Modélisation conceptuelle des décisions d’assolement a l’échelle de l’exploitation agricole

La gestion de l’occupation du sol et des paysages comme levier d’action privilégié

Dans l’optique d’une conciliation entre production agricole et autres services écosystémiques, de récents travaux considèrent la gestion de l’occupation du sol (land-use en anglais) et de l’organisation des paysages comme un levier d’action privilégié. Foley et al. (2005) indiquent que, pour que les services écosystémiques soient disponibles dans un paysage donné, il est nécessaire de gérer la structure de ce paysage. De même, d’autres auteurs soulignent que la composition et la configuration du paysage ainsi que l’occupation du sol déterminent dans quelle mesure l’agriculture bénéficie des services écosystémiques et, inversement, contribue à garantir ces services écosystémiques (Brussaard et al., 2010).
La composition du paysage peut être définie comme la proportion des différentes occupations du sol présentes dans le paysage (elle correspond en quelque sorte à la couleur des polygones représentant les éléments de paysage). La configuration du paysage est définie par la forme des éléments de paysages et leur arrangement spatial au sein du paysage (elle correspond en quelque sorte aux traits qui délimitent les éléments de paysage) (Gaucherel and Houet, 2009).
Ainsi, au-delà du niveau d’intensification des systèmes de production agricole, la gestion de l’occupation du sol et de l’organisation (au sens de composition et configuration) des paysages dans le temps et dans l’espace ont des conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes, et constituent un levier d’action privilégié au niveau local. L’échelle des paysages agricoles est en effet aujourd’hui de plus en plus reconnue comme étant pertinente pour gérer des questions environnementales locales (mais pouvant avoir des répercussions plus globales). Une étude prospective sur l’évolution des rapports entre agriculture et environnement (Buissière, 2005) propose d’ailleurs plusieurs scénarios dans lesquels les territoires agricoles jouent un rôle majeur dans le maintien de la qualité environnementale des agroécosystèmes.

Méthodes utilisées pour caractériser l’organisation spatiale et temporelle des cultures à l’échelle des paysages

L’organisation spatiale et temporelle des cultures a été étudiée via différents types d’approches, visant soit à modéliser les dynamiques d’organisation du paysage, soit à comprendre les moteurs de ces dynamiques.

Méthodes visant à modéliser les dynamiques d’organisation des paysages agricoles

De nombreuses méthodes ont été développées pour décrire et modéliser l’organisation spatiale de l’occupation du sol dans les paysages agricoles, ainsi que l’évolution de cette organisation, à partir de données historiques et spatialement explicites. Il peut s’agir de méthodes statistiques (Castellazzi et al., 2007b) : ces auteurs ont par exemple développé des tests statistiques pour évaluer le caractère non aléatoire de l’hétérogénéité des cultures dans le temps, dans l’espace ou les deux. D’autres auteurs, e.g. n(Veldkamp and Fresco, 1996; Verburg and Veldkamp, 2001; Verburg et al., 2002), utilisent des données passées sur l’occupation du sol (agricole et non agricole) et tentent de corréler les évolutions de l’occupation du sol à des variables explicatives démographiques, socio-économiques, climatiques, biophysiques, etc. (modèle CLUE, Conversion of Land Use and its Effects). Ces approches statistiques reposent sur l’hypothèse que les processus à l’origine de l’évolution de l’occupation du sol sont stationnaires (Veldkamp and Lambin, 2001).
Il peut également s’agir de méthodes de fouille de données et de modélisation stochastique. Le modèle CarrotAge (Le Ber et al., 2006), basé sur des chaînes de Markov, a ainsi été développé pour identifier des régularités et/ou des changements dans les successions de cultures passées, à partir de bases de données spatialisées – ici les données Teruti (Benoît et al., 2001; Le Bas et al., 2005). Les modèles markoviens « permettent de représenter des observations temporelles et spatiales comme des successions d’états où les transitions entre états dépendent, suivant l’ordre du modèle, de l’état courant et des n états précédents » (Benoît et al., 2001).
Ces méthodes de fouille de données sur les successions de cultures ont également été utilisées pour prédire les successions de cultures à venir dans un territoire, à partir de données spatialement explicites d’occupation du sol passées (Leenhardt et al., 2005) : ces auteurs couplent une carte d’occupation des sols en année n et des probabilités de transition entre cultures issues de modèles markoviens, pour prédire la carte d’occupation des sols en année n+1, afin d’anticiper les besoins en eau d’irrigation à l’échelle régionale.
L’outil ArpentAge (Analyse de Régularités dans les Paysages: Environnement, Territoires, Agronomie) (Lazrak et al., 2010) a ensuite été développé pour identifier des régularités à la fois spatiales et temporelles dans les successions de cultures : il permet de localiser des régularités temporelles de successions de cultures dans un territoire (Lazrak et al., 2010).
Utilisant une approche similaire par fouille de données, complétée par des dires d’experts, (Mignolet et al., 2007) cartographient des zones homogènes d’un point de vue des pratiques agricoles (successions de cultures et itinéraires techniques).
Enfin, d’autres auteurs utilisent des arbres de décisions stochastiques pour modéliser l’allocation spatiale et temporelle des cultures aux parcelles dans un paysage composé d’exploitations agricoles (EA) (Sorel et al., 2010).

