| Focus 2/3 | Les forêts face aux changements globaux de l’environnement

La pollution atmosphérique et les arbres

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1. Les sources de la pollution atmosphérique

Bien que les éruptions volcaniques contribuent à alimenter régulièrement la pollution de l’air par l’émission de composés toxiques à base de soufre, c’est l’activité humaine qui est inexorablement responsable de l’augmentation progressive et soutenue de la pollution atmosphérique (Lire Les pollutions de l’air).

La révolution industrielle, débutant vers le milieu du 18e siècle en Angleterre provoque une explosion de la pollution de l’atmosphère. L’utilisation massive du charbon dans les usines et pour le chauffage domestique génère des épisodes d’intense pollution : les fumées sont piégées dans la basse atmosphère en-dessous d’une couche d’air plus chaud (conditions d’inversion de température). Des épisodes de brouillard toxique, mélange de suies, de dioxyde de soufre (SO₂) et d’oxydes d’azote (baptisé smog par contraction de smoke -fumée en anglais et de fog -brouillard) ont provoqué une forte mortalité, en Angleterre (1873 et 1952), mais aussi en Belgique (1930) et en Pennsylvanie (1948).

Figure 1. Exemples typiques de symptômes foliaires visibles causés par l’ozone sur le hêtre (photos du haut) et la viorne lantane (photos du bas). Les symptômes ont été observés sur le terrain (A, C) et en conditions expérimentales d’exposition à l’ozone (B, D). [Source Figure 1 de Ferretti et al. [2], licence CC BY 4.0]
Dans les années 1940-1950, un autre type de smog est observé, tout d’abord à Los Angeles, en Californie. Dans ce cas, l’ozone est incriminé [1] : il est produit en présence d’ultra-violets à la suite de réactions photochimiques impliquant des mélanges d’oxydes d’azote, provenant des gaz d’échappement automobile et de composés organiques volatils (COV), ces derniers provenant aussi des forêts. L’ozone (O₃) est le principal responsable des troubles respiratoires et des dommages à la végétation (arbres inclus, Figure 1) [1],[2].

Malgré de multiples dispositions réglementaires (États-Unis, Europe dès les années 1970-1980, puis Asie), le smog photochimique persiste et s’étend, bien au-delà des zones urbaines. Une analyse récente [2] des concentrations d’ozone troposphérique en Europe (2005-2018) montre que les moyennes annuelles, dépassent 40 ppb (~80 μg/m3) -seuil de toxicité pour la végétation- sur 37,3 % des sites du réseau Européen de surveillance [3].

Bien que les arbres absorbent les polluants (effet souvent présenté comme positif pour la qualité de l’air) [4], cet avantage est largement contrebalancé par les effets toxiques directs sur leur métabolisme, leur croissance et leur santé (Lire Quel est l’impact des polluants de l’air sur la végétation ?).

2. Interactions entre pollution et arbres

La photosynthèse permet aux plantes d’absorber le CO2 via les stomates des feuilles, de produire des composés carbonés et d’émettre de l’oxygène, -un processus vital pour tous les organismes vivants (Lire Le chemin du carbone dans la photosynthèse). C’est un atout face à l’accumulation anthropique de CO₂ (effet de serre et réchauffement climatique). Cependant, les feuilles absorbent également des polluants qui perturbent la photosynthèse, augmentent le stress oxydant, altèrent le métabolisme, et à terme, la croissance et la santé des arbres (Lire Quel est l’impact des polluants de l’air sur la végétation ?).

Dès l’essor industriel les dégâts deviennent visibles. En 1866, Elie Berthet décrit dans la région houillère du Hainaut des feuillages recouverts d’une fine couche de poussière de charbon [5]. A la fin du XIXe siècle, les fonderies d’aluminium en Maurienne produisent des quantités massives de fluor, provoquant la mortalité rapide de conifères (sapin, pin, épicéa). Les niveaux sont redevenus acceptables en France à la fin du XXe siècle mais des dépérissements sévères persistent encore près de certaines fonderies russes (pins sylvestres en forêt boréale près d’Irkoutsk).

Figure 2. Concentrations mensuelles moyennes en SO2 et O3 au col du Donon (en mg/m3), dans les Vosges (700 m) entre 1986 et 1991. [Source : Schéma de l’auteur, d’après les données de l’Association pour la surveillance et l’étude de la pollution atmosphérique, Alsace].
Entre 1950 et 1980, le dioxyde de soufre (SO2) – polluant primaire issu de la combustion de combustibles fossiles, lignite et charbon- cause d’importants dommages de proximité autour des sites industriels (Allemagne de l’Est, Pologne, ex-Tchécoslovaquie, Angleterre, Canada, États-Unis). Leurs effets sur la photosynthèse sont largement documentés. Grâce aux progrès techniques (désulfuration, filtres), les concentrations chutent fortement dans les années 1980, comme dans les montagnes vosgiennes entre les hivers 1986 et 1988 (Figure 2).

