Agriculture et réchauffement climatique : quelques éléments de réflexion

Dossier : L'effet de serreMagazine N°555 Mai 2000
Par Richard DELÉCOLLE
Par Pierre-Alain JAYET
Par Jean-François SOUSSANA

Les impacts biologiques

Schématiquement, le réchauffement climatique peut engendrer plusieurs types d’impacts :

  • sur les productions, en termes de quantité et de qualité
  • sur les filières amont via d’éventuelles modifications des consommations d’eau d’irrigation, d’engrais, d’herbicides, de produits phytosanitaires) et aval (si la qualité des produits récoltés est modifiée)
  • sur l’environnement (notamment si la fréquence et l’intensité du lessivage dans les sols de l’azote et des autres éléments minéraux sont modifiées)
  • sur l’espace rural, selon que les changements climatiques pousseraient à des modifications des spéculations, à la déprise des terres, au développement d’aménagements hydrauliques.

Ces impacts sont de complexité diverse, et leur étude a été abordée de façon inégale. En ce qui concerne les productions agricoles proprement dites, les chercheurs disposent d’outils de modélisation qu’ils ont souvent mis au point avec d’autres objectifs : les modèles de simulation.

Condensant les connaissances accumulées en matière d’influence du climat, du sol, des pratiques culturales sur les productions, ces modèles peuvent être, au moins dans le cas des productions végétales, nourris des conditions climatiques attendues dans le futur. Ils fournissent ainsi des prédictions de production par type de culture, mais aussi de quantités d’eau ou de fertilisants consommées, et permettent de tester des stratégies d’adaptation aux modifications de l’environnement.

Schéma synthétique des impacts sur la production agricole
Schéma synthétique des impacts sur la production agricole: à gauche. d’une évolution de variables du climat (augmentation des températures de l’air, du rayonnement solaire. diminution des précipitations, ETP = demande en eau du climat), à droite, de l’augmentation de CO2, Flèches claires: effets négatifs, flèches foncées: effets positifs.

Les résultats qui s’en déduisent peuvent être en partie validés face aux résultats expérimentaux de plus en plus nombreux qui sont publiés dans ce domaine.

Pour envisager les impacts attendus des modifications environnementales, il importe de distinguer les effets directs des effets indirects de l’augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 sur la production des cultures (schémas ci-dessus). Les premiers recouvrent l’augmentation de l’activité photosynthétique des tissus chlorophylliens, et donc de la production primaire nette (‘fertilisation carbonée’), ainsi qu’un certain nombre d’effets connexes, tels que l’amélioration de l’efficacité d’utilisation de l’eau (pluies ou irrigation).

Les seconds sont dus aux modifications du climat proprement dites : l’augmentation de la température de l’air, par exemple, se traduit par un raccourcissement des cycles de végétation, soit, toutes choses égales par ailleurs, par une diminution du temps disponible pour mettre en place la production et donc par une diminution de celle-ci.

Mais elle peut aussi se traduire par une apparition plus fréquentes de températures très élevées, handicapantes pour la production finale. Toutes ces influences se combinent négativement ou positivement pour déterminer la production finale

Le bilan de ces divers effets sera vraisemblablement différent suivant que l’on considère des cultures annuelles (plantes à grains ou à tubercules, graminées ou légumineuses), des cultures pérennes herbacées (plantes fourragères et prairies permanentes) ou ligneuses (vigne, arbres fruitiers). On est actuellement loin d’avoir examiné par simulation ou expérimentation les réactions de chacun de ces types de culture aux modifications attendues du milieu.

La durée des cycles de culture

Le développement phénologique des cultures, c’est-à-dire le déroulement de leurs phases végétative et reproductrice, est avant tout lié à la température du végétal ou de l’air qui l’entoure. Une augmentation globale de la température se traduira par des vitesses de développement, des évolutions plus rapides que dans les conditions actuelles.

Dans le cas de cultures annuelles à cycle déterminé, la durée séparant le semis de la récolte s’en trouvera donc diminuée, entraînant par le fait une diminution de la durée de croissance des organes récoltables1.

