Godard, Caroline (2005) Modélisation de la réponse à l’azote du rendement des grandes cultures et intégration dans un modèle économique d’offre agricole à l’échelle européenne. Application à l’évaluation des impacts du changement climatique. PhD thesis Agronomie, UMR Economie Publique INRA - INA P-G, INAPG 2005INAP0019 p.278.

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Abstract

Agriculture in today’s Europe is evolving in a context where policy making and environmental concerns play a key role as well as questions being raised due to global warming. The AROPAj agricultural offer model already takes into account certain characteristics of animal farming. To better assess agri-environmental policies, this economic model needs to take into account the technical characteristics of crops in the individual production systems it is composed of. This thesis aims at setting up a method that takes into account agronomic techniques by modelling the relationship between yield and nitrogen fertilizing. In AROPAj, individual production systems (farm types) do not have a given location within a specified region and in data bases, technical information is scarce. The method involves determining technical and physical characteristics, inputs that allow the STICS crop model to assess the yield of each crop for each farm type. From this information, a nitrogen response curve can be drawn up for each crop of each one of the farms. The curve is based on an exponential function that integrates economic properties, and it is consistent from an agronomic point of view. It can take into account both nitrogen from marketed fertilizer and nitrogen from animal effluents produced on farm. Incorporated into the AROPAj economic model, the curves render the farms more sensitive to agricultural policy scenarios, by allowing the adjustment of their optimal fertilizing level. The method was designed to be adaptable to any European region, and tests carried out on two French regions covering a wide range of situations proved it to be robust. Simulations under future climate conditions were carried out based on climatic series from the Meteo-France ARPEGE-Climat model representing a scenario of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). In such climatic changes, and all other things equal, the range of nitrogen response curves obtained for a single crop of a single farm type, over thirty future years, is very wide. When all the modelled situations of differing crops and farm types were compiled, water, and not nitrogen, was shown to be the predominant production factor. It also shows that the altitude class of farms determines nitrogen response under future climatic conditions.

Table of content

REMERCIEMENTS 2

AVANT-PROPOS 5

TABLE DES MATIERES 6

LISTE DES TABLEAUX 11

LISTE DES FIGURES 12

INTRODUCTION 15

PREMIERE PARTIE PROBLEMATIQUE ET PRESENTATION DE LA DEMARCHE 24

1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE 26

1.1. LES DEUX MODELES EN JEU DANS LA THESE 26

1.1.1. AROPAj 26

1.1.1.a. Adaptation du modèle AROPAj pour traiter des questions de politiques agri-environnementales à l’échelle européenne 26

i) Les modèles économiques appliqués au secteur agricole en Europe 26

ii) Les atouts des modèles de programmation mathématique linéaire 34

1.1.1.b. Présentation d’AROPAj et focalisation sur les aspects importants pour notre étude 34

