Séquestration du carbone par enfouissement du bois: une évaluation de base

La possibilité de séquestration du carbone par enfouissement du bois découle de l’observation que la forêt naturelle est généralement jonchée d’arbres morts (Fig. 1). On suppose que de grandes quantités de carbone organique ont été enfouies et conservées pendant plus de cent mille ans sous les grandes plaques de glace de l’hémisphère Nord pendant les cycles glacio-interglaciaires du Pléistocène. D’autres études ont montré que la matière organique, en particulier le bois, dans les décharges municipales se décompose extrêmement lentement. Avec ceux-ci, il est devenu clair que la récolte et l’enfouissement du bois pourraient être une méthode viable de séquestration du carbone.

À l’échelle mondiale, environ 60 GtC y-1 sont temporairement séquestrés par la végétation terrestre (Productivité primaire nette ou centrale nucléaire; Fig. 2). Ce carbone est renvoyé en continu dans l’atmosphère lorsque la végétation meurt et se décompose (respiration hétérotrophe, Rh). En régime permanent, les taux de mortalité de ces composants carbonés sont égaux à leurs taux de décomposition respectifs et s’additionnent à la centrale nucléaire de sorte que le flux net de carbone terre-atmosphère est proche de zéro (centrale nucléaire = Hr). Si nous pouvons arrêter ou ralentir une partie de la voie de décomposition, nous avons l’espoir de séquestrer le CO2 à un taux qui pourrait rivaliser avec l’émission de CO2 fossile actuelle de 8 GtC y-1. Étant donné que le matériau ligneux est le plus résistant à la décomposition en raison de sa structure de fibres lignine-cellulose qui minimise également le blocage des nutriments (ci-dessous), je vais me concentrer sur ce pool de carbone.

Il faut d’abord répondre à deux questions majeures concernant le potentiel de cette méthode : quel est le taux de production de bois mort, et combien y a-t-il dans les forêts du monde? Malheureusement, il y a un manque général de connaissance du bois mort sur le plancher forestier, et ce pool de carbone est souvent négligé dans la comptabilité budgétaire du carbone. Étant donné que le taux de mortalité est fondamentalement limité par le taux de croissance, le taux de production de bois mort ne peut dépasser la centrale nucléaire totale mondiale de 60 GtC y-1. Ensuite, la question clé est de savoir comment la centrale nucléaire est divisée en trois principaux bassins de carbone: la feuille, le bois et la racine. Les feuilles poussent et tombent dans une forêt de feuillus chaque année, mais peuvent durer quelques années dans une forêt à feuilles persistantes. Les matériaux ligneux fins tels que les brindilles et les petites branches peuvent se briser et tomber souvent, mais les troncs d’arbres et les branches principales ont une durée de vie de plusieurs décennies à plusieurs siècles et plus. Ainsi, même si la biomasse ligneuse est beaucoup plus importante que la biomasse foliaire, sa longue durée de vie suggère un taux de production beaucoup plus faible qu’autrement. La biomasse racinaire peut être importante et le taux de mortalité est également important car les racines poussent constamment pour rechercher des nutriments et de l’eau. Une première hypothèse « naïve » pourrait être que la centrale nucléaire est divisée également en ces trois bassins, ce qui conduit à un taux de croissance du bois de 20 GtC y-1, donc à un taux de mortalité du bois de 20 GtC y-1 à l’état stable. Comme les débris ligneux fins se décomposent plus rapidement et sont plus difficiles à manipuler, les matériaux plus grossiers tels que les troncs et les branches principales conviennent mieux à l’enfouissement. En supposant que la moitié de la matière ligneuse est grossière, environ 10 GtC de bois mort y-1 peuvent être disponibles pour l’enfouissement, ce qui conduit à un puits de carbone y-1 de 10 GtC. En supposant un temps de séjour moyen de 10 ans pour les arbres morts sur le sol forestier, environ 100 GtC (10 GtC y – 1 fois 10 ans) sous forme de débris ligneux grossiers se trouveraient déjà sur le sol forestier. Ces matériaux de bois mort sont en cours de décomposition à divers stades, mais même si la moitié de ceux-ci peuvent être collectés et enfouis, ils constituent un puits de carbone substantiel facilement disponible.