Suivant les cultures, on pourrait assister, en cas de réchauffement dans des zones tempérées, et si les variétés cultivées restaient celles qui ont la faveur des agriculteurs aujourd’hui, à des diminutions des longueurs de cycle. Pour ce qui est des céréales d’hiver, par exemple, l’augmentation de la vitesse de développement pourrait être tempérée par une moindre satisfaction des « besoins en froid » (vernalisation) pendant l’hiver, car cette satisfaction se traduit par la réalisation d’une vitesse maximum de développement. En revanche, les cultures à cycle non déterminé2 pourraient potentiellement mettre en place plus d’organes récoltables, pour une durée de cycle comparable aux durées actuelles.

Les cultures de printemps à cycle déterminé3 subiraient évidemment les mêmes effets d’accélération, avec pour résultat un raccourcissement de leur cycle, dont l’influence négative sur la production finale pourrait dans certains cas être tempérée par une meilleure synchronisation du plein développement de la végétation au maximum annuel du gisement solaire4 (optimisation de la photosynthèse potentielle).

Deux facteurs s’opposeraient cependant à un effet totalement bénéfique de l’augmentation de la température dans le cas des cultures indéterminées : d’une part, celle-ci aurait sans doute pour conséquence une plus grande vitesse de vieillissement (sénescence) et donc précipiterait la fin du cycle par mort des tissus ; d’autre part, au moins dans le cas de la pomme de terre, des températures relativement élevées en début de cycle nuiraient à la qualité de la tubérisation.

L’accélération des cycles jouera également sur les cultures pérennes5 qui présenteront plutôt des stades plus avancés qu’actuellement à la même date calendaire. Ceci n’est cependant vrai que si l’on fait abstraction des besoins de certains arbres fruitiers en épisodes froids pour assurer une bonne floraison : une augmentation des températures en hiver peut, de ce point de vue, détériorer l’intensité de la floraison et, partant, l’homogénéité de la qualité des fruits récoltés.

Impact sur les rendements

Lorsqu’ils tiennent compte de l’effet positif qu’aura l’augmentation de la concentration atmosphérique en CO2, les modèles de simulation de culture montrent que, malgré le raccourcissement du cycle, le rendement potentiel (terme qui suppose que l’alimentation en eau et en engrais n’est pas limitative) des cultures d’hiver augmenterait globalement. Si l’on tient compte des imitations de l’alimentation hydrique, la réponse dépendrait apparemment des scénarios d’évolution du CO2 atmosphérique avec le temps.

Les mêmes conclusions vaudraient vraisemblablement pour toutes les cultures d’hiver. Pour les cultures de printemps, les cultures à cycle déterminé verraient, selon les résultats des modèles, l’effet négatif du raccourcissement de leur cycle compensé par l’effet positif de l’augmentation de la concentration atmosphérique en CO26. Les cultures à cycle indéterminé verraient apparemment en bilan leur rendement potentiel augmenter sensiblement.. Une grande partie de la cohérence de ces projections tient cependant à l’importance que prendra l’effet de l’augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 sur l’économie de l’eau de la culture.

Pour ce qui est des plantes pérennes, des études récentes montrent par exemple que la diminution de la durée du cycle de la vigne se traduirait par une diminution des quantités récoltées, la qualité étant peu modifiée, même si l’on tient compte de la fertilisation carbonée.

Pour ce qui est des prairies, des températures printanières plus élevées joueraient en faveur d’une meilleure production précoce, mais l’augmentation estivale pourrait avoir l’effet contraire en cas de déficit hydrique accru, celui-ci étant tempéré par la plus grande concentration atmosphérique en CO2.

La réaction des écosystèmes prairiaux est cependant difficile à prévoir, compte tenu de la diversité de la flore d’une part et des interactions avec le sol et l’animal au pâturage d’autre part. Des études complémentaires seront nécessaires dans ce domaine, afin de déterminer les conséquences de changements climatiques sur la composition botanique et la biodiversité des prairies, ainsi que sur la valeur alimentaire des fourrages produits.

L’influence sur des espèces ligneuses pérennes7 du changement climatique attendu dépendra d’une part de la pérennité de l’effet bénéfique du CO2 sur la production (y aura-t-il une adaptation des espèces à l’augmentation de la concentration et donc un amoindrissement de l’effet positif ? Ce point est très débattu pour les espèces ligneuses).