i) Le principe de fonctionnement du modèle AROPAj 35

ii) Les données utilisées par le modèle 37

iii) L’estimation des paramètres et des valeurs observées des variables 40

iv) Le calibrage 42

1.1.2. STICS 44

1.1.2.a. Le choix du modèle de culture STICS 44

i) Les modèles de culture : historique et typologie 44

ii) Le choix du modèle STICS 51

1.1.2.b. Le modèle STICS 51

i) Le développement 54

ii) La croissance aérienne 55

iii) L’élaboration du rendement et de la qualité des récoltes 58

iv) La croissance racinaire 61

v) Le bilan hydrique 62

vi) Le bilan azoté 64

vii) Interface techniques culturales/culture/sol 70

1.1.3. Conclusion 72

1.2. LES COURBES DE REPONSE A L’AZOTE 73

1.2.1. Les fonctions de production en agriculture 74

1.2.1.a. Historique et loi d’action des éléments fertilisants en agronomie 74

1.2.1.b. Les fonctions de productions de l’ingénieur en agriculture 75

i) Intérêt des fonctions de production de l’ingénieur 75

ii) Utiliser des « pseudo-données » 77

1.2.2. Justification du choix de la forme fonctionnelle 77

1.3. CONCLUSION 84

2. LA DETERMINATION DES ENTREES DU MODELE STICS 86

2.1. LES ENTREES PHYSIQUES : CLIMAT ET SOL 86

2.1.1. Le climat 86

2.1.1.a. Les données disponibles 87

i) La base de données climatiques 87

ii) Les caractéristiques des fermes types 88

2.1.1.b. Attribution d’un « climat » à chaque ferme type 88

2.1.2. Le sol 90

2.1.2.a. La base de données géographique des sols d’Europe au millionième 90

2.1.2.b. La définition des paramètres STICS pour les sols européens 92

i) Les paramètres à valeur fixe 92

ii) Les paramètres à valeur variable 92

2.1.2.c. La détermination des surfaces de sol à l’intérieur de chaque région 95

2.1.2.d. L’attribution des sols aux fermes types 96

2.2. LES ENTREES TECHNIQUES 96

2.2.1. « Initialiser » le système et déterminer un précédent cultural 97

2.2.2. Pour « caler » le cycle cultural 98

2.2.3. La fertilisation azotée 101

2.2.3.a. Avec les engrais synthétiques 101

i) Type d’engrais utilisé 101

ii) Dates d’apports, fractionnement et doses apportées 102

2.2.3.b. Avec les effluents d’élevage 105

i) La typologie des effluents à épandre 105

ii) Les règles de l’épandage 105

2.2.4. L’irrigation 107

2.3. CONCLUSION 109

3. METHODE DE CONSTRUCTION DE LA COURBE 111

3.1. PREMIERE ETAPE : FIXER LES ENTREES DE STICS A « POSSIBILITES MULTIPLES » 111

3.1.1. Génération de ‘familles de courbes’ et utilisation des hypothèses économiques pour déterminer la courbe la plus adaptée 111

3.1.1.a. Génération d’une famille de courbes pour chaque culture de chaque ferme type. 111

3.1.1.b. Utilisation des propriétés économiques de la courbe 114

3.1.2. La sensibilité de la méthode à une variation de prix des engrais azotés 118

3.2. DEUXIEME ETAPE : DETERMINER LES COURBES DE REPONSE A L’AZOTE ACHETE OU PRODUIT SUR LA FERME 125

3.2.1. Les courbes de réponse à l’azote issu de l’engrais 125

3.2.2. Les courbes de réponse à l’azote provenant des effluents d’élevage 127

3.3. CONCLUSION 130

DEUXIEME PARTIE EVALUATION ET UTILISATION DES COURBES DE REPONSE A L’AZOTE 132

4. EVALUATION DES COURBES DE REPONSE A L’AZOTE 134

4.1. PRESENTATION DES REGIONS TESTS 134

4.2. DISCUSSION DES ENTREES DE STICS ATTRIBUEES A CHAQUE FERME TYPE PAR REGION 137

4.2.1. En Picardie 137

4.2.2. En Midi-Pyrénées 139

4.3. VARIABILITE DES COURBES DE REPONSE 143

4.3.1. Analyse de la cohérence des formes des courbes obtenues pour chaque culture 143

4.3.1.a. Pour le blé tendre 143

4.3.1.b. Pour le blé dur 144

4.3.1.c. Pour les orges 145

4.3.1.d. Pour le maïs 147

4.3.1.e. Pour le tournesol 148

4.3.1.f. Pour la pomme de terre 149

4.3.1.g. Pour la betterave 150

4.3.1.h. Conclusion 151

4.3.2. Variabilité intra régionale 152

4.4. CONCLUSION 158

5. FONCTIONNEMENT DU MODELE ECONOMIQUE AVEC INTRODUCTION DE LA COURBE DE REPONSE A L’AZOTE 160

5.1. INTRODUCTION PRATIQUE DE LA COURBE DANS LE MODELE ECONOMIQUE 160

5.1.1. Définition de la courbe ajustée 160

5.1.2. Introduction de la courbe ajustée dans le modèle économique AROPAj 162

5.2. ANALYSE DE SENSIBILITE AU NIVEAU DE LA FERME TYPE 163

5.3. FONCTIONNEMENT DE AROPAJ AVEC LES COURBES DE REPONSE A L’AZOTE : COUT D’ABATTEMENT DES EMISSIONS DE GES AU NIVEAU REGIONAL 165

