Émissions de méthane des zones humides

Les zones humides contribuent à hauteur d'environ 167 Tg de méthane à l'atmosphère par an^[4]. Dans l'inventaire mondial des émissions de méthane^[5], certaines zones humides (rizières, bouchon vaseux de nombre d'estuaires, tourbières en feu…) constituent la plus grande source naturelle de méthane atmosphérique au monde, tout en étant des puits de carbone. Or, dans le contexte du dérèglement climatique, et dans le contexte du réchauffement global, ces relargages pourraient encore beaucoup augmenter ; ils sont donc un sujet de préoccupation majeur concernant la prospective climatique et la lutte contre le Réchauffement climatique^[6],[7],[8]. Les zones humides sont caractérisées par des sols hydromorphes, c'est-à-dire gorgés d'eau et des communautés distinctives d'espèces de plantes et d'animaux qui ont évolué et se sont adaptées à la présence constante d'eau. Quand le sédiment est riche en matière organique, pauvre en oxygène et saturé en eau, des conditions propices à la production de méthane par certains microbes sont réunies.

La plupart de la méthanogenèse, ou production de méthane, se produit dans des environnements pauvres en oxygène ou anoxiques. Parce que les microbes qui vivent dans des environnements chauds, humides ou ennoyés et sans lumière consomment de l'oxygène plus rapidement qu'il ne peut en diffuser à partir de l'atmosphère, certaines zones humides sont les environnements anaérobies idéaux pour la fermentation ainsi que l'activité méthanogène. Cependant, les niveaux de méthanogenèse peuvent fluctuer car ils dépendent de la disponibilité de l'oxygène, de la température du milieu (sédiment, sol, déchet fermentescible, nécromasse…) et de sa composition ; un environnement plus chaud et anaérobie, riche en matière organique permet une méthanogenèse plus efficace^[9].

La fermentation est un processus utilisé par certains types de micro-organismes pour décomposer les nutriments essentiels. Dans un processus appelé méthanogenèse acétoclastique, les micro-organismes du domaine de classification des archées produisent du méthane en fermentant de l'acétate, et du H₂CO₂ en méthane et en dioxyde de carbone.

H₃C-COOH → CH₄ + CO₂

Selon la zone humide et le type d'archées, la méthanogenèse hydrogénotrophe, un autre processus qui produit du méthane, peut également se produire. Ce processus se produit à la suite de l'oxydation de l'hydrogène par les archées avec du dioxyde de carbone pour produire du méthane et de l'eau.

4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O

Il existe de nombreux types de zones humides, chacune caractérisée par des cortèges uniques d'espèces et des conditions aquatiques : les marais, les tourbières, les fens, les mires, les Fondrière de mousse (muskegs)^[10], et les pocosins. Étant donné que chaque type de zone humide est unique, les mêmes caractéristiques utilisées pour classer chaque zone humide peuvent également être utilisées pour caractériser la quantité de méthane émise par cette zone humide particulière. Tout environnement au moins en partie saturé d'eau, avec un niveau au moins modéré de décomposition, crée les conditions anaérobies nécessaires à la méthanogenèse, mais la quantité d'eau et de matière fermentescible, ainsi que la vitesse de décomposition, et le degré d'activité des méthanotrophes, y moduleront l'ampleur des émissions de méthane. Par exemple, une nappe phréatique plus basse (niveau piézométrique) peut entraîner une baisse des émissions de méthane, car de nombreuses bactéries méthanotrophes nécessitent des conditions oxiques pour oxyder le méthane en dioxyde de carbone et en eau. Inversement, une remontée de nappe entraînera un aussi une élévation de l'émissions de méthane, car il y a moins de surface habitable pour les bactéries méthanotrophes, et ainsi le méthane peut plus facilement se diffuser dans l'atmosphère sans se décomposer.

Les zones humides évoluent dans l'espace et le temps, ainsi que leurs émissions de méthane.

