Modélisation intégrée des systèmes agricoles et de la dynamique de l'azote dans le bassin versant : : de la conception du modèle au test de scénarios

Integrated modelling of farming systems and nitrogen fluxes and transformations in the catchment: from the conception of model to the test of scenarios

• Auteur / Autrice : Pierre Moreau
• Direction : Patrick Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l’environnement
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes, Agrocampus Ouest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Azote

Pollution

Résumé

Face a l’augmentation conjointe de la demande alimentaire et de la pression sur les ressources, la nécessité de concevoir et évaluer des modes de production améliorant l’équilibre entre les objectifs de production et de réduction des émissions polluantes, est plus que jamais d’actualité. Parmi les impacts environnementaux, les flux d’azote vers les aquifères et les eaux de surface dus aux activités agricoles ont conduit a une dégradation de la qualité des eaux destinées a la consommation et a une eutrophisation des milieux. Dans ce contexte, la recherche est interpellée pour proposer des pistes d’évolution des modes de production intégrant les niveaux du système agricole, siège du pilotage des activités agricoles, et du territoire, ou les impacts de ces activités sont évalués, des solutions collectives sont possibles et les acteurs de politiques s’organisent. Le travail de thèse vise l’intégration des ces deux niveaux. Les objectifs sont (i) d’identifier des systèmes agricoles économiquement viables offrant des perspectives environnementales favorables a une réduction des émissions d’azote vers les eaux, (ii) d’intégrer le fonctionnement du système agricole dans un modèle d’évaluation des flux d’azote dans un bassin versant et (iii) de tester les conséquences de scenarios d’évolution de systèmes agricoles sur ces flux d’azote. Sur un bassin versant, domine par l’élevage bovin et visant une forte réduction des flux d’azote a son exutoire, une analyse multicritère a été menée en associant un diagnostic agraire et un diagnostic environnemental. L’étude des forces et faiblesses économiques, techniques et environnementales des systèmes agricoles, a fait ressortir les systèmes de productions herbagers comme une piste d’évolution a explorer sur l’ensemble d’un bassin versant. Pour intégrer le fonctionnement des systèmes agricoles dans la modélisation biophysique du bassin versant, le modèle CASIMOD’N (Catchment and Agricultural System Integrated MODel for Nitrogen) a été développe. Il repose sur un couplage de modèles existants : les modèles FUMIGENE et TOURNESOL, qui traduisent des décisions stratégiques en assolements et itinéraires techniques dans une exploitation d’élevage, et le modèle TNT2, qui simule les transferts et les transformations de l’azote dans un bassin versant. Dans CASIMOD’N, la faisabilité de la modélisation du pilotage de l’alimentation du troupeau et de l’épandage pour assurer la cohérence des simulations des pratiques agricoles et de leur distribution spatiale a été démontrée. Des scenarios d’évolution de systèmes agricoles, construits en collaboration avec les acteurs du bassin sur la base des résultats de l’analyse multicritère, ont été testes. Lors de cette application, l’effet de la généralisation de deux indicateurs, restreignant le chargement animal par hectare de surface pérenne et les entrées azotées des exploitations, a ainsi pu être évalue sur les systèmes, sur les pratiques et sur les flux d’azote.

To face the increasing food requirements and the increasing pressure on natural resources, the need to develop and evaluate farming systems that improve the balance between the objectives of sustaining production and reducing pollutant emissions, is more acute than ever. Among the environmental impacts, the nitrogen fluxes to aquifers and surface waters due to agricultural activities have led to the deterioration of drinking water quality and to the eutrophication of the aquatic environment. In this context, research is questioned to put forward innovations integrating both the farming system, where the decision of agricultural practices takes place, and the territory, where the negative impacts are visible, collective solution are possible and local policies are set up. The thesis aims at integrating these two levels. The objectives are (i) to identify economically viable farming systems that could reduce nitrogen emissions to waters, (ii) to integrate the farming-system in a model assessing nitrogen fluxes at catchment level and (iii) to simulate the effect of catchment-scale changes in farming systems on the nitrogen fluxes. In a catchment dominated by cattle production and where a drastic reduction of nitrogen fluxes is required to control coastal eutrophication, a multi-criteria analysis was conducted by combining an agrarian and an environmental diagnosis. In this application, the study of the economic, technical and environmental strengths and weaknesses of farming systems highlighted the interest of moving towards generalized grassland-based production systems. To integrate farming system and watershed, a model called CASIMOD’N (Catchment and Agricultural System Integrated MODel for Nitrogen) was developed. It is based on the coupling of pre-existing sub-models: TOURNESOL and FUMIGENE which simulate strategic decisions in livestock system translated into crop rotation and technical operations, and TNT2, which simulates nitrogen transfer and transformation in catchments. In CASIMOD'N, the feasibility of modeling the strategies in herd alimentation and in waste spreading to ensure the consistency of the simulated agricultural practices and their spatial distribution was demonstrated. Scenarios of farming-system changes, built in collaboration with the stakeholders and based on the results of the multi-criteria analysis, were tested. In this application, the effects of the generalization of two indicators, restricting the stocking rate per hectare of perennial crop and the nitrogen input in the farming systems, has been evaluated for the systems, the management practices and the nitrogen fluxes.