Le rôle de l’agriculture dans le système climatique

Le rôle de l’agriculture dans le système climatique

La biosphère continentale dans le système climatique

L’influence du climat sur la distribution de la végétation est étudiée depuis le 18ème
siècle, à travers la biogéographie. Cette discipline considère les écosystèmes naturels typiques de différentes régions comme un miroir du climat local. En effet, les zones observées de présence de ces différents biomes, qui peuvent être distantes, correspondent pour chaque biome à des plages de valeurs identiques de valeur moyenne et de saisonnalité en température et en précipitation (classification de Köppen, (Köppen, 1936)). Dans ce cadre, la végétation naturelle (non perturbée par l’Homme) est donc en grande partie définie par le climat, qui est perçue une contrainte externe au système biologique des écosystèmes terrestres, ou biosphère continentale. L’idée d’un lien dynamique entre le climat et la biosphère continentale  est plus récente (deuxième moitié du 20ème siècle). Les surfaces continentales jouent un rôle important dans le bilan radiatif de l’enveloppe superficielle terrestre et dans la dynamique de la basse atmosphère, en échangeant continuellement avec l’atmosphère de grandes quantités d’énergie, de moment et de masse :

➤ D’un point de vue énergétique, le rayonnement solaire incident est dans sa grande majorité renvoyé à l’atmosphère, sous plusieurs formes. Le rayonnement solaire incident non directement réfléchi par le sol (fraction contrôlée par l’albédo de la surface) est absorbée par la surface du sol. Celui-ci en réémet une partie vers l’atmosphère sous forme de rayonnement infrarouge, réchauffe l’air en contact avec la surface (qui est ensuite transporté, flux de chaleur sensible), et évapore l’eau de surface et du sol superficiel (flux de chaleur latente, qui restitue de la chaleur à l’atmosphère lors de la condensation de la vapeur d’eau). Enfin le sol transfert du moment à l’atmosphère via le frottement des masses d’air sur la surface, augmentant ainsi sa turbulence (l’ampleur de ce transfert est déterminée par la rugosité de la surface).

➤ D’un point de vue du cycle hydrologique, les précipitations incidentes sont: retournées vers l’atmosphère (via l’évaporation du sol et des eaux libres, et la transpiration des plantes), les rivières et les océans (via le ruissellement de surface), les aquifères (via le drainage profond), ou stockée dans le sol.

➤ Enfin, la surface continentale échange avec l’atmosphère de la masse sous forme particulaire ou gazeuse (poussières, composés organiques volatiles, gaz à effet de serre ) via des processus d’émission et de déposition. Il affecte ainsi le contenu atmosphérique en aérosol et sa composition chimique.

La présence de végétation joue un rôle particulier à cette interface: le système sol-plante utilise l’énergie solaire incidente, le dioxyde de carbone atmosphérique ainsi que l’eau et les nutriments présents dans le sol pour fabriquer de la biomasse (via la photosynthèse), tandis que la matière organique ainsi accumulée dans le sol et les plantes est en partie renvoyée à l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone, de protoxyde d’azote, et de méthane (via la respiration et la minéralisation). Les processus sous jacents aux échanges d’énergie, et de moment sont appelés processus biophysiques, et ont un impact généralement local sur le climat. Les processus liés à l’échange de masse sont appelés processus biogéochimiques, et ils ont généralement un impact global sur le climat. Ces deux processus ne sont pas indépendants (par exemple, les échanges d’eau sont des échanges de masse et d’énergie), et le résultat net en termes d’échange avec l’atmosphère dépend de caractéristiques physiques (l’albédo, la rugosité) et biologiques (physiologie du couvert végétal, type de photosynthèse) des surfaces continentales, qui sont différenciées entre grand types d’écosystèmes terrestres. Ces processus permettent une interaction dynamique entre le climat et la biosphère terrestre, à différentes échelles de temps et d’espace.

Les interactions climat-végétation, ses processus individuels et ses rétroactions restent difficile à contraindre par l’observation, alors qu’ils sont de plus en plus étudiés depuis les années 1990, à l’aide la modélisation (Levis, 2010). Ceux-ci ont progressivement évolué, des modèles d’équilibre de végétation (approche biogéographique), puis les modèles globaux de végétation dynamique (avec une végétation dynamique couplant les processus biogéochimie et biophysique), puis enfin les modèles de système Terre, incluant un couplage de la biosphère continentale avec les autres composantes du système climatique (océan, atmosphère, cryosphère). L’influence de l’Homme sur la biosphère continentale y est aussi de plus en plus intégrée.

L’agriculture: une influence de l’homme sur la biosphère terrestre

L’Homme s’approprie une part des surfaces continentales pour un usage agricole. Ce faisant, d’une part il modifie les propriétés physiques et biologiques de la biosphère continentale qui régissent l’interaction entre surface continentale et atmosphère, et d’autre part il perturbe l’évolution des biomes en choisissant l’évolution de la couverture des sols.

