Extrait de la Lettre n°5 du Programme International Géosphère Biosphère-Programme Mondial de Recherches sur le Climat (PIGB-PMRC)

Schéma ci-contre :
La comparaison de la simulation et de la reconstitution de la végétation passée permet de tester la validité de différents MCGA (Modéle de Circulation Générale Atmosphérique )

1a - Reconstruction des biomes en Europe pour la période 6.000 ans BP et pour l'Actuel.

1b - Simulation des biomes en Europe pour la période 6.000 ans BP à partir du modèle paléoclimatique du LMCE

2 - Reconstitution des précipitations annuelles et des sommes de températures journalières au-dessus du seuil de 5°C (un paramètre indiquant la température de la saison de végétation) en Europe il y a 6.000 ans à partir des spectres polliniques.

3 - Evolution du stock de carbone (Gt) dans le sol et la végétation depuis 13 000 ans BP jusqu'à nos jours en Europe (pour la zone géographique commune à l’est de 30°E et au sud de 40°N).

4 - Distribution du stock actuel de carbone (Gt) dans la végétation et évolution de sa distribution (en écarts à l’actuel en Gt) dans la végétation pour 4 périodes du passé.

Une banque de données polliniques a été mise en place depuis 1989 afin de faciliter la reconstitution des fluctuations de la végétation et du climat du passé en Europe à partir des pollens fossiles présents dans les sédiments. Elle contribuera à la prévision de l'évolution de la végétation en cas de changement climatique.

Les pollens, indicateurs de la végétation
Les spores et grains de pollen sont disséminés par les plantes et se conservent durant des centaines de milliers d'années quand ils sont enfouis dans les sédiments de milieux humides (lacs, tourbières, océan ...), archivant de cette manière les états successifs de la végétation environnante. La palynologie, une science vieille seulement d'un siècle, permet d'identifier les plantes (ou taxon) qui émettent le pollen à partir de la forme des grains et par là de reconstituer le paysage végétal correspondant. Cette reconstitution nécessite de connaître la relation entre les types de végétation et leurs production de pollen ainsi que la dispersion de ce dernier. Cette question fait l'objet de nombreuses études. Le palynologue mesure l'abondance des différents taxons identifiés dans chaque niveau du sédiment et établit ainsi un "assemblage" ou encore "spectre" pollinique à chaque étape du passé. Ce sont les fluctuations de ces assemblages le long d'un profil sédimentaire, représentées sous forme d'un diagramme pollinique, qui sont utilisées pour reconstituer l'histoire de la végétation à proximité du site de prélèvement. Des techniques statistiques appropriées, appelées fonctions de transfert, permettent d'en déduire l'histoire du climat.
En Europe, des milliers de diagrammes polliniques couvrant ainsi l'histoire de la végétation passée depuis des milliers d'années ont été établis depuis des décennies. Afin de préserver ces archives et surtout de pouvoir établir des synthèses à l'échelle du continent, il a été décidé en 1989 d'établir une base européenne de données polliniques (EPD*). Cela supposait un cadre informatique bien établi et un important effort d'harmonisation des données, en particulier du point de vue de la nomenclature taxonomique.

La banque de données de pollen
La structure de la banque a été définie en accord avec son équivalent nord-américain et les données sont stockées au National Geophysical Data Center de Boulder (USA) où des efforts ont été entrepris pour construire une banque mondiale homogène sous la responsabilité d'E. Grimm. Elle sera également bientôt disponible sur le serveur de MEDIAS-France à Toulouse.
Dans cette banque de données sont stockées, pour chaque site, abondances polliniques, datations, coordonnées géographiques, taxonomie, descriptions de végétation actuelle, références bibliographiques... Actuellement, plus de 600 sites sont disponibles dans la banque couvrant le dernier cycle climatique, c'est à dire les derniers 140.000 ans, avec un maximum d'information sur les 15.000 dernières années, époque qui retrace la sortie de la dernière glaciation et l'interglaciaire actuel (Holocène).
Les données stockées sont les données originales telles qu'elles ont été publiées par leurs auteurs, mais pour les rendre utilisables, il faut adopter une taxonomie commune, dater très précisément chaque spectre pollinique à partir d'un modèle d'âge établi pour le profil sédimentaire, transformer les comptages bruts en pourcentages ... C'est un travail de longue haleine. Des logiciels conviviaux sont en cours de développement pour faciliter l'accès des données à partir de requêtes du type :
- quelle était l'extension du chêne il y a 8.000 ans ?
- quelles sont les données disponibles pour le dernier maximum glaciaire dans les Alpes ?
- quels sont les diagrammes polliniques de la région du Velay?...
Une telle banque de données fournit également des informations plus élaborées, telles que la distribution de la végétation, du climat, du stock de carbone continental à des périodes clé du passé. C'est ce que nous allons illustrer maintenant.

