L'eau joue un rôle central dans le monde dynamique des écosystèmes. La sensibilité de la végétation à la sécheresse, en particulier, dépend de la compréhension des limitations en eau. Cependant, en essayant de démêler cette relation complexe, la communauté scientifique a souvent été paralysée par l’immense variété de types de végétation, les différents climats et l’imprévisibilité des zones racinaires. Notre étude récente, publié dans la revue scientifique New Phytologist, met en lumière certaines de ces questions ouvertes, mais il met également en évidence les domaines où subsistent des lacunes dans les connaissances.

L’apprentissage profond éclaire le stress hydrique des plantes dans tous les biomes

En utilisant des réseaux neuronaux profonds, nous avons examiné de plus près la façon dont la végétation réagit face à des conditions de sécheresse. Nous avons pu isoler et mesurer un facteur de stress hydrique (fET) qui indique les réductions de l’évapotranspiration (ET) pendant la sécheresse. Nos résultats montrent notamment des réponses variables des ET au stress hydrique. En effet, l’éventail est large, depuis le déclin rapide du fET dans certains sites de savane et de prairie jusqu’à la réduction subtile dans la plupart des forêts. Précisément, nous avons observé des diminutions prononcées du fET dans les savanes et les prairies, chutant parfois jusqu'à 10 % du taux observé dans des conditions riches en eau. En revanche, la plupart des forêts n’ont présenté que de légères réductions du fET, même lorsqu’elles ont été confrontées à d’importants déficits hydriques.

Mais voilà : dans la plupart des sites arides, après une première baisse, la relation entre fET et déficit hydrique cumulé semble se stabiliser (Figure 1). Mais pourquoi?

Figure 1 : Evolution de la réduction fractionnelle de l'évapotranspiration (fET) avec le déficit hydrique cumulé (CWD) à certaines stations de flux à covariance de Foucault. AU-RDF : Red Dirt Melon Farm, Australie. FR-Pue : Puéchabon, France. IT-Noe : Arca di Noé, Italie. US-Ton : Tonzi Ranch, États-Unis. US-Var : Vaira Ranch, États-Unis. US-SRM : Santa Rita Mesquite, États-Unis. Points colorés : fET. Ligne verte : Indice de végétation amélioré MODIS (EVI). L'EVI a été regroupé par intervalles CWD de 50 points. L'ombrage représente les quartiles inférieur et supérieur, et la ligne continue la médiane dans chaque catégorie. Le package R « LSD » a été utilisé pour tracer la densité de points (Schwalb et al., 2020).

Lorsqu’on nous a présenté ces résultats pour la première fois, nous nous sommes posé la question : était-ce dû à une résistance accrue du xylème sur ces sites, ou ces endroits pouvaient-ils accéder à des réserves d’eau souterraines plus profondes ?

La réponse, ou du moins une partie de celle-ci, a été trouvée dans des études de terrain antérieures, qui ont révélé que la végétation, en particulier dans les zones les plus sèches, peut maintenir l'ET pendant la sécheresse en raison de l'accès aux eaux souterraines ou à l'humidité plus profonde du sol. Dans le même temps, les plantes ajustent également stratégiquement leur fermeture stomatique en fonction de la progression des déficits hydriques. Cependant, de nombreux modèles conventionnels de surface terrestre ne tiennent pas compte de ces subtilités, ce qui conduit à une compréhension incomplète du stress hydrique et de ses impacts.

Vers un réseau mondial de potentiel hydrique

Et cela nous amène à une lacune critique. Malgré leur importance indéniable, les études et mesures de terrain, notamment celles portant sur le potentiel hydrique (Image 2, Image 3), ne sont pas facilement accessibles et ne sont généralement pas situés au même endroit que les mesures à l'échelle de l'écosystème. Ce manque de données pose des défis aux chercheurs qui souhaitent affiner la compréhension mondiale de la limitation en eau dans les écosystèmes terrestres.

Figure 2 : Potentiels hydriques des feuilles avant l'aube mesurés sur le terrain à l'aide de la chambre de pression foliaire, l'un des instruments les plus anciens pour l'étude de l'hydraulique des plantes. En enfermant une feuille à l'intérieur de la chambre et en augmentant progressivement la pression, le point auquel l'eau émerge de la tige coupée de la feuille indique son potentiel hydrique. Cette méthode donne un aperçu de l'état hydrique de la plante, aidant les chercheurs (comme le sujet de notre photo, qui est également l'auteur de l'étude référencée !) à comprendre son niveau d'hydratation et sa réponse au stress environnemental.
Figure 3 : Vue depuis la station suisse de flux de covariance de Foucault de Laegern (CH-Lae), où les mesures du potentiel hydrique des feuilles présentées dans la figure précédente ont été prises.

Imaginez les avancées possibles si les chercheurs avaient accès à une base de données standardisée et complète de mesures du potentiel hydrique dans divers biomes ! Notre exploration des réponses ET à la sécheresse à l’aide de l’apprentissage profond a donné des résultats prometteurs. Mais le chemin à parcourir nécessite une collaboration, des ressources partagées et un effort concerté pour combler les lacunes en matière de données.

La communauté scientifique bénéficierait grandement d’un réseau mondial de mesures du potentiel hydrique, nous donnant les outils nécessaires pour mieux comprendre les écosystèmes de notre planète. C'est quoi PSInet, une initiative visant à créer un réseau mondial de potentiel hydrique.

À PROPOS DE L'ÉCRIVAIN :

Francesco Giardina est chercheur à l'ETH Zurich, sous la direction de Sonia Seneviratne. Ses travaux portent sur les interactions sol-atmosphère, l'écohydrologie et la télédétection. Il s'intéresse particulièrement à l'application de nouvelles techniques d'apprentissage automatique pour comprendre les réponses des plantes au stress hydrique dans un contexte de changement climatique. Pour en savoir plus : Francesco Giardina | ETH Zurich

LECTURE SUGGÉRÉE:

Diagnostiquer les réponses de l'évapotranspiration au déficit hydrique dans les biomes à l'aide de l'apprentissage profond – Giardina – New Phytologist – Wiley Online Library