Carbone bleu

Herbier à Rapid Bay Jetty, en Australie du Sud

Les herbiers marins sont un groupe d'une soixantaine d'espèces d'angiospermes qui se sont adaptées à la vie aquatique et peuvent pousser dans les prairies le long des côtes de tous les continents sauf de l'Antarctique[5]. Les prairies sous-marines se forment jusqu'à des profondeurs maximales de 50 m, selon la qualité de l'eau et la disponibilité de la lumière, et peuvent inclure jusqu'à 12 espèces différentes par prairie. Ces herbiers marins sont des habitats hautement productifs qui fournissent de nombreux services écosystémiques, notamment la stabilisation des sédiments, l'habitat et la biodiversité, une meilleure qualité de l'eau et la séquestration du carbone et des nutriments[6]. La superficie des herbiers répertoriés est de 177 000 km ², mais on estime que la superficie réelle se situe entre 300 000 à 600 000 km ² [7]. Bien que les herbiers ne représentent que 0,1% de la surface du plancher océanique, ils représentent environ 10 à 18% de l'enfouissement total du carbone océanique[8]. Actuellement, les herbiers marins mondiaux stockent jusqu'à 19,9 Pg (gigatonnes ou milliards de tonnes) de carbone organique. Le carbone s'accumule principalement dans les sédiments marins, qui sont anoxiques et préservent donc le carbone organique à des échelles de temps décennales, centennales et millénaires. Des taux d'accumulation élevés, un faible taux d'oxygène, une faible conductivité des sédiments et des taux de décomposition microbienne plus lents encouragent l'enfouissement et l'accumulation de carbone dans ces sédiments côtiers. Alors que les habitats terrestres perdent leur stock de carbone lors de la décomposition ou lors de perturbations comme les incendies ou la déforestation, les puits de carbone marins peuvent conserver le carbone pendant des périodes beaucoup plus longues. Les taux de séquestration du carbone dans les herbiers marins varient en fonction des espèces, des caractéristiques des sédiments et de la profondeur des habitats, mais en moyenne, le taux d'enfouissement du carbone est d'environ 138 g de carbone par m² et par an[4]. Les habitats des herbiers marins sont menacés par l'eutrophisation côtière, l'augmentation des températures de l'eau de mer, l'augmentation de la sédimentation et du développement côtier, et l'élévation du niveau de la mer qui peuvent diminuer la lumière disponible pour la photosynthèse. La perte d'herbiers marins s'est accélérée au cours des dernières décennies, passant de 0,9% par an avant 1940 à 7% par an en 1990, avec environ 1/3 des pertes mondiales depuis la Seconde Guerre mondiale[9].

Forêt de mangrove dans le parc national des Everglades, en Floride

Les mangroves sont des halophytes ligneuses qui forment des forêts intertidales et fournissent de nombreux services écosystémiques comme la protection côtière, les zones d'alevinage pour les poissons et les crustacés côtiers, les produits forestiers, les loisirs, la filtration des nutriments et la séquestration du carbone[10]. On trouve des mangroves dans 105 pays différents, à Hong Kong et Macao, en Martinique, Guyane, Guadeloupe, Mayotte et dans le Somaliland, le long des côtes dans les eaux subtropicales et tropicales, selon la température, les précipitations, les marées, les vagues et le débit d'eau[11]. Elles poussent à l'intersection entre la terre et la mer, ont des composants semi-terrestres et marins, et comprennent des adaptations uniques, notamment des racines aériennes, des embryons vivipares et des mécanismes de rétention des nutriments très efficaces[12]. À l'échelle mondiale, les mangroves ont stocké 4,19 ± 0,62 Pg de carbone en 2012, l'Indonésie, le Brésil, la Malaisie et la Papouasie-Nouvelle-Guinée représentant plus de 50% du stock mondial. 2,96 ± 0,53 Pg de ce stock sont contenus dans le sol et 1,23 ± 0,06 Pg dans la biomasse vivante. De ces 1,23 Pg, environ 0,41 ± 0,02 Pg se trouvent dans la biomasse souterraine dans le système racinaire et environ 0,82 ± 0,04 Pg se trouvent dans la biomasse vivante aérienne[13].