Mauvaises herbes, ravageurs des cultures, maladies

Les adventices (communément appelées mauvaises herbes) subiront les mêmes accélérations de cycle et bénéficieront autant de la fertilisation carbonée que la végétation cultivée. Sous nos latitudes, on peut même affirmer qu’elles seront des compétitrices plus sévères qu’à l’heure actuelle pour les cultures telles que le maïs ou le sorgho et nécessiteront dans ce cas un effort supplémentaire de contrôle.

D’un autre côté, le réchauffement du climat pourrait favoriser les phénomènes d’invasion par les adventices en C4, ces dernières étant fréquentes en climat méditerranéen ou sub-tropical. Plus généralement, les adventices seront en compétition pour l’eau avec les cultures d’hiver durant la phase automnale de mise en place. Certains résultats permettent également de penser que les herbicides pourraient gagner en efficacité avec l’augmentation de la température.

L’augmentation globale des précipitations, prévue par les modèles, conduira vraisemblablement à une augmentation de l’humidité de l’air (et peut-être des durées d’humectation). Conjugué à l’augmentation de la température en cas de réchauffement, ce fait amènerait des situations plus favorables au développement de maladies cryptogamiques.

On peut également s ‘attendre, à cause de températures plus élevées, à une pression plus grande des insectes, tant ravageurs des cultures que vecteurs de maladies, d’où là aussi un effort accru de lutte.

Sols, érosion, jours disponibles

La fertilité des sols sera vraisemblablement modifiée. En effet, on observe expérimentalement une diminution apparente de la fertilité azotée8 , qui tiendrait à un « emprisonnement » accru de l’azote par la matière organique du sol, dont le rapport Carbone/Azote augmente corrélativement au CO2 atmosphérique. Les coefficients d’utilisation des engrais azotés diminueront vraisemblablement, ce qui posera la question d’une révision des stratégies de fertilisation.

L’augmentation des précipitations se traduira vraisemblablement par de plus grands risques d’érosion des sols, selon l’intensité des épisodes pluvieux, mais cette dernière information n’est pas disponible sous forme de projection à l’heure actuelle.

L’évolution possible de la matière organique des sols est aussi très débattue. Elle conditionne en effet le comportement des sols face aux risques de tassement par la pluie ou les engins, etc.

L’augmentation de la température joue dans le sens d’une plus grande minéralisation et donc d’un abaissement de la teneur en matière organique, alors que l’augmentation de la concentration en CO2 atmosphérique semble jouer en sens contraire : il s’agit donc ici d’un équilibre ténu sur lequel une grande vigilance sera nécessaire.

L’augmentation globale des précipitations favoriserait sans doute un plus grand entraînement en profondeur des éléments minéraux par l’eau sur les régions d’agriculture intensive si ce phénomène n’est pas compensé par une plus grande activité racinaire.

Les jours disponibles pour les travaux agricoles seront apparemment plus nombreux à l’automne, pour l’implantation des cultures d’hiver, mais moins nombreux au printemps.

Stratégies d’adaptation

Le monde agricole n’est cependant pas sans réponse vis-à-vis des sollicitations climatiques attendues. On peut distinguer, avec Rosenzweig et Parry, 1994, deux types d’adaptation possible : celles que l’agriculteur peut mettre en œuvre lui-même (niveau 1) et celles qui nécessitent des investissements dans les infrastructures de recherche, de développement, d’aménagement (niveau 2), qui ne seraient facilement accessibles qu’aux pays développés.

Parmi les adaptations possibles au niveau 1, l’agriculteur peut modifier les dates de semis pour les cultures annuelles. Des semis plus précoces peuvent en effet permettre à des cultures d’hiver d’échapper à des périodes estivales dangereuses et à des cultures de printemps d’allonger leur cycle végétatif.

Cependant, on l’a vu, le jeu du climat sur la phénologie est complexe, et pourrait se traduire par d’autres risques (gelées tardives, par exemple). De la même façon, l’agriculteur pourra raisonner le rythme et les quantités des apports d’intrants9 en fonction des nouvelles conditions. Cela implique cependant une agriculture précise et technique, telle qu’elle aura été préparée, on peut l’espérer, par les préoccupations ‘environnementales’ actuelles.

