Modélisation des cycles des éléments eau-carbone-azote dans un système sol-plante et application à l'estimation des bilans environnementaux des grandes cultures PDF Download
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L’évaluation de l’impact environnemental des grandes cultures constitue un enjeu croissant à la fois au niveau de la protection du milieu et, au niveau scientifique, en termes de connaissance et de modélisation des processus sources de pollution. En nous restreignant aux pollutions liées à l’élément azote, nous avons procédé à un suivi expérimental ainsi qu’à une modélisation des flux associés, dans le cadre notamment d’une culture de colza à valorisation énergétique. Nous nous sommes intéressés d’une part au lessivage de nitrate sous la zone racinaire, et d’autre part aux émissions d’oxyde nitreux et d’ammoniac vers l’atmosphère. Parmi les différentes approches présentes dans la littérature, deux modèles ont été sélectionnés, correspondant respectivement à une option simple et opérationnelle (modèle CERES), et à une option plus mécaniste et conceptuelle (modèle Daisy). Cinq jeux de données expérimentales couvrant différentes conditions pédo-climatiques ont permis de tester, voire d’améliorer les sous-modèles de transfert d’eau et de nitrate dans le sol, de dénitrification, et de croissance et d’assimilation d’azote par la culture. Globalement, les précisions des modèles CERES et DAISY se sont révélées similaires, DAISY étant plus performant pour la simulation des transferts de masse dans le sol, et CERES pour la simulation de la croissance du colza. En fait, la précision des modèles dépend du type de milieu simulé : nous proposons alors qu’une classification fonctionnelle des sols pourrait servir de base pour déterminer la forme du modèle à utiliser pour une précision optimale en fonction des données d’entrée disponibles. Enfin, les quelques améliorations proposées concernant la composante sol du modèle simple (CERES) ont permis une prédiction satisfaisante des flux eau-carbone-azote dans le système sol-plante
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L’évaluation de l’impact environnemental des grandes cultures constitue un enjeu croissant à la fois au niveau de la protection du milieu et, au niveau scientifique, en termes de connaissance et de modélisation des processus sources de pollution. En nous restreignant aux pollutions liées à l’élément azote, nous avons procédé à un suivi expérimental ainsi qu’à une modélisation des flux associés, dans le cadre notamment d’une culture de colza à valorisation énergétique. Nous nous sommes intéressés d’une part au lessivage de nitrate sous la zone racinaire, et d’autre part aux émissions d’oxyde nitreux et d’ammoniac vers l’atmosphère. Parmi les différentes approches présentes dans la littérature, deux modèles ont été sélectionnés, correspondant respectivement à une option simple et opérationnelle (modèle CERES), et à une option plus mécaniste et conceptuelle (modèle Daisy). Cinq jeux de données expérimentales couvrant différentes conditions pédo-climatiques ont permis de tester, voire d’améliorer les sous-modèles de transfert d’eau et de nitrate dans le sol, de dénitrification, et de croissance et d’assimilation d’azote par la culture. Globalement, les précisions des modèles CERES et DAISY se sont révélées similaires, DAISY étant plus performant