On estime que, au niveau mondial, la canopée des mangroves couvre entre 83 495 km ² et 167 387 km ² en 2012, l'Indonésie contenant environ 30% de l'ensemble de la superficie mondiale des forêts de mangroves[14]. Les forêts de mangroves sont responsables d'environ 10% de l'enfouissement mondial du carbone[15] avec un taux d'enfouissement du carbone estimé à 174 g de carbone par m ² et par an[12]. Les mangroves, comme les herbiers marins, ont un potentiel élevé de séquestration du carbone. Elles représentent 3% de la séquestration mondiale de carbone par les forêts tropicales et 14% de l'enfouissement de carbone de l'océan côtier mondial[11]. Les mangroves sont naturellement perturbées par les inondations, les tsunamis, les tempêtes côtières comme les cyclones tropicaux, la foudre, les maladies et les ravageurs, et les changements dans la qualité ou la température de l'eau. Bien qu'elles résistent à bon nombre de ces perturbations naturelles, elles sont très sensibles aux impacts humains, notamment le développement urbain, l'aquaculture, l'exploitation minière et la surexploitation des mollusques, crustacés, poissons et du bois [16]. Les mangroves fournissent des services écosystémiques et une séquestration du carbone d'importance mondiale et sont donc un habitat important à conserver et à réparer lorsque cela est possible.

Marais de marée à Hilton Head, SC

Les marais, écosystèmes intertidaux dominés par la végétation herbacée, se trouvent des côtes de l'Arctique à celles des régions subtropicales tandis que sous les tropiques, les mangroves dominent [17]. Les marais ont une productivité élevée, avec une grande partie de la production primaire de biomasse souterraine. Cette biomasse souterraine peut former des dépôts jusqu'à 8 m de profondeur. Les marais offrent un habitat précieux aux plantes, aux oiseaux et aux alevins, protègent l'habitat côtier des ondes de tempête et des inondations et peuvent réduire la charge en nutriments dans les eaux côtières[18]. À l'instar des mangroves et des herbiers marins, les marais salés constituent également d'importants puits de carbone. Les marais séquestrent le carbone dans la biomasse souterraine en raison des taux élevés de sédimentation organique et de décomposition anaérobie[19]. Les marais salés couvrent environ 22 000 à 400 000 km ² dans le monde, avec un taux d'enfouissement du carbone estimé à 210 g de carbone par m ² et par an. Les marais maritimes ont été gérés par les humains pendant des siècles, pour le pâturage, la fenaison, l'agriculture, le développement et les ports, les bassins d'évaporation pour la production de sel, l'aquaculture, la lutte contre les insectes, l'énergie marémotrice et la protection contre les inondations[20]. Les marais sont également sensibles à la pollution par le pétrole, les produits chimiques industriels et, le plus souvent, à l'eutrophisation. Les espèces introduites, l'élévation du niveau de la mer, les barrages et la diminution de la sédimentation sont des changements à long terme qui affectent l'habitat des marais et, à leur tour, peuvent affecter leur potentiel de séquestration du carbone[21].

