Analyse en réseaux complexes des flux physiques internationaux de produits agricoles : structures et évolutions de 1986 à 2016

par Marie-Cécile Dupas

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de José Halloy et de Petros Chatzimpiros.


  • Résumé

    La question des transitions climatique et énergétique se pose de manière cruciale pour les systèmes agroalimentaires, très sensibles aux conditions ambiantes, et qui dépendent à plus de 95% des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz) et font l’objet d’un intense commerce international. La multiplication des infrastructures de transport maritimes, aériens, ferroviaires et routiers à travers le monde a permis de renforcer les échanges commerciaux et l'interconnexion entre pays. Ainsi, la question de sécurité alimentaire dépasse les périmètres nationaux et nécessite de considérer la mondialisation agricole. La compréhension des mécanismes qui sous-tendent l’évolution du réseau commercial mondial est ici abordée par une analyse rétrospective des flux agroalimentaires mondiaux dans une vision prospective. La méthode utilisée est la théorie des réseaux complexes composés de nœuds, les pays, et des liens, qui sont les flux commerciaux exprimés en unité de masse. La base de données FAOstat fournit les données des flux de produits en renseignant leurs lieux d’origine et de destination de 1986 à 2016. Nous étudions le réseau mondial de commerce et son évolution sur la période en agrégeant les produits en six catégories : céréales, viande, oléagineux et fruits & légumes qui sont à la base du régime alimentaire et cacao et café qui sont des produits de confort. Le réseau agricole mondial s’est sensiblement densifié sur la période et sa structure a évolué similairement pour les six catégories de produits considérées. En 1986, le réseau de chaque catégorie de produit a les caractéristiques d’un réseau invariant d’échelle avec des « hubs » qui correspondent aux plus grands pays exportateurs occidentaux. On observe un changement de topologie entre 1995 et 1997, se caractérisant par un changement vers un réseau à distribution exponentielle des degrés. Ce changement signifie que le nombre de pays à degré de connectivité important augmente. Le changement de structure coïncide avec la mise en application en 1995 de l'Accord sur l'agriculture visant à libéraliser les marchés. La structure temporelle des échanges est similaire pour les six catégories de produits et les échanges sont différentiés et caractérisés en fonction de leur stabilité au cours du temps. Nous identifions ainsi trois sous-réseaux avec des topologies spécifiques et invariantes dans le temps. Le sous-réseau squelette est composé des échanges ininterrompus pendant toute la période et représente environ 20% de liens et 70% de la masse du réseau total et a une topologie à invariance d'échelle. Les flux commerciaux à durées incluses entre 2 et 29 ans présentent une distribution exponentielle des degrés et compose le sous-réseau intermédiaire. Ce sous-réseau s'est construit sur les accords commerciaux avec les pays émergents et présente une forte dynamique de croissance. Enfin, les flux labiles à durée comprise entre 1 et 2 ans forment le sous-réseau éphémère qui regroupe la majorité des échanges (entre 60 et 70% en fonction des années) et présente des caractéristiques aléatoires. Ce dernier sous-réseau représente une sorte de « bruit commercial » caractérisé par un ensemble d’échanges extrêmement instables et possiblement opportunistes. Pour étudier la question de sécurité alimentaire, nous construisons le réseau mondial de calories qui intègre les chaînes de transformation des produits et leur conversion en calories. Pour chaque pays, les bilans des échanges caloriques sont calculés en tenant compte également des pertes métaboliques de l’élevage. Les résultats du réseau de calories soulignent la dépendance alimentaire des plusieurs pays en Afrique, Europe de l'Est et du Nord et en Asie centrale au réseau mondial. Ce travail de thèse fourni une solide base de construction de modèles prospectifs de réseaux pour l’agriculture et l’alimentation dans un contexte de mondialisation croissante.

  • Titre traduit

    Complex network analysis of international physical flows of agricultural products : structure and evolution from 1986 to 2016


  • Résumé

    The issue of climate and energy transitions is crucial for agri-food systems, which are highly sensitive to environmental conditions, and rely for over 95% on fossil fuels (oil, coal, gas) as well as they are subject to intense international trade. The multiplication of maritime, air, rail and road transport infrastructures throughout the world since several decades has made it possible to strengthen international trade and interconnect agricultural systems at the global scale. Thus, the issue of food security goes beyond domestic frontiers and requires taking into consideration the globalization of food and feed supply chains. The understanding of the mechanisms underlying the evolution of the global trade network is addressed here through and forward-looking analysis of the recent trajectory of global agri-food flows. The methodology is based on the theory of complex networks composed of nodes, which are the countries, and links, which are the trade flows in mass. The FAOstat database provides the origin-destination matrices of agricultural products flows per country since 1986. We study the world trade network and its evolution from 1986 to 2016 by aggregating the traded commodities into six product categories: cereals, meat, oilseeds and fruits & vegetables which compose the basis of diets and cocoa and coffee which are luxury products. Agri-food networks have become significantly denser over the period and their structure has evolved similarly for the six product categories. In 1986, the six networks present the same characteristics of a scale-free network with the hubs being the largest Western exporting countries. A transition in the network topology is observed between 1995 and 1997 and is characterised by a shift towards a network with an exponential distribution of degrees. This transition means that the number of countries with a high degree of connectivity is increasing. The change in the network structure coincides with the implementation in 1995 of the Agreement on Agriculture targeting the liberalization of markets. The temporal structure and distribution of trades is similar for the six product categories and the trades are differentiated according to their temporal stability. We identify three subnetwork structures with distinct and time-invariant topologies. The backbone subnetwork is composed by uninterrupted trades throughout the study period and represents about 20% of total links and 70% of total mass and is scale-free. Trades with durations included between 2 and 29 years present an exponential degree distribution and compose the intermediate subnetwork, which has built on commercial agreements with emerging countries and grows rapidly. Finally, labile trades with durations included between 1 and 2 years form the transient subnetwork which gather the majority of total trades (60 to 70% depending on the years) and shows random characteristics. This last subnetwork represents commercial noise of extremely unstable and possibly opportunistic trades. To address the issue of food security, we build the global food network by integrating product transformation processes and by converting traded mass into calories. For each country, we calculate the net balances of calories also accounting for the unavoidable metabolic losses of livestock. The network of calories highlights large deficits and, therefore, food dependency on global trade of several countries in Africa, Eastern and Northern Europe and Central Asia. The structure and evolution of the network of calories is similar to that of the six product categories and its analysis allows studying the specific structures between surplus and deficient countries. The subdivision of trades according to their temporal stability reveals the same three invariant subnetworks structures. This thesis provides a solid basis for constructing prospective network modelling approaches for agriculture and food security in a context of increasing globalization.

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