Axe 5 : Origine, stock, flux et devenir du carbone côtier

Animateurs

Vincent Vantrepotte (LOG) et Romain Walcker (ECOLAB)


Participants

Francoise Andrieux (IFREMER), Felipe Artigas (LOG), Patricia Bonin (MIO), Michel Brossard (IRD), Lea Cabrol (MIO), Francois Carlotti (MIO), Cristèle Chevalier (MIO), Lionel Denis (LOG), Jeremy Devesa (LEMAR), Lucile Duforet (LOG), Francois Fromard (ECOLAB), Laure Gandois (ECOLAB), Cédric Garnier (MIO), Franck Gilbert (ECOLAB), Swanne Gontharet (LOG), Luc Lambs (ECOLAB), Manon Legoff (LEMAR), Hubert Loisel (LOG), Emma Michaud (LEMAR), Valérie Michotey (MIO), Christos Panagiotopoulos (MIO), Christophe Rabouille (LSCE), Raghab Ray (LEMAR), Jean Francois Rontani (MIO), Gauthier Schaal (LEMAR), Richard Sempéré (MIO), Marc Tedetti (MIO), Thierry Thibaut (MIO), Gérard Thouzeau (LEMAR).


Objectifs

La nécessité d’intégrer aux bilans globaux et régionaux du carbone les flux agissant dans les écosystèmes côtiers est désormais clairement établie (Bauer et al., 2013; Borges, Delille, & Frankignoulle, 2005; Chen & Borges, 2009; Duarte, Middelburg, & Caraco, 2004; Running, 2008). Cependant, malgré le récent développement d’études liées au cycle du carbone dans l’océan côtier, notamment au travers de divers programmes internationaux (e.g. JGOFS : Joint Global Ocean Flux Study, LOICZ : Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone), de nombreux débats persistent encore sur le rôle de ces écosystèmes aux caractéristiques extrêmement hétérogènes (source ou puits de carbone). Dans ce contexte général, la structure et le fonctionnement des écosystèmes côtiers de Guyane constituent à plusieurs titres un modèle écologique unique pour aborder ces questions d’une manière originale.

Tout d’abord, le littoral guyanais est extrêmement productif. Il est bordé à 80% (Base de données Mang@SIG EcoLab Toulouse) par des bancs de vase et mangroves littorales et estuariennes  fortement productives qui représentent d’importants réservoirs de carbone (Alongi, 2014). En 2014, les mangroves de Guyane couvraient environ 55 000 ha (Walcker et al., 2015).  Elles figurent parmi les plus productives au monde avec des biomasses aériennes pouvant atteindre environs 205 Mg C ha-1 (Fromard, Vega, & Proisy, 2004). Si les mangroves produisent une forte biomasse végétale, des travaux en Asie ont montré que 50 à 98% du carbone organique pourrait aussi être stocké dans le sol sous forme de racines, litière et matières particulaires (Aller & Blair, 2006; Donato et al., 2011; Gontharet et al., 2014). En Guyane, Marchand et al. (2003; 2004)ont montré que ce carbone sédimentaire est un mélange de composants terrestres et marins allochtone, et autochtone à mesure que la végétation croît dans les mangroves matures et sénescentes. Les stocks souterrains liés spécifiquement aux racines sont encore mal connus mais pourraient constituer une part non négligeable du stock total de carbone de ces écosystèmes (Komiyama, Ong, & Poungparn, 2008). Les mangroves sont connectées aux eaux littorales et une partie significative du carbone produit est exportée vers les eaux côtières adjacentes (de Rezende et al., 2007). 11% de l’export de carbone total et 10% de carbone organique dissous vers les océans proviendrait des mangroves (Dittmar & Lara, 2001).

La bioturbation présente dans les sédiments de mangroves, en remobilisant le sédiment et en stimulant la minéralisation bactérienne, modifie également la quantité de carbone organique disponible pour l’export vers les eaux adjacentes (Aschenbroich, 2016 ; Michaud et al., 2009). La quantité de carbone inorganique dissoute (CID), issue des processus de respiration, est très difficile à évaluer précisément, puisqu’une partie serait rapidement exportée en dehors des zones de mangroves par l’action des eaux-souterraines et lors des marées (Bouillon et al., 2008). La partie organique du carbone qui échappe à la minéralisation et à son export vers les eaux adjacentes est stockée dans les sédiments d’année en année sur plusieurs mètres de profondeur et constituerait ~10% du carbone produit (Hutchison et al., 2013). Les mangroves constituent donc une source majeure de carbone organique et inorganique pour l’océan côtier (Bouillon et al., 2008).

