Sur la piste du cycle de l'eau en forêt

Sur le Hönggerberg, au nord de Zurich, se trouve un morceau de forêt qui est à la fois un espace de détente et un laboratoire. Le "laboratoire forestier" est un lieu de formation et de recherche ouvert à tous et axé sur l'expérience. La population, les spécialistes et les scientifiques vivent, gèrent et observent la forêt cultivée dans le but de mieux comprendre cet espace vital et de le préserver à long terme.

Le changement climatique est l'une des priorités thématiques du laboratoire forestier. Actuellement, des chercheurs de l'ETH étudient dans le cadre d'un projet pluriannuel comment des conditions plus chaudes et plus sèches se répercutent sur le régime hydrique de la forêt. A cet effet, Marius Floriancic, Senior Scientist à l'Institut des sciences et ingénierie de l'environnement, et les professeurs d'hydrologie de l'ETH James Kirchner et Peter Molnar exploitent sur le Hönggerberg, près du Holderbach, un système de mesure et de surveillance complet afin de saisir avec précision les flux partiels pertinents du cycle de l'eau.

Dans une étude récemment publiée dans la revue spécialisée page externeEcohydrologie Floriancic, Kirchner et Molnar ont pu montrer que le matériel végétal mort sur le sol forestier joue un rôle bien plus important dans le bilan hydrique d'une forêt que ce que l'on pensait jusqu'à présent.

Combien d'eau reste-t-il aux arbres ?

Lorsqu'il pleut en forêt, différents processus de transport et de stockage ont lieu, qui n'ont été que peu étudiés. "Mais pour comprendre la sécheresse en forêt, nous devons savoir par quels chemins et en quelles quantités la pluie qui tombe s'écoule à travers le système forestier", explique Floriancic, premier auteur de l'étude et responsable du projet hydrologique.

Ce sont des questions fondamentales auxquelles s'intéressent Floriancic et ses collègues : Où l'eau de pluie atterrit-elle lors d'une précipitation ? Quelle est la part qui parvient dans le sol ? Quelle part est utilisable par les arbres ? Combien de temps faut-il pour qu'une goutte de pluie s'évapore à nouveau sur les feuilles des arbres ?

Un bilan hydrique établi par les chercheurs pour le laboratoire forestier fournit de premières réponses : environ 20 pour cent de l'ensemble des précipitations annuelles restent accrochées à la cime des arbres et s'évaporent à nouveau dans l'atmosphère - c'est ce que les chercheurs avaient prévu. Mais ce qui les a surpris, c'est que la couche de litière composée de feuilles tombées, d'aiguilles de sapin et de bois mort retient presque autant d'eau de pluie, soit environ 18 pour cent des précipitations, sur le sol forestier. "Bien plus que ce à quoi nous nous attendions sur la base des résultats de recherche précédents", explique Floriancic. Cette partie de l'eau s'évapore également à nouveau dans l'atmosphère.

Au total, environ 38 pour cent des précipitations annuelles sont donc retenues par la canopée et la couche de litière. Cette eau ne contribue pas à l'équilibre hydrique du sol et n'est pas disponible pour les plantes. Seuls 62 % de l'eau de pluie pénètrent effectivement dans le sol forestier. Une grande partie est absorbée par les herbes et les arbustes avec leurs racines dans les couches supérieures. "En fin de compte, seule une toute petite partie des précipitations atteint les couches profondes du sol, où elle devient utilisable pour de nombreux arbres ou forme de nouvelles eaux souterraines", constate Floriancic.

Des connaissances pour une forêt en mutation

Selon les chercheurs, l'effet de stockage de la couche de litière sur le bilan hydrique des forêts a généralement été sous-estimé par le passé et donc souvent négligé dans les bilans hydriques. "Les arbres se contentent donc de beaucoup moins d'eau que prévu", résume Floriancic. Les arbres vivent en grande partie des précipitations hivernales. C'est l'une des raisons pour lesquelles, contrairement aux graminées ou aux arbustes par exemple, ils résistent mieux aux longues périodes de sécheresse en été, tant qu'il y a suffisamment d'apports en hiver, explique l'ingénieur environnemental. L'évaporation de l'eau retenue dans la couche de litière favorise le microclimat frais et humide de la forêt.

Pourquoi est-ce important ? Parce que la connaissance du régime hydrique est une condition essentielle pour comprendre les effets de la sécheresse sur la forêt. Ces connaissances sont en outre intégrées dans des modélisations du régime hydrique afin de mieux prévoir les changements futurs des forêts.

Pour leur étude, Floriancic, Kirchner et Molnar ont combiné des expériences hydrologiques avec des mesures physiologiques sur des plantes, pesé le poids humide et sec des matériaux de litière et analysé la composition chimique d'échantillons d'eau. Ils ont ainsi saisi tous les flux d'eau pendant et après les précipitations, depuis la rétention par les cimes des arbres et la litière du sol jusqu'à l'écoulement dans le Holderbach, en passant par l'eau du sol, les racines des plantes et les eaux souterraines.

Les chercheurs bénéficient du soutien actif des étudiants des départements des sciences des systèmes de l'environnement et du génie civil, de l'environnement et de la géomatique. Grâce à la proximité du campus du Hönggerberg de l'ETH, les jeunes scientifiques du laboratoire forestier sont activement impliqués dans la recherche pratique. "Une équipe d'assistant(e)s auxiliaires nous aide à prélever des échantillons et à entretenir les expériences", explique Floriancic.

Dans le cadre de cours sur le terrain et de travaux de fin d'études, les étudiants du laboratoire forestier peuvent également explorer de manière autonome des aspects du cycle de l'eau et appliquer leurs connaissances théoriques. Ainsi, le laboratoire forestier contribue aussi largement à la formation pratique des étudiants de l'ETH.