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Apport des données satellitaires pour l'évaluation multi-critères des systèmes en
grandes cultures et des bénéfices climatiques liés aux couverts intermédiaires
Eric Ceschia (INRA CESBIO, Toulouse)
28 Février 2018 / de 15h30 à 17h30
Enjeux sociétaux/Contexte
Remise en question de l'agriculture conventionnelle et changements globaux
Pratiques agro-écologiques
Non labour
Couverts intermédiaires
Agroforesterie
Illustrations: Arbre et
Paysage 32
Ex. Stockage du C
(4/1000)
Manque d'outils de diagnostiques spatialisés multi-critères pour dresser un état des lieux,
guider ces nouvelles pratiques et objectiver leurs bénéfices environnementaux
(évaluation des services écosystémiques)
Enjeux stratégiques pour l'INRA qui est au service conjoint de la profession agricole et la société
En quoi la télédétection peut elle servir à une évaluation multi-critères des
systèmes en grandes cultures ?
Quelques exemples :
1) Identifier quels sont les systèmes de cultures en place,
2) Cartographier les rendements et des ressources potentiellement valorisables en
biomasse (ex. CIVE), modulation des intrants,
3) Evaluer les systèmes les plus efficaces pour favoriser le stockage C et contribuer
à l’atténuation du changement climatique,
4) Gestion territoriale de l’eau (cartographie des besoins en irrigation) et réduction
de l’érosion…
Quelles sont les échelles d’analyse et d’intervention pertinentes ?
de la modulation intra-parcellaire (agriculture de précision)
…
à la gestion du territoire (agroécologie des territoires)
3
En quoi la télédétection peut elle servir à une évaluation multi-critères des
systèmes en grandes cultures ?
Etablir des compromis entre services écosystémiques, adaptés à chaque territoire, respectueux de
l’environnement et efficaces économiquement.
Nécessite une démarche de recherche en 3 étapes :
1) Diagnostic/état des lieux de l’environnement : cartographie de l’existant,
2) Analyse du fonctionnement des systèmes à différentes échelles spatiales : couplage
télédétection et modélisation,
3) Proposition de solutions à partir d’analyse multicritère pour trouver des compromis
entre services : couplage de la modélisation, télédétection et optimisation multicritères.
Pourquoi la télédétection ? Pourquoi c’est dorénavant possible ?
4
Apport des nouvelles missions spatiales pour répondre à ces problématiques ?
Satellites à couverture globale
Sentinel 1 Une
Sentinel 2
(10 m, 2-3 j, Radar) Sentinel (10 m, 2-4 j, Optique)
Révolution !!!
Par temps couvert ou clair Par temps clair
Rugosité & humidité de surface Paramètres Réflectances
mesurés
40%
Cartographie
dynamique
2%
Humidité Biomasses Travail du Occupation Indice Albédo
du sol sol
fusion du sol Foliaire (THEIA en
(THEIA sur Cartes dynamiques des OS et (THEIA, (THEIA)/ cours)
Occitanie) pratiques culturales national) phénologie
(H2020 Sensagri Copernicus)
5
Comment exploiter cette richesse d’information ?
L’Observatoire Spatial Régional (OSR) labélisé SO par l’INSU en 2007 et intégré dans les réseaux JECAM et ICOS
SPOT depuis 2002
Formosat 2 depuis 2006
Sentinel depuis 2015
6
Des cartographiques thématiques pour établir un diagnostic territorial
• Cartographie des usages des sols (OSR et projets H2020 Sensagri, Bag’ages…) : successions culturale,
irrigation, travail du sol (labour/non-labour), enfouissement des résidus, repousses/adventices,
couverts intermédiaires… diverses problématiques ex. érosion, maladies, gestion de l’eau…
• Cartographie des infrastructures agro-écologiques (TEL-IAE…) indicateurs de biodiversité, de
continuité écologique, microclimats…
• Cartographie dynamique des paramètres biophysiques (THEIA) : humidité du sol, réserve en eau utile
du sol, développement de la végétation (indice foliaire), albédo… biomasse.
