Modélisation de l'évolution des surfaces agricoles à l'échelle de grandes régions du monde

Modelling change in agricultural lands at the scale of large regions of the world

• Auteur / Autrice : François Souty
• Direction : Philippe Ciais, Jean-Charles Hourcade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Environnement
• Date : Soutenance le 10/07/2013
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre international de recherche sur l'environnement et le développement
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Butault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Ciais, Jean-Charles Hourcade, Pierre Friedlingstein, Wolfgang Cramer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Friedlingstein, Wolfgang Cramer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développement rural

Sol, Utilisation agricole du

Zones de cultures

Mots clés libres

Changement d'affectation des sols

Agriculture

Modélisation

Biocarburant

Changement climatique

Land-Use change

Agriculture

Modelling

Biofuel

Climate change

Résumé

L'accroissement de la demande de denrées alimentaires et l'augmentation de la production d'énergie à partir de biomasse attendues pour les décennies à venir pourrait se traduire par une expansion massive des surfaces agricoles au détriment du milieu naturel. Cette expansion pourrait avoir des effets indésirables sur la qualité du sol, sur la faune et la flore mais aussi sur les cycles biogéochimiques (carbone, azote), le cycle de l'eau, le climat local et global. Est-il possible de modéliser l'évolution des surfaces de terres cultivées et de pâtures à l'échelle de grandes régions du monde ? C'est l'interrogation fondatrice de ce travail de doctorat. Pour tenter d'y répondre, j'ai développé un modèle numérique baptisé "Nexus Land-Use" et j'ai évalué ses performances dans le passé. Les principaux champs d'application de ce modèle sont l'alimentation, l'énergie et le changement climatique. Par exemple, il permet d'étudier l'impact de notre régime alimentaire et du prix des intrants agricoles sur les changements d'affectation des sols. Par rapport aux autres modèles d'usage des sols existants, il possède une meilleure prise en compte des contraintes biophysiques, une représentation plus fine de l'élevage, et tient compte de l'impact du prix des intrants agricoles sur le rendement des cultures. Le premier chapitre présente le contexte dans lequel le modèle Nexus Land-Use a été développé. Dans un premier temps, nous avons comparé différentes prospectives agricoles avec des scénarios du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat. Il en ressort que certaines contraintes biophysiques ne semblent pas être bien prises en compte dans certains modèles utilisés par le GIEC. Puis, dans une synthèse sur la production d'énergie à partir de produits agricoles, nous avons montré que les technologies de production d'agrocarburants existantes ne permettent pas aux pays industrialisés de s'affranchir des contraintes qui leur imposent de diminuer drastiquement leur consommation d'énergie (ressources fossiles finies et changement climatique). Dans certains cas, le bilan effet de serre des agrocarburants est même pire que celui des carburants fossiles existants. Le deuxième chapitre décrit le fonctionnement du Nexus Land-Use en détail. En combinant la théorie économique et les contraintes biophysiques, le modèle Nexus Land-Use présente une approche originale permettant d'estimer l'évolution des surfaces de terres cultivées et de pâtures dans 12 grandes régions du monde en fonction de l'évolution de la population, du régime alimentaire, des surfaces de forêts et du prix des intrants agricoles. Le dernier chapitre présente un calibrage et une évaluation de ce modèle sur la période 1961-2006. C'est une des rares études qui tente de reproduire les changements d'affectation des sols entre pâtures et terres cultivées à l'échelle de grandes régions du monde.

The increase in demand for both food and biomass-energy expected over the next few decades could result in a massive expansion of agricultural land at the expense of the natural environment, including adverse effects on soil quality, fauna and flora populations, biogeochemical cycles (carbon, nitrogen), and the water cycle, as well as local and global climate. This thesis address the question : Is it possible to model changes in cropland and pasture areas at the scale of large regions of the world ? By developing a numerical model called "Nexus Land-Use" and evaluating it against historical data. The main applications of this model are in the food, energy and climate change domains. For example, one can study the impact of diet and the price of agricultural inputs on land-use changes. Compared to other existing land-use models, Nexus Land-Use better takes into account biophysical constraints, has a finer representation of livestock production systems, and incorporates feedback of chemical input prices on crop yields. In chapter 1, we explore two aspects surrounding our main question : First, by comparing various agricultural forecasts with scenarios of the Intergovernmental Panel on Climate Change, we point out the limit of some IPCC models in taking into account biophysical constraints. Secondly, in a synthesis on energy production from agricultural products, we show that existing agrofuel production technologies are not enough to avoid peak oil and climate change without also drastically reducing their energy consumption. In some cases accelerating adoption of agrofuels results in even higher climate change impacts than existing energy production technologies. In chapter 2, we describe the functioning of the Nexus Land-Use in detail. Through a combination of economic theory and biophysical constraints, the Nexus Land-Use model estimates the response of cropland and pastures area in 12 regions of the world to population, food diet, deforestation and the price of agricultural inputs. The final chapter presents a calibration and an evaluation of this model over the period 1961-2006. It is one of the few studies that tries to reproduce past and-use changes between cropland and pastures at the scale of large regions of the world.