Evaluation des services fournis par les écosystèmes agricoles, actuels et scénarisés, sur le site de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement : Quels effets de modifications de pratiques agricoles ?

par Maëlys Cadel

Projet de thèse en Sciences de l'Univers

Sous la direction de Isabelle Cousin et de Olivier Therond.

Thèses en préparation à Orléans , dans le cadre de Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU , en partenariat avec INRA Sc du Sol - Unité Recherche Science du Sol (laboratoire) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Objectifs des travaux de recherche Les écosystèmes agricoles produisent des services multiples au bénéfice des agriculteurs et, plus largement, de l'ensemble de la société. Au centre du fonctionnement des écosystèmes, les sols contribuent à de nombreux services, que ce soit en lien avec la production de biomasse (support physique, source d'eau et de nutriments, habitats des auxiliaires de culture, etc.) ou bien dans un cadre de régulation (contrôle de l'érosion, régulation du climat via le stockage du carbone, régulation de la qualité des eaux, etc.). Ces différents services rendus par les sols agricoles peuvent s'exprimer aussi bien à l'échelle locale, celle de la parcelle par exemple au bénéfice de l'agriculteur, qu'à une échelle plus large comme celle du bassin versant. De fait, l'évaluation des synergies et compromis entre services fournis par les écosystèmes agricoles requiert une approche multi-échelle afin d'intégrer la complète diversité des services existants et la nature de leurs interactions, et ce en tenant compte de la multiplicité des acteurs concernés, de l'échelle de la parcelle à la gestion du territoire. De plus, ces différents services étant très fortement influencés par les activités humaines et notamment les pratiques agricoles (assolement, rotations, irrigations, travail du sol, etc.), des modifications de ces pratiques entrainent implicitement une modification des services rendus, accentuant ou obérant synergies et antagonismes entre services. Une prise en compte de l'évolution de ces pratiques est donc d'importance capitale pour correctement caractériser et évaluer les interactions entre services. Dans le cadre de l'évaluation nationale des écosystèmes et services écosystémiques, l'institut INRAE a proposé un cadre conceptuel et une méthodologie permettant d'évaluer les services rendus par les agrosystèmes (projet EFESE-EA ; Tibi et Therond, 2017). Concernant les services auxquels contribuent les sols, la méthodologie s'appuie sur une approche mobilisant le modèle de culture STICS (Brisson et al., 1998). Elle a permis de produire des valeurs de référence sur l'ensemble du territoire national couvert en grandes cultures. Cependant, cette démarche reste à être validée par des résultats de terrain. Les objectifs de la thèse proposée ici sont donc doubles : - En premier lieu il s'agira d'évaluer, à l'aide de données réelles, l'approche par modélisation proposée dans le projet EFESE-EA notamment par le biais d'une campagne réalisée sur le site de l'Observatoire Pérenne de l'Environnement (OPE), situé en milieu agricole et suffisamment vaste pour héberger une certaine diversité de sols. Si la densité de données mobilisables le permet, cette évaluation sera conduite i) à l'échelle locale d'une parcelle agricole – fournissant ainsi des éléments d'analyse disponibles pour l'agriculteur – et ii) sur le territoire support du Réseau de Mesures de la Qualité des Sols (RMQS) du site de l'OPE, sur lequel la haute densité d'informations pédologiques est remarquable et permettra une évaluation spatiale des synergies et antagonismes entre services rendus par les sols. - Dans un deuxième temps, il s'agira de simuler l'effet de modifications de certaines pratiques agricoles pour l'ensemble des services rendus par les sols toujours sur le site de l'OPE. Cette étude sera conduite aux mêmes échelles que celles citées précédemment. Un des objectifs finaux est que les agriculteurs et les acteurs en charge de l'aménagement du territoire disposent ainsi d'éléments décisionnels pour sélectionner les pratiques permettant de maximiser les synergies entre services. Etat des recherches dans le domaine avant la thèse Au-delà des travaux précurseurs ayant permis de définir une typologie permettant de décrire les services écosystémiques en termes de propriétés des sol (Dominati et al. 2010 ; Robinson et al. 2013), puis par la suite de définir des indicateurs permettant leur évaluation (Adhikari and Hartemink 2016 ; Greiner et al. 2017) et au-delà d'une analyse complète de la littérature sur la contribution des sols aux services écosystémiques (Cousin 2017), le travail de thèse proposé ici s'appuie sur un certain nombre de travaux récents ou en cours par des équipes françaises. En particulier, le projet EFESE-EA a produit un cadre conceptuel permettant de traiter la question des services rendus par les écosystèmes agricoles (Tibi and Therond, 