Dynamique de l'albédo de surface et bénéfice climatique de l'agriculture de conservation au Zimbabwe sub-humide

Impact of albedo change on the climate benefit of conservation agriculture in sub-humid Zimbabwe

• Auteur / Autrice : Souleymane Diop
• Direction : Eric Ceschia, Rémi Cardinael, Ronny Lauerwald
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 28/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ECOSYS Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes - Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Chenu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Carrer, Bernard Longdoz, Philippe Peylin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Carrer, Bernard Longdoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de culture

Sols -- Préparation

Résidus

Mots clés libres

Atténuation du changement climatique

Effets biogéophysiques

Effets biogéochimiques

Afrique subsaharienne

Modélisation

Agroécologie

Albedo

Biogeophysical effects

Biogeochemical effects

Sub-Saharan Africa

Modelling

Agroecology

Résumé

L'agriculture de conservation (AC) est une des solutions basées sur la nature offrant des perspectives intéressantes en termes de leviers d'atténuation et de stratégies d'adaptation au changement climatique. En Afrique subsaharienne, les études des potentiels d'atténuation des changements climatiques par l'AC se concentrent sur les effets biogéochimiques (stockage C, emissions de GES) tandis que les effets biogéophysiques (effets albédo, flux d'énergie) sont souvent ignorés. Dans ce contexte, il est très pertinent d'approfondir les effets de l'AC sur les contributions biogéophysiques de l'agriculture sur le climat afin d'identifier les potentiels leviers d'atténuation associés aux changements de pratiques et les possibles synergies avec les effets biogéochimiques. Nous avons mené des études de quantification des effets biogéophysiques à travers des mesures d'albédo de surface, de rayonnement thermique, de température de surface, de contenu en eau dans le sol, et de dynamiques de croissance des cultures durant deux années culturales au Zimbabwé sur deux types de sol contrasté : un Lixisol abruptique sableux et clair et un Ferralsol xanthique argileux et sombre. Trois pratiques culturales sont comparées dans cette études : le labour conventionnel (CT, pour Conventional Tillage en anglais), la suppression du labour (NT pour No-Tillage en anglais) et le maintien des résidus en surface (NTM pour No-Tillage with Mulch en anglais). Les résultats ont montré une augmentation d'albédo de surface suite à l'adoption de la pratique du NT comparé au CT quel que soit le type de sol. L'apport des résidus de culture en surface comparé au CT à des effets contrasté suivant les types de sol. En effet, les résidus contribuent à une augmentation de l'albédo de surface sur les sols argileux sombres et contribuent à sa diminution sur les sols sableux clairs. Ces changements d'albédo ont entraîné des forçages radiatifs négatifs associés à un effet refroidissant sur le climat du NT quel que soit le type de sol et des effets contrastés pour le NTM, avec un effet refroidissant sur les sols argileux foncés et un effet réchauffant sur les sols sableux clairs. Nous avons comparé ces forçages radiatifs induits par l'albédo de surface aux effets biogéochimiques du stockage de carbone (C) et des émissions de N2O induits par ces mêmes pratiques. Les résultats obtenus ont montré que sur 30 ans de pratique d'AC, les changements d'albédo liés aux pratiques NT et NTM ont des effets climatiques allant de -1,27 à +1,15 t CO2-éq ha⁻¹ an⁻¹, comparables au potentiel de stockage de carbone dans les sols en Afrique subsaharienne. Sur les sols argileux sombres, ces pratiques renforcent l'effet de refroidissement, tandis que sur les sols sableux clairs, elles entraînent un effet réchauffant à court terme, annulant les bénéfices climatiques du C stocké à long terme. Pour mieux comprendre les déterminants des dynamiques d'albédo et être en capacité à les simuler en fonction des pratiques, le modèle STICS a été utilisé, révélant des limites dans la prise en compte de l'effet des tissus sénescents et de l'humidité de surface sur les dynamiques de l'albédo de surface. De nouveaux formalismes ont ensuite été proposés et testés, ce qui a permis d'améliorer les simulations de l'albédo de surface. Cette étude met en avant l'importance d'intégrer les effets biogéophysiques et biogéochimiques pour mieux évaluer les impacts climatiques des pratiques agricoles et optimiser les mesures d'adaptation et d'atténuation.

In Sub-Saharan Africa, studies of potential climate change mitigation levers by CA focus more on biogeochemical effects (C storage, GHG emissions) while biogeophysical effects (albedo effects, energy fluxes) are often ignored. In this context, it is very relevant to delve into the effects of CA on agriculture's biogeophysical contributions to climate in order to identify potential mitigation levers associated with changes in practices and possible synergies with the biogeochemical effects. We conducted studies to quantify the biogeophysical effects through measurements of surface albedo, heat radiation, surface temperature, water content in soil, and dynamics of crop growth during two growing years in Zimbabwe on two types of contrasting soil: a sandy, light-coloured abruptic Lixisol and a clayey, dark-coloured xanthic Ferralsol. Three cropping practices are compared in this study: conventional tillage (CT), no-tillage (NT) and no-tillage with mulch (NTM). The results showed an increase in surface albedo following the adoption of NT practice compared to CT regardless of soil type. The contribution of crop residues to surface compared with CT lead to contrasting effects according to soil types. Indeed, the residues contribute to an increase in surface albedo on dark clay soils and contribute to its decrease on light sandy soils. These albedo changes have led to negative radiative forcing associated with a cooling climatic effect on the NT regardless of soil type and contrasting effects for the NTM, with a cooling effect on dark clay soils and a warming effect on light sandy soils. We compared these surface albedo-induced radiative forcings with the biogeochemical effects of carbon (C) storage and N2O emissions induced by these same practices. The results obtained showed that over 30 years of CA practice, albedo changes related to NT and NTM practices have climatic effects ranging from -1.27 to +1.15 t CO2-eq ha-1 year-1, comparable to the potential for carbon storage in soils in Sub-Saharan Africa. On dark clay soils, these practices enhance the cooling effect, while on light sandy soils, they cause a warming effect in the short term, negating the climate benefits of long-term stored C. To better understand the determinants of albedo dynamics and to be able to simulate them according to practices, the STICS model was used, revealing limitations in the consideration of the effect of senescent tissues and surface moisture on the dynamics of surface albedo. New formalisms were then proposed and tested, which allowed to improve the simulations of the surface albedo. This study highlights the importance of integrating biogeophysical and biogeochemical effects to better assess climate impacts of agricultural practices and optimize adaptation and mitigation measures.