-blé dans le sol les 20 premières années (passant d'environ 0,10 t de C/ha et par an à 0,20), après quoi un effet de saturation semble intervenir[39].
• Une conversion de champs en pâturage extensif bien gérée emprisonne encore plus de carbone.
• Les mesures de lutte contre l'érosion, le maintien d'une couverture végétale hivernale et une rotation des cultures augmentent aussi le taux de carbone des sols.

L’augmentation du CO₂ de l’air pourrait ne pas être compensée par une plus grande séquestration dans les sols, contrairement aux objectifs annoncés par l'initiative 4p1000. Une étude[40] a montré que l’exposition longue à un doublement du taux de CO₂ atmosphérique accélère fortement la dégradation de la matière organique des sols forestiers d’un boisement de chênes (⇒ déstockage de carbone du sol). Les arbres ont stocké plus de carbone (212 g/m² en aérien et 646 g/m² dans les racines), mais 442 g/m² de carbone ont été perdus dans le sol, essentiellement dans les 10 cm superficiels, en raison semble-t-il des impacts du CO₂ sur le sol (acidification et stimulation de l'activité enzymatique des micro-organismes du sol qui augmente la décomposition de la matière organique, et plus encore s’il y a des apports carbonés (litière)). Cette étude doit être confirmée par des études sur sols riches, car il s’agissait ici de sols pauvres où le carbone était à 75 % constitué de chaînes carbonées fragiles.

Actuellement, l'absorption du CO₂ se fait à grande échelle au moyen de dissolvants aminés, surtout avec l'éthanolamine (2-aminoéthanol, selon la nomenclature UICPA). D'autres techniques sont à l'étude, comme l'absorption par variation rapide de température/pression, la séparation des gaz et la cryogénie.

Dans les centrales électriques à charbon, les principales alternatives aux absorbeurs de CO₂ à base d'amine sont la gazéification du charbon et la combustion oxygène-fioul. La gazéification produit un gaz primaire constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone, qui est brûlé pour donner du dioxyde de carbone. La combustion oxygène-fioul brûle le charbon avec de l'oxygène à la place de l'air, produisant ainsi uniquement du CO₂ et de la vapeur d'eau, facilement séparables. Cependant, cette combustion produit une température extrême et les matériaux supportant cette température restent à créer.

Une autre option à long terme est la capture du carbone de l'air en utilisant des hydroxydes. L'air sera littéralement dépouillé de tout son CO₂. Cette idée est une alternative aux combustibles non fossiles pour le secteur des transports (voiture, camion, transports en commun, etc.).

Un test mené à l'usine d'électricité de 420 mégawatts de la société Elsam, à Esbjerg (Danemark) a été inauguré le 15 mars 2006[43] dans le cadre du projet européen Castor piloté par l'Institut français du pétrole (IFP) qui rassemble une trentaine de partenaires industriels et scientifiques. Ce procédé postcombustion doit permettre de diviser de moitié le coût de capture du CO₂, le ramenant entre 20 et 30 euros la tonne.

Son coût sur quatre ans (2004-2008) est de 16 millions d'euros, dont 8,5 millions sont financés par l'Union européenne. Castor vise à valider des technologies destinées aux grosses unités industrielles – usine électrique, aciérie, cimenterie, etc. –, dont l'activité engendre 10 % des émissions européennes de CO₂, afin que cette technique soit en rapport avec le prix européen des permis d'émission de CO₂ (alors à 27 € la tonne).

L'injection directe du carbone dans l'océan est un autre type de séquestration envisageable. Dans cette méthode, le CO₂ est enfoui dans les eaux profondes, afin de former un « lac » de CO₂ liquide piégé par la pression exercée en profondeur. Des expériences menées entre 350 et 3 600 mètres indiquent que le CO₂ liquide réagit à la pression en se solidifiant en hydrate de dioxyde de carbone (en)[44], qui se dissout graduellement dans les eaux environnantes. L'emprisonnement n'est donc que temporaire.

Cette technique a des conséquences environnementales dangereuses. Le CO₂ réagit avec l'eau pour former de l'acide carbonique H₂CO₃. L'équilibre biologique des fonds marins, mal connu, sera probablement affecté. Les effets sur les formes de vie benthique des zones pélagiques sont inconnus. D'un point de vue politique, il n'est pas certain que le stockage du carbone dans ou sous les océans soit compatible avec la Convention de Londres sur la prévention de la pollution marine .

