Bénéfices climatiques des arbres en ville

UNE DOUBLE APPROCHE EXPERIMENTALE POUR COMPRENDRE LEUR EVOLUTION PENDANT LES SECHERESSES;

La présence des arbres en ville est reconnue comme bénéfique pour, notamment, limiter les températures. Mais comment les arbres, eux, s’adaptent-ils aux périodes de sécheresse ? La thèse de doctorat de Julien Thierry s’est intéressée à cette question.

Le changement climatique s’accompagne d’une multi­plication et d’une intensification des vagues de chaleur. En ville, les situations de forte chaleur sont renforcées par le phénomène « d’îlot de chaleur urbain » (qui induit déjà une surchauffe par rapport au milieu rural environnant) et exposent le corps humain à un stress thermique dangereux pour la santé. Le lourd bilan humain de la canicule de 2003 en Europe (environ 30 000 morts) en a témoigné.

La sécheresse menace aussi les arbres

La végétation et, en particulier en ville, les arbres d’alignement, peut fournir des bénéfices climatiques grâce à l’ombrage, qui intercepte une partie du rayonnement solaire, et à la transpiration qui, au niveau des feuilles, libère de l’eau dont l’évaporation réduit la température de l’air (Figure n° 1). Toutefois, les arbres ont besoin d’eau pour assurer leur fonctionnement et notamment l’activité photosynthétique qui permet leur croissance. Or, le changement climatique s’accompagne aussi d’une sécheresse accrue des sols qui menace la disponibilité de l’eau pour les arbres, déjà très limitée en ville. En effet, ceux-ci sont en général plantés dans des fosses de faible volume entourées de surfaces imperméabilisées, ce qui limite l’infiltration des eaux de pluie dans le sol ainsi que l’étendue de la prospection racinaire.

Dispositifs expérimentaux du projet

Ce projet s’est appuyé sur deux dispositifs expérimentaux complémentaires reposant chacun sur des mesures du microclimat et du stress thermique humain à proximité d’arbres ainsi que dans des zones témoins ; une évaluation de la disponibilité de l’eau dans le sol ; une caractérisation morphologique et physiologique des arbres.
D’un côté, une rue « canyon » à échelle réduite partiellement végétalisée avec des jeunes pommiers d’ornement (Malus Coccinella® ‘Courtarou’) irrigués et en pots située à Angers (Maine-et-Loire) a été instrumentée pour comparer des arbres soumis à des apports d’eau contrastés (Figure n° 2). Bien que ne s’intéressant qu’à une seule espèce d’arbres, ce dispositif a permis de mesurer la teneur en eau dans le sol des pots, d’estimer la quantité d’eau transpirée et de rayonnement intercepté par les arbres au cours d’une campagne de mesures menée en juillet et août 2022.

De l’autre côté, une campagne de mesures in situ a été menée sur 36 arbres d’alignement adultes de neuf essences différentes (Celtis australis, Gleditsia triacanthos, Platanus x hispanica, Quercus cerris, Quercus ilex, Sophora japonica, Tilia cordata, Ulmus resista et Zelkova serrata) répartis sur cinq sites dans Paris (Figure n° 3). Ce dispositif, mis en place par la Ville de Paris dans le cadre de l’étude « Arbres et Climat », a permis d’étudier en conditions réelles des arbres soumis à des apports d’eau naturels pendant quatre années (2019 à 2022).