Méthodes visant à comprendre les moteurs de l’organisation des paysages agricoles

D’autres méthodes visent à comprendre les moteurs de l’organisation spatiale et temporelle des cultures au sein des paysages, afin d’expliquer et éventuellement de prédire l’évolution de cette organisation. Ces méthodes reposent sur l’hypothèse que l’organisation spatiale et temporelle des paysages est le résultat des activités des acteurs de ces paysages, et en particulier des décisions de ces acteurs. Ces méthodes visent donc à modéliser les décisions des acteurs présents dans le paysage pour en déduire l’évolution de l’organisation spatiale et temporelle du paysage. Elles reposent très souvent sur des modèles multi-agents (Matthews et al., 2007), qui présentent l’avantage de prendre en compte à la fois les décisions individuelles des acteurs, mais aussi les interactions entre acteurs. Ces modèles sont particulièrement utiles pour traiter de problèmes intégrant de fortes composantes sociale et spatiale (Bousquet and Le Page, 2004) car ils permettent de relier des décisions humaines simulées, à des processus environnementaux spatialisés : ces modèles sont donc souvent utilisés dans des démarches d’aide à la décision collective pour la gestion de ressources naturelles (collectif COMMOD pour la modélisation d’accompagnement, cf. (Etienne, 2010)).
Dans les paysages agricoles, les principaux acteurs sont les agriculteurs (Bacic et al., 2006). Or, une récente revue de littérature (Mérot et al., 2009) a montré que même si certaines descriptions de l’organisation de la mosaïque de cultures peut être reliée aux pratiques agricoles (Mignolet et al., 2007), la gestion technique des agriculteurs à l’échelle de l’EA est rarement étudiée comme un facteur explicatif de l’organisation spatiale et temporelle des cultures dans les paysages (Mérot et al., 2009). La plupart des auteurs qui étudient les agriculteurs comme moteurs de l’organisation des paysages, visent en effet davantage à simuler de futurs changements d’occupation du sol qu’à simuler l’organisation spatiale et temporelle des cultures à l’échelle du paysage. Ces auteurs considèrent des moteurs de l’organisation des paysages qui sont à la fois internes et externes aux EA (Mottet et al., 2006; Valbuena et al., 2010), aussi bien biophysiques que socio-économiques. Certains travaillent à partir d’études de cas à une échelle locale (Mottet et al., 2006), afin de comprendre les causes des décisions des agriculteurs et les conséquences sur les changements d’occupation du sol dans le paysage local. D’autres ont la volonté d’utiliser les connaissances acquises à l’échelle des EA pour remonter à une échelle plus globale (échelle régionale par exemple) : ils réalisent alors une typologie des acteurs en présence (Valbuena et al., 2008) et focalisent ensuite sur la dynamique des EA (cessation d’activités, agrandissement, diversification), dans le but de prédire les changements d’occupation du sol à l’échelle régionale (Valbuena et al., 2010).

Définition des décisions d’assolement des agriculteurs

Nous définissons l’assolement (cropping plan en anglais) (Nevo et al., 1994) à l’échelle d’une exploitation et une année donnée, comme :
La liste des cultures cultivées ; La surface de chaque culture (ou autrement dit les proportions de chaque culture) ; La répartition spatiale des cultures au sein des parcelles de l’exploitation agricole. De même que (Dury et al., 2011), nous avons donc une vision spatialisée de l’assolement, qui ne se limite pas aux seules proportions de cultures . Ceci implique que : les mêmes proportions de cultures réparties différemment dans les parcelles de l’EA constituent pour nous des assolements différents ; si les limites des parcelles cultivées sont modifiées (même si les limites externes de l’EA restent identiques), alors la répartition des cultures dans les parcelles est modifiée et l’assolement également.
Nous définissons les décisions d’assolement pour une exploitation agricole et une année donnée, comme l’ensemble des décisions prises par l’agriculteur pour choisir de façon définitive les cultures, leurs surfaces respectives, et leur répartition dans les parcelles de l’EA (Aubry et al., 1998b). Si certaines parcelles sont contigües, ces décisions incluent donc la définition des limites de parcelles au sein du parcellaire de l’exploitation.

