Modélisation de l'effet des stratégies de gestion de l'utilisation des sols sur la durabilité des systèmes socio-écologiques

Modelling the effect of land-use management strategies on the sustainability of social-ecological systems

• Auteur / Autrice : Diego Bengochea Paz
• Direction : Michel Loreau, Kirsten Henderson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie, biodiversité et évolution
• Date : Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Station d’écologie théorique et expérimentale (Moulis ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Chave
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandra Luque, Jean-Denis Mathias
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefano Balbi, Matthew Mitchell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durabilité (écologie)

Systèmes agraires

Modèles mathématiques

Utilisation du sol

Mots clés libres

Systèmes socio-écologiques

Modélisation mathématique

Modélisation computationnelle

Gestion de l'utilisation des sols

Écologie théorique

Durabilité des systèmes agricoles

Dynamiques homme-nature

Social-ecological systems

Mathematical modelling

Computational modelling

Land-use management

Theoretical ecology

Sustainability of agricultural systems

Human-land dynamics

Résumé

La croissance de la population humaine, ainsi que l'augmentation de la consommation de ressources par habitant, exercent une pression énorme sur la biosphère. La demande croissante de ressources entraîne une expansion et une intensification agricoles sans précédent dans les paysages du monde entier. En conséquence, la perte et la fragmentation des habitats atteignent des niveaux alarmants dans plusieurs des régions les plus vierges et riches en biodiversité du monde, menaçant ainsi la fourniture de services écosystémiques. Cependant, la production agricole dépend des services fournis par les écosystèmes comme la pollinisation, la lutte antiparasitaire ou le cycle des nutriments. Cela soulève des inquiétudes concernant la durabilité du système agricole mondial, de sorte que atteindre la sécurité alimentaire tout en préservant la nature est une préoccupation primordiale pour les sociétés humaines du monde entier. La recherche sur les stratégies de gestion durable de l'utilisation des sols s'est concentrée sur la conception de configurations paysagères optimales qui maximisent conjointement les rendements agricoles et la biodiversité. Deux stratégies de gestion opposées ont émergé de cette perspective : le 'land-sparing', c'est-à-dire la séparation entre l'agriculture à haute intensité et des terres naturelles et le 'land-sharing', c'est-à-dire l'intégration d'une agriculture de faible intensité, respectueuse de la biodiversité, dans la matrice naturelle. Le cadre conceptuel 'land-sparing' vs. 'land-sharing' a contribué à l'avancement de la recherche sur la gestion de l'utilisation des sols. Cependant, elle présente un certain nombre de limitations qui constituent un obstacle au développement de politiques de gestion durable des paysages agricoles. Premièrement, bien que la question des modèles spatiaux soit au cœur du cadre conceptuel, la question des échelles spatiales auxquelles il faut appliquer les strategies n'a pas été débatue en profondeur. Deuxièmement, le débat ignore les moteurs sociaux du changement d'affectation des terres, omettant ainsi la complexité socio-écologique des paysages agricoles. L'objectif de cette thèse est d'intégrer des rétroactions bidirectionnelles entre la démographie humaine, la prise de décision et la dynamique des terres dans la recherche sur la gestion de l'utilisation des sols. Le but étant de développer une compréhension plus complète de la durabilité des systèmes couplés homme-paysage à travers de multiples scénarios de gestions des terres. Ceci est réalisé grâce au développement de modèles dynamiques qui décrivent la dynamique couplée de la population humaine et de l'utilisation des sols. Premièrement, j'examine dans quelle mesure, les augmentations de l'intensification agricole doivent s'accompagner de réductions de l'expansion agricole pour garantir la durabilité du système. Je démontre comment une politique bien intentionnée imposant un seuil naïf entre intensification et expansion peut conduire à un effondrement socio-écologique. Deuxièmement, je développe un modèle spatialement explicite pour examiner l'effet de l'intensification et de l'agrégation agricoles sur la fragmentation du paysage et les dynamiques socio-écologiques. Plus précisément, je démontre comment une rétroaction inattendue entre la fragmentation du paysage et la dynamique des populations humaines provoque l'effondrement du système socio-écologique. Troisièmement, j'examine l'effet de l'interaction entre l'échelle spatiale et la stratégie de gestion sur la durabilité des paysages agricoles au niveau socio-écologique. Je démontre que les stratégies mixtes, dans lesquelles les grandes exploitations font du 'land-sparing' et les petites du 'land-sharing', augmentent les chances de durabilité.

Human population growth, together with increases in per capita resource consumption, are exerting enormous pressure on the biosphere. The rising demand for resources is driving unprecedented agricultural expansion and intensification in the landscapes across the world. As a consequence, habitat loss and fragmentation are attaining alarming levels in several of the most pristine and biodiversity-rich regions of the world, thereby threatening ecosystem services provision. However, agricultural production depends on the services provided by the ecosystems like pollination, pest control, or nutrient cycling. This raises concerns regarding the sustainability of the global agricultural system, such that achieving food security while conserving nature is a paramount concern for human societies worldwide. Research on sustainable land-use management strategies has focused on designing optimal landscape configurations that jointly maximize agricultural yields and biodiversity. Two opposed management strategies emerged from this perspective: land-sparing, i.e. segregating high-intensity agriculture and natural land and land-sharing, i.e. integrating wildlife-friendly, low-intensity agriculture in the natural matrix. The land-sparing vs. land-sharing framework contributed to the advancement of land-use management research. However, it presents a number of limitations that impede development of policies for the sustainable management of agricultural landscapes. First, although the issue of spatial patterns is central to the framework, the issue of scale has been largely absent from the debate. Second, the debate ignores the socio-economic drivers of land-use change, thereby failing to capture the complexity of social-ecological agricultural landscapes. The objective of this thesis is to integrate, bi-directional feedbacks between human demography, decision-making and land dynamics into land-use management research to develop a more comprehensive understanding of the sustainability of coupled human-land systems across multiple land-use management scenarios. This is achieved through the development of dynamical models that describe the coupled dynamics of human population size and land-use. First, I examine to what extent increases in agricultural intensification need to be accompanied by reductions of agricultural expansion to be sustainable. I demonstrate how a well-intentioned policy imposing a uninformed threshold between intensification and expansion can lead to social-ecological collapse. Second, I develop a spatially explicit model to examine the effect of agricultural intensification and aggregation on landscape fragmentation and social-ecological dynamics. Specifically, I demonstrate how an unexpected feedback between landscape fragmentation and human population dynamics causes the collapse of the social-ecological system. Third, I examine the effect of the interplay between management spatial scale and strategy on the sustainability of social-ecological agricultural landscapes. I find that mixed strategies, in which land-sparing is prescribed to large farms and land-sharing is recommended for small farms, increase sustainability odds.