Variabilité des réponses

L’analyse croisée de ces deux dispositifs a permis de mettre en évidence la variabilité des bénéfices climatiques et les liens qui peuvent exister entre les réponses physiologiques et morpho­logiques des arbres pendant des épisodes secs ainsi que les bénéfices climatiques qu’ils fournissent. En particulier, des bénéfices climatiques comparables ont été mesurés dans les deux dispositifs avec des réductions de température d’air allant de 0,5 à 3 °C et des réductions du stress thermique allant de 4 à 11 °C UTCI (Figure n° 4). Toutefois, ces valeurs sont soumises à une forte variabilité temporelle au cours de la journée mais aussi d’une journée à l’autre du fait des conditions météorologiques changeantes. Des différences de bénéfices climatiques ont été mesurées entre espèces ou au sein d’une même espèce mais elles n’ont pas pu être expliquées par la morphologie des arbres. Il est apparu que l’interception du rayonnement solaire est le phénomène qui contribue le plus aux bénéfices climatiques fournis par les arbres et celui qui a la plus grande étendue spatiale. La contribution de l’évaporation de l’eau transpirée est donc plus faible et moins étendue. La diminution de la disponibilité de l’eau dans le sol induit chez le Malus Coccinella® ‘Courtarou’ une fermeture des stomates, une réduction rapide de la transpiration (de l’ordre de 80 %), l’arrêt de la croissance et une réduction de la surface foliaire (de l’ordre de 30 %). Toutefois, les arbres étudiés ont continué à assurer un ombrage important en interceptant 70 % du rayonnement solaire, ce qui a finalement maintenu des bénéfices climatiques significatifs. Des dynamiques de croissance contrastées d’une espèce à l’autre, mais aussi d’un individu à l’autre, ont été observées pendant une période de sécheresse. La croissance des Sophora japonica étudiés à Paris a par exemple semblé beaucoup plus pénalisée par le manque d’eau que celle des Ulmus resista. Toutefois, tous les arbres étudiés ont pu maintenir des bénéfices climatiques importants pendant ces périodes, probablement grâce à la conservation d’une part importante de leur feuillage à court terme et donc à un maintien de leur capacité d’ombrage.

L’évaluation fine des effets des sécheresses sur les réponses physio­logiques et morphologiques des arbres ainsi que sur leurs bénéfices climatiques reste complexe et bien que le présent projet apporte des éléments de réponse importants, de plus amples expérimentations sont nécessaires. La comparaison de dif­férentes espèces d’arbres en conditions contrôlées permettrait de mieux explorer les différences entre espèces. Il semble également capital d’évaluer la capacité des arbres d’alignement à se développer durablement malgré les changements climatiques en cours pour assurer une continuité des services qu’ils fournissent dans le temps. En ce sens, la capitalisation d’informations sur le patrimoine arboré urbain (morphologie, état phytosanitaire, opérations de taille, etc.) devrait être généralisée.

¹ Thèse menée de 2021 à 2024, en collaboration entre la Direction des espaces verts et de l’environnement de la Ville de Paris, l’unité de recherche EPHor de l’Institut Agro Rennes-Angers et le Laboratoire eau et environnement de l’Université Gustave-Eiffel.

² Universal Thermal Climate Index : indicateur homogène à une température caractérisant le stress thermique humain. Il s’agit d’une « température ressentie » calculée à partir de la température de l’air, de l’humidité relative de l’air, de la vitesse du vent et de la température moyenne radiante [1].

Pour aller plus loin

• Bröde, P., Jendritzky, G., Fiala, D., Havenith, G., 2010. The Universal Thermal Climate Index UTCI in Operational Use. Presented at the Adapting to Change: New Thinking on Comfort.
• Thierry, J., 2024. Impact of street trees on urban microclimate and human thermal stress: effect of heatwaves and droughts. L’institut Agro Rennes-Angers, Angers.
• Mballo, S., Herpin, S., Manteau, M., Demotes-Mainard, S., Bournet, P.E., 2021. Impact of well-watered trees on the microclimate inside a canyon street scale model in outdoor environment. Urban Climate 37, 100844. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2021.100844
• Thierry, J., Herpin, S., Levi, R., Canonne, D., Demotes-Mainard, S., Cannavo, P., Lemesle, D., Brialix, L., Rodriguez, F., Bournet, P.E., 2024. Impact of a water restriction on the summer climatic benefits of trees inside an outdoor street canyon scale model. Building and Environment 261, 111722. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2024.111722