Les mares thermokarstiques: Un rôle encore sous-estimé pour les changements climatiques ?

Christiane Dupont, Étudiante en maîtrise en Sciences de l’Eau à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS-ETE)

Isabelle Laurion, Professeure-chercheure à l’INRS-ETE

Membres du Centre d’études nordiques, Université Laval et du réseau ArcticNet

Les mares thermokarstiques formées par la fonte du pergélisol font partie intégrante du paysage nordique et s’avèrent abondantes en Sibérie et en Alaska alors qu’elles peuvent occuper jusqu’à 35% du territoire dans certaines zones subarctiques du Québec. Malgré leur rôle indéniable dans l’écologie de la toundra et leur influence sur le climat de notre petite planète, celles-ci ont été bien peu étudiées. Il faut dire que ces écosystèmes sont difficiles d’accès, particulièrement en région arctique. Les mares ont peut-être un rôle encore sous-estimé dans l'émission de gaz à effet de serre et les changements climatiques.

Des réserves de carbone sous nos pieds… dans la toundra!

La toundra est un écosystème typiquement nordique et peu productif par rapport aux forêts boréales et tempérées. Par contre, celle-ci recèle une grande quantité de carbone emprisonné dans le sol gelé. Ce sont les tourbières nordiques, recouvrant à elles seules 9 à 12% du territoire québécois qui, par leur faible taux de décomposition, ont permis une lente accumulation de matière organique au fil des années. La majeure partie de cette accumulation s’est produite il y a environ 8000 ans dans le cas du Nord québécois. Cette matière organique a ensuite été isolée de la biosphère dans le pergélisol [1] jusqu’à aujourd’hui.

Cependant, l’Arctique connaît actuellement un réchauffement anormalement élevé. Résultat, le pergélisol fond et met en circulation ce «vieux» carbone autrefois séquestré. Qu’advient-il de cette réserve? Peut-elle se retrouver dans l’atmosphère?

Quand le pergélisol n’est plus

Le processus de fonte de la couche supérieure du pergélisol, ce que l’on appelle le mollisol, est un phénomène normal et saisonnier. Cette fonte s’est toutefois accentuée dans plusieurs régions du globe depuis quelques décennies. En effet, la température des couches superficielles du pergélisol de l’hémisphère nord montre une augmentation jusqu’à 3°C depuis les années 1980. Au Québec, la fonte accélérée du pergélisol a été observée en zone subarctique au cours des 50 dernières années et il est avancé qu’au rythme actuel, il pourrait disparaître de certaines zones d’ici 20 ans. C’est précisément la dégradation locale du pergélisol qui entraîne l’affaissement du sol et la formation de petites étendues d’eau que l’on nomme mares thermokarstiques. Le mot thermokarst vient du préfixe « thermo » qui veut dire chaleur et « karst » qui signifie dépression en allemand.

Encadré - À quoi ressemble une mare thermokarstique?

Ce qui se cache dans ces eaux troubles

On pourrait croire que ces mares sont de vulgaires trous d’eau qui n’abritent rien de trop intéressant… erreur! Elles foisonnent littéralement de vie microbienne et sont plutôt productives par rapport à beaucoup d’autres lacs au Québec. L’opacité de l’eau empêche la lumière de réchauffer et éclairer le fond des mares et il en résulte ce que l’on nomme une « stratification thermique ». En termes simples, l’eau en surface est plus chaude de quelques degrés que la strate en profondeur. La masse d’eau profonde étant isolée de l’atmosphère et dépourvue de lumière [2] , elle s’appauvrit en oxygène. Conséquemment, on ne retrouve pas les mêmes types de microorganismes à la surface que près des sédiments au fond, car les caractéristiques physicochimiques sont totalement différentes.