Quant aux adaptations de niveau 2, elles comprennent entre autres la sélection variétale, (de génotypes adaptés en termes de longueur de cycle ou d’efficacité photosynthétique : il est cependant probable qu’il sera nécessaire de créer ces variétés en tenant compte d’hivers plus chauds, et donc moins favorables à la vernalisation), la redéfinition des systèmes de culture et des itinéraires techniques, celle des aménagements hydrauliques : là encore, peu d’éléments globaux objectifs sont disponibles et seront donc nécessaires à ce niveau des travaux à base prospective, ainsi que des simulations complexe.

Besoins en eau

La prédiction de l’évolution des besoins en eau de l’agriculture face à une modification progressive du milieu est un problème délicat. Devant un présupposé semble-t-il largement répandu d’un accroissement important de la demande dans les décennies à venir, il importe de rappeler que la consommation en eau d’une culture est une grandeur placée sous la dépendance de multiples facteurs.

L’offre en eau dépend des apports pluviométriques et de leur stockage dans le sol, de l’existence de sources d’eau d’irrigation ainsi que de l’enracinement de la culture. La demande en eau instantanée est fonction de la demande climatique (évapotranspiration de référence, elle-même fonction du rayonnement, du vent et de l’humidité de l’air) et du stade d’évolution de la culture.

De l’équilibre entre ces deux termes dépendent la quantité de matière fabriquée par la culture au travers de sa fonction de photosynthèse, et, à terme, sa production finale. Mais l’efficience de l’eau consommée par la culture (masse de matière produite par volume d’eau transpirée) est elle-même fonction croissante de la concentration atmosphérique en CO2.

Si l’on ajoute à cela que la consommation totale dépend de la longueur du cycle de culture, elle-même modifiée par le changement de climat, on peut concevoir qu’une prospective sur les futurs besoins en eau de l’agriculture ne peut être établie qu’au prix d’une hiérarchie très stricte des ordres de grandeur des différents facteurs, avec l’aide de modèles de simulation, notamment en vue d’une spatialisation géographique des résultats.

Il paraît d’ores et déjà évident qu’il ne faudra pas y raisonner en quantité brute nécessaire, mais en efficience face à des objectifs de production, en ressource face à des systèmes de culture, en bilans pluriannuels pour optimiser ces systèmes.

L’inconnue de la variabilité temporelle du climat

On s’interroge de plus en plus sur les conséquences que pourrait avoir une augmentation de la variabilité temporelle du climat qui serait corrélative à la modification moyenne des variables climatiques : des événements jusqu’ici rares verraient ainsi leur probabilité augmenter.

Variabilitê climatiqueDeux effets sont concernés par cela : le déplacement des moyennes, et l’augmentation de l’écart type.

Pour une distribution – supposée gaussienne – d’un paramètre donné, un végétal donné ne peut supporter plus qu’une certaine valeur, et les dégâts sont représentés par la zone hachurée.

Si, à moyenne constante, l’écart type (σ) augmente, cela conduit à une augmentation de la zone hachurée, donc des dégâts.

De même, un déplacement de la valeur moyenne vers la droite engendrera un effet similaire, et une addition des deux pourrait représenter des dégâts très importants

Or l’agriculture moderne des pays développés est très adaptée, au sens où elle est très performante à l’intérieur d’une gamme temporelle restreinte de conditions climatiques (pour une région déterminée), et elle pourrait souffrir d’une succession pluriannuelle rapprochée de tels événements aujourd’hui rares. On dit et répète que la sélection génétique permettra quoi qu’il arrive de pallier les modifications du climat, mais il serait intéressant de tester sur modèle les effets de plusieurs années frappant successivement telle ou telle production agricole « adaptée » d’événements extrêmes dans différentes gammes de valeurs (hautes et basses à la suite).

L’agriculture, agent de l’effet de serre

Nous venons d’évoquer quelques unes des relations qui affectent agriculture et effet de serre dans le sens de l’effet de serre vers l’agriculture. Il convient d’évoquer les relations inverses. Même si le secteur de l’agriculture et de l’élevage n’est que l’une des sources d’émissions de gaz à effet de serre (GES), on ne peut l’ignorer10. Mais là encore, une analyse plus fine des phénomènes, bien qu’encore sommaire, montre que le « signe » de certains effets reste ambigu.

Trois facteurs nous paraissent devoir être pris en compte. En premier lieu, ainsi qu’on le fait habituellement, il nous faut mentionner la source importante de méthane que représentent les productions animales en général, et l’élevage des ruminants en particulier.