Une autre méthode de séquestration océanique à long terme est le rassemblement de résidus de récoltes (comme les fanes de blés ou l'excès de paille) dans de grands ballots de biomasse, puis leur dépôt dans les zones « d'éventails alluviaux » (alluvial fan) des bassins océaniques profonds. Immerger ces résidus dans les éventails alluviaux aura pour effet de les enterrer rapidement dans la vase du plancher océanique, emprisonnant la biomasse pour un temps très important. Les éventails alluviaux existent dans tous les océans et mers du monde où les rivières des deltas se jettent dans le plateau continental, comme pour l'éventail alluvial du Mississippi dans le golfe du Mexique et l'éventail du Nil dans la mer Méditerranée.

La ville de Libourne envisage d'équiper un de ses parkings de « lampadaires absorbeurs de CO₂ ». Ils se trouveraient munis d'un réservoir contenant des algues. Celles-ci, placées à proximité d'une source de lumière, absorberaient le dioxyde de carbone et émettraient du dioxygène[45].

La sélection d'organismes adaptés permet d'envisager d'importants rendements. On estime qu'un dispositif de ce type d'un volume de 1,5 m³ pourrait absorber jusqu'à une tonne de CO₂ par an.

l'Institut national de la recherche agronomique (INRA) a proposé en France l'initiative 4p1000 ou « 4 pour 1000, les sols pour la sécurité alimentaire et le climat »[46] qui a atténué le changement climatique en séquestrant du carbone atmosphérique dans les sols, tout en améliorant leur fertilité ainsi que la résilience des agroécosystèmes face au réchauffement climatique. Ce nouveau défi mondial est proposé à 570 millions de fermes et plus de 3 milliards de personnes en zone rurale[47] ; il vise à restaurer ou améliorer le taux de carbone de tous les sols agricoles et forestiers, par des pratiques appropriées, de manière à équilibrer les émissions anthropiques de CO₂[48]^,[47].

Le principe général est que « augmenter chaque année le stock de carbone des sols de 4 pour 1000 dans les 40 premiers centimètres du sol permettrait, en théorie, de stopper l’augmentation actuelle de la quantité de CO₂ dans l’atmosphère, à condition de stopper la déforestation » environ 860 milliards de tonnes de carbone pourraient être ainsi stockés, la cible 4 ‰, tant qu'elle est atteinte, correspondant à un stockage de 3,4 milliards de tonnes de carbone dans le sol chaque année. Selon l'INRA, ce carbone se stockerait dans les sols pour vingt à trente ans après la mise en place des bonnes pratiques, si celles-ci sont maintenues[47].

Une étude « Potentiel de l’agriculture et de la forêt françaises en vue de l’objectif d’un stockage de carbone dans les sols à hauteur de 4 pour mille » a été commandée par l’Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) et le ministère de l’Agriculture et de l’Alimentation, et confiée à l'INRA. Elle visait à évaluer le total de carbone que la France pourrait ainsi stocker, et à lister et qualifier les « meilleures pratiques » (en termes de performance, mais aussi de coûts) ; son rendu sera fait à Paris le 13 juin 2019[49].

Le projet Castor prévoit l'étude de quatre sites de stockage géologique du CO₂ : le réservoir pétrolier de Casablanca qui se situe au large des côtes nord-est de l'Espagne, le gisement de gaz naturel d'Atzbach-Schwanenstadt (Autriche), le champ de gaz de Snøhvit (Norvège) et le gisement de gaz naturel K12B exploité par Gaz de France au large de la Hollande, desquels il est nécessaire de s'assurer de l'étanchéité. D'autres projets d'esprit similaire sont en cours de par le monde.

Selon le BRGM[50], les 20 milliards de tonnes de dioxyde de carbone émis chaque année devront être stockées dans les aquifères salins. Ces derniers sont des nappes d'eau trop salées pour être exploitées. Leur capacité d'accueil est estimée de 400 à 10 000 milliards de tonnes, à comparer aux 40 milliards des gisements de charbons inaccessibles, aux 950 milliards des gisements d'hydrocarbures et aux 20 milliards des émissions annuelles actuelles. Le gaz doit être injecté à une profondeur d'au moins 800 mètres sous 800 bars de pression, à une température de 40 °C, sous une forme « supercritique » en équilibre avec son environnement. Il formera progressivement de l'eau gazeuse.

La « séquestration géologique » (plus rarement dite « géoséquestration ») consiste à injecter du dioxyde de carbone directement dans des formations géologiques souterraines. Les champs pétrolifères et aquifères salins qui ne sont plus exploités sont des sites de stockage idéals. Les cavernes et anciennes mines parfois utilisées pour stocker le gaz naturel, ne sont et seront pas utilisées à cause d'un manque de sécurité dans le stockage.

