Modélisation des impacts du changement climatique sur les écosystèmes prairiaux. Voies d'adaptation des systèmes fourrragers

Modelling climate change impacts on grassland ecosystems. Ways to adapt forage systems

• Auteur / Autrice : Anne-Isabelle Graux
• Direction : Jean-François Soussana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie
• Date : Soutenance le 26/01/2011
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Unité de Recherche sur l'écosystème prairial
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de Recherche sur l'Ecosystème Prairial
• Jury : Président / Présidente : Nadine Brisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Coquillard, Sylvain Plantureux, Nicolas Viovy, André Le Gall, David R. C. Hill
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Coquillard, Sylvain Plantureux, Nicolas Viovy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie agricole

Gaz à effet de serre

Agroclimatologie

Écologie des prairies

Mots clés libres

Prairie

Changement climatique

Système fourrager

Adaptation

Services

Modélisation

Grassland

Climate change

Forage system

Adaptation

Services

Modelling

Résumé

Les prairies assurent différents services auprès de l’agriculture et de la société, dont les plus fondamentaux sont de produire le lait et la viande que nous consommons, mais également d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES) en piégeant une partie du carbone atmosphérique dans leurs sols. L’anticipation des risques associés à la continuité de ces services, dans le contexte de changement climatique (CC) et démographique futur, est l’un des enjeux agricole et sociétal de demain. Dans ce cadre, cette thèse vise à i) modéliser les impacts du CC sur les services et le bilan de GES des prairies, en tenant compte de la variabilité climatique accrue prédite par les modèles climatiques, mais également ii) à fournir des pistes d’adaptations du système fourrager dans le cas de systèmes d’élevage bovin herbagers. Pour cela, nous avons développé les modules animal et végétal de PaSim afin, d’une part, de représenter de façon mécaniste les performances animales et les émissions de méthane entérique au pâturage et, d’autre part, de rendre compte des interactions de la diversité végétale avec le CC et la gestion des prairies. PaSim a ensuite été utilisé pour simuler, en 12 sites français, les impacts du CC sur des prairies mono ou plurispécifiques, dans différentes conditions pédoclimatiques et de gestion. Le modèle a été forcé par des scénarios climatiques à haute résolution couvrant la période 1950-2100 et issus de différents scénarios socio-économiques, modèles climatiques et méthodes de régionalisation / initialisation. Les conséquences du CC sont globalement assez favorables, hormis pour la production fourragère estivale et la restitution d’eaux aux nappes, pour lesquels les risques d’une diminution significative sont accrus. Les sites plus arides ne sont pas nécessairement ceux qui connaîtront la plus forte évolution négative, même si, en absolu, ils restent ceux présentant les déficits fourragers et hydriques les plus forts. De nouvelles opportunités pour la production fourragère s’offre aux saisons autres que l’été, laissant présager de changements saisonniers importants qui nécessiteront fatalement une adaptation des systèmes d’élevage de ruminants. Une étude de cas, centrée sur les bassins de production breton et du Massif Central, a permis de montrer que ces changements pourraient s’accompagner de modifications de la distribution de fourrages et de concentré en complément de l’herbe pâturée, avec parfois, une exclusion des troupeaux de la pâture l’été. Des systèmes fourragers offrant une certaine flexibilité face à l’aléa climatique pourraient permettre d’exploiter à son maximum l’herbe pâturée, avec des temps de pâturage plus longs et davantage de surfaces allouées au pâturage, et par conséquent des chargements plus élevés. Ces adaptations ne devraient pas nuire au bilan net de GES à l’échelle du système, exprimé par UGB jour. En revanche, afin de soutenir le potentiel de production, elles pourraient nécessiter un recours plus important à l’azote et, de fait, augmenter les pollutions azotées à l’échelle du système.

Grasslands ensure a variety of services to the agricultural community and the society as a whole. Dairy and beef production are the major objectives of grassland management. However, they are also effective to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions by sequestering the atmospheric carbon into the soil. Considering the challenges of demographic and climate changes (CC), anticipating the risks associated to the continuity of these services is to date a major societal concern (and is likely to remain a topic of public concern in the foreseeable future). In this context, the thesis aimed at: i) modelling the impacts of CC on grassland services (including the GHG budget), while accounting for the increased variability of future climate as projected by climate models ; ii) identifying pathways to CC adaptation of pasturebased livestock systems. By considering such goals, novel animal and plant modules were developed for the Pasture Simulation model (PaSim) that allowed, on the one hand, a mechanistic representation of the animal performance and methane emissions at pasture and, on the other hand, assessing interactions between vegetation diversity, CC and pasture management. PaSim has been used to simulate the impacts of CC on monocultures and multispecies grasslands run at 12 French sites across a range of soil, climate and management conditions. The model has been forced by high-resolution climate projections over 1950-2100, as generated by a set of socio-economic scenarios, climate models, and regionalization / initialization methods. Overall, the projected consequences of CC on French grasslands are not severe. Major concerns refer to summer forage deficit and water table depletion, for which significant risks of reduction may arise. If the most arid sites will not necessarily experience the worst CC impacts, they remain affected by the most critical conditions of forage and water deficit. Some opportunities for forage production that may arise for other seasons than summer involve important seasonal changes, which may also require the adaptation of pasture-based livestock production systems. A case study on two major production districts – Brittany and Massif Central – showed that CC will affect accompanied by the need of modifying forage and concentrate distribution to complement the grazed pastures. Moreover summer grazing will not be possible in some years. Flexible systems will allow better exploiting grazed grasslands. This may be achieved by extending the grazing periods and increasing the area allocated to pasture, while also increasing the animal density. Such adaptation measures proved not to worsen the GHG budget of the system, per livestock unit day. In contrast, increased supplies of nitrogen fertilizers to match the increased productivity potential may increase nitrate leaching.