pour la simulation des transferts de masse dans le sol, et CERES pour la simulation de la croissance du colza. En fait, la précision des modèles dépend du type de milieu simulé : nous proposons alors qu’une classification fonctionnelle des sols pourrait servir de base pour déterminer la forme du modèle à utiliser pour une précision optimale en fonction des données d’entrée disponibles. Enfin, les quelques améliorations proposées concernant la composante sol du modèle simple (CERES) ont permis une prédiction satisfaisante des flux eau-carbone-azote dans le système sol-plante
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L'AUGMENTATION GENERALE DES TENEURS EN ION NITRATE DANS LES NAPPES SOUTERRAINES TEMOIGNE DE L'IMPORTANCE DU PROBLEME DE LA POLLUTION AZOTEE. AUSSI, L'ESTIMATION DU FLUX POLLUANT D'AZOTE NITRIQUE S'AVERE NECESSAIRE ET LE MODELE MATHEMATIQUE SEMBLE REPRESENTER LA METHODOLOGIE ADEQUATE POUR ABORDER CE PROBLEME. A PARTIR D'UN MODELE PREEXISTANT DU LESSIVAGE DE L'AZOTE NITRIQUE, UNE NOUVELLE REPRESENTATION DE LA DYNAMIQUE DE L'AZOTE DANS LE SYSTEME SOL-EAU-PLANTE EST ENVISAGEE. LA PRISE EN COMPTE DU CARBONE DANS LE DECOMPOSITION DE LA MATIERE ORGANIQUE FRAICHE ET SON ROLE DANS LE PROCESSUS DE MINERALISATION-IMMOBILISATION DE L'AZOTE AUGMENTE LE REALISME DE CETTE REPRESENTATION. LE MODELE DEVELOPPE DANS CE MEMOIRE EST VALIDE AVEC DES DONNEES D'UN LYSIMETRE EXPERIMENTAL (DISPOSITIF DE L'INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE DE VERSAILLES) DONT LES ENTREES ET LES SORTIES HYDRIQUES ET AZOTEES SONT PARFAITEMENT CONNUES. PUIS, L'APPLICATION FINALE EST FAITE SUR UN BASSIN HYDROLOGIQUE AGRICOLE (AISNE) EN UTILISANT UN MODELE DE MIGRATION DE POLLUANTS DANS UN AQUIFERE, AFIN DE SIMULER L'EVOLUTION DES TENEURS EN AZOTE NITRIQUE AUX EXUTOIRES (SOURCES) DU BASSIN HYDROLOGIQUE
Author: M J Shaffer Publisher: CRC Press ISBN: 9780367397357 Category : Languages : en Pages : 672
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Good management practices for carbon and nitrogen are vital to crop productivity and soil sustainability, as well as to the reduction of global greenhouse gases and environmental pollution. Since the 1950's, mathematical models have advanced our understanding of carbon and nitrogen cycling at both the micro- and macro-scales. However, many of the models are scattered in the literature, undergo constant modification, and similar models can have different names. Modeling Carbon and Nitrogen Dynamics for Soil Management clarifies the confusion by presenting a systematic summary of the various models available. It provides information about strengths and weaknesses, level of complexity, easiness of use, and application range of each model. In nineteen chapters, internationally known model developers and users update you on the current status and future direction of carbon and nitrogen modeling. The book's coverage ranges from theoretical comparison of models to application of models to soil management problems, from laboratory applications to field and watershed scale applications, from short-term simulation to long-term prediction, and from DOS-based computer programs to Object-Oriented and Graphical Interface designs. With this broad scope, Modeling Carbon and Nitrogen Dynamics for Soil Management provides the tools to manage complex carbon/nitrogen processes effectively.
