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
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Atténuation du changement climatique

Effets biogéophysiques

Effets biogéochimiques

Afrique subsaharienne

Modélisation

Agroécologie

Climate change mitigation

Biogeophysical effects

Biogeophysical effects

Biogeochemical effects

Modelling

Sub-Saharan Africa

Résumé

L'agriculture de conservation (AC) est l'une des solutions basées sur la nature offrant des perspectives potentielles à la fois pour l'atténuation et l'adaptation au changement climatique. L'étude du potentiel d'atténuation du changement climatique de l'AC s'est jusqu'à présent principalement concentrée sur les effets biogéochimiques (c.-à-d. séquestration de carbone, émissions de gaz à effet de serre), tandis que les effets biogéophysiques (albédo, évapotranspiration, etc.) sont souvent négligés. Cela est d'autant plus vrai en Afrique subsaharienne, où de telles études sont inexistantes malgré une importante promotion de l'AC. Dans ce contexte, nous avons quantifié les effets biogéophysiques à travers des mesures continues d'albédo de surface, de rayonnement thermique, de température de surface, de contenu en eau dans le sol et de la dynamique de croissance du maïs pendant deux ans au Zimbabwe. Ce travail a été réalisé sur deux essais de longue durée mis en place en 2013, présentant des types de sols contrastés : un Lixisol abruptique sableux et clair, et un Ferralsol xanthique argileux et plus sombre. Trois pratiques culturales ont été étudiées au cours de cette étude : le travail du sol conventionnel (CT), la suppression du travail du sol (NT), et le maintien des résidus de culture en surface avec l'absence de travail du sol (NTM). Les résultats ont montré une augmentation de l'albédo de surface suite à l'adoption de NT comparé à CT, quel que soit le type de sol. L'apport de résidus de culture en surface a eu des effets contrastés selon le type de sol. En effet, les résidus ont contribué à une augmentation de l'albédo de surface sur le sol argileux sombre et à sa diminution sur le sol sableux clair. Ces changements d'albédo ont entraîné des forçages radiatifs négatifs, associés à un effet de refroidissement du NT, quel que soit le type de sol, et des effets opposés pour le NTM, avec un refroidissement sur le sol argileux foncé et un réchauffement sur le sol sableux clair. Nous avons comparé ces forçages radiatifs induits par l'albédo de surface aux effets biogéochimiques du stockage du carbone organique du sol (COS) et des émissions de protoxyde d'azote (N₂O). Les résultats ont montré que sur 30 ans de pratiques 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 un sol argileux sombre, ces pratiques renforcent l'effet de refroidissement lié au stockage de COS (synergie), tandis que sur un sol sableux clair, elles entraînent un réchauffement à court terme, annulant les bénéfices climatiques du COS à long terme (antagonisme). Pour mieux comprendre les dynamiques d'albédo et leurs déterminants, le modèle de système de cultures STICS a été utilisé. Un nouveau formalisme a été proposé pour prendre en compte l'albédo de la culture en phase de sénescence, ce qui a amélioré les simulations de l'albédo de surface. Cette étude montre l'importance d'analyser conjointement les effets biogéophysiques et biogéochimiques afin de mieux évaluer les impacts climatiques des pratiques agricoles et d'optimiser les mesures d'adaptation et d'atténuation.

Conservation agriculture (CA) is one of the nature-based solutions offering potential prospects for mitigation and adaptation strategies to climate change. Studies on the potential mitigation of climate change through CA have so far focused on biogeochemical effects (i.e. carbon sequestration, greenhouse gas emissions), while biogeophysical effects (surface albedo, evapotranspiration, etc.) are often overlooked. This gap is especially pronounced in Sub-Saharan Africa, where such studies are rare, despite significant promotion of CA. In this context, we quantified biogeophysical effects through continuous measurements of surface albedo, thermal radiation, surface temperature, soil water content, and maize growth dynamics over two growing seasons in Zimbabwe. This study was carried out at two long-term experiment sites established in 2013, which feature contrasting soil types: a sandy, light-colored abruptic Lixisol and a clayey, dark-colored xanthic Ferralsol. Three cropping practices were studied: 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 compared to CT, regardless of soil type. The addition of surface residues had contrasting effects depending on soil type. Specifically, residues increased surface albedo on the dark clay soil and decreased it on the light sandy soil. These albedo changes resulted in negative radiative forcing associated with a cooling effect for NT, regardless of soil type, and opposite effects for NTM: cooling on the dark clay soil and warming on the light sandy soil. We compared the radiative forcing induced by surface albedo to the biogeochemical effects of soil organic carbon (SOC) storage and N2O emissions. The results showed that over 30 years of CA practice, albedo changes related to NT and NTM had climate effects ranging from -1.27 to +1.15 t CO2-eq ha-1 yr-1, comparable to the carbon storage potential in soils in Sub-Saharan Africa. On the dark clay soil, these practices enhanced the cooling effect, while on the light sandy soil, they led to short-term warming, offsetting the long-term SOC climate benefits. To better understand albedo dynamics and its drivers, the STICS soil-crop model was used. A new formalism was proposed to account for the albedo of the crop during senescence, resulting in improved surface albedo simulations. This study highlights the importance of integrating both biogeophysical and biogeochemical effects to better assess the climatic impacts of agricultural practices and optimize adaptation and mitigation measures.