Les mangroves assurent la productivité des écosystèmes marins en amorçant la « pompe biologique » océanique et en produisant les maillons de la chaine alimentaire marine. En Guyane, les exports de carbone provenant des mangroves sont encore mal quantifiés. Une meilleure compréhension de ces flux passe par un bilan complet des stocks au sein de chaque compartiment en intégrant la dynamique spatio-temporelle de ce littoral extrêmement dynamique (Marchand, 2017; Walcker et al., 2015). De nombreuses incertitudes résident également sur les processus impliqués dans le transfert du carbone (stockage sédimentaire et diagenèse précoce) au niveau de cette interface terre-océan.

L’autre intérêt majeur du littoral Guyanais réside dans sa proximité avec l’estuaire de l’Amazone. Moreira-Turcq et al. (2003) ont mis en évidence l’importance des apports de carbone organique dissous (COD : 27 Tg C yr−1) et particulaire (COP : 5 Tg C yr−1) au niveau de l’estuaire interne de l’Amazone. Les connaissances sur le devenir de ces apports, soumis à différents processus de remaniement au sein de la partie proximale de la plume amazonienne, qui inclue les eaux de Guyane française, restent encore très parcellaires à l’heure actuelle (Sun et al., 2016). Outre ces apports terrigènes en carbone organique, les apports amazoniens en nutriments vont également venir moduler l’intensité de la production primaire marine des eaux côtières adjacentes. Un marquage de l’impact de ces apports amazoniens est visible dans les eaux océaniques jusqu’à 3500 km de l’embouchure de ce cours d’eau (Hu et al., 2004). L’impact de l’enrichissement des eaux marines par les matières nutritives issues de l’Amazone sur la dynamique phyto-planctonique et sur les flux de carbone associés reste encore très mal contraint à l’heure actuelle.

En somme, le littoral de Guyane possède l’intérêt d’être une zone remarquable en termes de production biologique et de transition entre les écosystèmes terrestres et marin ce qui en fait une zone clé pour l’étude des flux de carbone. D’autre part, les écosystèmes littoraux et côtiers de Guyane restent relativement préservés contrairement aux autres littoraux tropicaux. Ces milieux sont considérés comme un modèle écologique de référence pour l’étude du cycle du carbone côtier soumis aux forçages naturels et climatiques. Les changements qui s’y opèrent sont d’une grande ampleur spatiale et agissent dans une large gamme de fréquences temporelles, ce qui est tout à fait exceptionnel à l’échelle mondiale.

Ces atouts font du littoral guyanais un site d’étude incontournable pour les questions scientifiques majeures liées à l’origine, au stock et à la dynamique du carbone côtier. Pour organiser la réflexion au sein du GDR, nous proposons de recourir à des approches intégrées sur plusieurs plans. Tout d’abord, sur un plan horizontal terre-océan, partant des différents faciès des forêts et sols de mangroves vers les jeunes vasières intertidales, puis vers les bancs de vase mobile jusqu’aux masses d’eaux estuariennes et finalement marines. Ensuite, sur un plan vertical surface-profondeur, du feuillage vers le système racinaire des palétuviers puis aux différents horizons du sol ou encore de la surface marine au domaine benthique. Enfin, le plan temporel sera central dans le contexte extrêmement mouvant de ce littoral. Nous proposons de réfléchir à la constitution de chrono-séquences, de l’échelle horaire des enregistrements in situ à pluri-décennale des archives issues de la télédétection spatiale. Ces séries temporelles permettront d’établir un bilan temporel et d’étudier la dynamique du carbone à l’échelle régionale. L’important sera en effet de bien cerner la dynamique temporelle de la production, du stockage et des échanges du carbone à l’interface continent-océan.

En outre, cet axe de recherche permettra de mettre en commun des chercheurs abordant la problématique de la dynamique du carbone via différentes approches complémentaires (bio-géochimie, foresterie, bioturbation, diagenèse, télédétection, modélisation) ce qui représente un atout considérable pour une étude intégrée d’un écosystème complexe et dynamique comme celui de la Guyane Française.

Axe5_Fig1
Fig. 1 Les processus affectant le cycle du carbone organique et inorganique et les flux au sein des principaux compartiments de la zone côtière. a) Processus naturels et anthropiques altérant l’apport du carbone dans l’océan côtier. b) Principaux processus affectant les sources et flux de carbone dans les estuaires. c) Schéma des processus et des flux à l’interface entre un plateau continental et une plume estuarienne de faible salinité. (Bauer et al., 2013).