Reconstitution de la végétation en Europe il y a 6 000 ans
Depuis 25 000 ans le climat a évolué entre une époque glaciaire (extension maximale des calottes glaciaires sur l'hémisphère nord vers 21 000 ans) et interglaciaire. Nous sommes depuis cette époque dans un "interglaciaire" caractérisé par la disparition des grandes calottes glaciaires qui occupaient l'Amérique du nord et le nord de l'Eurasie. Bien qu'en moyenne chaud, ce climat a évolué durant ces 12 000 dernières années et est passé il y a 11 000 ans par une phase où l'insolation en été dans l'hémisphère nord était plus forte comparée à l'actuel, entraînant une évolution de la végétation. Deux périodes clé ont ainsi été choisies (21 000 ans et 6 000 ans) pour comprendre l'impact des fluctuations de l'insolation et de l'extension des calottes de glace sur les déplacements de la végétation. Nous présentons ici les procédures permettant de reconstituer ces variations :

Prentice et al. (1992) ont publié un modèle capable de simuler, à l'échelle planétaire, la distribution des grands biomes à partir de cinq paramètres bioclimatiques majeurs (quatre variables thermiques et une variable d'évapotranspiration réelle). Utilisant les simulations du climat passé par les Modèles de Circulation Générale Atmosphérique (MCGA), ce modèle de biomes simule les déplacements de végétation suite aux fluctuations de l'insolation et de l'extension des calottes glaciaires (voir schéma). Il permet donc de comparer les différents MCGA en intégrant l'ensemble des paramètres climatiques qui influencent les déplacement des zones de végétation. Le programme Paleoclimate Modelling Intercomparison Project (PMIP), coordonné par S. Joussaume et K. Taylor a pour objectif de comparer les performances et particularités des MGCA pour des périodes extrêmes du passé, (voir article "La modélisation des climats passés : le projet PMIP" ). La démarche sera complète s'il est possible d'adopter une démarche similaire aboutissant à la reconstruction de la végétation à partir des données polliniques (voir schéma).

Une méthode a été mise au point pour attribuer un biome à chaque spectre pollinique (Prentice et al., 1996). Cette méthode, testée sur les données actuelles, a été appliquée aux données polliniques disponibles pour la période de 6.000 ans BP (figure 1a ). Cette figure illustre l'extension il y a 6 000 ans des forêts vers le nord et le sud, le premier étant induit par un réchauffement des hautes latitudes et le second par une augmentation des précipitations sur le bassin méditerranéen. A cette époque la forêt décidue s'étendait vers l'est au détriment de la forêt de conifères, indiquant vraisemblablement des hivers plus doux sur la région concernée. Un modèle climatique devra donc montrer de semblables fluctuations climatiques pour être validé par les données.
L'objectif est d'étendre ce type de méthodologie au globe pour deux périodes clé (6 000 et 21 000 ans). Ce travail est en cours sous la direction de T.Webb et I.C. Prentice dans le cadre du projet Biome 6000 soutenu par plusieurs " core-projects " du PIGB (PAGES, GAIM et DIS). Ainsi, les cartes de biomes simulés à partir des MCGA pourront être comparées aux biomes reconstitués à partir des spectres polliniques et cela, dans toutes les régions sensibles au niveau climatique (régions à mousson, régions circumpolaires, Méditerranée...). La figure 1b montre la reconstitution des biomes à cette époque obtenue par des simulations faites par le LMCE à l'aide du modèle de climat du LMD.

Le climat en Europe il y a 6 000 ans
Parallèlement à la reconstitution des biomes à partir des pollens, celle du climat pourrait permettre également d'évaluer les performances des modèles climatiques. Cependant, remonter à la fois à la température et aux pluies à partir de la végétation est souvent difficile. L'approche utilisée se base sur plusieurs indicateurs complémentaires.
En région tempérée, le facteur primordial pour la végétation est la température. La reconstruction des précipitations n'est possible que dans des régions à stress hydrique, qui s'exerce surtout en été. Des informations complémentaires à celles de la végétation sont disponibles si l'on considère les niveaux lacustres qui reflètent, si les lacs sont bien choisis, le bilan "précipitation moins évaporation". De telles données sont disponibles dans la banque mondiale de données lacustres coordonnée par S.P. Harrison (Yu and Harrison, 1995 pour l'Europe). Elles se présentent sous la forme de valeurs simples (très hauts niveaux par rapport à l'actuel, hauts niveaux, sans changements, bas et très bas niveaux). La représentation graphique de ces données montre une grande cohérence et donc un signal essentiellement climatique.
La reconstruction du climat à partir des données polliniques (voir schéma) est basée sur la technique des "analogues actuels". Pour chaque spectre pollinique ancien, on cherche les spectres actuels qui lui ressemble le plus. Si ces spectres actuels sont réellement des analogues des spectres anciens, il n'y a pas lieu de penser qu'ils sont associés à un climat différent et donc la moyenne de leurs climats est une bonne estimation du climat passé correspondant. Dans le cas contraire, plusieurs analogues sont envisageables et les données lacustres vont servir à trier ces analogues.
La figure 2 représente les reconstructions de précipitations annuelles et des sommes de températures journalières au-dessus du seuil de 5°C reconstruites pour 6 000 ans BP à partir de 403 sites polliniques et 110 sites lacustres. Les écarts à l'actuel des reconstitutions sont interpolés sur un maillage de 0.5° de résolution. Cette figure nous montre que le nord-est de l'Europe était plus chaud il y a 6 000 ans que maintenant, la marge atlantique plus sèche et le sud plus froid et humide, ce qui est en accord avec les déplacements de végétation mis en évidence sur la figure 1.