Limites de l’approche par télédétection : certaines pratiques ne sont pas
identifiables Demarez V., Baup F.,
Marais-Sicre C. dans le cadre
- Traitements phytosanitaires & pratiques de fertilisation (dates, doses, types d’engrais)
- Export ou non des pailles sur les céréales à pailles (blé, orge…) de Maiseo
Comment exploiter cette richesse d’information pour produire des indicateurs plus élaborés ? 7
29 Juin 2006 m2 feuille/m2 sol
Model de transfert radiatif
Cartes de Green Area Index
29/06/006
(BV-net de l'INRA Avignon) 26/07/2006
Spot, Landsat, Sentinel 2
09/09/2006
Sentinel 1, Terrasar X
Cartes Modèle spatialisé
dynamiques
Cartes
desoccupation
OS et
pratiques
du sol SAFYE-CO2 Indice foliaire
culturales
Validation par stat. régionales
Cartes
SAFRAN 8 km (rendement /irrigation) sur l’OSR
Météo Biomasse,
France
Cartes des
Rendement,
sols (BD irrigation SO INRA (AgrHyS, PRO…)
Donesol)
Stations
Validationde
parmesures de
stations de
flux dudes
mesures réseau
flux du Flux CO2 /bilans C
et eau Réseau JECAM
8
Cartographie de la réserve en eau utile du sol par inversion du modèle SAFYE
C
C D
D A
0 0.25
0.5
Auradé (32)
1 kilomètre
B
Validation par
RU (mm) méthodes
300
géophysiques
10 A
≠ Facteurs limitant RU
B
V. Bustillo (CESBIO)
9
Bilan C (gC.m-2.an-1) Rendement (t.ha-1) Biomasse (g.m-2)
Compromis entre services : comment concilier fonction productive et écologique ?
SAFYE-
Exemple de l’efficience de l’utilisation de l’eau CO2
EUEagronomique = Rendement/ETR
EUEenvironnementale = Bilan C/ETR GrainGrains exportés
+ pailles exportés
Où positionner le curseur concernant l’export de biomasse ?
Faut il maintenir les pailles en surface plus longtemps (réduire l’évaporation) ?
Impacts de l’introduction des Couverts Intermédiaires Multi-Services (CIMS) ? 11En quoi ces approches couplées télédétection et modélisation sont elles utiles
pour évaluer les bénéfices climatiques apportés par les CIMS ?
De quels bénéfices climatiques parlons nous ?
Effets via la modification des cycles biogéochimiques (Justes et al. 2012)
-Directs : principalement stockage de carbone : -1173 ±293 kg Eq-CO2 ha-1 an-1
émissions de N2O : effet faible d’≈ +23 kg ±344 Eq-CO2 ha-1 an-1
-Indirects : réduction des pertes de nitrate (↓ N2O)
↑ minéralisation N réduction des besoins en fertilisation azotée
Effets biophysiques (très peu étudiés)
-Radiatifs : fraction de rayonnement solaire réfléchi (albédo), rayonnement thermique (IR)
-Non radiatifs : modification des flux d’évapo-transpiration/chaleur sensible (tourbillons)
12La télédétection pour cartographier les CIMS et suivre leur développement
En plein champ, la levée des CIMS peut être très variable
spatialement (et d’une année à l’autre).
18/07/2012 06/09/2012 15/11/2012 29/12/2012 03/03/2013 12/04/2013
végétation
Indice de
Dans le Gers, + de CIMS en zone
dérogatoire argile qu’en zone sensible
nitrate (projet CICC).
La télédétection couplée à la modélisation est donc utile pour cartographier mais aussi pour
objectiver le stockage de C par les CIMS (Projet Bagages en cours, financé par AEAG). 13Composantes du bilan de C (gC.m-2.an-1)
Flux net cumulés de CO2 (gC.m-2)
Wattenbach et al. (2010) Observations + 7.8%
vs. Sans prise en
Simulations compte repousses
- 84.1%
- 24%
Flux CO2 Cimp Cexp Bilan C
Avec prise en
+ 7.8% compte repousses
- 0.854%
Sans prise en compte
+ 5%
repousses/adventices Flux CO2 Cimp Cexp Bilan C
Cette approche de modélisation couplée à la télédétection n’a besoin d’aucune donnée
d’itinéraires techniques en entrée très bonnes performances par rapport aux autres modèles
notamment car peut prendre en compte l’effet des repousses/couverts intermédiaires,
Illustre la puissance de l’outil télédétection pour contraindre/piloter le modèle 14Quels effets biophysiques radiatifs induits par les CIMS ?