2017). Cette étude a notamment précisé : i) la liste des services rendus par les écosystèmes agricoles et, parmi eux, la liste des services rendus par les sols. ii) les indicateurs pertinents pour évaluer chacun des services identifiés iii) une méthodologie d'évaluation des indicateurs pour une grande majorité de services. En milieu agricole, elle s'appuie sur le modèle de culture STICS, renseigné par des informations sur le climat, le sol, le système de culture et les pratiques agricoles. Le prototype de simulation mis au point lors de l'étude EFESE-EA (Tibi et Therond, 2017), et amélioré dans le cadre de l'étude 4p1000 (Pellerin et al., 2019) est disponible et mobilisable pour la thèse. Suite à cette étude, qui a notamment permis l'évaluation individuelle d'un grand nombre de services rendus par les écosystèmes agricoles sur l'ensemble du territoire national, le travail de thèse de Gregory Obiang Ndong (thèse en cours , soutenance prévue en janvier 2021) propose une méthodologie d'analyse des antagonismes et des synergies entre services. Suite à une étude approfondie de la littérature (Obiang Ndong et al., 2020), une méthodologie d'analyse statistique basée sur la création d'arbres de régression multiples puis sur l'interprétation des données par modélisation en équations structurales (structural equation modelling) a été mise au point (Obiang Ndong et al., 2019) et les codes sont disponibles pour la thèse. Par ailleurs, dans le cadre du programme ANR SoilServ (2017-2020), les travaux de thèse de Y. Ellili ont eu pour objectif d'évaluer la qualité de l'information pédologique contenue dans les cartes et bases de données sur les sols pour quantifier les services écosystémiques d'un territoire agricole breton (Ellili, 2019). Les résultats de ces travaux peuvent être mobilisés pour identifier les variables sol les plus pertinentes, selon l'échelle, pour proposer d'éventuels nouveaux indicateurs de services puis pour comparer les résultats obtenus sur le site de l'OPE aux résultats obtenus en Bretagne. Enfin, les données acquises sur le site de l'OPE dans le cadre du RMQS constituent une source pour le calcul d'indicateurs de services sur le territoire de l'étude. Or, au-delà des services écosystémiques évalués par modélisation dans les études préalablement citées, il s'avère que quelques services n'ont pas fait l'objet d'une évaluation par manque de données disponibles. Il est donc proposé qu'une analyse précise des données disponibles au début de la thèse permette possiblement d'étendre la gamme des services évalués. Références Adhikari, K. and Hartemink, A.B., 2016. Linking soils to ecosystem services — A global review. Geoderma, 262: 11. Brisson, N., Mary, B., Ripoche, D., Jeuffroy, M.H., Ruget, F., Nicoullaud, B., Gate, P., Devienne-Barret, F., Antonioletti, R., Durr, C., Richard, G., Beaudoin, N., Recous, S., Tayot, X., Plenet, D., Cellier, P., Machet, J.M., Meynard, J.M. and Delecolle, R., 1998. STICS: a generic model for the simulation of crops and their water and nitrogen balances. I. Theory and parameterization applied to wheat and corn. Agronomie, 18(5-6): 311-346. Cousin, I., 2017. La contribution des sols aux services écosystémiques rendus par les écosystèmes, Volet "écosystèmes agricoles" de l'Evaluation Française des Ecosystèmes et des Services Ecosystémiques, pp. 335-347. Dominati, E., Patterson, M. and Mackay, A., 2010. A framework for classifying and quantifying the natural capital and ecosystem services of soils. Ecological Economics, 69(9): 1858-1868. Ellili, Y., 2019. Evaluation biophysique des services écosystémiques des sols cultivés - Adaptation de l'information pédologique pour la modélisation dynamique du fonctionnement des sols, Agrocampus Ouest, 290 pp. Greiner, L., Keller, A., Gret-Regamey, A. and Papritz, A., 2017. Soil function assessment: review of methods for quantifying the contributions of soils to ecosystem services. Land Use Policy, 69: 224-237. Obiang Ndong, G., Cousin, I. and Therond, O., 2019. Using structural equation modeling to understand the relationships between ecosystem services and their underlying drivers in French agricultural landscapes, Wageningen Soil Conference 2019 - Understanding soil functions, Wageningen, The Netherlands. Obiang Ndong, G., Cousin, I. and Therond, O., 2020. Analysis of relationships between ecosystem services: a generic classification and review of the literature. Ecosystem Services, under review. Robinson, D.A., Hockley, N., Cooper, D.M., Emmett, B.A., Keith, A.M., Lebron, I., Reynolds, B., Tipping, E., Tye, A.M., Watts, C.W., Whalley, W.R., Black, H.I.J., Warren, G.P. and Robinson, J.S., 2013. Natural capital and ecosystem services, developing an appropriate soils framework as a basis for valuation. Soil Biology & Biochemistry, 57: 1023-1033. Tibi, A. and Therond, O., 2017. Evaluation des services écosystémiques rendus par les écosystèmes agricoles. Une contribution au programme EFESE. Synthèse du rapport d'étude, Inra (France).

