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Et de 6… limites planétaires franchies

La semaine dernière, je vous parlais ici de limites planétaires. En janvier 2022, 5 des 9 frontières planétaires étaient déjà transgressées. Cinq mois plus tard, le Stockholm Resilience Centre annonce quune nouvelle limite planétaire est franchie, celle concernant le cycle de l’eau douce et plus particulièrement l’eau verte. C’est la deuxième limite planétaire dépassée en 2022.

Redéfinir la limite planétaire de l’eau douce

Johan Rockström et son équipe travaille depuis de nombreuses années sur les limites planétaires. Au fil des publications, ils et elles ont défini, amélioré ce concept et quantifié plusieurs de ces limites jusqu’à montrer que 5 sont déjà dépassées : le changement climatique, l’intégrité de la biosphère, le changement d’affectation des sols, les cycles biogéochimiques de l’azote et du phosphore et l’introduction de nouvelles entités dans la biosphère1,2,3. Aujourd’hui, la chercheuse Lan Wang-Erlandsson et ses collègues de plusieurs universités européennes publient dans la revue Nature Reviews Earth and Environment une nouvelle évaluation du cycle de l’eau douce4.

Séparer eau verte et eau bleue

Tout d’abord, les auteur·ices proposent une nouvelle définition de la limite planétaire « utilisation de l’eau douce ». Iels changent son nom : « freshwater use » (utilisation de l’eau douce) qui n’incluait que l’eau bleue en « freshwater change » (perturbations du cycle de l’eau douce5) qui inclut l’eau bleue et l’eau verte. L’ancienne définition ne reflétait pas la réalité. Par exemple, si l’on considère la déforestation : selon les auteur·ices, elle détériore le fonctionnement de l’eau verte (réduction de l’humidité des sols) en faveur d’une augmentation de la disponibilité de l’eau bleue (ruissellement de l’eau de pluie vers les rivières)6. La limite planétaire « eau douce » ne serait donc pas franchie si on ne prend en compte que l’eau bleue. Quantifier les changements liés à l’eau verte traduit la capacité du système terrestre à faire face aux perturbations humaines puisque l’eau verte soutient et régule la plupart des processus de la biosphère terrestre (puits de carbone, circulation atmosphérique, résilience des écosystèmes).

Eau bleue et eau verte

L’eau est une ressource indispensable à la vie sur Terre mais 97,5 % de l’eau présente sur notre planète est salée. Sur les 3 % d’eau douce à notre disposition, 69 % sont immobilisées sous forme de glace et 30 % dans les eaux souterraines. L’être humain, les animaux et les végétaux ne disposent donc que de moins de 1 % d’eau douce liquide pour leurs besoins. Cette eau douce est répartie dans les lacs et les rivières (eaux de surface), la couche superficielle du sol, l’atmosphère et la biosphère (eau contenue dans les organismes vivants).

En 1995, Malin Falkenmark propose de séparer les eaux de précipitations en eau bleue et en eau verte. L’eau bleue est l’eau qui provient des rivières, fleuves, lacs et nappes phréatiques. Elle est disponible à l’échelle mondiale et mesurable grâce à des capteurs (débit des rivières, niveaux des nappes phréatiques). Elle transite rapidement et représente 40 % des précipitations.

L’eau verte, quant à elle, est l’eau stockée dans les sols et la biomasse. Elle représente 60 % des précipitations.

Schéma des eaux vertes et bleues (Abdelkader Hamdane adapté de Falkenmark, M., Rockström, J., 2006)

Le choix des variables de contrôle pour l’eau verte

Afin de déterminer si une limite planétaire est franchie, il est nécessaire de choisir des variables qui permettent de suivre la réponse du système Terre en fonction de l’évolution d’une contrainte donnée. Par exemple, pour la limite planétaire changement climatique, la concentration du dioxyde de carbone et le forçage radiatif7 ont été choisis comme variable de contrôle.

Pour la limite planétaire de l’eau verte, les variables de contrôle retenues sont : les précipitations, l’évaporation et l’humidité des sols.

