Paysages virtuels et analyse de scénarios pour évaluer les ...

Thèse de Doctorat présentée devant AGROCAMPUS OUEST Pour obtenir le titre de Docteur d’Agrocampus Ouest École doctorale Vie-Agro-Santé Mention : sciences de l’environnement par Luc SOREL Paysages virtuels et analyse de scénarios pour évaluer les impacts environnementaux des systèmes de production agricole Virtual landscapes and scenario analysis to assess the environmental impacts of agrosystems Préparée à l’UMR 1069 SAS (Sol, Agro- et hydrosystèmes, Spatialisation) INRA / Agrocampus Ouest 65 rue de Saint-Brieuc, CS 84215, 35042 Rennes cedex soutenue le 16 juin 2008 devant le jury compos :é de FlorenceL E BER, Ingénieure en Chef du GREF, ENGEES Strasbourg, rapporteur PhilippeL AGACHERIE, Ingénieur de recherche, INRA Montpellier, rapporteur Benoît G ABRIELLE, Professeur, AgroParisTech, examinateur DelphineL EENHARDT, Chargée de recherche, INRA Toulouse, examinatrice Jean-SébastienPI ERRE, Professeur, Université de Rennes 1, examinateur Christian W ALTER, Professeur, Agrocampus Ouest, directeur de thèse Patrick DURAND, Directeur de recherche, INRA Rennes, co-directeur de thèse« La simplicité est la sophistication ultime. » Léonard de Vinci « There is a theory which states that if ever anyone discovers  exactly what the Universe is for and why it is here, it will   instantly disappear and be replaced by something even more   bizarre and inexplicable. There is another theory which states that this has already  happened. » Douglas Adams (The Hitchhiker's Guide to the Galaxy) Couverture : Monique Meyer, 2008, «  Paysage virtuel  », aquarelle.Abstract and key words The environmental assessment of agrosystems is a critical issue for the design of sustainable agricultural practices and for the preservation or recovery of the ecological functions of agro systems. However, this assessment is difficult to achieve through expert opinion and experimentation alone , due to the diversity of transformation and transfer processes of organic matter within agricultural landscapes, the ir interactions, and their dynamics. This project aimed at proposing a spatialized and dynamic environment al assessment method to integrate the effects of the physical environment, climate, and agricultural practices. Our approach was structured by the development of a landscape modeliQngua lsplcapatfe)o,rm whi( c h provided the conceptual framework for the different steps of this study: – analysis of observed field crop sequences to identify the spatial and temporal drivers of crop transitions, because landcover plays a major role in the location of agricultural practices; – the construction of a set of virtual agricultural landscapes based on the inte nsively farmed Naizin 2catchment (12 km , Morbihan department, France) that differed in terms of climate, soil-type patterns, and crop management; – the multi-target and multi-criteria assessment of these agrosystems by coupling and integrating the outputs of the nitrogen (N) fate model TNT2 and a soil phosphorus (P) budget model. In additiSontoc,h astree, a crop-transition model based on stochastic decision trees, was developed. It maintained the spatial distribution of crops around the farmsteads while accounting f or other constraints such as soil waterlogging and farm-production objectives. Environmental assessments of the virtual landscapes showed the relative influence of climate, soil-type patterns, and cropping systems on a set of agricultural, soil, and hydrological indicators. Although a moderate, less-intensive cropping sys tem reduced soil P surpluses and improved N- and P-use efficiencies, climate series and soil-type pa tterns influenced the stream N concentration more heavily than cropping systems. Moreover, the magnitude of soil- climate interactions on stream N concentrations was equivalent under certain scenarios to a 15% reduction in the amount of total N applied. This shows that remediation practices aimed at achieving a specific environ mental goal (such as -1not exceeding the m g 50NO .l threshold in streams) must take local landscape characteristics into account,3 and that transplanting them to another landscape may not attain the expected goal. Key words: virtual landscape, environmental assessment, agrosystem, soil, climate, agricu ltural practice, fertilization, nutrient, nitrogen, nitrate, phosphorus, hydrology, TNT2, Qualscape, Stochastree, Rotomatrix Abstract – p. 5Résumé et mots-clefs L’évaluation environnementale des systèmes de production agricole est un enj eu majeur pour le développement de pratiques agricoles durables, la préservation ou la restauration du bon é tat écologique des ressources naturelles. Cependant, cette évaluation est compliquée à réaliser par expe rtise ou par expérimentation à cause de la diversité des processus de transformation et de transfert de la matière organique au sein des paysages agricoles, leurs interactions et leurs dynamiques. L’obj ectif de ce projet était de de proposer une méthodologie