Étonnamment, il existe des microorganismes aquatiques qui vivent très bien sans oxygène. Parmi ceux-ci, on retrouve un groupe ancien très particulier : les Archéobactéries. Ces organismes forment un Domaine bien distinct qui a été découvert il n’y a qu'environ 25 ans! Certaines Archéobactéries forment un groupe spécifique que l’on nomme méthanogènes (le suffixe –gène signifie origine) car elles produisent du méthane. Nos résultats révèlent une grande concentration en méthane dans l’eau près du fond des mares thermokarstiques. Ce phénomène pourrait donc s’expliquer par la présence de ces fameuses Archéobactéries méthanogènes. Par contre, tout le méthane produit en profondeur ne sera pas nécessairement émis dans l’atmosphère comme tel puisqu’il existe d’autres microorganismes spécialisés qui utilisent le méthane à leur tour et le transforment en CO2 avant qu’il n’atteigne la surface: on les appelle les méthanotrophes (le suffixe –trophe signifie nourriture). Finalement, là où il y a plus d’oxygène en surface, il y a aussi d’autres microorganismes (les bactéries) qui utilisent la matière organique et produisent du CO2 (elles respirent comme nous). Ces organismes sont bien peu connus malgré qu’ils soient une composante importante du cycle du carbone.

En quoi les mares peuvent-elles jouer un rôle dans les bouleversements climatiques actuels?

Il existe présentement un débat à savoir si les régions nordiques agissent comme une source ou un puits de carbone en réponse au réchauffement climatique. Nos études dans le Nord du Québec et en région Arctique ont permis de quantifier les concentrations de gaz dissous dans les mares thermokarstiques l’été et de mesurer directement les émissions de CO2. La majorité des mares étaient sursaturées en CO2 et en CH4 (c.-à-d. concentrations supérieures à celles de l’atmosphère) et présentaient donc des émissions de gaz vers l’atmosphère, confirmant ainsi le rôle de ces milieux aquatiques comme une source de carbone pour l’atmosphère.

Il est maintenant nécessaire et urgent de quantifier l’ampleur de ce phénomène dans les diverses régions nordiques du globe. Inclure cette composante biologique autrefois négligée dans les modèles climatiques globaux nous permettra d’affiner les scénarios de réchauffement et du coup, nous fera connaître cet écosystème fragile et fascinant.

Notes

[1] Le pergélisol est un sol gelé en permanence (température moyenne annuelle inférieure à 0°C). C’est la glace qui confère à celui-ci une structure solide et rigide. Le pergélisol occupe près du tiers du territoire québécois et 20% de la surface terrestre (ACIA 2006).

[2] La photosynthèse est réalisée par les microalgues qui vivent en suspension dans l’eau (le phytoplancton) et produit de l’oxygène (comme les plantes et les arbres). Elle ne survient qu’à la surface des mares là où il y a suffisamment de lumière. Lorsqu’elles meurent, ces algues sédimentent au fond et leur dégradation est accomplie par les assemblages naturels de microorganismes. Ceux-ci recyclent les éléments nutritifs (azote, phosphore) mais respirent de l’oxygène et contribuent à sa réduction en profondeur.

Pour en savoir plus

ACIA 2006. Arctic Climate Impact Assessment – Scientific Report. Cambridge, UK. Cambridge University Press.

Christensen et al. 2004. Thawing sub-arctic permafrost: Effects on vegetation and methane emissions. Geophys. Res. Lett. 31: L04501.

GIEC 2001. Houghton et al. (eds.) Bilan 2001 des changements climatiques: Conséquences, adaptation et vulnérabilité. Cambridge Univ. Press. 

Kling et al. 1991. Arctic lakes and streams as gas conduits to the atmosphere: Implications for tundra carbon budgets. Science 251: 298-301.

McGuire et al. 2006. Integrated regional changes in Arctic climate feedbacks: Implications for the global climate system. Annu. Rev. Environ. Resour. 31: 61–91.

Payette et al. 2004. Accelerated thawing of subarctic peatland permafrost over the last 50 years. Geophysical Research Letters 31, article numéro L18208.

Waelbroeck et al. 1997. The impact of permafrost thawing on the carbon dynamics of tundra. Geophys. Res. Lett. 24: 229-32.

Walter et al. 2006. Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming. Nature 443: 71-75.