Objectifs
  • la caractérisation de l’origine du carbone côtier guyanais : quelle est la part du local sur l’apport amazonien ?
  • l’étude de processus sources et puits clés pour comprendre la dynamique du carbone à l’échelle régionale (apports terrigènes, production des mangroves, marine et sédimentaire, échanges de carbone entre les compartiments sédiments/palétuviers-eau-air, diagénèse précoce, photominéralisation)
  • la quantification spatio-temporelle des stocks présents dans les différents compartiments du système littoral (forêt, sols, banc de vase, eaux côtières et estuariennes)
  • l’évaluation de l’impact des changements environnementaux naturels sur la dynamique du carbone dans les milieux côtiers de Guyane : que pourrait être l’effet d’une intensification de l’érosion côtière par les vagues océaniques ? que pourrait être l’impact d’une modification des apports amazoniens ?

Références

Aller, R. C., & Blair, N. E. (2006). Carbon remineralization in the Amazon-Guianas tropical mobile mudbelt: A sedimentary incinerator. Continental Shelf Research, 26(17–18), 2241–2259. https://doi.org/10.1016/j.csr.2006.07.016

Alongi, D. M. (2014). Carbon cycling and storage in mangrove forests. Annual Review of Marine Science, 6, 195–219. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010213-135020

Bauer, J. E., Cai, W.-J., Raymond, P. A., Bianchi, T. S., Hopkinson, C. S., & Regnier, P. A. G. (2013). The changing carbon cycle of the coastal ocean. Nature, 504(7478), 61–70. https://doi.org/10.1038/nature12857

Borges, A. V., Delille, B., & Frankignoulle, M. (2005). Budgeting sinks and sources of CO 2 in the coastal ocean: Diversity of ecosystems counts. Geophysical Research Letters, 32(14), n/a-n/a. https://doi.org/10.1029/2005GL023053

Chen, C. T. A., & Borges, A. V. (2009). Reconciling opposing views on carbon cycling in the coastal ocean: Continental shelves as sinks and near-shore ecosystems as sources of atmospheric CO2. Deep-Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 56(8–10), 578–590. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2009.01.001

Dittmar, T., & Lara, R. J. (2001). Driving Forces Behind Nutrient and Organic Matter Dynamics in a Mangrove Tidal Creek in North Brazil. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 52(2), 249–259. https://doi.org/10.1006/ecss.2000.0743

Donato, D. C., Kauffman, J. B., Murdiyarso, D., Kurnianto, S., Stidham, M., & Kanninen, M. (2011). Mangroves among the most carbon-rich forests in the tropics. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/ngeo1123

Duarte, C. M., Middelburg, J. J., & Caraco, N. (2004). Major role of marine vegetation on the oceanic carbon cycle. Biogeosciences Discussions. https://doi.org/10.5194/bgd-1-659-2004

Fromard, F., Vega, C., & Proisy, C. (2004). Half a century of dynamic coastal change affecting mangrove shorelines of French Guiana: a case study based on remote sensing data analyses and field surveys. Marine Geology, 208(2–4), 265–280. https://doi.org/10.1016/j.margeo.2004.04.018

Gontharet, S., Mathieu, O., Lévêque, J., Milloux, M. J., Lesourd, S., Philippe, S., … Proisy, C. (2014). Distribution and sources of bulk organic matter (OM) on a tropical intertidal mud bank in French Guiana from elemental and isotopic proxies. Chemical Geology, 376, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2014.03.009

Komiyama, A., Ong, J. E., & Poungparn, S. (2008). Allometry, biomass, and productivity of mangrove forests: A review. Aquatic Botany. https://doi.org/10.1016/j.aquabot.2007.12.006

Marchand, C. (2003). Origine et devenir de la matière organique des sédiments de mangrove de Guyane Française. Université d’Orléans.

Marchand, C. (2017). Soil carbon stocks and burial rates along a mangrove forest chronosequence (French Guiana). Forest Ecology and Management, 384, 92–99. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2016.10.030

Marchand, C., Baltzer, F., Lallier-Vergès, E., & Albéric, P. (2004). Pore-water chemistry in mangrove sediments: Relationship with species composition and developmental stages (French Guiana). Marine Geology, 208(2–4), 361–381. https://doi.org/10.1016/j.margeo.2004.04.015

Running, S. W. (2008). Climate change. Ecosystem disturbance, carbon, and climate. Science (New York, N.Y.), 321(5889), 652–653. https://doi.org/10.1126/science.1159607

Walcker, R., Anthony, E. J., Cassou, C., Aller, R. C., Gardel, A., Proisy, C., & Martinez, J.-M. (2015). Fluctuations in the extent of mangroves driven by multi-decadal changes in North Atlantic waves. Journal of Biogeography, 42(9), 2209–2219. https://doi.org/10.1111/jbi.12580