Par exemple, les tourbières contiennent une grande quantité de tourbe ou d'organismes partiellement décomposés. Lorsque les tourbières se développent pour la première fois, elles sont souvent au départ des fens, des zones humides caractérisées par un sol riche en minéraux. Ces zones humides inondées, avec des nappes phréatiques plus élevées, auraient naturellement des émissions de méthane plus élevées. Finalement, les fens se transforment en tourbières, zones humides acides avec des accumulations de tourbe et des nappes phréatiques plus basses. Avec des nappes phréatiques plus basses, les émissions de méthane sont plus facilement consommées par les bactéries méthanotrophes, ou consommatrices de méthane, et ne parviennent jamais à l'atmosphère. Au fil du temps, les tourbières se développent et se retrouvent avec des flaques d'eau accumulées, ce qui augmente encore une fois les émissions de méthane.

Une fois produit par des organismes anaérobies, le méthane peut atteindre l'atmosphère par trois voies principales : la diffusion moléculaire, le transport à travers l'aérenchyme végétal et l'ébullition. La productivité primaire alimente les émissions de méthane à la fois directement et indirectement, car les plantes fournissent non seulement une grande partie du carbone nécessaire aux processus de production de méthane dans les zones humides, mais peuvent également affecter son transport. Plus récemment, on a montré l'existence d'une voie de production et émission aérobie de méthane, mais qui est encore mal expliquée, et qui concerne des quantités encore très discutées.

La diffusion à travers le profil fait référence au mouvement du méthane à travers le sol et les plans d'eau pour atteindre l'atmosphère. L'importance de la diffusion comme voie varie selon les zones humides en fonction du type de sol et de végétation^[11]. Par exemple, dans les tourbières, la quantité massive de matière organique morte, mais non en décomposition, entraîne une diffusion relativement lente du méthane à travers le sol^[12]. De plus, comme le méthane peut voyager plus rapidement dans le sol que dans l'eau, la diffusion joue un rôle beaucoup plus important dans celles les zones humides où le sol est moins saturé en eau et plus perméable.

L'aérenchyme végétal fait référence aux tubes de transport en forme de vaisseau dans les tissus de certains types de plantes. Les plantes avec aérenchyme possèdent un tissu poreux qui permet le déplacement direct des gaz vers et depuis les racines des plantes. Le méthane peut voyager directement du sol dans l'atmosphère en utilisant ce système de transport^[12]. Le « shunt » direct créé par l'aérenchyme permet au méthane de contourner l'oxydation par l'oxygène qui est également transporté par les plantes jusqu'à leurs racines.

L'ébullition fait référence à la libération soudaine ou régulière de bulles de méthane, dans l'eau ou dans l'air, à partir de l'accumulation de méthane dans le sédiment (par exemple sous le biofilm qui s'y forme) ou dans des poches qui finissent par se former sans le sol.

La majorité des grands fleuves mondiaux, suite à leur anthropisation et/ou à celle de leur bassin versant sont devenus une source nette et significative de dioxyde de carbone et de méthane, contribuant au réchauffement climatique. Ceci a notamment été illustré en 2025 par une étude publiée dans Nature^[14] sur le plus long fleuve de Chine, le Yangtsé, dont les eaux sont souvent sursaturées en CO2, à cause d'un excès de matière organique issue du bassin versant. Ce fleuve et ses affluents émettent environ 830 000 tonnes/an de méthane (= environ 1,15 milliard de m³/an, soit l’équivalent d’environ 2,5 % de la consommation annuelle de gaz naturel d'un pays comme la Suisse), hors estuaire, et 86% de ce CH4 est issu d'une ébullition spontanée. Ces flux sont plus intenses en été, et plus intenses encore en zones urbaines (une autre étude a montré que les rivières urbaines sont une source majeure et largement sous‑estimée de gaz à effet de serre, émettant en moyenne environ 78 Tg CO₂‑éq par an, soit près du double des émissions des rivières non urbaines, à surface équivalente^[14] (sans comptabiliser les émissions de GES des stations d'épuration du bassin)^[15].

Les émissions de CH₄ et N₂O sont plus intenses dans les pays à revenu intermédiaire (où la pollution est moins traitée). Ces données sont à mieux intégrer dans les modélisation et priorités de réduction des gaz à effet de serre, pour aussi mieux choisir les futures implantations hydroélectriques afin de les rendre moins émettrices et limiter les pertes de sols, via une « planification fondée sur des modèles d’émissions »^[14],[16].