Les décisions d’assolement des agriculteurs peuvent impacter l’organisation spatiale des cultures

Les décisions d’assolement peuvent avoir un impact sur l’organisation spatiale des cultures à l’échelle de l’exploitation agricole, et à l’échelle du paysage.
A l’échelle de l’EA, la structure du parcellaire (distance entre parcelles, surface des parcelles, etc.) et les caractéristiques des terrains de l’exploitation (types de sol, pente, etc.) conditionnent fortement les décisions concernant la localisation des cultures (Le Ber and Benoit, 1998; Morlon and Benoît, 1990; Morlon and Trouche, 2005a), ce qui conditionne l’organisation spatiale des cultures dans l’EA. Ces auteurs affirment que l’utilisation d’une parcelle ne peut se comprendre qu’en lien avec la place qu’elle occupe au sein du parcellaire, ce qui renvoie à une vision systémique de l’assolement (interdépendance des éléments de décisions de l’agriculteur (Papy, 2001)). Cette affirmation est valable pour des EA de grandes cultures, dans lesquelles les distances entre parcelles impactent fortement le déroulement des chantiers, et, en conséquence, le choix d’organisation spatiale des cultures dans le parcellaire (Morlon and Trouche, 2005b). Cette affirmation est aussi valable dans les EA d’élevage, dans lesquelles la distance entre parcelles et siège d’exploitation (ainsi que la surface des parcelles) joue un rôle prépondérant sur l’usage fourrager qui est fait de chaque parcelle (pâturage, fauche, etc.) (Brunschwig et al., 2006; Marie et al., 2009). Il semble qu’il existe certains seuils de distance, au-delà desquels certains usages ne sont pas choisis comme possibles par l’agriculteur (ex : seuil de 500 m pour le pâturage des vaches laitières) (Brunschwig et al., 2006). Il apparaît ainsi nécessaire de considérer la dimension spatiale des activités de l’agriculteur pour comprendre l’organisation spatiale des cultures dans l’EA (Soulard et al., 2002) (schéma d’organisation territoriale de l’exploitation).
Plusieurs auteurs ont en outre mis en évidence que les agriculteurs décomposaient leur parcellaire d’exploitation en entités de gestion intermédiaires entre l’échelle de la parcelle et l’échelle de l’EA (Joannon et al., 2005), afin de simplifier leurs décisions. Ils peuvent par exemple regrouper des parcelles soit en raison de leur proximité géographique, soit en raison de la similarité des usages qui en sont faits (Aubry et al., 1998b; Josien et al., 1994), ce qui détermine également l’organisation spatiale des cultures dans l’EA. Les décisions d’assolement, bien que prises au niveau de l’exploitation agricole, peuvent aussi impacter l’organisation spatiale des cultures à une échelle plus vaste : l’organisation spatiale des cultures au sein des EA laitières de Lorraine a par exemple des répercussions sur l’organisation spatiale des cultures à l’échelle du village (Benoît, 1990). La structure des parcellaires d’exploitation, qui détermine fortement l’allocation des cultures aux parcelles, a en retour de forts impacts sur la structure du paysage de bocage de Bretagne (Thenail and Baudry, 2004). En paysage d’openfields, la diversité des cultures et successions de cultures choisies par les agriculteurs, ainsi que la diversité des tailles de parcelles cultivées, entraînent une diversité de mosaïques de cultures à l’échelle communale, ce qui constitue d’ailleurs des habitats plus ou moins favorables pour des oiseaux comme la perdrix grise (Joannon et al., 2008). Enfin, pour différents paysages agricoles en France, (Thenail et al., 2009) ont montré que les décisions d’assolement prises au niveau individuel conditionnaient fortement l’organisation de la mosaïque de cultures à l’échelle du paysage.

