Pour voir son avenir, mieux vaut connaître son passé, qui est souvent différent de ce que l'on pensait. L'étude des variations du stockage terrestre du carbone organique que vient de réaliser Benjamin Stocker, de l’École polytechnique fédérale de Zürich, avec des collègues, l’illustre bien : elle montre que, contrairement à une idée reçue, l’humanité, n’a joué qu’un rôle mineur dans les évolutions du cycle du carbone pendant les 11 000 dernières années. Avant que tout ne change brusquement à partir de 1850.

L'Holocène, la période géologique actuelle, qui a commencé il y a quelque 11 000 ans, succède à 8 000 ans de déglaciation. Il y a 20 000 ans en effet, d'immenses calottes de glaces recouvraient les continents de l'hémisphère nord et le niveau de l'océan était 120 mètres plus bas. Or les glaciations successives ont accumulé d'énormes quantités de matières organiques dans les sols des milieux arctiques, et subarctiques, mais aussi tempérés et tropicaux. La dernière déglaciation a donc progressivement libéré de gigantesques surfaces de sols saturés de matières organiques gelées, formant de très nombreuses tourbières (on nomme ainsi les sol dont au moins les 30 premiers centimètres sont faits de tourbe). Or on sait que les tourbières sont des puits de carbone, c'est-à-dire qu'elles sont capables de le stocker en grandes quantités. Depuis la glaciation, elles ont ainsi piégé pas moins de 3 000 milliards de tonnes de carbone… Dans le même temps, la remontée de l’océan mondial et l’intense développement corallien qui l’a accompagné ont aussi absorbé beaucoup de carbone organique.

Or la multiplication de ces puits de carbone terrestres par la déglaciation était largement avancée mais toujours en cours lorsqu'est survenue la révolution néolithique, il y a environ 11 000 ans. Le développement de l'agriculture a progressivement multiplié les surfaces cultivées, qui sont des émetteurs nets de carbone et dans la zone tempérée, le défrichement de la forêt a conduit à partir de l'âge du Bronze à la formation de larges paysages ouverts. L'émission de carbone d'origine anthropique n'a pu qu’augmenter sans discontinuer à mesure que les sociétés agricoles se développaient. Dès lors, l'augmentation du taux de gaz à effet de serre dans l'atmosphère et le réchauffement de la planète n'aurait-il pas commencé dès le Néolithique ?

Afin de préciser notamment le rôle de l’agriculture dans le cycle du carbone au cours de l’Holocène, l'équipe de Benjamin Stocker a restitué comment le stockage du carbone organique a évolué dans les puits de carbone terrestres. Pour cela, les chercheurs ont comparé la variation du stockage total de carbone organique dans les terres à la variation du stockage de ce même élément dans les tourbières seulement.

Le stock total de carbone dans les terres est forcément supérieur au stock total de carbone dans les tourbières, puisqu’il le comprend, mais ce n’est pas le cas de ses variations, qui s’avèrent inférieures à celles du stockage dans les tourbières durant l’Holocène.

Pour déterminer les variations dans le temps du stock de carbone dans les écosystèmes terrestres, les chercheurs ont exploité les résultats déduits de l'étude des carottes glaciaires arctiques et antarctiques, véritables enregistrements de la composition de l’atmosphère. La variation du stockage de carbone terrestre se déduit de la mesure du taux de dioxyde de carbone atmosphérique et de celle du « delta 13C ». Ce rapport isotopique carbone 13/carbone 12 dans l'atmosphère traduit en particulier le fractionnement isotopique (tri entre isotopes) opéré par la photosynthèse dans une atmosphère plus ou moins chargée de dioxyde de carbone.

Les variations du stock de carbone dans les tourbières sont pour leur part plus incertaines à déterminer. Afin de les restituer, les chercheurs ont mis en concurrence deux méthodes de natures radicalement différentes. Ils ont d'abord exploité les résultats qui infèrent le stock total de carbone piégé dans les terres période par période à partir des mesures directes réalisées dans 64 carottes prélevées dans des tourbières et autres terres humides et datées. Ils ont aussi fait tourner le vaste programme de simulation du cycle du carbone dans l'écosystème terrestre LPX (Land surface Processes and eXchanges Dynamic Global Vegetation Model), progressivement perfectionné à l'université de Bern depuis des dizaines d'années. Ce programme calcule le comportement des écosystèmes terrestres à partir d'un maillage de cellules territoriales, dont chacune est caractérisée par un niveau de végétation, de surface de tourbières, de carbone du sol, etc.