Un cas particulier est celui des sédiments accumulés dans les retenues de barrages (il y a plus de 50 000 barrages de toutes tailles sur le Yangtsé, dont celui, géant, des Trois-Gorges, qui bloquent 70 % à 80 % de la charge sédimentaire historique du fleuve). Là, l'anoxie sédimentaire augmente, transformant ces zones en points chauds de méthanogénèse bactérienne et d'émissions^[17],[18]. De plus l'eutrophisation ou la dystrophisation induites par les apports massifs d'engrais agricoles dans le bassin stimulent la production primaire (dopage de la photosynthèse le jour, mais largement contrebalancé la nuit par une production accrue de protoxyde d'azote et une décomposition accrue de la biomasse algale excédentaire)^[19].

Dans ce dernier cas, les poches peuvent grossir et lentement surélever le sol, jusqu'à ce que la pression fasse éclater la bulle qui libère le méthane (avant qu'il ait le temps d'être éventuellement consommé par des micro-organismes méthanotrophes)^{[réf. nécessaire]}.

Avec ce dégagement de gaz, le niveau de sol s'abaisse alors de nouveau. Dans une tourbière du Minnesota, on a ainsi observé des déformations rapides (plus de 20 cm de déplacement vertical en quelques heures, synchrones de chutes de pression dans les couches profondes, révélant des éruptions massives de bulles de gaz piégées dans la tourbe. Trois de ces épisodes ont libéré à eux seuls 136 g de CH₄ par m², soit plus d’un ordre de grandeur au‑dessus des flux annuels mesurés en surface, montrant que l’ébullition profonde est majeure et jusque‑alors sous‑estimée, de méthane appauvri en radiocarbone dans les tourbières boréales^[20]. Ces mouvements de sol peuvent aussi enregistrée par des Piézomètres ou la mesure des charges hydrauliques.
Il a été noté que le phénomène augmente après les précipitations importantes, suggérant un lien entre précipitations intenses et émissions de méthane dans les zones humides^[20].

L'ampleur des émissions de méthane d'une zone humide est généralement mesurée à l'aide de techniques de covariance de Foucault, de gradient ou de flux de chambre, et dépend de plusieurs facteurs, y compris la nappe phréatique, les rapports comparatifs des bactéries méthanogenèses aux bactéries méthanotrophes, les mécanismes de transport, la température, le type de substrat (en), la vie végétale et le climat. Ces facteurs agissent ensemble pour affecter et contrôler le flux de méthane dans les zones humides.

Dans l'ensemble, le principal déterminant du flux net de méthane dans l'atmosphère est le rapport du méthane produit par les bactéries méthanogènes qui parvient à la surface par rapport à la quantité de méthane oxydé par les bactéries méthanotrophes avant d'atteindre l'atmosphère^[21]. Parfois la production d'hydrate de méthane piège aussi une partie du méthane produit par les bactéries, et d'autres facteurs modulateurs interviennent. De plus, les voies d'émission de méthane affectent la façon dont le méthane se déplace dans l'atmosphère et ont donc un effet égal sur le flux de méthane dans les zones humides^[pas clair].

Le premier facteur déterminant à considérer est le niveau piézométrique. Non seulement l'emplacement de la mare (pool) et de la nappe phréatique détermine les zones où la production ou l'oxydation du méthane peut avoir lieu, mais il détermine également la vitesse à laquelle le méthane peut se diffuser dans l'air. Lorsqu'elles voyagent dans l'eau, les molécules de méthane pénètrent dans les molécules d'eau en mouvement rapide et mettent ainsi plus de temps à atteindre la surface. Les déplacements dans le sol sont cependant beaucoup plus faciles et se traduisent par une diffusion plus facile dans l'atmosphère. Cette théorie du mouvement est étayée par des observations faites dans les zones humides où des flux importants de méthane se sont produits après une baisse de la nappe phréatique due à la sécheresse^[21]. Si la nappe phréatique est à la surface ou au-dessus de la surface, alors le transport du méthane commence à se faire principalement par ébullition et par transport vasculaire ou pressurisé par les plantes, avec des niveaux élevés d'émission se produisant pendant la journée à partir des plantes qui utilisent la ventilation pressurisée.