A l’inverse, les concentrations d’ozone restent élevées au printemps-été (Figure 2). Contrairement au SO2, l’ozone, est un polluant secondaire transporté sur de longues distances. Il devient un candidat sérieux pour expliquer le « nouveau déclin des forêts » touchant conifères (sapin, épicéa, pin sylvestre) et feuillus (hêtre) en Europe et Amérique du Nord. En France, le programme DEFORPA (DEpérissement des FORêts et Pollution Atmosphérique, 1984-1991) et d’autres études européennes aboutissent à un consensus dans les années 1990 : les dépérissements résultent d’une combinaison de divers facteurs de stress. Les arbres, souvent plantés trop densément sur des sols pauvres et hors de leurs limites écologiques naturelles, subissent des épisodes climatiques sévères (sécheresse de 1976, froid extrême). Ceux qui sont déjà affaiblis par des stress antérieurs sont les plus touchés. Dans ce contexte, l’ozone agit comme un facteur aggravant.

Figure 3. Effet de l’ozone sur la photosynthèse (A) et la respiration (B) de feuilles de peuplier au cours de leur développement. (Source : Schéma EEnv, d’après les données de Reich [6]).
Ces dernières années, des symptômes visibles d’ozone ont été observés sur environ 38% des espèces ligneuses à feuilles caduques en Europe, proportionnellement à la concentration du polluant ; certaines espèces sont plus sensibles que d’autres (voir Tableau 1, Les forêts face aux changements globaux de l’environnement).

L’ozone exerce son action oxydante en déréglant le métabolisme cellulaire foliaire (Lire Contraintes environnementales et stress oxydant chez les plantes). La photosynthèse diminue tandis que la respiration augmente (Figure 3) [6] pour favoriser la synthèse de composés de défense, entraînant déséquilibre carboné préjudiciable à la vie cellulaire [7].

Bien que les concentrations atmosphériques en ozone se stabilisent en Europe et en Amérique du Nord, elles augmentent encore en Asie. La vulnérabilité des forêts dépend de la conjonction des effets de l’ozone et des facteurs liés au changement climatique. Les feux de forêts (Indonésie, Amazonie) amplifient la production d’ozone via les NOₓ libérés par la combustion ; l’ozone migre sur de grandes distances au-delà de son lieu de production (Figure 4).

Les feux associés à la sécheresse aggravent les dommages à la photosynthèse causés par l’ozone, réduisant la capacité de séquestration du CO2, non seulement par émission directe lors des feux, mais aussi par altération du métabolisme végétal par l’ozone. Cela crée un cercle vicieux contribuant au réchauffement climatique.

Figure 4. Nuage de fumée et d’ozone depuis l’océan Indien jusqu’en Afrique, induit par les feux de forêts en Indonésie (22 octobre 1997). De vert à rouge, quantités croissantes en ozone. Données fournies par le spectromètre TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) embarqué à bord du satellite Earth Probe de la NASA [Source NASA, Domaine public, via Wikimedia Commons].

Notes et références

Image de couverture. [Source Photo par formulaire PxHere]

[1] Haagen-Smit AJ, Darley EF, Zaitlin M, Hulle H & Noble W (1952). Investigation on injury to plants from air pollution in the Los Angeles area. Plant Physiology, 27, 18-34.

[2] Ferretti M. et al. (2024). The fingerprint of tropospheric ozone on broadleaved forest vegetation in Europe. Ecological Indicators, 158, 111486.

[3] Rappelons que le seuil de toxicité pour l’homme est de 50 μg/m3.

[4] Nowak DJ & Van den Bosch M (2019). Les effets des arbres et de la forêt sur la qualité de l’air et la santé humaine dans et autour des zones urbaines. Santé Publique, 31, 153-161.

[5] Berthet E (1866). Les houilleurs de Polignies. Librairie Louis Hachette Paris éd. 303pp.

[6] Reich PB (1983) Effects of low concentration of O3 on net photosynthesis, dark respiration, and chlorophyll contents in aging hybrid poplar leaves, Plant Physiology, 73: 291-296. https://doi.org/10.1104/pp.73.2.291.

[7] Dizengremel P (2001). Effects of ozone on the carbon metabolism of forest trees. Plant Physiology and Biochemistry, 39, 729-742. https://doi.org/10.1016/S0981-9428(01)01291-8.