Les changements climatiques et la croissance démographique de la population mondiale amènent
aujourd’hui le monde agricole à s’adapter pour faire face à ces deux enjeux majeurs. Si les surfaces
agricoles, qui représentent près d’un tiers des terres émergées, contribuent largement aux émissions
mondiales de gaz à effet de serre, elles offrent également la possibilité de mettre en place des leviers
d’atténuation des changements climatiques. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont vocation à
enrichir nos connaissances sur le fonctionnement des surfaces agricoles, à fournir des outils d’évaluation
de la contribution des surfaces cultivées aux évolutions du climat, et à quantifier les effets
biogéochimiques (stockage de C) et biogéophysiques (effet albédo) d’atténuation des changements
climatiques via la mise en œuvre de cultures intermédiaires. Pour répondre à ces objectifs, deux
approches de modélisation ont été développées au cours de ces travaux.
Le premier volet de cette thèse s’est intéressé à développer une approche de modélisation
spatialisée, permettant de fournir des estimations des productions (biomasses et rendements), des flux
de CO2 et d’eau, ces variables servant à la quantification des bilans de carbone et d’eau pour les parcelles
de grandes cultures. À cette fin, le modèle agro-météorologique SAFYE-CO2 assimilant des produits
satellites d’indice de végétation à hautes résolutions spatiale et temporelle a été développé et appliqué à
différentes cultures (blé, maïs et tournesol) et végétations d’intercultures (repousses spontanées,
mauvaises herbes, cultures intermédiaires). Cette approche a pu être validée sur un réseau de parcelles
du Sud-Ouest de la France, en tirant parti d’un grand nombre d’images satellites et de données de
validation sur la zone de l’Observatoire Spatial Régional. Elle a notamment permis d’estimer avec
précision les productions de blé, de tournesol et de maïs, ainsi que les flux de CO2 et d’eau sur les
cultures de blé et de tournesol. La végétation, pouvant se développer sur les parcelles pendant les
périodes d’interculture, a également été prise en compte afin d’améliorer l’estimation des flux de CO2
et d’eau. Cela a notamment permis de quantifier l’impact des cultures intermédiaires sur les composantes
du bilan C des parcelles allouées aux grandes cultures sur la zone d’étude.
Le second volet visait à développer un modèle d’introduction de cultures intermédiaires à
l’échelle européenne, afin d’estimer le forçage radiatif induit par la modification de l’albédo de surface
engendré par cette pratique. Grace à des produits albédo moyenne résolution (1/20°), développés par le
CNRM (et en collaboration avec ce laboratoire), cette approche de modélisation a permis de fournir des
estimations de l’effet albédo relatifs aux cultures intermédiaires. Plusieurs scenarii d’introduction ont
été simulés pour rendre compte de l’impact de certains facteurs, tels que la neige ou la pluie. Ils ont
permis d’alerter sur le potentiel impact négatif de l’assombrissement du sol, induit à long terme (via
l’enrichissement des sols en matière organique) par les cultures intermédiaires sur le forçage radiatif des
surfaces cultivées.
Enfin, comme tout changement de pratique agricole induit des effets biogéochimiques et
biogéophysiques sur le climat, une analyse de ces effets couplés a été menée grâce à l’utilisation
combinée de ces deux approches de modélisation. Nous en concluons qu’une fois les cultures
intermédiaires mises en place, le sol devrait être couvert en permanence pour que l’effet
assombrissement du sol ne fasse pas perdre les autres bénéfices climatiques engendrés par cette pratique
agricole. |
Climate change and demographic growth of the world population force farmers and the
agricultural sector to adapt in order to face these two major challenges. Cultivated on almost a third of
the total land area, croplands largely contribute to global greenhouse gas emissions. These areas also
offer the possibility of implementing climate change mitigation strategies. In this context, this thesis
work aims to enrich our knowledge on the functioning of croplands, in particular to provide tools to
assess the contribution of cultivated lands to climate change, and to quantify biogeochemical (C storage)
and biogeophysical (albedo effect) impacts of climate change mitigation through cover crop
implementation. To meet these objectives, two modelling approaches were developed during this work.
The first part of this thesis focused at developing a spatialized modeling approach able to provide
estimates of production (biomass, yield), CO2 and water fluxes, as well as carbon and water budgets for
croplands. To this end, the SAFYE-CO2 agrometeorological model, which assimilates remote sensing
data of vegetation index with high spatial and temporal resolutions, was developed and applied to several
crops (wheat, maize, sunflower) and intercropping vegetation (spontaneous regrowth, weeds, cover
crops). This approach was validated on a network of plots located in southwest France, benefiting from
a large number of satellite images and validation data collected over the Regional Spatial Observatory.
Notably, it allowed to precisely estimate wheat, sunflower and maize productions, as well as CO2 and
water fluxes on wheat and sunflower. The vegetation that could developed on the plot during fallow
period has also been taken into account in order to improve CO2 and water fluxes estimates. This leads
to a better quantification of the cover crop impact on the carbon budget components of the plots allocated
to crops in the study area.
The second part aimed at developing a cover crop introduction model at European scale, in order
to assess the radiative forcing induced by surface albedo changes linked to the cover crops
implementation of this agricultural practice. Taking advantage of medium-resolution remote sensed
albedo products (1/20°) developed by the CNRM (and in collaboration with this laboratory), this
modelling approach allowed to provide estimates of the albedo effect that can be induced by cover crops.
Several introduction scenarios were simulated to quantify the effect of certain factors such as rain or
snow cover. They allowed to alert on the potential strong negative impact of soil darkening (due to soil
organic carbon increase) induced by cover crops on cropland radiative forcing, on a long-time scale.
Finally, as any change in agricultural management practices induced biogeochemical and
biogeophysical effects on climate, a coupled analysis of these effects was carried out thanks to the
combined use of these two modeling approaches. We concluded that once the cover crop implemented,
the soil should be permanently covered with vegetation so that soil darkening does not counterbalance
climate benefits of this agricultural practice. |