Depuis plus de 30 ans du CO₂ est injecté dans des champs de pétrole en déclin pour augmenter le rendement du puits. Cette option présente l'intérêt d'un coût de stockage compensé par la vente du pétrole additionnel qui a été généré. L'opérateur bénéficie aussi d'infrastructures existantes et des données géophysiques et géologiques obtenues pour et par l'exploration du pétrole. Tous les champs de pétrole disposent d'une barrière géologique empêchant la remontée de fluides gazeux (tel le CO₂ dans le futur), mais ils ont comme inconvénient que leur distribution géographique et leurs capacités sont limitées. De plus la pratique devenue presque systématique de la fracturation a déstructuré la roche mère. Enfin, des fuites via les forages d'injection apparaissent plus fréquentes que prévu : une méta-analyse récente de 25 études ayant porté sur les problèmes d'intégrité physique des tubages de puits de production, d'injection ; actifs, inactifs et/ou abandonnés, tant onshore qu'offshore pour des réservoirs conventionnels ou non conventionnels a conclu que les pertes d'intégrité de tubages et de colmatages de puits sont assez courants (avec des variations de risque selon le type de forage et l'âge des puits)[51]. Les forages pétroliers anciens fuient couramment (ex : 70 % des puits terrestres du champ pétrolier de Santa Fe étudiés en 2005 présentent des pertes d'intégrité (avec des observations parfois de bulles de gaz remontant en surface le long des tubes)[52]. Ces puits sont anciens, mais pour 8030 autres puits récemment forés dans les schistes de Marcellus et inspectés en Pennsylvanie de 2005 à 2013, 6,3 % présentaient au moins une fuite. 3533 autres puits inspectés en Pennsylvanie de 2008 à 2011 présentaient eux 85 défaillances (de ciment ou de cuvelages d'acier), et 4 de ces puits ont connu une éruption et 2 des fuites importantes de gaz[51]. En cas de violent tremblement de terre, on ignore comment le tubage et les bouchons de béton de tels puits se comporteront.

• Arrouays D. et al. Estimation de stocks de carbone organique des sols à différentes échelles d’espace et de temps, reçu : mai 2003, accepté : novembre 2003, Étude et Gestion des Sols, vol. 10, 4, 2003, p. 347-355
• Apps M.-J. (2003). Les forêts, le cycle mondial du carbone et le changement climatique. Actes du XII^e Congrès forestier mondial, Québec, Canada, 2003. (consulté le 8 octobre 2007).
• Dupouey Jean-Luc, Pignard Gérôme (2001). Quelques problèmes posés par l’évaluation des flux de carbone forestier au niveau national. Revue Forestière Française, n° spécial les 40 ans de l’IFN, 3-4-2001
• Dupouey Jean-Luc, Pignard Gérôme, Hamza Nabila (2006). INRA, La séquestration de carbone en forêt ; consulté le 5 octobre 2007.
• EurObserv’ER (2006), Le baromètre biomasse solide, Systèmes solaires n^o 176, décembre 2006, lire en ligne, consulté le 25 octobre 2007.
• IFN (Inventaire Forestier National) (2005). L’IF n^o 7, La forêt française : un puits de carbone ? Son rôle dans la limitation des changements climatiques [PDF] en ligne. L’IF, mars 2005.
• Ministère de l'Écologie, du Développement et de l’Aménagement Durables (2006). Qu’est-ce qu’un projet domestique CO₂ ? ; décembre 2006.
• Pignard Gérôme (2000). Évolution récente des forêts françaises : surface, volume sur pied, productivité. Revue Forestière Française, Tome LII, n° spécial 2000, p. 27-36.
• Pignard Gérôme, Hamza Nabila, Dupouey Jean-Luc (2004). Estimation des stocks et des flux de carbone dans la biomasse des forêts françaises à partir des données de l’Inventaire forestier national, In Loustau Denis (coord.). Rapport final du projet CARBOFOR : Séquestration de Carbone dans les grands écosystèmes forestiers en France. Quantification, spatialisation, vulnérabilité et impacts de différents scénarios climatiques et sylvicoles, juin 2004.

• Nicolas Koutsikas et Stephan Poulle, Carbon Public Enemy No 1, Georama TV/BlueWing/2d3d Anamations/ERT, sur carbon-the-film.com

• Note de Manicore sur la capacité des puits de carbone à absorber ou non le surplus de CO₂
• Pour voir l'évolution des puits de carbone de 1850 à nos jours, animation Flash
• CARBOOCEAN IP, projet visant à évaluer précisément les sources et puits de carbone océaniques (anglais)
• Site officiel du 4p1000