Effets du réchauffement arctique sur les interactions organo-minérales du pergélisol aux rivières jusqu’à l’océan.

3 octobre 2019

Par Julien Fouché, Lisa M Bröder et Catherine Hirst

Ce qui se passe dans l’Arctique affecte l’ensemble de la planète. Avec le réchauffement de l'Arctique et le dégel du pergélisol, la décomposition des importantes quantités de matière organique préalablement gelées pourrait conduire à la libération de gaz à effet de serre et ainsi intensifier davantage le réchauffement global. Les interactions entre la matière organique et les minéraux protègent les composés organiques de la dégradation. Nous présentons ici notre projet OMI-Perm qui a pour objectif d'améliorer notre compréhension des interactions entre la matière organique et les minéraux libérés par la dégradation du pergélisol.

Le changement climatique actuel est amplifié dans l'Arctique, une région qui est particulièrement vulnérable à l'augmentation des températures. Le réchauffement sans précédent des hautes latitudes, deux fois plus important que le réchauffement planétaire^[1], peut affecter les cycles biogéochimiques globaux^[2]. L’augmentation des températures et le dégel du pergélisol (roches, sédiments ou tourbes gelés en permanence en profondeur, permafrost en anglais) pourraient conduire au renforcement du changement climatique (ce qu’on appelle une rétroaction positive). En effet, les sols affectés par le pergélisol contiennent d'importantes quantités de matière organique^[3]. Avec le réchauffement et le dégel, cette matière organique est soumise à la décomposition par les micro-organismes du sol, et conduit à la libération de gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, N₂O). Ces émissions ont le potentiel d’intensifier davantage le réchauffement global ^[2].

Le dégel du pergélisol peut se produire de manière graduelle à partir de la surface ou de manière abrupte par la thermo-érosion (érosion qui résulte de la fonte de la glace dans le sol, appelée thermokarst). L’activité thermokarstique, dont l’étendue augmentera sous l’effet du changement climatique, modifie fortement le paysage (glissement de terrain, destruction des infrastructures) et les flux de matière organique vers les milieux aquatiques.

Pendant son transport dans le bassin versant, de la source aux rivières puis à l'océan Arctique, la matière organique peut suivre deux voies : elle peut être minéralisée au cours de son transport, libérant du CO₂et/ou du CH₄vers l'atmosphère ou
être stabilisée dans les horizons minéraux et ensevelie dans les sédiments fluviaux, lacustres et marins. Les interactions entre la matière organique et les minéraux, telles que l'agrégation ou l'adsorption, protègent les composés organiques de la dégradation^[4]. Les mécanismes impliqués dans ces interactions complexes et leur évolution avec le changement climatique sont encore peu connus. Le devenir de la matière organique au cours de son transport pourrait déterminer l'intensité de la rétroaction induite par le dégel du pergélisol mais les incertitudes restent importantes.

Nous présentons ici notre projet OMI-Perm qui a pour objectif d'améliorer notre compréhension du devenir de la matière organique libérée par la dégradation du pergélisol vers les milieux aquatiques. Ce projet est mené par trois chercheuse-r-s postdoctorant-e-s : Lisa Marie Bröder (ETH Zürich, Suisse / Vrije Universiteit Amsterdam, Pays-Bas), Julien Fouché (Gembloux Agro-Bio Tech, Belgique) et Catherine Hirst (Université Catholique de Louvain, Belgique). L'interdisciplinarité est au cœur de cette étude qui associe : chimie organique des sédiments marins et fluviaux, géochimie des rivières arctiques et biogéochimie des sols. A partir d'un site extraordinaire, nous avons l'intention de participer à une meilleure compréhension des réponses des écosystèmes nordiques au changement climatique.