d’évaluation environnementale qui soit spatialisée et dynamique afin d’intégrer les effets du milieu physique, du climat et des pratiques agricoles. L’approche suivie dans ce projet est basée sur le développement d’une plateforme de modélisation des paysages agricoles Q(ualscape), comme support conceptuel commun aux différentes étape :s de ce travail – l’analyse de successions culturales parcellaires observées afin d’identifier les déterminants spatiaux et temporels des transitions de ; clul’otucrecsupation du sol spatialisant les pratique ;s agricoles 2– à partir du bassin versant de Na ikzmin, M(or12bihan, France) caractérisé par des a ctivités d’élevage bovin et porcin intensives, la construction d’un jeu de paysages ag ricoles virtuels différant par leur milieu physique, les forçages climatiques et les pratiques agricoles auxque ;ls ils sont soumis – la réalisation d’une évaluation environnementale multi-cibles et multi-critères de ces agrosystèmes en permettant le couplage et l’intégration des sorties entre le modèle agro-hydrolog ique TNT2 et un modèle de bilan de phosphore du sol. Stochastree, un modèle de transition de cultures basé sur des arbres de décision stochastiques a été développé. Il a notamment permis de maintenir la distribution spatiale des culture s autour du corps d’exploitation, tout en respectant des contraintes d’hydromorphie des sols et d’obj ectif de production des exploitations. L’évaluation environnementale des paysages virtuels a quantifié l’inf luence du climat, du milieu et des systèmes de culture sur différents indicateurs agricoles, pédologiques et hydrologiques. Nous avons constaté que l’adoption d’un système de culture modéré (réduction d’intrants, intercultures hivernales) réduit significativement les flux excédentaires de phosphore vers les sols et accroît l’efficience des apports d’azote et de phosphore. Cependant, cet effet s’atténue pour des indicateurs inco rporant des processus de transformation et de transfert de la matière organique, comme la concentration en ni trate à l’exutoire. De plus, les effets des interactions sol-climat sur cette concentration sont du même ordre qu’une réduction de 15% des apports totaux d’azote. Ainsi, la définition de pratiques agricoles alternative s devant satisfaire un -1objectif environnemental précis (cf. le non-dépassemen mt gdu NO s.leui dal ndes sl es50 cours d’ eau) ne3 peut se faire qu’en lien avec les caractéristiques du paysage et que leur transposit ion directe à un autre paysage peut ne pas atteindre l’effet escompté. Mots-clefs : paysage virtuel, évaluation environnementale, agrosystème, sol, climat, prat ique agricole, fertilisation, nutriment, azote, nitrate, phosphore, hydrologie, TNT2, Qualscape, Stochastree, Rotomatrix Abstract – p. 6Remerciements « [Il] émergeait de nouveau, et reprenait, appuyé à gauche, sa  veille terrible. Il ne savait plus combien de temps, combien  d’efforts le délivreraient de ses liens sombres. Il doutait  presque d’en être jamais délivré, car il jouait sa vie sur ce  petit papier, sale et chiffonné, qu’il avait déplié et lu mille  fois, pour bien nourrir son espérance » Saint­Exup éry (Vol de nuit) « – Contente­toi de bosser comme un crétin, pas à pas. […] – Tu me conseilles de bosser logiquement, au fond. – Oui, tu connais autre chose ? – Je ne connais que l’autre chose. » Fred Vargas (Dans les bois éternels) Après une période post-soutenance relativement mouvementée, j’ai enfin trouvé une semaine pour rédiger mes remerciements. Il ne me faudra pas moins d’une semaine pour remercier tous les gens avec qui j’ai collaboré, ceux qui m’ont aidé, soutenu, inspiré ou changé les idées... Bref, ceux ave c qui j’ai vécu ce projet de recherche. Ça faisait quelques temps que je souhaitais faire une expérience de recherche et déve loppement. Après un entretien, Christian Walter et Patrick Durand m’ont recruté sur ce beau projet combinant environnement et modélisation. Le co-financement de mon salaire par le centre INRA de Rennes et la Région Bretagne illustre les attentes scientifiques et territoriales du projet. Lundi Lundi c’est le début de l a; sje’maarirneve à l’UMR SAS. Je suis accueilli chaleureusement par toute l’unité – dirigée par Chantal Gascuel – et tout le monde s’assure que je suis bien installé. La volonté générale de l’unité de donner de bonnes conditions de travail au personnel contractuel et de les intégrer dans les différents conseils de l’unité permet de leur faire prendre conscience des rôles qu’ils jouent dans la stratégie de recherche de l’unité. Et concernant les doctorants, d’en faire des chercheurs et des travailleurs plus responsables. J’espère que nos retours seront à la hauteur de leur ouverture d’esprit. J’arrive dans l’unité avec Bruno Morel, recruté comme doctorant en même temps que moi . Il a l’air sympa. Tant mieux : nous allons partager le même bu! reaÀu peine nous commençons à traverser l es couloirs ensemble que les gens nous c onf: et ondevoilàn,t les Smorels !sont nés Remercie