La température est également un facteur important à considérer car la température de l'environnement — et la température du sol en particulier — affecte le taux métabolique de production ou de consommation par les bactéries. De plus, comme les flux de méthane se produisent chaque année avec les saisons, des preuves suggèrent que les changements de température associés au niveau de la nappe phréatique agissent ensemble pour provoquer et contrôler les cycles saisonniers^[22].

La composition et température du substrat, ainsi que la biodisponibilité de ses nutriments pour les bactéries méthanogènes et méthanotrophes modulent le taux de production et de consommation de méthane. Ainsi, les sols ou sédiments humides riches en acétate d'hydrogène et de dioxyde de carbone sont propices à la méthanogenèse. De plus, le type de vie végétale et la quantité de décomposition végétale affectent les nutriments disponibles pour les bactéries ainsi que l'acidité. Les lixiviats végétaux tels que les composés phénoliques de la sphaigne peuvent également interagir avec les caractéristiques du sol pour moduler la production et la consommation de méthane^[23]. Une disponibilité constante de cellulose et un pH du sol d'environ 6,0 ont été déterminés pour fournir des conditions optimales pour la production et la consommation de méthane ; cependant, la qualité du substrat peut être supplantée par d'autres facteurs^[21]. Le pH et la composition du substrat doivent encore être comparés aux effets de la nappe phréatique et de la température.

La production nette de l'écosystème (Net ecosystem production, NEP) et les changements climatiques sont les facteurs englobants, qui ont une relation directe avec les émissions de méthane des zones humides. Dans les zones humides avec des nappes phréatiques élevées, il a été démontré que la NEP augmente et diminue avec les émissions de méthane, probablement en raison du fait que les émissions de NEP et de méthane évoluent avec la disponibilité du substrat et la composition du sol. Dans les zones humides avec des nappes phréatiques plus basses, le mouvement de l'oxygène dans et hors du sol peut augmenter l'oxydation du méthane et l'inhibition de la méthanogenèse, annulant la relation entre émissions de méthane et NEP car la production de méthane dépend de facteurs profonds dans le sol.

Un climat changeant affecte de nombreux facteurs au sein de l'écosystème, y compris la nappe phréatique, la température et la composition des plantes dans la zone humide - tous facteurs qui affectent les émissions de méthane. Cependant, le changement climatique peut également affecter la quantité de dioxyde de carbone dans l'atmosphère environnante, ce qui réduirait à son tour l'ajout de méthane dans l'atmosphère, comme le montre une diminution de 80 % du flux de méthane dans les zones où les niveaux de dioxyde de carbone ont doublé^[21].

Les humains drainent souvent les zones humides au nom du développement (pour exploiter les tourbières notamment, pour l'urbanisation ou l'agriculture ou la production de palmiers à huile (en Indonésie notamment). Ce faisant, ils abaissent la nappe phréatique en augmentant la consommation de méthane par les bactéries méthanotrophes du substrat^[21]. Cependant, l'export d'eau via le drainage, crée des fossés saturés d'eau et éventuellement d'autres zones humides en aval, qui, en environnement chaud et humide peuvent à leur tour émettre une grande quantité de méthane. In fine l'effet réel sur les émissions de méthane dépend de facteurs complexes : si sa nappe a baissé, la minéralisation d'une tourbière libère du CO₂ et du méthane ; ses drains sont des milieux humide qui peuvent aussi en libérer. Une zone humide qui densément végétalisée par peut redevenir un puits de carbone et de méthane, et ceci, au gré de modifications naturelles ou anthropiques du bassin versant et du climat.

Les pergélisols sont en grande partie et en quelque sorte d'immenses zones humides en grande partie congelées, mais le réchauffement anthropique a commencé à les faire fondre.

Sous les millions d'hectares de toundra sibérienne et canadienne, ils contiennent une grande quantité de matière organique fermentescible (qui sera source de méthane), et une grande quantité de clathrates. Leur fonte rapide entraînerait une forte augmentation d'émission de CH₄ par les clathrates^[26] (dont en zone circumpolaire^[27]). Le taux actuel moyen de CH₄ en Arctique est au tout début du XXI^e siècle d'environ 1,85 ppm, soit la plus élevée depuis 400 000 ans, alerte Natalia Chakhova^[28]. Un taux encore plus élevé au-dessus du plateau arctique sibérien oriental fait évoquer de signes d'instabilité dans le permafrost immergé : « S'il continue à se déstabiliser, les émissions de méthane […] seront beaucoup plus importantes »^[28].