Nous mentionnons là très clairement une externalité négative que toute analyse en terme d’économie publique devrait intégrer.

En second lieu, les productions végétales elles-mêmes sont source d’externalité négative, via l’émission de protoxyde d’azote qui est elle-même consécutive au processus de dégradation des engrais azotés dans le sol.

Par contre, par le stockage de carbone dans le système racinaire et dans la partie aérienne des plantes, la production végétale est un mode potentiel de réduction des émissions de GES. Il faut tempérer ce résultat par le choix des espèces plantées (ou laissées en occupation du sol, sur les jachères par exemple), par la durée de couvert végétal, et par l’utilisation finale du produit.

Il est clair qu’une production de bois d’œuvre participe plus à la réduction des émissions de carbone à effet de serre qu’une production alimentaire dont les co-produits, tels que les pailles, et les produits eux-mêmes sont annuellement détruits, recyclés, ou réemployés dans la production animale (via l’alimentation des animaux).

Un stockage souterrain de carbone dans la matière organique des sols contribuerait également à réduire les émissions de GES. L’évolution des stocks souterrains de carbone a été étudiée pour des écosystèmes forestiers et prairiaux, et l’on a montré que les sols des prairies accumulaient plus de carbone sous de concentration atmosphérique en CO2 doublée. L’évaluation de ces stocks et de leur durée de vie demeure cependant incertaine.

Les processus sont complexes, les effets sont nombreux et ambigus. La recherche du mode de régulation le plus efficace de ces externalités, parmi les instruments standards en théorie économique que sont les taxes ou subvention des produits ou facteurs de production, ou encore l’instauration de marchés de droits à produire ou à polluer, ne pourra qu’être délicate.

Les droits à polluer seraient difficiles à instaurer, compte tenu du caractère diffus de la pollution en jeu. Quant aux droits de production attachés à l’effet de serre, ils ne semblent pas pertinents, compte tenu de la difficulté d’associer un choix de production à l’effet de serre induit. Dans le cas des taxes ou subventions, il faudra tenir compte du caractère diffus de la pollution imputable à l’effet de serre via de nombreux « pollueurs » dont on ne peut déterminer quelle est la contribution individuelle à l’effet global observé.

Il faudra évidemment tenir compte des effets positifs ou négatifs nombreux que l’on peut associer à de nombreux facteurs dans la conduite d’une exploitation agricole (choix des productions végétales, choix de l’alimentation animale, choix des productions animales, ces « choix » pouvant aller jusqu’à la composition mêmes des aliments pour animaux, choix que le régulateur ne sera pas en mesure d’observer).

Conclusion

La modélisation prospective de l’évolution de la biomasse sous l’effet d’un changement climatique est un problème ardu, éminemment complexe, et dont nous sommes loin d’avoir cerné les contours.

Par exemple, les simulations réalisées sur la France ne montrent pas d’évolution drastique de ses cultures en cas de répercussion homogène d’augmentations de température de quelques degrés (les variations des modèles sont de l’ordre de 10% en plus ou en moins), mais par contre il est quasiment impossible de prédire ce qui se passerait en cas d’augmentation forte de la variabilité climatique (thermique ou hydrologique), et c’est probablement là que réside le risque majeur, pour la France comme pour la majorité des autres pays de la planète.

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1. Graines (blé), fruits (tomate), organes charnus souterrains (pomme de terre), tiges (canne à sucre), feuilles (salade), pollen (safran).
2. Pois (hiver et printemps), pomme de terre, betterave {printemps) …
3. Céréales de printemps, maïs…
4. On entend par là l’énergie solaire disponible.
5. Prairies, luzerne, arbres …
6. Cette conclusion doit à son tour être tempérée suivant le type métabolique de la culture, le maïs, plante en C4, tirant moins profit de cette augmentation que, par exemple. le tournesol et d’autres plantes en C3.
7. Arbres fruitiers et forestiers …
8. La fertilité azotée est la capacité qu’a le sol il fournir de lui-même de l’azote, en libérant ses réserves en cet élément.
9. Engrais, pesticides, etc.
10. En France. cela représente un peu moins de 20% des émissions brutes, par contre la sylviculture est un puits de carbone très significatif (environ 30% des émissions brutes en France).

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