Les surfaces agricoles possèdent des propriétés physiques et biologiques différentes des autres écosystèmes terrestres. Elles se rapprochent des prairies naturelles et des savanes, cependant leur gestion par l’Homme via les pratiques agricoles les différencie de ces écosystèmes naturels. Du fait de sélections variétales successives, les espèces cultivées possèdent une capacité photosynthétique améliorée, et leur couvert végétal possède une plus grande amplitude saisonnière de densité foliaire tandis que sa densité spatiale est très variable (espèce cultivée, densité de semis, structure des paysages agricoles). D’un point de vue biogéochimique, leur productivité en biomasse peut être stimulée par l’apport d’éléments nutritifs (fertilisation) et d’eau (irrigation). La biomasse produite est en grande partie prélevée du système sol-plante (par la récolte ou le pâturage) et le carbone qui la constitue est rapidement restitué à l’atmosphère (après utilisation par l’Homme). Le carbone stocké dans le sol superficiel est en partie restitué à l’atmosphère par le travail du sol, tandis que les apports nutritifs (notamment les fertilisants azotés) génère plus d’émission de protoxyde d’azote, et l’apport de résidus de culture peut stimuler la minéralisation du carbone stocké dans le sol (priming effect). Du point de vue biophysique, la gestion du cycle de culture et des rotations d’une année sur l’autre font généralement apparaitre des plus longues périodes de sol nu, altérant l’albédo de la surface. En humidifiant le sol, l’irrigation contribue aussi à modifier son albédo. Elle permet aussi de fournir de l’eau au système sol-plante à un moment ou celui-ci n’en dispose plus, altérant ainsi la saisonnalité du fractionnement de l’énergie renvoyée à l’atmosphère sous forme de flux de chaleur latente et sensible. A une échelle spatiale un peu plus grande, bien qu’assez variable la structure des paysages agricoles homogénéise la distribution spatiale des types de végétation dans les grands bassins de production agricole, tandis qu’elle la fragmente dans les zones où l’agriculture est présente en plus faible proportion. Ces types de structures paysagères impacte l’évolution des masses d’air.

Les surfaces cultivées altèrent la saisonnalité et le bilan net des échanges d’énergie, de moment et de masse entre la surface continentale et l’atmosphère. Sur des temps plus longs, l’évolution dynamique de la couverture du sol et ses rétroactions avec l’état de l’atmosphère et des autres composantes du système climatique sont aussi perturbées, car l’évolution de la couverture végétale devient contrôlée par l’Homme .

Evolution historique de l’agriculture : déterminants et impact sur le climat

Depuis l’apparition de l’agriculture au néolithique (il y a environ 12 000 ans) à aujourd’hui, la population humaine est passée de moins de 2 millions à environ 7 milliards d’individus. La satisfaction des besoins alimentaires et énergétiques de cette population croissante a transformé l’agriculture.

L’expansion des surfaces agricoles 

Pour satisfaire ce besoin, l’homme s’est progressivement approprié une part grandissante des surfaces continentales pour un usage agricole. La part des cultures et prairies dans les des surfaces continentales (non englacées) est ainsi passée de moins de 1% au néolithique, à 4%, 10% puis 38% respectivement en 1500, 1850 et aujourd’hui (Hurtt et al., 2011; Klein Goldewijk et al., 2011), au dépend de la végétation primaire . L’effet de ce changement historique de couverture des sols sur le climat est encore mal connu. D’un point de vue biogéochimique, il y a consensus sur le principal processus: le déstockage du carbone contenu dans la végétation remplacée, et d’une partie du celui stocké dans le sol, impliquant une hausse de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone, et une augmentation du forçage radiatif. Seule l’ampleur des émissions et donc du forçage radiatif associé est incertain (entre +0.27 et +0.57 W/m² entre 1850 et 2000 (Forster et al., 2007)), l’incertitude portant sur l’ampleur et le type d’usage des sols concernés par ces transitions. D’un point de vue biophysique, l’impact historique est plus incertain, et les modèles donnent une réponse très variable (Pitman et al., 2009), à la fois dans leur implémentation des changements historiques de couvertures des sol, et dans leur effet simulé.

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Table des matières

Table des matières
Remerciements
Résumé
Abstract
Table des matières
Chapitre 1
Introduction
1.1. Le rôle de l’agriculture dans le système climatique
1.2. Evolution historique de l’agriculture : déterminants et impact sur le climat
1.3. Enjeux futurs: de l’échelle globale à l’échelle régionale
1.4. Enjeux scientifiques de l’échelle Européenne
1.5. Objectif et plan de la thèse
Chapitre 2
Outil de modelisation et jeux de données
2.1. Description et pertinence de l’outil de modélisation
2.2. Jeux de données physiques et techniques, et apports de la thèse
2.3. Conclusion
Chapitre 3
Evaluation de l’outil de modélisation
3.1. INTRODUCTION
3.2. MATERIAL AND METHODS
3.3. RESULTS & DISCUSSION
3.4. CONCLUSION
APPENDIX
Chapitre 4
Impact du changement climatique et adaptation autonome à l’échelle de la ferme
4.1. INTRODUCTION
4.2. MATERIAL AND METHODS
4.3. RESULTS
4.4. DISCUSSION
4.5. CONCLUSION
APPENDIX
Chapitre 5
Analyse du comportement des principales cultures Européennes sous changement climatique
5.1. L’évolution des cultures: du rendement au comportement
5.2. Classification et typologie d’évolution du comportement des cultures
5.3. Perspectives
Chapitre 6
Mitigation et changement climatique dans le secteur agricole
6.1. Mitigation du changement climatique et agriculture Européenne
6.2. Interactions entre mitigation et adaptation: premiers résultats
6.3. Perspectives
Chapitre 7
Conclusions et perspectives
7.1. Résultats et limites
7.2. Perspectives
Bibliographie
Annexes

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