Modélisation des cycles des éléments eau-carbone-azote dans un système sol-plante et application à l'estimation des bilans environnementaux des grandes cultures

Modelling of the water-carbon-nitrogen cycles in a soil-crop system, and application to the estimation of open-field crops environmental balances

• Auteur / Autrice : Benoît Gabrielle
• Direction : Serge Bories
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colza

Protoxyde d'azote

Cultures et sols

Modèles mathématiques

Pollution

Résumé

L’évaluation de l’impact environnemental des grandes cultures constitue un enjeu croissant à la fois au niveau de la protection du milieu et, au niveau scientifique, en termes de connaissance et de modélisation des processus sources de pollution. En nous restreignant aux pollutions liées à l’élément azote, nous avons procédé à un suivi expérimental ainsi qu’à une modélisation des flux associés, dans le cadre notamment d’une culture de colza à valorisation énergétique. Nous nous sommes intéressés d’une part au lessivage de nitrate sous la zone racinaire, et d’autre part aux émissions d’oxyde nitreux et d’ammoniac vers l’atmosphère. Parmi les différentes approches présentes dans la littérature, deux modèles ont été sélectionnés, correspondant respectivement à une option simple et opérationnelle (modèle CERES), et à une option plus mécaniste et conceptuelle (modèle Daisy). Cinq jeux de données expérimentales couvrant différentes conditions pédo-climatiques ont permis de tester, voire d’améliorer les sous-modèles de transfert d’eau et de nitrate dans le sol, de dénitrification, et de croissance et d’assimilation d’azote par la culture. Globalement, les précisions des modèles CERES et DAISY se sont révélées similaires, DAISY étant plus performant pour la simulation des transferts de masse dans le sol, et CERES pour la simulation de la croissance du colza. En fait, la précision des modèles dépend du type de milieu simulé : nous proposons alors qu’une classification fonctionnelle des sols pourrait servir de base pour déterminer la forme du modèle à utiliser pour une précision optimale en fonction des données d’entrée disponibles. Enfin, les quelques améliorations proposées concernant la composante sol du modèle simple (CERES) ont permis une prédiction satisfaisante des flux eau-carbone-azote dans le système sol-plante

The field-assessment of the environmental impacts of crop production has emerged as a critical issue, since modern agriculture should be expected not to pose major threats. We have here assessed the nitrogen (N) pollutions, caused by such a crop (oilseed rape), through both experimental and modeling approaches. Two types of pollution were investigated : the leaching of nitrate below the root zone, and the gaseous emissions of ammonia (NH3) and nitrous oxide (N2O) to the atmosphere. The prediction of N fluxes at the boundaries of the soil-crop system requires the use of a model simulating the dynamics of water, carbon and N within this system. Among the approaches of various complexities undertaken in the literature, we chose two models representing either a simple (CERES) or a more theoretical (DAISY) viewpoint. Five data sets corresponding to a range of climate and soil conditions were used to test various options for both models. None of the models clearly outranked the other. DAISY performed better as regards heat and mass transfer in soil, but CERES proved a superiority for the simulation of crop growth. Actually, the precisions of the models were also dependent on the type of medium investigated : we then suggested that a functional classification of soils could serve as a basis for determining the form of model to use, that would offer the best precision for a given set of available inputs. Overall, the modifications we proposed to the soil components of CERES allowed this simple approach to yield a satisfactory accuracy in the prediction of the water, carbon and nitrogen fluxes in the soil-crop system.