5.3.1. L’introduction d’une taxe sur les émissions de GES dans le modèle AROPAj 165

5.3.2. Effets d’une taxe sur les émissions de GES après introduction des courbes de réponse à l’azote 166

5.4. CONCLUSION 168

6. LES COURBES DE REPONSE A L’AZOTE EN CONDITIONS DE CHANGEMENT CLIMATIQUE 171

6.1. LES IMPACTS POTENTIELS DU CHANGEMENT CLIMATIQUE SUR L’AGRICULTURE 172

6.1.1. Les changements climatiques pouvant influencer les productions et les activités agricoles 172

6.1.2. Les impacts des changements climatiques à plusieurs échelles 173

6.1.2.a. Les Impacts à court terme - écophysiologie 173

i) Effets primaires de l’augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique 173

ii) Effets de l’augmentation de la température 173

6.1.2.b. Les Impacts à court terme – interactions… 174

i) …entre facteurs physiques (Température, eau, [CO2] atmosphérique) 174

ii) …avec les facteurs nutritifs et physiques du sol 174

iii) …avec les facteurs biotiques 175

6.1.2.c. Les Impacts : intégration des processus à plus long terme 176

i) À l’échelle du cycle cultural : influence sur le développement 176

ii) À l’échelle du cycle cultural : modification des rendements en qualité et quantité 177

iii) À l’échelle du cycle cultural : effets sur l’environnement pédoclimatique 178

iv) À l’échelle du système de cultures 178

v) À l’échelle des régions de production 179

6.1.3. Les adaptations possibles 180

6.1.3.a. Les changements techniques 180

6.1.3.b. Anticipations économiques et politiques 181

6.1.4. La prise en compte des changements climatiques par le modèle STICS 182

6.2. METHODOLOGIE DE LA PRISE EN COMPTE DU CHANGEMENT CLIMATIQUE PAR LES COURBES DE REPONSE 185

6.2.1. Elaboration des données climatiques 185

6.2.1.a. Choix du scénario de changement climatique 185

6.2.1.b. Le modèle générant les variables climatiques futures 187

6.2.1.c. Evaluation de la fiabilité des données climatiques générées par le modèle Arpège-Climat 187

i) Les données du modèle Arpège-climat 188

ii) Evaluation de la fiabilité des données climatiques 189

6.2.1.d. Elaboration de données utilisables pour les simulations à l’échelle des fermes types du modèle AROPAj 194

i) La méthode de correction des données de pluviométrie du modèle Arpège 194

ii) Validation de la méthode de correction et des données corrigées de pluviométrie 195

iii) Correction des données de pluviométrie pour l’ensemble du territoire français 198

6.3. LES SIMULATIONS REALISEES AVEC STICS EN CONDITIONS DE CHANGEMENT CLIMATIQUE 200

6.4. ANALYSE DES RESULTATS OBTENUS SUR LES CULTURES ET REGIONS TESTS 201

6.4.1. Evolution des courbes de réponse à l’azote pour le blé tendre et le maïs en Picardie 201

6.4.1.a. Répartition des courbes de réponse 201

6.4.1.b. Identification des années climatiques favorables et défavorables aux cultures étudiées 204

6.4.1.c. Effet des doses d’azote correspondant aux rendements de 1997 205

6.4.2. Evolution des courbes de réponse à l’azote pour le blé tendre et le maïs en Midi-Pyrénées 206

6.4.2.a. Répartition des courbes de réponse 208

6.4.2.b. Identification des années climatiques favorables et défavorables aux cultures étudiées 209

6.4.2.c. Effet des doses d’azote correspondant aux rendements de 1997 210

6.4.3. Interprétations agronomiques des résultats obtenus et comparaison interrégionale 210

6.4.3.a. Conséquences des changements climatiques sur la réponse à l’azote du blé et du maïs en Picardie 210

i) Bilan et mise en évidence des différences entres groupes types par culture 210

ii) Conclusions 211

6.4.3.b. Conséquences des changements climatiques sur la réponse à l’azote du blé et du maïs en Midi-Pyrénées 212

i) Bilan et mise en évidence des différences entres groupes types par culture 212

ii) Conclusions 213

6.4.3.c. Discussion et interprétation des différences interrégionales 213

6.4.4. Optimums économiques en conditions de climat futur 214

6.4.4.a. Résultats pour la région Picardie 215

6.4.4.b. Résultats pour la région Midi-Pyrénées 217

6.4.4.c. Interprétations économiques et discussion 219

6.5. CONCLUSION 220

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 223

BIBLIOGRAPHIE 227

ANNEXES 240

LISTE DES ANNEXES 241

Statistiques de consultation

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