Reconstitution du stock de carbone
La prévision de l'évolution du CO2, gaz à effet de serre, au cours du siècle prochain, nécessite une bonne compréhension du cycle du carbone et donc une bonne connaissance des différents réservoirs et de leurs flux d'échange. Une grande incertitude existe en ce qui concerne la quantité de carbone stockée par les écosystèmes terrestres. Les estimations relatives à la végétation et aux sols tournent autour de 2.000 Gt (gigatonnes ou 10¹² kg) de carbone organique avec une imprécision de plusieurs centaines de Gt. En comparaison on constate que, sous l'impact de l'activité humaine, l'atmosphère s'enrichit chaque année d'environ 3 Gt de carbone sous forme de CO2. La végétation et le sol peuvent se comporter soit en puits, dans le cas d'une accélération de la photosynthèse (comme celle qui s'est produite lors de la déglaciation) soit en source par augmentation à la fois de la respiration et de la décomposition du carbone du sol (ce qui pourrait être le fait d'un réchauffement global).
Des modèles de la biosphère terrestre ont été mis au point pour mieux comprendre ces phénomènes. Parallèlement différentes tentatives ont été faites pour estimer l'augmentation du stock de carbone de cette biosphère lors de la dernière déglaciation. Adams et al. (1990) l'ont estimée à 1.350 Gt, Van Campo et al. (1993) à 430-930 Gt et Crowley (1995) à 750-1.050 Gt. D'autres estimations existent mais elles sont basées sur des modèles climatiques et donc leur fiabilité est conditionnée par celle de ces modèles. Une grande partie de ces incertitudes est due au manque de données et sans doute au manque d'"analogues actuels" des écosystèmes glaciaires. La banque pollinique globale permettra d'améliorer ces estimations.
Une méthodologie basée à la fois sur des modèles simples de biosphère et sur les données polliniques a été mise au point et testée sur l'Europe en ce qui concerne les derniers 13 000 ans. Les données polliniques nous permettent de reconstruire la distribution des biomes passés et les fluctuations climatiques, tandis que le modèle de biosphère permet d'estimer la productivité primaire ainsi que le stock de carbone dans les sols et la végétation.
Durant les derniers 13 000 ans, le fait majeur est la diminution de la calotte polaire accompagné d'une augmentation des forêts au début de l'Holocène avec une extension des forêts décidues entre 9 000 et 3 000 ans BP. Ces dernières ont régressé progressivement il y a deux mille ans au profit des forêts de conifères. Au niveau du stock de carbone (figures 3 et 4), il n'y a pas eu de variations significatives durant les derniers 8.000 ans. Entre la fin du dernier glaciaire (13 000 ans BP.) et 9.000 ans BP, les surfaces recouvertes de glace et les zones périphériques dominées par les steppes et la toundra font place peu à peu à une forêt boréale, ce qui induit une augmentation du stock de carbone de l'ordre de 60 Gt.

Perspectives
La reconstitution des cartes de la végétation à partir des données polliniques, pour différentes périodes du passé et étendues à tout le globe, constitue tout d'abord un outil d'évaluation incontournable des modèles climatiques. C'est l'objet du programme PMIP.
D'autres applications de la banque de donnée sont également envisagées ou en cours de développement. Par exemple, les agronomes qui étudient la diversité génétique des essences forestières commencent à établir à l'échelle de l'europe des cartes de peuplements. Ils souhaitent valider leurs hypothèses historiques sur la mise en place de ces peuplements en les comparant à l'évolution des forêts retracées à partir de la banque de pollen. D'autre part, les archéologues qui s'intéressent à l'histoire de l'homme trouvent dans les diagrammes polliniques les empreintes humaines: l'effet de l'homme sur le paysage et sur la diversité biologique peut être étudiée à l'échelle du globe grâce à cette banque de données.
Enfin la reconstitution passée de la végétation à partir de la banque de pollen permet également l'évaluation des modèles dynamiques de la végétation: ces modèles peuvent ainsi être testés dans des conditions assez différentes des conditions actuelles avant d'être appliqués au futur dans le cadre d'un changement climatique.

Contact :
Joël Guiot
Laboratoire Botanique Historique et Palynologie
Faculté des Sciences de St Jérôme, Case 451
13397 Marseille Cedex 20