Une part significative du pergélisol circumpolaire est immergée au fond de lacs et de cours d'eau froides, et sous le niveau marin ; elle a pour cette raison longtemps échappé aux observateurs. Une étude dirigée par Natalia Chakhova et Igor Semiletov, université de l'Alaska à Fairbanks (2003-2008), menée dans les eaux du plateau arctique de Sibérie orientale (plus de deux millions de kilomètres carrés) a montré qu'au début du XXI^e siècle, ces pergélisols immergés perdent aussi du méthane ; et en plus grande quantité et plus vite que ce que prévoyaient les modèles : là, durant cinq ans, plus de 50 % des eaux de surface et plus de 80 % des eaux profondes étudiées présentaient un taux de méthane environ huit fois supérieur à la normale^[28].

Plus au sud et à haute altitude, dans 4 bassins du plateau oriental du Qinghai et du Plateau du Tibet suivis durant 3 ans, Zhang et al. ont observé (Nature Geoscience, 2020) d'importants phénomènes d'ébullitions de méthane dans les rivières issues du pergélisol^[2]. Là, le taux d'ébullition moyen était de 11,9 mmolCH4 par m² et par jour), probablement favorisé par une faible profondeur des eaux et une faible pression atmosphérique. Ce bullage étaient six fois plus important que la moyenne mondiale, allant jusqu'à 374,4 mmolCH4 par m² et par jour. Les auteurs ont estimé que pour les cours d'eau du premier au septième ordre qu'ils ont étudié, les émissions de CH₄ sont comprises entre 0,37 et 1,23 TgCH4 par an^[2].

De plus, il s'avère que le permafrost du plateau arctique de Sibérie orientale (environ 2 millions de kilomètres carrés) est plus hétérogène et « poreux » qu'on ne le pensait auparavant : sous l'effet de la chaleur du manteau, il présente en profondeur une structure interne en gruyère où du méthane sous pression est accumulé dans les trous. Quand ces trous sont mis en communication avec la surface, du méthane peut y être brutalement libéré en grande quantité.
La quantité qui s'échappe de cette zone est comparable à tout le méthane provenant du reste des océans du monde réunis. Le méthane est un gaz à effet de serre 30 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. Enfin, en fondant le permafrost libère aussi de l'oxyde nitreux qui est aussi un gaz à effet de serre^[29],[30].

WAD2M est la 1ère carte dynamique des zones humides dérivée d’observations satellites réalisée à échelle du monde, mais elle souffrait « d'artefacts majeurs de contamination par les déserts, la neige et les océans, ainsi que d’incohérences dans la variabilité temporelle ».

Une seconde approche satellitale, dite GIEMS-2, a couvert la période 1992 - 2020, détectant fiablement les variations des étendues d'eau, même dans des zones densément végétalisées, permettant de cartographier mensuellement les surfaces de zones humides émettrices de CH₄ de 1992 à 2020. Ces données, stockées dans une base de données « GIEMS-MethaneCentric », montrent une saisonnalité et une interannualité plus importantes que les travaux précédents.

Une thèse a ensuite spécifiquement étudié les émissions de CH₄ des zones humides sur 29 ans. Elle a proposé un modèle simple (dit SatWetCH4) d'estimation mondiale d'émissions de CH4, basé sur les variations de température du sol et des surfaces en eau, et sur une nouvelle méthode d'estimation du substrat/sol disponible pour la méthanogenèse. Une nouvelle cartographie mondiale des zones humides émettrices a ainsi été produite, qui confirme d'amples variations saisonnières, et montre des tendances annuelles de 1992 à 2020 (+ 0,4% d'émissions par an, ce qui ne suffit pas à expliquer les augmentations observées dans l'atmosphère, et invite à d'autres études sur le cycle du CH₄ dans le monde)^[31].