Les précipitations

Les précipitations représentent le plus grand flux d’eau dans le cycle de l’eau terrestre. Elles sont influencées par les activités humaines (déforestation, irrigation, urbanisation) mais aussi par les gaz à effet de serre et les aérosols (formation de nuages). La modification des précipitations affectent les forêts amazonienne et du bassin du Congo car si elles deviennent moins résilientes, la croissance des arbres et leur rôle comme puits de carbone seront affaiblis. Le phénomène de pluies extrêmes conduit à l’érosion des sols, une augmentation du ruissellement entre autres même si leur rôle dans la survenue d’inondations n’est pas très claire. Cependant, utiliser les précipitations, si elle paraît évidente, comme variable de contrôle pour la limite planétaire « cycle de l’eau douce » n’est pas judicieux car la réponse à tout changement de précipitations (quantité, durée) se fait de manière indirecte : modification de l’humidité des sols et de l’évaporation.

L’évaporation terrestre 

L’évaporation terrestre constitue le deuxième flux le plus important du cycle de l’eau. Les activités humaines influencent aussi l’évaporation. Par exemple, l’irrigation peut retarder l’arrivée de la mousson mais aussi créer des vagues de chaleur humide que la physiologie de l’être humain ne peut supporter. Si l’évaporation est une bonne candidate comme variable de contrôle, elle ne sera pas non plus retenue.

L’humidité des sols 

L’humidité des sols est affectée par les activités humaines : directement par l’intensification et l’expansion de l’agriculture et l’urbanisation, indirectement par les modifications des précipitations et de l’évaporation induites par le changement climatique et l’utilisation de l’eau. L’humidité des sols et particulièrement dans la zone racinaire sera retenue comme variable de contrôle pour la limité planétaire eau verte même en l’absence de données fiables; des indicateurs de substitution sont alors utilisés.

L’humidité des sols impacte les dynamiques écologiques (mortalité des végétaux), climatiques (températures extrêmes, disponibilité de l’eau), biogéochimiques (les puits de carbone deviennent des sources de carbone) et hydrologiques (modification des taux d’évaporation). En période sèche, les plantes maintiennent les fonctions de photosynthèse et de transpiration en accédant à l’humidité des sols. Mais en cas de sécheresse prolongée, les plantes meurent surtout si elles n’ont pas développé des stratégies de stockage d’eau comme les cactus ou les baobabs.

Schéma de l"humidité des sols
Représentation en coupe de l’humidité des sols (Severinatne S. I., Earth Science Reviews, 2010)

Prendre en compte l’humidité des sols au niveau des racines

Afin de choisir la meilleure variable de contrôle pour l’eau verte, les auteur·rices ont mis au point un questionnaire. Les 8 questions balayent un large domaine pour évaluer les trois variables de contrôle : les précipitations, l’évaporation et humidité des sols.

Par exemple, si l’on considère les perturbations humaines du cycle de l’eau verte, les précipitations et l’évaporation affectent directement l’humidité des sols (de la zone racinaire). Cette disponibilité de l’eau dans le sol est en lien direct avec la croissance des plantes, leur mortalité et leur capacité à stocker du carbone. Sur les 8 questions, l’humidité des sols obtient un score équivalent ou supérieur (20/24) aux deux autres variables (précipitations (15/24) et évaporation (17/24)). Au vu des résultats et même si les mesures des précipitations sont plus faciles et accessibles, l’humidité des sols au niveau de la zone racinaire est retenue pour évaluer la limite planétaire de l’eau verte dans le cycle de l’eau douce.

Graphique illustrant le dépassement ou non des limites planétaires définies par le Stockholm Resilience Centre
Les neuf limites planétaires en mai 2022 telles que définies par Steffen et al., 2015, Persson et al., 2022, Wang-Erlandsson et al., 2022 . En vert, l’espace sûr. En orange, les limites planétaires franchies. En gris, les limites non encore quantifiées.

L’eau verte, une nouvelle limite planétaire franchie

Afin d’évaluer la limite planétaire eau verte, les auteur·ices ont choisi de suivre la mesure de l’humidité des sols. Iels proposent comme définition de cette variable de contrôle « le pourcentage de terres libres de glace sur lesquelles les anomalies d’humidité du sol de la zone racinaire [ne sont pas conformes aux limites définies par les auteur·rices] ». La mesure directe de l’humidité des sols au niveau de la zone racinaire est relié à la croissance des végétaux et à l’augmentation du taux de dioxyde de carbone. Le choix de prendre en compte la surface des sols permet de s’affranchir des hétérogénéités du cycle de l’eau, notamment en zone aride. Enfin, une mesure mensuelle permet de prendre en compte les extrêmes climatiques saisonniers (période sèche et humide).