La proposition est de (1) collecter des arbres morts sur le sol de la forêt et (2) bûcher sélectivement des arbres vivants. Ensuite, les troncs d’arbres sont soit enterrés dans les tranchées creusées sur le sol de la forêt (enfouissement), soit dans des décharges appropriées, soit dans des bûches empilées au-dessus du sol à l’abri de la pluie (Fig. 3). Le matériau ligneux enfoui aura un temps de séjour significativement plus long et il transfère efficacement le carbone d’un bassin de décomposition relativement rapide (environ 10 ans) à un bassin de carbone beaucoup plus lent (100-1000 ans ou plus). Dans le cas de (1), il réduit une partie de la respiration hétérotrophe, et constitue donc un puits de carbone efficace immédiat. Dans le cas de (2), la repousse ultérieure dans les « lacunes » laissées par la coupe des arbres est un puits de carbone, qui dépendrait du taux de repousse. En pratique, (1) et (2) ne diffèrent probablement pas beaucoup, car les arbres tombés laissent des espaces pour que les arbres plus petits poussent d’une manière très similaire au cas (2).

Quantification du potentiel de séquestration du carbone

1 Puits durable d’enlèvement des arbres (limité par le taux de croissance)

Pour quantifier la taille de ce puits de carbone potentiel, le modèle VEGAS de la végétation dynamique globale et du carbone terrestre a été utilisé. Alors que le modèle simule le cycle complet du carbone terrestre, seuls les bassins et flux de carbone pertinents pour l’objectif ici sont discutés. La simulation n’incluait pas les terres agricoles, donc les estimations seront des taux potentiels. Le modèle a été fondé sur la climatologie moderne observée avec des cycles saisonniers de précipitations, de température, d’ensoleillement, de vitesse du vent et de pression de vapeur. La simulation a été effectuée jusqu’à la convergence à un état stable où la croissance des arbres est équilibrée par la mortalité.

La centrale nucléaire globale modélisée est de 57 GtC y-1, dont 19 GtC y-1 entrent dans la feuille morte, 17 GtC y-1 dans le bois mort et 21 GtC y-1 dans les structures racinaires mortes. Comme le bois fin (brindilles et petites branches) se décompose rapidement, il est plus difficile à manipuler (plus coûteux à nettoyer les feuilles, etc.), et peut occuper plus d’espace d’inhumation, seul le bois grossier sera considéré comme approprié pour l’inhumation. La littérature forestière fait généralement une distinction entre les débris ligneux fins et grossiers, en utilisant généralement un diamètre de tige de 10 cm pour séparer les deux classes. Malheureusement, la contribution relative du bois fin et grossier à la mort totale du bois est difficile à quantifier, en partie en raison de la durée de vie différente (les tiges plus petites ont généralement une durée de vie plus courte que l’arbre entier). On ne sait parfois pas comment ces bassins et ces flux sont définis et ce que représentent les chiffres rapportés dans la littérature forestière. Je désigne donc de manière quelque peu arbitraire le rapport de mortalité fine: grossière comme étant de 7: 10, de sorte que le taux de mortalité du bois grossier est de 10 GtC y-1.

La distribution spatiale du taux de mortalité du bois grossier est illustrée à la Fig. 4. Le taux le plus élevé se trouve dans les forêts tropicales humides telles que l’Amazonie et les bassins du Congo, suivies des forêts tempérées et boréales. Le fait que la distribution spatiale du taux de mortalité du bois soit similaire à celle de la production n’est pas surprenant car le taux de mortalité suit largement le taux de croissance. Tout écart régional par rapport au rapport de répartition moyen global entre les trois bassins (feuille: bois: racine = 19:17: 21) est le résultat du type fonctionnel de la plante (PFT) et de la stratégie d’allocation du carbone dépendante du climat. De tels écarts ne dépassent pas 10 à 20% dans ce modèle.

