Relations entre production agricole, services écosystémiques et impacts liés au fonctionnement du sol : Quels effets de systèmes de culture plus autonomes en azote en contexte de changement climatique ?

Relationships between agricultural production, ecosystem services and impacts linked to soil functioning : What effects of N self-sufficient cropping systems in the context of climate change?

• Auteur / Autrice : Maëlys Cadel
• Direction : Isabelle Cousin, Olivier Thérond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Environnement
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Service Infosol. Centre national de Ressources sur les Sols (Orléans ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Ary Bruand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ary Bruand, Guy Richard, Yves Coquet, Julie Constantin, Valérie Viaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Richard, Yves Coquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couverture végétale du sol

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Modèles mathématiques

Services écosystémiques

Cultures de plein champ

Environnement

Produits agricoles

Plantes -- Teneur en azote

Agriculture

Changements climatiques

Sciences de l'environnement

Mots clés libres

Légumineuses

Synergies

Antagonismes

Modèle STICS

Atténuation

Relations entre services

Legume

Synergies

Trade-offs

STICS model

Mitigation

Ecosystem services relationships

Résumé

Les sols agricoles contribuent à fournir de nombreux services écosystémiques (SE) aux agriculteurs et à la société. Stockage et restitution d'eau verte et bleue, fourniture de nutriments, régulation de la qualité de l'eau, séquestration du carbone, etc. Or, la majeure partie des écosystèmes agricoles est encore cultivée de manière intensive via l'utilisation d'intrants de synthèse, sans réelle considération des effets négatifs de ces pratiques sur l'environnement et sur la capacité des sols à fournir ces SE. Un des enjeux de la transition agroécologique est de parvenir à concevoir des systèmes de production plus durables, qui limitent l'utilisation des intrants de synthèse, en favorisant notamment une agriculture basée sur la biodiversité et les SE supports de la production. Cela nécessite d'approfondir nos connaissances sur les interactions spatio-temporelles qui existent entre pratiques agricoles, production agricole, SE et impacts environnementaux. Ce manuscrit présente une synthèse des travaux de recherche réalisés dans le cadre d'un partenariat INRAE - ANDRA et qui avait pour but de répondre, du moins en partie, à cet enjeu. Ils furent structurés en deux grandes phases. La première consistait en une revue systématique de la littérature sur les relations qui existent entre la production agricole, les SE et les impacts liés au fonctionnement du sol, dans les systèmes de grandes cultures en climat tempéré. Afin de pouvoir comparer et synthétiser les résultats des 40 études sélectionnées, nous avons développé une nouvelle ontologie des SE et des impacts liés au fonctionnement du sol. Cette revue a permis de mettre en évidence que les relations entre la production de biomasse et les autres SE et impacts étaient majoritairement non significatives, confirmant qu'il n'y a pas d'antagonisme systématique entre production agricole et SE de régulation. Elle a également permis d'identifier des relations qui n'ont pas été étudiées dans les études synthétisées, comme celles entre la séquestration du C et la régulation de la qualité physique du sol ou le maintien de sa biodiversité. En outre, une analyse des effets des déterminants de ces services a révélé que les trois piliers de l'agriculture de conservation et la fertilisation organique semblent être des pratiques prometteuses pour promouvoir l'expression de bouquets équilibrés de SE. La seconde phase a été basée sur la modélisation et simulation de systèmes de culture actuels et agro-écologiques au sein du territoire de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement de l'ANDRA. Elle avait comme objectifs d'évaluer les effets de systèmes visant une plus grande autonomie en azote et une atténuation du changement climatique sur les relations temporelles qui existent entre la production agricole, 5 SE et 3 impacts environnementaux liés au fonctionnement du sol. Ces systèmes de culture ont été conçus en mobilisant trois leviers agronomiques : a) les couverts intermédiaires avec légumineuse (trèfle incarnat), b) les légumineuses à grain (pois) et c) les légumineuses fourragères (luzerne). Pour évaluer les performances de ces systèmes, nous avons mobilisé le modèle de culture STICS, qui simule le fonctionnement du système sol-plante au pas de temps journalier. Cette analyse a été réalisée sur deux périodes de 20 ans : une première simulation en climat passé récent (2000-2021), et une seconde simulation, sous projection climatique RCP 8.5 (2036-2057). Si la plupart des relations temporelles analysées ressortent non significatives, il apparait que la mise en place de couverts intermédiaires longs dans la rotation permet de fournir les plus hauts niveaux de séquestration de carbone et de fourniture en azote minéral et parmi les plus bas niveaux de lixiviation d'azote.

Agricultural soils provide many ecosystem services (ES) to farmers and Society such as green and blue water provision, nutrient provision to crops, water quality regulation, carbon sequestration etc. However, most cropping systems are still intensively managed, based on chemical inputs, with little to no consideration of the possible effects of such practices on the environment and the ability of soils to provide these ES. One issue of agroecological transition is to design more sustainable production systems, with limited use of chemical inputs, that provide and benefit from biodiversity and the ES support of agricultural production. We thus need to improve our knowledge on the spatio-temporal relationships that may exist between management practices, agricultural production, ES and environmental impacts. This manuscript synthesizes the results of a three years INRAE-ANDRA collaboration that aimed at providing key information on soil-crop functioning while facing this challenge. This work was structured into two parts. We first conducted a systematic literature review of the relationships between agricultural production, the ES and the impacts linked to soil functioning, within temperate annual production systems. In order to be able to compare the results of the 40 studies selected, we developed a new ontology of soil-based ES and impacts. This review evidenced mainly non-significant relationships between Biomass production and the ES and impacts investigated suggesting that there is no systematic trade-off between agricultural production and regulating ES. We also identified key relationships that have never been investigated in the studies selected as those between C sequestration and Physical soil quality regulation or Soil biodiversity. Also, an analysis of the effects of drivers of these ES revealed that the three pillars of conservation agriculture, as well as organic fertilization, seem promising practices to provide balanced bundles of ES. We then performed simulation analyses of actual and agroecological cropping systems of the French long-term Environmental Observatory of ANDRA. The objectives were to assess the effects of more N self-sufficient cropping systems, with a climate change mitigation purpose, on the temporal relationships between agricultural production, 5 ES and 3 impacts linked to soil functioning. These cropping systems were designed by implementing three agroecological management practices: a) long cover crops with legume (crimson clover), b) grain legumes (pea) and c) fodder legumes (alfalfa). To assess the performances of these systems, we used the STICS model, that simulates the functioning of the soil-crop system at a daily time-step. Simulations were run over two 20-years time periods: a first one for recent past climate (2000-2021) and a second one for future climate projection using RCP 8.5 (2036-2057). If most of the temporal relationships analysed were non-significant, results highlighted that the use of long cover crops in the rotation provided the highest values of N provision to crops and C sequestration and the lowest values of NO3 lixiviation.