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Table des matières

INTRODUCTION
DE LA NECESSITE DE CONCILIER PRODUCTION AGRICOLE ET PRESERVATION DES ECOSYSTEMES
LA GESTION DE L’OCCUPATION DU SOL ET DES PAYSAGES COMME LEVIER D’ACTION PRIVILEGIE
PRESENTATION GENERALE DE LA THESE
ORGANISATION DU MANUSCRIT
CHAPITRE 1. CONTEXTE DE LA THESE
1.1) RELATIONS ENTRE ORGANISATION DES PAYSAGES AGRICOLES ET ENJEUX ENVIRONNEMENTAUX
1.2) RELATIONS ENTRE ORGANISATION SPATIALE ET TEMPORELLE DES CULTURES DANS LES PAYSAGES AGRICOLES ET DECISIONS D’ASSOLEMENT DES AGRICULTEURS A L’ECHELLE DE L’EXPLOITATION AGRICOLE
1.3) PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS DE LA THESE
CHAPITRE 2.  DEMARCHE METHODOLOGIQUE 
2.1) PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE : LE TERRITOIRE DE LA PLAINE DE NIORT
2.2) DISPOSITIF DE RECHERCHE
CHAPITRE 3.  EVALUATION DE LA COHERENCE ENTRE DECISIONS D’AGRICULTEURS AU NIVEAU EXPLOITATION AGRICOLE, ET REGULARITES D’ORGANISATION SPATIALE ET TEMPORELLE DES CULTURES AU NIVEAU PAYSAGE
3.1) CADRAGE THEORIQUE : COMPLEMENTARITE DES APPROCHES POUR LA MODELISATION DES DYNAMIQUES D’OCCUPATION DU SOL
3.2) ARTICLE ACCEPTE DANS LANDSCAPE ECOLOGY : “COMBINING FARMERS’ DECISION RULES AND LANDSCAPE STOCHASTIC REGULARITIES FOR LANDSCAPE MODELLING”
3.3) CONCLUSION ET IMPLICATIONS POUR LA SUITE DE LA THESE
CHAPITRE 4 . MODELISATION CONCEPTUELLE DES DECISIONS D’ASSOLEMENT A L’ECHELLE DE L’EXPLOITATION AGRICOLE
4.1) PRESENTATION GENERALE ET CHOIX DE CONCEPTION DU MODELE DYSPALLOC
4.2) DETAILS DU CONTENU DU MODELE DYSPALLOC
4.3) DISCUSSION SUR LES DECISIONS D’AJUSTEMENTS INFRA-ANNUELS DE LA PLANIFICATION D’ASSOLEMENT, IDENTIFIEES PAR ENQUETES
CHAPITRE 5.  EVALUATION DU MODELE DYSPALLOC A L’ECHELLE DE L’EXPLOITATION AGRICOLE
5.1) VALIDATION OPERATIONNELLE DU MODELE DYSPALLOC
5.2) VALIDATION DES CONCEPTS DE PARCELLES FIXES ET PARCELLES TEMPORAIRES INTRODUITS DANS LE MODELE DYSPALLOC
5.3) DISCUSSION PARTIELLE SUR LE MODELE DYSPALLOC
CHAPITRE 6.  UTILISATION DU MODELE DYSPALLOC A L’ECHELLE D’UN PAYSAGE COMPOSE D’EXPLOITATIONS AGRICOLES
6.1) CONSTRUCTION DE DONNEES D’ENTREE GENERIQUES POUR DYSPALLOC
6.2) SIMULATIONS D’ALLOCATIONS SPATIALES DE CULTURES AUX PARCELLES, A L’ECHELLE D’UN PAYSAGE COMPOSE D’EXPLOITATIONS
6.3) DISCUSSION SUR L’UTILISATION DE DYSPALLOC A L’ECHELLE D’UN PAYSAGE
CHAPITRE 7. DISCUSSION GENERALE 
7.1) DISCUSSION SUR LES APPORTS DE LA THESE
7.2) PERSPECTIVES
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
NOUVEAU CHAPITRE DE LA THESE 
1. CADRE GENERAL ET ENJEUX DE LA THESE
2. DEROULEMENT, GESTION ET COUT ESTIME DU PROJET DE THESE
3. COMPETENCES PROFESSIONNELLES ET PERSONNELLES MISES EN ŒUVRE
4. RESULTATS ET IMPACTS DE LA THESE
5. IDENTIFICATION DE PISTES PROFESSIONNELLES
ANNEXES

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