Les macroalgues et les microalgues sont à l'étude comme moyens possibles de séquestration du carbone[22]. Parce que les algues n'ont pas la lignine complexe des plantes terrestres, le carbone des algues est libéré dans l'atmosphère plus rapidement que le carbone capturé sur terre[23] - [24]. En raison de leur teneur élevée en lipides, les microalgues ont été proposées comme réservoir de stockage à court terme de carbone pour être utilisées comme matière première pour la production de divers biocarburants et en particulier pour la production de biodiesel et de biométhane[25]. Les macroalgues, en revanche, n'ont pas une teneur élevée en lipides et ont un potentiel limité en tant que matière première de biodiesel, bien qu'elles puissent être utilisées comme matière première pour la génération d'autres biocarburants. Les macroalgues ont également été étudiées comme matière première pour la production de biochar car le biochar produit à partir de macroalgues est plus concentré en nutriments pour l'agriculture que le biochar produit à partir de sources terrestres[26].Une autre approche novatrice de la capture du carbone à partir des algues est le système intégré de capture et de production d'algues à base de bicarbonate (BICCAPS) issu d'une collaboration entre la Washington State University aux États-Unis et la Dalian Ocean University en Chine. De nombreuses espèces de cyanobactéries, de microalgues et de macroalgues peuvent utiliser le carbonate comme source de carbone pour la photosynthèse. Dans le BICCAPS, les microalgues alcaliphiles utilisent du carbone capturé à partir de gaz de combustion sous forme de bicarbonate[27] - [28]. En Corée du Sud, les macroalgues ont été utilisées dans le cadre d'un programme d'atténuation du réchauffement climatique. Le pays a mis en place une ceinture côtière d'élimination du CO ₂ (CCRB) composée d'écosystèmes naturels et artificiels. L'objectif est de capturer le carbone à l'aide de vastes zones de forêt de kelp[29].

La sédimentation est la vitesse à laquelle les particules flottantes ou en suspension s'enfoncent et s'accumulent au fond de l'océan. Plus le courant est rapide, plus il peut capter de sédiments. À mesure que les courants chargés de sédiments ralentissent, les particules tombent en suspension et se déposent sur le fond marin. En d'autres termes, un courant rapide peut emmener beaucoup de grains lourds, alors qu'un courant lent ne peut emmener que de minuscules morceaux ce qui accentue la variabilité de la quantité de sédiments en suspension et le taux de dépôt[37].

La zone pélagique a des taux de sédimentation très faibles car la plupart des sédiments y arrivant sont transportés par le vent, ce qui ne représente qu'une petite fraction de l'apport total de sédiments aux océans. De plus, il y a beaucoup moins de vie végétale et animale vivant en pleine mer. Par conséquent, les taux d'enfouissement du carbone sont faibles[38].

Les marges côtières ont des taux de sédimentation élevés en raison de l'apport de sédiments par les fleuves, qui représentent la grande majorité de l'apport de sédiments dans l'océan. Dans la plupart des cas, les sédiments se déposent près de l'embouchure ou sont transportés vers le littoral par les vagues. À certains endroits, les sédiments tombent dans les canyons sous-marins et sont transportés hors du plateau, si le canyon est suffisamment grand ou le plateau est étroit. Les marges côtières contiennent également des espèces marines diverses et abondantes, en particulier dans les endroits qui subissent des remontées d'eau périodiques. Une vie marine plus abondante combinée à des taux de sédimentation plus élevés sur les marges côtières crée des points chauds pour l'enfouissement du carbone[17] - [39].

Les courants transportent les sédiments sur le plateau dans la direction côtière et traversent les canyons marins perpendiculairement. Au dessus de ces eaux beaucoup plus profondes, le courant ralentit et dépose des sédiments. Les taux d'enfouissement du carbone dans le canyon de Nazaré près du Portugal sont 30 fois supérieurs à la pente continentale adjacente. Ce canyon représente à lui seul environ 0,03% de l'enfouissement mondial de carbone organique terrestre dans les sédiments marins alors qu'il ne représente que 0,0001% de la superficie du plancher océanique du monde[38].

Les humains modifient les cycles sédimentaires à grande échelle depuis des milliers d'années grâce à un certain nombre de mécanismes.

Le premier changement majeur du cycle sédimentaire mondial s'est produit lorsque les humains ont commencé à défricher les terres pour faire pousser des cultures. Dans un écosystème naturel, les racines des plantes retiennent les sédiments en place lorsqu'il pleut. Les arbres et les arbustes réduisent la quantité de pluie qui affecte les sols et crée des obstacles autour desquels les cours d'eau forestiers doivent circuler. Lorsque toute la végétation disparait, les précipitations ont un impact direct et lessivent les sols. Pour cette raison, le défrichement entraîne une augmentation des taux d'érosion par rapport à un système naturel.