La résilience du système Terre diminue au fur et à mesure que des limites planétaires sont transgressées : 5 sur 9 en mai 2022. De plus, les boucles de rétroactions positives (qui amplifient les phénomènes) participent aussi à la dégradation de la résilience du système Terre. En considérant une faible résilience du système Terre et afin des rester dans un espace sûr, les auteur·rices fixent à 10 % la surface terrestre affectée par des anomalies dans l’humidité des sols au niveau des racines. Hors, à l’aide de simulations numériques, iels en déduisent que 18 % environ des sols sont plus secs ou plus humides, bien au-delà du seuil fixé. La limite planétaire pour l’eau verte est bel et bien franchie. Les auteur·rices avertissent aussi que « Les modifications de l’eau verte occasionnent maintenant des risques croissants pour le système Terre à un niveau tel que les civilisations modernes n’y ont jamais fait face. […] L’interférence humaine avec l’eau verte a désormais atteint une ampleur qui augmente le risque de changement […] à grande échelle et compromet la capacité du système terrestre à se maintenir dans des conditions similaires à [l’ère préindustrielle]. Les tendances et trajectoires mondiales actuelles d’augmentation de l’utilisation de l’eau, de déforestation, de dégradation des sols, d’érosion des sols, de pollution atmosphérique et de changement climatique doivent être rapidement stoppées et inversées pour augmenter les chances de rester dans [un environnement sûr pour l’espèce humaine]. »

Les actions à mettre en œuvre

Les auteur·ices appellent à instaurer des politiques mondiales volontaristes en faveur d’une meilleure prise en compte de l’eau verte. Ils et elles suggèrent de mettre en place des lois, des réglementations, des traités ou des programmes fixant des objectifs à atteindre. Prendre en compte la limite planétaire eau verte permet aussi d’avertir sur d’autres déstabilisations de l’écosystème terrestre : perte de résilience des forêts, le rôle de la déforestation sur le cycle de l’eau… Mais des effets positifs sont aussi à souligner : la restauration des paysages par une meilleure prise en compte de la gestion des sols puisque eau verte, sols, végétation sont intimement liés. Toutefois, certaines actions peuvent être contre-productives car il est difficile de transposer la limite planétaire eau verte à l’échelle locale du fait des interactions avec diverses pressions humaines.

Des recherches supplémentaires sont nécessaires afin de développer un modèle plus robuste. Le manque de données directes ou la compréhension fine des boucles de rétroactions sont certaines des limites identifiées par les auteur·ices. Ils et elles appellent à une recherche plus collaborative afin d’affiner ces données.

Connaissez-vous les pressions humaines sur l’eau douce dans le monde?

Logo Empreinte Minimale . Au centre les lettres E et M superposés verticalement . Encercle au dessus le texte empreinte minimale, au dessous écologie consciente

Pour aller plus loin :

Les limites planétaires, Aurélien Boutaud et Natacha Gondran, Editions La Découverte

Bibliographie :

1 Rockström J. et al., A safe operating space for humanity, Nature, 2009, Vol, 461, https://doi.org/10.1038/461472a

2 Steffen W. et al., Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet, Science, 2015, Vol 347 Issue 6223, doi: 10.1126/science.1259855.

3 Persson L. et al., Outside the Safe Operating Space of the Planetary Boundary for Novel Entities, Environmental Science and Technology. 2022, 56, 1510−1521, https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04158

4 Wang-Erlandsson et al., A planetary boundary for green water. Nature Reviews Earth and Environment, 2022. https://doi.org/10.1038/s43017-022-00287-8

5 Cette traduction est peut-être imparfaite et ne reflète peut-être pas totalement sa définition en anglais

6 Le changement d’utilisation des sols modifie aussi les précipitations.

7 le forçage radiatif est la différence entre l’énergie solaire reçue et l’énergie réémise sous forme de radiations infrarouges par la Terre. S’il est positif, la température augmente.

Crédit photo : John Thomas via Unsplash pour la photo de couverture

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