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Simulation de pratiques de gestion alternatives pour l'adaptation des plantations pérennes aux changements globaux

Vezy Rémi. 2017. Simulation de pratiques de gestion alternatives pour l'adaptation des plantations pérennes aux changements globaux. Bordeaux : Université de Bordeaux, 272 p. Thèse de doctorat : Physique de l'environnement : Université de Bordeaux

Thesis
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Encadrement : Loustau, Denis ; Le Maire, Guerric

Abstract : Les effets des changements climatiques sur les systèmes agronomiques sont encore très incertains. Par conséquent, il existe un besoin croissant d'informations pour mieux prédire les impacts futurs des changements climatiques sur les cultures pérennes et les forêts, ainsi que pour concevoir de nouvelles pratiques agricoles et sylvicoles pour faire face à ces changements (Brisson et al., 2010). Ces changements ont des effets combinés complexes sur les bilans d'énergie, hydriques et de carbone des écosystèmes, et peuvent donc affecter la production des agroécosystèmes (Way et al., 2015). Les modèles basés sur les processus (PBM) sont généralement bien adaptés pour relever ces défis. Ils appliquent notre compréhension des processus physiques et écophysiologiques fondamentaux pour simuler physiquement le système (Bohn et al., 2014). Ils peuvent être utilisés pour estimer les flux et les stocks d'énergie, d'eau et de carbone dans l'écosystème, en fonction des caractéristiques du climat, du sol et des plantes. La croissance du café et la production de fruits sont particulièrement sensibles aux températures élevées et à la disponibilité de l'eau, et des études antérieures prédisent souvent une perte conséquente de production ou une réduction des aires potentielle de culture. Néanmoins, l'ombrage fourni dans les systèmes agroforestiers pourrait atténuer les effets des changements climatiques selon différentes options de gestion. Ainsi, au cours de cette thèse, nous avons d'abord mis à jour un PBM 3D (MAESPA) pour tenir compte de la température et de la pression de vapeur dans la canopée, puis l'avons validé sur deux écosystèmes : une plantation d'Eucalyptus au Brésil et une plantation de Coffea arabica au Costa Rica. Nous avons ensuite utilisé MAESPA pour créer des métamodèles qui ont été intégrés à un nouveau modèle de croissance et de rendement développé pour évaluer la réponse du caféier au changement climatique et les solutions possibles offertes par la gestion agroforestière pour atténuer ces effets. Nous avons modélisé plusieurs options de gestion des systèmes d'agroforesterie de café, parmi lesquels la densité et les essences d'arbres d'ombrage afin d'estimer leur adéquation ainsi que leur apport en services écosystémiques sous changements climatiques. Une comparaison entre les scénarios de gestion a ensuite été proposée en comparant la température de la canopée, le rendement des caféiers, le bilan carbone et l'utilisation de l'eau pour chaque cycle de croissance du café passé et futur. Le modèle de croissance prédit une augmentation de la productivité primaire des caféiers avec l'augmentation de la concentration en CO2 atmosphérique, mais une réduction du rendement de grains due à une réduction du nombre de fleurs d'ici l'horizon 2100. Le modèle prédit un effet positif de l'ombrage sur les rendements avec l'augmentation des températures, jusqu'à +20.9% comparativement à la culture sous plein soleil sous RCP8.5. Cependant, l'ombrage ne permet pas de maintenir les rendements aux niveaux actuels dans le modèle, quelle que soit la gestion utilisée.

Résumé (autre langue) : Many agronomic systems could be at risk considering the short-term climate changes, but several effects and interactions are still uncertain. Therefore, there is an increasing need for information to better predict future climate change impacts on perennial crops and forests and to design new agricultural and silvicultural practices to cope with these changes (Brisson et al., 2010). All those changes lead to complex combinations of effects on the water and carbon balances of ecosystems, and can thus, potentially, affect agro-ecosystem production (Way et al., 2015). Process-based models (PBMs) are generally well suited to address these challenges. PBMs apply our understanding of fundamental physical and ecophysiological processes to simulate the system mechanistically (Bohn et al., 2014). They can be used to estimate fluxes and stocks of energy, water, and carbon in the ecosystem, as a function of climate, soil, and plant characteristics. Coffee growth and fruit production are particularly sensitive to high temperatures and water availability, and previous studies often predicts future huge losses of production or area cover. Nevertheless, shade provided in agroforestry systems could mitigate the effects of climate changes under different management options. Hence, during this thesis, we first updated a 3D PBM (MAESPA) to account for temperature and vapor pressure within the canopy, and tested it on two ecosystems, a Eucalyptus plantation in Brazil, and Coffea arabica plantation in Costa Rica. Then, we used MAESPA to make metamodels that were integrated on a new dynamic crop model that we developed to assess the Coffea response to climate change, and the possible solutions offered by different agroforestry management to mitigate these effects. Consequently, we modelled several management options of coffee agroforestry systems, e.g. shade tree density and species to estimate their suitability and provision of ecosystem services under predicted future climate changes. A rating between management scenarios was then proposed by comparing canopy temperature, coffee and timber yield, carbon balance and water use of past and future coffee growth cycles, under two contrasted future climatic scenarios (RCP 4.5 and 8.5). The dynamic crop model predicts an increased coffee primary productivity thanks to the increased atmospheric CO2 concentration, but a decreased coffee yield because less flowers were initiated per coffee plants by 2100. The model predicts a positive shade effect on coffee yield, especially under high mean annual temperatures, up to +20.9% yield compared to full sun plantation under RCP8.5. However, the positive effect of shade couldn't help sustaining current yields, whatever the shade tree species or management.

Mots-clés Agrovoc : Changement climatique, Plantation forestière, Coffea arabica, Agroforesterie, atténuation des effets du changement climatique, Modèle mathématique, Système de culture, Température, Écosystème, Agroécosystème

Mots-clés géographiques Agrovoc : Brésil, Costa Rica

Classification Agris : P40 - Meteorology and climatology
K10 - Forestry production
F08 - Cropping patterns and systems
U10 - Mathematical and statistical methods

Champ stratégique Cirad : Axe 1 (2014-2018) - Agriculture écologiquement intensive

Auteurs et affiliations

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/595188/)

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