Due to anthropogenic emissions and changes in land use, trees are now exposed to atmospheric levels of [CO2] that are unprecedented for 650,000 y [Lüthi et al. (2008) Nature 453:379–382] (thousands of tree generations). Trees are expected to acclimate by modulating leaf–gas exchanges and alter water use efficiency which may result in forest productivity changes. Here, we present evidence of one of the strongest, nonlinear, and unequivocal postindustrial increases in intrinsic water use efficiency (iWUE) ever documented (+59%). A dual-isotope tree-ring analysis (?13C and ?18O) covering 715 y of growth of North America’s oldest boreal trees (Thuja occidentalis L.) revealed an unprecedented increase in iWUE that was directly linked to elevated assimilation rates of CO2 (A). However, limited nutrient availability, changes in carbon allocation strategies, and changes in stomatal density may have offset stem growth benefits awarded by the increased iWUE. Our results demonstrate that even in scenarios where a positive CO2 fertilization effect is observed, other mechanisms may prevent trees from assimilating and storing supplementary anthropogenic emissions as above-ground biomass. In such cases, the sink capacity of forests in response to changing atmospheric conditions might be overestimated.

Les arbres sont aujourd'hui exposés à des concentrations atmosphériques de CO2 (Ca) jamais atteintes depuis des milliers de générations d'arbres. L'augmentation de Ca risque d'affecter la production primaire nette à l'échelle planétaire, ainsi que le bilan des échanges gazeux d'eau et de CO2 entre la couverture végétale et l'atmosphère. L'objectif de cette étude était d'évaluer la réponse physiologique (croissance radiale et échanges gazeux) des plus vieux arbres de la forêt boréale canadienne (population de Thuja occidentalis au lac Duparquet en Abitibi) à l'augmentation de Ca et à la variabilité climatique. Pour ce faire, nous avons produit et analysé une longue chronologie multi-proxy de cernes d'arbres (?13C, ?18O et croissance latérale) de 1300 à 2014. Cette étude a permis de documenter la plus forte augmentation de l'efficacité intrinsèque d'utilisation de l'eau (iEUE; +59%) en Amérique du Nord, provoquée par la hausse de Ca. Les précipitations ont un effet négatif sur iEUE, mais elles n'expliquent que sa variabilité interannuelle, puisque le climat s'humidifie. Cette acclimatation des échanges gazeux s'est faite en deux temps. De 285 à 312 ppm de Ca, la concentration interne de CO2 dans les feuilles (Ci) est demeurée stable, conduisant à une forte hausse de iEUE. Lorsque Ca a atteint 312 ppm, les arbres ont commencé à maintenir un rapport Ci/Ca constant, résultant en une hausse plus modérée de iEUE. Quant au rapport ?18O, il ne s'est pas révélé un indicateur fiable de la conductance stomatale et n'a donc pas contribué à évaluer les échanges gazeux. Par contre, il s'avère un proxy climatique prometteur. Cette forte hausse de iEUE dans un site xérique, dans un climat qui s'humidifie et avec une augmentation de 40% de CO2 dans l'atmosphère n'est pas associée à une croissance radiale sans précédent. La croissance de la tige est plutôt dépendante des précipitations et sa sensibilité hydroclimatique ne s'est pas amenuisée. Ces résultats démontrent que la photosynthèse de ces thuyas est saturée aux concentrations actuelles de CO2. D'autres facteurs limitants, telle que la disponibilité en nutriments, ne permettent pas à ces arbres de puiser une part supplémentaire de carbone, malgré une acclimatation très active de leurs échanges gazeux.