Le potentiel de séquestration du carbone du bois grossier pour diverses régions géographiques est donné dans le tableau 1. La forêt tropicale a un potentiel de séquestration du carbone de 4,2 GtC y-1, la forêt tempérée a 3,7 GtC y-1, tandis que la région boréale a 2,1 GtC y-1. Étant donné que le modèle ne prend en compte que la végétation potentielle (pas d’agriculture), les régions tempérées peuvent avoir un potentiel considérablement plus faible.

À l’échelle régionale (tableau 2), l’Amérique du Sud a un potentiel de séquestration du carbone de 2,3 GtC y-1, avec une contribution majeure de la forêt amazonienne. L’Afrique suit avec 1,9 CtG y-1. La Russie a un potentiel de 1,2 GtC y-1 en raison de sa vaste étendue de forêt boréale. Le NOUS contermineux a un potentiel de 0.8 GtC y-1 avec ses vastes forêts de feuillus et mixtes le long de la côte Est et du Sud, et de l’Ouest montagneux. Le Canada a un potentiel de 0,7 GtC y-1 de ses forêts mixtes et boréales. Sur le potentiel de 0,9 GtC y-1 pour la Chine, seule une fraction peut probablement être réalisée car une grande partie des forêts du pays a longtemps été convertie en terres cultivées. Cependant, un programme de reboisement réussi pourrait augmenter la taille de cette fraction.

Le taux de mortalité du bois grossier estimé par le modèle est le résultat du type fonctionnel des plantes et de la stratégie d’allocation du carbone dépendante du climat qui n’est pas bien contraint dans la génération actuelle de modèles de végétation mondiaux. Les observations sur ce pool de carbone et son taux de rotation font généralement défaut. Néanmoins, certaines recherches ont souligné l’importance de ce pool de carbone. En utilisant les taux de mortalité moyenne observés et estimés des arbres et en extrapolant des données ponctuelles à l’aide de la distribution mondiale de la biomasse, Harmon et al. le taux de production de débris ligneux grossiers a été estimé à 2-11 GtC y-1, la plage d’incertitude provenant des estimations de la durée de vie des arbres. Sur la base de, Matthews a estimé 6 GtC y-1 comme le taux de production de débris ligneux grossiers. Une comparaison est présentée au tableau 3. Ainsi, le résultat du modèle VEGAS est dans la plage de mais du côté haut. L’une des raisons peut être que la simulation d’équilibre de VEGAS implique que les forêts modélisées ont atteint un état stable, c’est-à-dire qu’il s’agit de forêts matures, tandis que les données utilisées incluent des forêts d’âges différents. Étant donné que les forêts plus jeunes ont tendance à avoir une mortalité plus faible que les forêts anciennes, ces forêts jeunes auront un potentiel plus élevé à l’avenir à mesure que le taux de mortalité augmentera vers la maturité. Compte tenu des nombreuses inconnues des deux méthodes, j’attribuerai un facteur d’incertitude de 2 à l’estimation du modèle y-1 à 10 GtC, c’est-à-dire une plage de 5 à 15 GtC y-1.

En estimant le potentiel y-1 de 10 GtC, j’ai supposé une végétation naturelle, ce qui en soi serait une surestimation car une partie de la superficie forestière potentielle a été convertie en terres cultivées. Étant donné que la superficie forestière mondiale actuelle est 3 fois supérieure à celle des terres cultivées, et qu’une partie importante des terres cultivées correspond à des prairies potentielles et même à des déserts plutôt qu’à des forêts potentielles, le degré de surestimation est modeste. D’autre part, le potentiel réel pourrait être plus élevé en raison d’autres facteurs tels que la coupe sélective (ci-dessous), la plantation d’espèces d’arbres à croissance rapide et l’enfouissement de bois de plus petite taille. En outre, le reboisement, la déforestation et le changement climatique à l’avenir compliqueront toute tentative d’estimation précise, y compris l’utilisation des terres. Ainsi, le choix d’utiliser la végétation potentielle a été fait ici.