Les premiers barrages remontent à 3000 avant JC et ont été construits pour contrôler les crues et pour irriguer les champs. Lorsque la rivière chargée de sédiments atteint le réservoir d'un barrage, l'eau ralentit à mesure qu'elle s'accumule. Les sédiments sont déposés avant que l'eau ne traverse le barrage. L'utilisation de barrages pour contrôler les inondations réduit la capacité des canaux en aval à produire des sédiments. Étant donné que la grande majorité de la sédimentation se produit pendant les inondations, la fréquence et l'intensité réduites des inondations peuvent modifier radicalement les dépôts de sédiments. Pendant des milliers d'années, il y avait trop peu de barrages pour avoir un impact significatif sur les cycles sédimentaires mondiaux, à l'exception des impacts locaux sur quelques deltas fluviaux tels que le Nil. Cependant, la popularisation de l'énergie hydroélectrique au siècle dernier a provoqué un énorme boom dans la construction de barrages et actuellement, seulement un tiers des plus grands fleuves du monde coulent sans entrave vers l'océan[40].

Dans un système naturel, les rives d'une rivière serpentent lorsque différents canaux s'érodent, s'accumulent, s'ouvrent ou se ferment. Les inondations saisonnières submergent régulièrement les berges des rivières et déposent des nutriments dans les plaines inondables adjacentes. Ces services sont essentiels aux écosystèmes naturels, mais peuvent perturber les infrastructures humaines à proximité des rivières. De ce fait, les rivières dans les zones peuplées sont souvent canalisées, ce qui signifie que leurs berges et parfois leurs lits sont fixés avec des roches ou du béton, ce qui empêche l'érosion et empêche le déplacement du cours d'eau. Cela inhibe également la sédimentation.

Actuellement, l'effet net de l'homme sur le cycle sédimentaire mondial est une réduction drastique de la quantité de sédiments déversés dans l'océan. Ainsi les deltas et les plages rétrécissent et les marais salés disparaissent. La capacité des marges côtières à enterrer le carbone bleu est amoindrie. La perte de séquestration du carbone dans les sédiments marins côtiers pourrait accélérer du réchauffement climatique mondial[41].

La densité de la végétation dans les mangroves, les herbiers marins et les marais est un facteur important dans les taux d'enfouissement du carbone. Elle doit être suffisante pour modifier suffisamment les débits d'eau et réduire l'érosion et augmenter le dépôt de sédiments[42].

Des augmentations de la capture et de la séquestration du carbone ont été observées dans les écosystèmes de mangroves et d'herbes marines qui ont été soumis à des charges nutritives élevées, intentionnellement ou en raison de sous-produits d'activités humaines[22]. La fertilisation intentionnelle a été utilisée dans la restauration des herbiers marins en installant des perchoirs pour oiseaux marins dans le pré voisin afin que les déjections d'oiseaux jouent le rôle d'engrais. La fertilisation permet aux variétés d'herbes marines à croissance rapide de croître. La composition en espèces de ces prairies est nettement différente de celle des prairies sous-marines d'origine, bien qu'une fois la prairie rétablie et la fertilisation terminée, les prairies reprennent une composition en espèces plus proche d'une prairie non perturbée[43]. Les recherches effectuées sur les sols de mangroves de la mer Rouge ont montré que l'augmentation des charges de nutriments dans ces sols n'augmente pas la minéralisation du carbone et la libération subséquente de CO ₂[44]. Cet effet neutre de la fertilisation ne s'est pas révélé vrai dans tous les types de forêts de mangroves. Les taux de capture de carbone ont également augmenté dans ces forêts en raison de l'augmentation des taux de croissance des mangroves. Dans les forêts où la respiration augmente, la croissance des mangroves a également augmenté jusqu'à six fois le taux normal [24].