Notre campagne de terrain d'août 2019 à la station de recherche Zackenberg (ZERO) au Nord-Est du Groenland (74º28’ N, 20º34’ W) a été financée par le programme INTERACT EU-Horizon2020. La station de Zackenbert (ZERO), propriété du gouvernement groenlandais, est gérée par le département de Bioscience d'Aarhus University (Danemark). Au Zackenberg, la température du sol augmente depuis les trente dernières années. Ainsi, en 2018, après un hiver au cours duquel le couvert neigeux a été exceptionnellement épais et persistant, les chercheurs de l'équipe de Torben R. Christensen (Aarhus University, Danemark) ont découvert une ravine de thermo-érosion qui évolue rapidement.

Ainsi, nous sommes allé-e-s au Zackenberg pour

quantifier et caractériser l'export de composés organiques et minéraux (solides et dissouts) et
étudier l'évolution des interactions organo- minérales au cours de leur transport du sol à la rivière puis à l'océan.

Pendant trois semaines, nous avons collecté des échantillons de sols à la fois dans la couche active (horizons de surface qui dégèlent chaque été, 30 à 100 cm d'épaisseur au Zackenberg) et dans le pergélisol (horizons du sol continuellement gelés, sous la couche active qui présentent une épaisseur de plusieurs centaines de mètres) au sein des ravines de thermo-érosion et des glissements de terrain rétrogressifs issus de la fonte. Nous avons également échantillonné l'eau et les sédiments qui coulent le long de ces formes d'érosion ainsi que l'eau et les sédiments des rivières de l’amont au delta dans le détroit Young.

Nous avons focalisé notre plan d'échantillonnage sur les bassins versants du Zackenberg (512 km²) et Grænseelv (~7 km²). Alors que les deux premières semaines perpétuaient l'été très sec en cours, deux évènements pluvieux se produisirent. Nous avons profité de ces évènements, qui augmentèrent rapidement le débit des rivières ainsi que le flux de sédiments, pour échantillonner plusieurs fois les mêmes sites.

La deuxième moitié du mois d'août représente la fin de l'été dans le Haut-Arctique. Le front de dégel y est le plus profond et les écoulements de subsurface dans la couche active y sont importants. Ainsi, à partir de ces trois périodes hydrologiques différentes, nous avons l'intention d'étudier l'effet des pluies sur la mobilisation des composés organiques et minéraux et ainsi évaluer si la matière organique du pergélisol a été mobilisée.

Les soirs et les journées très pluvieuses furent dédiés à la filtration et à la conservation des échantillons. Pendant les 21 jours de terrain, nous avons marché 10 km par jour en moyenne et nous avons porté un total ~550L d'eau sur notre dos, fournissant suffisamment d'échantillons pour l'ensemble des analyses biogéochimiques qui seront conduites dans nos laboratoires respectifs. Nous mettons un effort particulier à conduire l'ensemble des analyses sur les mêmes échantillons. Les concentrations en carbone, azote, hydrogène, les isotopes du carbone (d¹³C, ∆¹⁴C) ainsi que les différents types de biomarqueurs et la composition minérale seront analysés sur les échantillons de sols et de sédiments. Pour les échantillons d'eaux, les isotopes de l'eau (d²H, d¹⁸O), le carbone organique dissous, l'âge ∆¹⁴C, la composition minérale et les propriétés optiques de la matière organique dissoute seront analysés. Dans ce projet, nous amenons des scientifiques de communautés différentes qui partagent des techniques analytiques communes à travailler ensemble pour étudier l’effet du changement climatique sur le dégel du pergélisol du sol au milieu marin. Pour conclure, souvenez-vous, ce qui se passe dans l’Arctique affecte l’ensemble de la planète.

[1] Serreze, M.C. and Barry, R.G., 2011. Global and Planetary Change 77, 85–96.

[2] Schuur, E.A.G. et al., 2015. Nature 520, 171–179.

[3] Hugelius, G. et al., 2014. Biogeosciences 11, 6573–6593.

[4] Lehmann, J. and Kleber, M., 2015. Nature 528, 60–68.