Effets Albédo :les CIMS permettent généralement d’accroitre laquantité de rayonnement solaire (courteslongueurs
d’ondes)renvoyésversl’espacesparrapportàunsolnu.Variation d’albédode-3%à+20%(Kaye&Quemada,2017).
Nord
Sol riche en C
Sol nu
Situation organique
Albédo de sol faible
intermédiaire
Sol
Albédo deMoutarde
sol blanche Effet refroidissant calcique
élevé automatic
Effet réchauffant
des CI élevé
chambers
Effet des CI faible
Sud
(N2O em.)
voire réchauffant
Site de Lamasquère (31) en 2013
Effet refroidissant
(Ceschia et al., 2017)
Albédo de sol nu (issus de MODIS ; Carrer et al., 2018) 15Quels effets biophysiques radiatifs induits par les CIMS ?
Effets Albédo :les CIMS permettent généralement d’accroitre laquantité de rayonnement solaire (courteslongueurs
d’ondes)renvoyésversl’espacesparrapportàunsolnu.Variation d’albédode-3%à+20%(Kaye&Quemada,2017).
• Les CIMS permettraient d’accroitre l’albédo de 22% des surfaces cultivées en Europe,
• Cet effet représente l’équivalent de 3.2 à 4 Mt CO2.an-1 compensés sur 100 ans (soit
un effet total de 320 à 400 MtCO2-eq),
• En l’additionnant à l’effet stockage de C, cela équivaut à compenser annuellement 7%
des émissions du secteur agricoles en Europe,
•Pas d’effet saturation contrairement au stockage de C et même amplification de l’effet
avec l’assombrissement des sols.
(Carrer et al., 2018 dans ERL) En W.m-2 16Quels effets biophysiques radiatifs induits par les CIMS ?
Effets sur le rayonnement InfraRouge thermique (interagit avec les GES) émis par les parcelles :
Sol nu
Moutarde
Effet réchauffant - Effet refroidissant des CIMS via la ↓ du rayonnement IR
thermique équivalent à l’effet albédo (cartographiable par
Projet CICC
(Thèse Ferlicoq, télédétectionthermique).
2015)
- Les CIMS diminuent la quantité d’énergie disponible à la surface
parrapportausolnu-2.5°C danslesolentre0-5cmdesol.
Effet refroidissant
Probable↓de la vitesse de minéralisation de la MOdans lesol
Ces effets ne sont pas encore pris en compte par les outils de modélisation (quels qu’ils soient)
17Quels effets biophysiques non-radiatifs induits par les CIMS ?
Non seulementlesCI MS réduisentlaquantitéd’énergie totaledisponible en surfacemaisilsmodifient aussila façondont elleva
être répartie/consommée pour produiredes fluxde chaleurssensibleou pour l’évapotranspiration?
-Les CIMS ↑ l’évapotranspiration (simu. avec SAFYE-
CO2 encours)etréduisentlesfluxdechaleur sensible
cequitendàrefroidirleclimat(Boucheretal.,2004),
- Effetglobaldifficileàquantifier(collab.CNRM&LSCE)
mais effet local/régionalsur la température de l’air en
surface non négligeable et facile à estimer
(Georgescuetal., 2011):-0.3à-0.4°Cdanscecas.
18En conclusion
Possibilité d’établir des diagnostics territoriaux multi-critères grâce à la télédétection (état des lieux)
- Des indicateurs directement issus de la télédétection : carto. des successions culturales, de
certaines pratiques de gestion (ex. CIMS et leur réussite), de paramètre biophysiques (sol, végétation),
Indicateurs à la parcelle voire infra-parcellaire (agriculture de précision)
- Des indicateurs plus élaborés obtenus par l’utilisation couplée modèles/données de télédétection
multi-temporelles à haute résolution : besoins en irrigation, bilans C & potentiel d’atténuation par les
grandes cultures,
Outils essentiel pour guider/objectiver nos choix de changements de pratiques et les compromis à
réaliser selon les enjeux locaux
Vers une agro-écologie territoriale plus éclairée
Des défis importants à relever (région France ou au delà) : volumes de données (satellites et
terrain), puissance et transposabilité des algorithmes, services de production à pérenniser (THEIA)…
19Merci pour votre attention et
merci à nos financeurs
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