Les terres agricoles qui contribuent au changement climatique et sont aussi affectées par ces changements puisque leur production est contrainte par les conditions climatiques et les ressources en eau. L'objectif principal de cette thèse est donc de quantifier et d'analyser la production et aussi les principales composantes des cycles biogéochimiques du carbone et de l'eau des agrosystèmes afin d'identifier les meilleures stratégies pour maintenir la production et réduire les impacts environnementaux. Ce travail a été focalisé sur les cultures de blé du sud-ouest de la France. Nous proposons une approche de modélisation spatialisée qui combine : i) des données de télédétection optique à hautes résolutions spatiale et temporelle, ii) des modèles de culture semi-empiriques et iii) un ample dispositif de mesures in-situ pour la calibration et la validation des modèles. L'utilisation combinée de ces trois outils offre de nouvelles perspectives pour la modélisation des agrosystèmes à l'échelle régionale et globale.
Les données satellites à hautes résolutions spatiale et temporelle issues des capteurs Formosat-2 et SPOT ont été utilisées pour produire des cartes dynamiques d'indice de surfaces vertes des plantes (Green Area Index, GAI) qui jouent un rôle fondamental dans les interactions sol-plante-atmosphère. Les séries temporelles de cartes de GAI ont ensuite été utilisées pour la calibration des modèles de culture étudiés. Le modèle SAFY basé sur la théorie de l'efficience de l'utilisation de la lumière de Monteith et adapté au couplage avec les données de télédétection a ainsi été calibré et évalué en termes d'estimations de GAI, de biomasse et de rendement. Par la suite, SAFY a été modifié afin de permettre la simulation des composantes des flux nets de CO2: la production primaire brute (GPP), la respiration de l'écosystème (Reco) et les flux nets de CO2 (NEE). Le modèle SAFY-CO2 a ainsi été crée puis couplé à un module de bilan hydrique, inspiré de la méthode FAO-56 permettant au modèle résultant, nommé SAFYE-CO2, d'estimer en plus des variables précédentes les composantes du cycle de l'eau des cultures, notamment l'évapotranspiration et la teneur en eau du sol. Au final, des bilans de carbone et d'eau ainsi que des efficiences de l'utilisation de l'eau (WUE) ont été calculés. Ces indicateurs ont permis d'évaluer localement et régionalement la performance des cultures de blé par rapport à des aspects agronomiques et environnementaux.
Les trois modèles étudiés reproduisent correctement la production de biomasse et le rendement (erreurs relatives entre 22% et 36 %) pour des années climatiques contrastées. Les composantes du flux net de CO2 modélisées sont globalement en accord avec les mesures de flux effectués sur les deux sites expérimentaux, présentant de très bonnes corrélations (R² environ 0,9 pour la GPP, 0,75 pour Reco et 0,84 pour la NEE). Cependant, les performances des modèles pourraient encore être améliorées en prenant en compte le développement des repousses et des mauvaises herbes, ou encore en estimant le GAI à partir de données radar pour des fortes valeurs de GAI.
Les bilans de carbone calculés pour des conditions environnementales et de gestion contrastées ont permis d'identifier des leviers d'actions pour améliorer le stockage du carbone dans le sol et donc de réduire les impacts de la production agricole sur le changement climatique. Finalement, l'évapotranspiration simulée par SAFYE-CO2 a présenté une bonne corrélation et des erreurs correctes par rapport aux mesures. En termes de consommation annuelle en eau des cultures, les estimations et les mesures ont présenté des différences absolues entre 20 mm.an-1 et 77 mm.an-1. Enfin, les indicateurs agronomiques et environnementaux de l'efficience d'utilisation de l'eau ont été calculés à l'échelle régionale. Ils permettront d'établir des stratégies à adopter pour la préservation des ressources environnementales et le maintien de la production agricole. |
The agricultural lands that occupy more than one third of Earth's terrestrial surface contribute to climate change and are also impacted by those changes, since their production is conditioned by climatic conditions and water resources. The main objective of this thesis is therefore to quantify and analyze the production and also the main components of the carbon and water biogeochemical cycles for crop ecosystems in contrasted climatic years, focusing specifically on the winter wheat crop, in order to identify the best strategies for maintaining crop production and reducing environmental impacts. The study area is located in southwest France.
We propose a regional modeling approach that combines: i) high spatial and temporal resolutions optical remote sensing data, ii) simple crop models and iii) an extensive set of in-situ measurements for models' calibration and validation. The combined use of these three ‘tools' opens new perspectives for advanced agro-ecosystems modeling and monitoring at regional or global scales.
Remote sensing data from the Formosat-2 and SPOT satellites were used to produce green area index (GAI) dynamic maps, since GAI has a key role in soil-plant-atmosphere interactions. Two methods (empirical and physical) were tested for producing GAI maps and the physical method, based on the inversion of a radiative transfer model using artificial neural networks, was kept since it presented good performances, with no specific calibration.
The dynamic GAI maps were used for calibrating the investigated crop models. The semi-empirical SAFY model, based on Monteith's light-use efficiency theory and adapted for remote sensing coupling, was then calibrated and evaluated in terms of GAI, biomass and yield estimates. Next, this model was modified in order to simulate the components of the net carbon fluxes: gross primary production (GPP), ecosystem respiration (Reco) and net ecosystem exchange (NEE). The resulting SAFY-CO2 model was then coupled with a water budget module, based on the FAO-56 method. The final SAFYE-CO2 model is therefore able to estimate the components of the crop water cycle, mainly evapotranspiration and soil water content. At last, the carbon (NECB) and water budgets and some water use efficiency (WUE) indices were computed, which allowed evaluating the winter wheat crop ecosystems (locally or regionally), in terms of environmental and agronomical aspects.
The three investigated models (SAFY, SAFY-CO2 and SAFYE-CO2) reproduced correctly the biomass production and yield (relative error from 22% up to 36%, depending on the version of the model) for years with contrasted climatic conditions. The net carbon flux components estimated with the models were overall in agreement with the flux measurements performed on our two experimental sites, presenting very good correlations (R² about 0.9 for GPP, 0.75 for Reco and 0.84 for NEE). However, the performances of the models could still be improved by considering weeds development or re-growths events after harvest or by estimating GAI by means of radar remote sensing data for years with strong vegetation development.
The NECB calculated for different climatic, environmental and management conditions allowed identifying the main factors by which they are influenced and the potential levers for improving carbon storage in crop soils and thus reducing the impacts of crop production on climate change. Regarding the evapotranspiration simulated by SAFYE-CO2, they presented a good correlation and satisfactory errors when compared with the measurements. In terms of annual crop water consumption, the model estimates and measurements presented absolute differences between 20 mm.y-1 and 77 mm.y-1. Finally, the agronomical and environmental WUE indicators were calculated at regional scale. They will allow to identify sustainable strategies for preserving the environmental resources and maintaining crop production. |