Vers une prise en compte de l'eau en tant que ressource et vecteur de pollution dans les ACV de produits agricoles : Développement méthodologique et application à un système de culture pérenne

by Sandra Payen

Doctoral thesis in ESA- Ecosystemes et sciences agronomiques

Under the supervision of Sylvain Perret.

Thesis committee members: Sylvain Perret, Claudine Basset-Mens.

Examiners: Cécile Bulle, Patrick Durand.

  • Alternative Title

    Toward a consistent accounting of water as a resource and a vector of pollution in the LCA of agricultural products : Methodological development and application to a perennial cropping system


  • Abstract

    Identifying the environmental hot spots of agriculture is crucial in a context where humanity has to produce more food and pollute less. Life Cycle Assessment (LCA) is a powerful tool to evaluate the environmental impacts of agricultural systems, but is still fraught with shortcomings, notably for the evaluation of impacts of freshwater use and of salinisation of water and soil. The core complexity lies in the double status of water and soil resources in LCA which are both a resource and a compartment. The three questions answered by the thesis were: How to better assess the impacts associated with water and salts fluxes? What model should be developed for a relevant inventory of field water and salts fluxes? Is the developed model operational for an LCA study on a perennial crop? The first question was answered through a literature review on salinisation impacts in LCA. It revealed the main environmental mechanisms of salinisation, the factors involved, and discussed the soil and water status, notably through a consistent definition of the technosphere and ecosphere boundary. To answer the second question, a critical analysis of water inventory and agri-food LCA databases showed their inadequacy for the LCA-based ecodesign of cropping systems: they provide estimates of theoretical water consumed, rely on data and methods presenting limitations, and do not support the calculation of both consumptive and degradative water use impacts. For the LCA-based ecodesign of cropping systems, the inventory of water flows should be based on a model simulating evapotranspiration, deep percolation and runoff accounting for crop specificities, pedo-climatic conditions and agricultural managements. For herbaceous crops, the FAO Aquacrop model constitutes a relevant and operational model, but no dedicated model is available to-date for perennials. To fill this gap, a tailored and simple model, so called E.T., was elaborated for the inventory of field water and salt flows for annual and perennial crops. The model combines daily water and salts balances, accounting for soil, climate, agricultural practices and possible crop water and salinity stresses. A first testing of the E.T. model demonstrated its discriminating power for agricultural practices and its robustness. Its validity domain can be extended and its accuracy increased thanks to the recommendations provided. E.T. was also tested in the LCA of a Mandarin grown in Morocco. For most impact categories, electricity use for irrigation was the main contributor revealing a water-energy nexus. Water use had a major contribution to damages for all areas of protection. Overall, to further improve the assessment of impacts due to water use (including salinization impacts) we recommend using a more mechanistic and hydrological approach.


  • Abstract

    Identifier les « hotspots » environnementaux de l’agriculture est crucial dans un contexte où l’humanité doit produire plus et polluer moins. L’Analyse du Cycle de Vie (ACV) est un outil puissant pour évaluer les impacts environnementaux des systèmes agricoles, mais souffre encore de lacunes, notamment pour l’évaluation des impacts lies à la consommation d’eau douce et la salinisation des eaux et des sols. La complexité fondamentale réside dans le double statut de l’eau et du sol en ACV qui sont à la fois des ressources et des compartiments. Les trois questions auxquelles la thèse répond sont: Comment mieux évaluer les impacts associés aux flux d’eau et de sels? Quel modèle devrait être développé pour un inventaire pertinent des flux d’eau et de sels au champ? Le modèle développé est-il opérationnel pour une étude ACV d’une culture pérenne? La première question a été traitée grâce à une revue de la littérature sur les impacts salinisations en ACV. Cette revue détaille les principaux mécanismes environnementaux de la salinisation, les facteurs impliqués, et discute du statut du sol et de l’eau, notamment en définissant une frontière cohérente entre technosphère et écosphere. Pour répondre à la seconde question, une analyse critique des bases de données d’inventaire eau et ACV de produits agroalimentaires a montré leur inaptitude pour l’ecodesign basé sur l’ACV: elles fournissent des estimations d’eau consommée théorique, se basent sur des données et méthodes qui présentent des limites, et ne permettent pas le calcul des impacts liés à l’usage consommateur et dégradant de l’eau. Pour l’ecodesign des systèmes agricoles basé sur l’ACV, l’inventaire des flux d’eau et de sels devrait se fonder sur un modèle simulant l’évapotranspiration, la percolation profonde et le ruissèlement, prenant en compte les spécificités de la culture, les conditions pédoclimatiques et les pratiques agricoles. Le modèle Aquacrop de la FAO est un modèle pertinent et opérationnel pour les cultures herbacées, mais il n’existe pas de modèle dédié aux cultures pérennes pour le moment. Pour pallier à ce manque, un modèle simple et « sur mesure », appelé E.T., a été élaboré pour l’inventaire des flux d’eau et de sels au champ, pour les cultures annuelles et pérennes. Le modèle combine un bilan journalier de l’eau et des sels, prenant en compte le sol, le climat, les pratiques agricoles et d’éventuels stress salin ou hydrique. Un premier test du modèle a démontré son pouvoir discriminant des pratiques agricoles et sa robustesse. Son domaine de validité peut être étendu et sa précision augmentée grâce aux recommandations fournies. E.T. a aussi été appliquée dans une ACV de Mandarine cultivée au Maroc. Pour la plupart des catégories d’impacts, l’usage d’électricité pour l’irrigation était un contributeur majeur, révélant une forte connexion entre l’eau et l’énergie. L’usage d’eau avait une contribution majeure aux dommages sur les trois aires de protection. Dans l’ensemble, pour améliorer davantage la prise en compte des impacts liés à l’usage de l’eau (dont la salinisation) nous recommandons d’adopter une approche plus mécaniste et hydrologique.


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