Une fois obtenu deux courbes pour les variations du stock de carbone dans les tourbières et une courbe pour la variation du stock terrestre de carbone, les chercheurs les ont mis en regard de la courbe du taux de dioxyde de carbone atmosphérique au cours de l'Holocène. Que nous apprend cette comparaison ?

Pour commencer, on observe qu'après une rapide augmentation au sortir du Paléolithique (avant 11 000 ans), le taux de carbone atmosphérique diminue, atteignant un minimum vers 7 000 ans. Pendant la même période, le stock terrestre de carbone augmente jusqu'à 140 milliards de tonnes de carbone, une valeur très proche de l’augmentation dans les tourbières. La variation du stockage terrestre s’est donc faite essentiellement dans les tourbières issues de la déglaciation. Par ailleurs, les émissions de dioxyde de carbone liées aux débuts de l'agriculture et à l'élevage au néolithique apparaissent négligeables et n’expliquent pas l’ampleur des variations du stockage du carbone dans les terres.

Après 7 000 ans, le taux de dioxyde de carbone atmosphérique se met à croître régulièrement. La courbe mesurée et la courbe simulée de la variation du stock de carbone dans les tourbières grimpent alors de façon marquée, et finissent, après 5000 ans, par dépasser toutes les deux la variation du stock total de carbone dans les écosystèmes terrestres, qui se met à décroître lentement. Ainsi, après 7 000 ans, une forte émission de carbone dans l’atmosphère est nécessaire pour expliquer l’importance du stockage dans les tourbières.

Peut-on envisager que la différence s’explique par les émissions d’origine humaine ? Oui, mais seulement en partie. Les émissions liées à l’agriculture au cours de l’Holocène prédites par les divers modèles ne sauraient suffire. Pour la période 7 000 - 5 000 ans, par exemple, ces modèles décrivent une forte expansion agro-pastorale en Mésopotamie, dans l'Indus, en Égypte, en Chine, en Mésoamérique et le long de la côte pacifique de l’Amérique du Sud, mais l’ensemble des émissions associés ne suffisent à expliquer les 66 milliards de tonnes de carbone supplémentaire dans les tourbières pointées par les chercheurs. La période 5 000 - 3 000 ans, pour sa part, est celle de l’entrée dans l’âge du Bronze, avec ses sociétés ayant adopté des pratiques agricoles et d’élevage plus intenses au sein de paysages déjà largement ouverts tandis que la population atteignait sans doute 100 millions d’individus. Une fois encore, l’ensemble des émissions d’origine humaine ne sauraient expliquer les 80 à 100 milliards de tonnes supplémentaires de carbone piégées dans les tourbières. La différence reste une énigme pour les chercheurs qui évoquent un possible rôle du refroidissement du climat vers la moitié de l'Holocène.

Pendant le dernier millénaire, enfin, des périodes pendant lesquelles le stockage du carbone dans les sols a été soutenu alternent avec des périodes où de déstockage (entre 920 et 1200 et après les débuts de l'industrialisation), tandis que le stockage dans les tourbières varie peu. Un détail attire l’attention : le taux de dioxyde de carbone atmosphérique décroît brusquement après 1600. Cette période coïncide avec l’arrivée des Européens aux Amériques. Or, on sait qu’en quelques dizaines d’années, les maladies apportées par les envahisseurs vont réduire de 70 à 90% une population amérindienne très paysanne qui comptait peut-être jusqu’à 80 millions d’individus… La brusque variation du taux de dioxyde de carbone atmosphérique pourrait donc s’expliquer en partie par la disparition d’énormes surfaces de culture sur le continent américain.

Quoi qu'il en soit, entre 1750 et 1850, la société encore agricole explique l'augmentation toujours lente des émissions de carbone. Celles-ci explosent à partir de 1850 avec l’industrialisation qui s’accompagne de l’exploitation de plus en plus intense des combustibles fossiles. Ainsi, alors qu’en 1850 le taux atmosphérique de dioxyde de carbone était resté depuis plus de 4 000 ans autour de 200 parties par million, il augmente de plus en plus vite ensuite, jusqu'à dépasser en 2016 le niveau symbolique de 400 parties par million.