2Potentiel ponctuel des débris ligneux grossiers existants

En tant qu’héritage de la mort passée des arbres, une quantité importante de bois mort s’est accumulée dans les forêts du monde à divers stades de décomposition (Fig. 5). J’ai utilisé le modèle VEGAS pour simuler ce bassin de bois mort et estimé les débris ligneux grossiers mondiaux à 130 GtC, un peu plus grands que les estimations de 75 GtC de, mais dans la plage de 60-232 GtC estimée par. Ces chiffres peuvent sembler importants car relativement peu d’attention a été accordée à ce pool de carbone, mais ils ne sont pas surprenants compte tenu des 390 GtC stockés dans la biomasse de la végétation forestière mondiale (principalement du bois;). Étant donné que le bois à des stades ultérieurs de décomposition ne convient pas à l’enfouissement (également moins susceptible d’être inclus dans les études d’inventaire forestier), même si la moitié de ce bassin convient à l’enfouissement, cela représente encore 65 GtC disponibles pour la séquestration. Le motif spatial (Fig. 5) montre une distribution quelque peu différente du taux de production avec des valeurs plus élevées dans les régions tempérées et boréales, principalement en raison du taux de décomposition plus lent à basse température.

L’implication de ce grand pool de carbone existant est qu’au stade initial de l’enfouissement du bois, plus que le taux durable de 10 GtC y-1 estimé ci-dessus sera disponible.

3Améliorer le taux de durabilité par la coupe sélective d’arbres vivants

Le taux de production de bois mort y-1 de 10 GtC pourrait également être amélioré par une gestion active des forêts. Au lieu d’attendre que les arbres meurent, on peut également récolter des arbres relativement matures via des techniques telles que la coupe sélective. À première vue, cela semble être une source de carbone car les arbres vivants absorbent le CO2. Cependant, si les arbres sont sélectionnés correctement, cela peut entraîner un puits global, car les forêts plus jeunes ont tendance à être plus productives et, quelque part au stade du développement, la productivité dépasse considérablement la perte de respiration et de décomposition. Étant donné que les arbres moins productifs qui ne réussissent pas bien se disputent la lumière et d’autres ressources, leur élimination laissera les arbres plus jeunes pousser plus vigoureusement dans les interstices, formant un puits de carbone net. Dans une forêt homogène, l’auto-éclaircissage est une étape majeure de la succession secondaire au cours de laquelle une fraction majeure des jeunes arbres meurent pour laisser la place à d’autres arbres. Dans ce cas, des arbres beaucoup plus jeunes peuvent être coupés ou collectés de manière sélective après la mort.

Stratégie de mise en œuvre

La mise en œuvre d’un système d’enfouissement du bois comportera trois étapes principales:

1. (1)

   Permettant l’accès à la forêt si elle n’est pas déjà en place;

2. (2)

   Sélection du site, creusement de tranchées pour l’enfouissement ou construction d’un abri pour le stockage hors sol;

3. (3)

   Coupe sélective des arbres ou collecte du bois mort suivie d’une coupe, d’un raccourcissement et d’un enfouissement ou d’un stockage, répétés à un intervalle de retour approprié.

J’envisage un réseau de routes et de chemins qui permettront l’accès des machines, et des tranchées qui seront réparties à un espacement plus ou moins uniforme. Par exemple, une zone de 1 km × 1 km (100 hectares) accumulerait environ 100 tonnes de carbone par an pour un taux de production typique de bois grossier de 0,1 kgC m-2 y-1 (Fig. 4). À un intervalle de retour de 5 ans, chaque tranchée enfouirait 500 tonnes de carbone (environ 1000 tonnes de masse de bois sec). En supposant une matière sèche de 0,5 tonne par mètre cube et en négligeant un peu d’espace entre les grumes, le volume requis serait de 2000 m3. Si la pile est enterrée sous 5 mètres de sol, la tranchée peut avoir les dimensions de 10 m × 10 m × 25 m (Fig. 6). La surface serait de 100 m2, seulement 0.01% de la zone de collecte du bois, la perturbation serait donc faible. Le sol remplira l’espace entre les bûches et au-dessus et sera autorisé à se déposer. La végétation peut repousser naturellement sur les sites funéraires. Des sites sélectifs peuvent être surveillés pour la pourriture du bois enterré. Les figures 3 et 6 illustrent ces procédures.