  • Titre traduit

    Evaluation of real and simulated agronomic ecosystem services on the site of Observatoire Pérenne de l'Environnement : Which effects of changes in crop management ?


  • Résumé

    Agricultural ecosystems provide multiple services for the benefit of farmers and in a larger extent of society as a whole. Within ecosystems balance, soils contribute to large services, from biomass production (as physical support, as source of water and nutrients, as the support of culture auxiliars, etc.) to climate regulation (by reducing erosion, as sink of carbon, by regulating water quality, etc.). These services provided by soils can express at the plot scale, contributing to farmers benefits, as well as catchment scale. Evaluating synergies and compromises between agricultural services requires de facto multi-scale approach in order to appreciate the complete diversity of soils services and their interactions, taking into account the multiplicity of actors involved, from parcel scale to land management. In addition, as these services are strongly related to human activities, such as agricultural practices (crop rotation, irrigation, soil management, etc.) changes in crop managment imply subsequently changes in agricultural services, increasing or reducing synergies and antagonisms between them. Including evolutions of crop management for evaluating ecosystem services is thus of great interest to better appreciate interactions between services. As part of national evaluation of ecosystems and ecosystem services, INRAE performed a conceptual basis and a new methodology for evaluating agricultural ecosystem services (EFESE-EA project ; Tibi et Therond, 2017). Precisely, the new approach for modelling contribution of soils to ecosystems services is based on the cultural STICS model (Brisson et al., 1998). It leads to deliver a variety of references and setting values for all french arable crops area. Despite all this, this approach still remains to be validated with field results. Consequently, the objectives of this thesis are twofold : - First, we have to assess, within a field approach, the validity of the model performed within EFESE-EA project, by collecting data from the site of Observatoire Pérenne de l'Environnement (OPE), located on arable crops area wide enough to deliver a sufficient soil diversity. If the density of information available is high enough, this study will be conducted first i) at the plot scale, thus providing new results and futhur considerations to farmers ; and second ii) within the territory supporting the Réseau de Mesures de la Qualité des Sols (RMQS) on the site of OPE, where the high density of pedological data is remarkable, allowing a precise evaluation of spatial synergies and antagonisms between soils services. - In a second stage, the idea is to simulate the effect of changes in agricultural practices for all services provided by soils over the site of OPE. This approach will be conducted at the same study scales them those previously proposed. One purpuse is to provide decision-making arguments to farmers and local authorities in charge of lang management to select the best practices in order to increase synergies between services.