Author: Yiqi Luo Publisher: CRC Press ISBN: 0429531303 Category : Nature Languages : en Pages : 602
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Carbon moves through the atmosphere, through the oceans, onto land, and into ecosystems. This cycling has a large effect on climate – changing geographic patterns of rainfall and the frequency of extreme weather – and is altered as the use of fossil fuels adds carbon to the cycle. The dynamics of this global carbon cycling are largely predicted over broad spatial scales and long periods of time by Earth system models. This book addresses the crucial question of how to assess, evaluate, and estimate the potential impact of the additional carbon to the land carbon cycle. The contributors describe a set of new approaches to land carbon cycle modeling for better exploring ecological questions regarding changes in carbon cycling; employing data assimilation techniques for model improvement; and doing real- or near-time ecological forecasting for decision support. This book strives to balance theoretical considerations, technical details, and applications of ecosystem modeling for research, assessment, and crucial decision making. Key Features Helps readers understand, implement, and criticize land carbon cycle models Offers a new theoretical framework to understand transient dynamics of land carbon cycle Describes a suite of modeling skills – matrix approach to represent land carbon, nitrogen, and phosphorus cycles; data assimilation and machine learning to improve parameterization; and workflow systems to facilitate ecological forecasting Introduces a new set of techniques, such as semi-analytic spin-up (SASU), unified diagnostic system with a 1-3-5 scheme, traceability analysis, and benchmark analysis, for model evaluation and improvement Related Titles Isabel Ferrera, ed. Climate Change and the Oceanic Carbon Cycle: Variables and Consequences (ISBN 978-1-774-63669-5) Lal, R. et al., eds. Soil Processes and the Carbon Cycle (ISBN 978-0-8493-7441-8) Windham-Myers, L., et al., eds. A Blue Carbon Primer: The State of Coastal Wetland Carbon Science, Practice and Policy (ISBN 978-0-367-89352-1)
Author: Raoul Calvet Publisher: Editions Quae ISBN: 9782738000064 Category : Technology & Engineering Languages : fr Pages : 372
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L'ouvrage présente les résultats de travaux de recherches sur les transferts de masse et d'énergie dans le système sol-plante-atmosphère. Les principaux aspects abordés concernent la modélisation des transferts à différentes échelles, la description de la variabilité spatiale des propriétés du sol et le rôle des systèmes racinaires. Il s'adresse à un public de chercheurs, enseignants et ingénieurs.
Author: Gihan Mohammed Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Une nouvelle méthodologie fondée sur l'interfaçage de la géochimie et de la biologie a été utilisée pour étudier la durabilité d'un système d'agriculture irriguée face aux changements globaux (climat et urbanisation). L'étude de sa durabilité nécessite une vision dynamique spatio-temporelle de l'évolution d'un agrosystème irrigué, ici le système « irrigation - prairie (plante) - sol - nappe ». Pour cela, deux démarches sont utilisées : l'étude de terrain et la modélisation. L'étude de terrain comprend des suivis temporels et spatiaux de la qualité des eaux de surface, de la nappe phréatique et de la qualité du foin des prairies. La modélisation consiste en un modèle biogéochimique prenant en compte l'ensemble des compartiments réactionnels du système. Le fil directeur est constitué par les mécanismes d'acquisition de la composition chimique de l'eau lors de son transfert dans le sol depuis eau d'irrigation jusqu'à l'eau de nappe. Ces mécanismes sont étudiés du double point de vue de leurs bilans géochimiques et des réactions sol / solution. L'acquisition de données porte ainsi sur : (1) la composition chimique des eaux d'irrigation et des eaux souterraines de la nappe ; (2) la minéralogie des sols ; (3) la nature des engrais apporté ; (4) la quantité des éléments chimiques prélevés et exportés par les plantes. Le modèle biogéochimique consiste à interfacer le modèle de culture STICS et le modèle de géochimie PHREEQC. Ce modèle est capable de rendre compte de l'évolution des eaux lors de leur parcours dans le sol et de mettre en évidence les processus majeurs qui déterminent la qualité de l'eau ; en sortie, il permet d'établir des indicateurs géochimiques pertinents pour la gestion du système. Cette méthode est appliquée aux prairies irriguées en la Crau, au Sud de France. Le système d'irrigation gravitaire par les eaux de la Durance depuis le 16e siècle sur la Crau a construit un système agricole durable en amenant des alluvions sur les terres irriguées, sur lequel poussent les prairies (le foin de Crau (AOP)). De plus cette irrigation participe à plus de 70% au renouvellement des eaux de la nappe phréatique. L'analyse des données sur une longue durée (1960-2013), l'acquisition de données récentes et la modélisation montrent l'originalité et la durabilité de cet agrosystème irrigué et sa résilience face à une augmentation de température de 2°C, tant en ce qui concerne les rendements que la qualité du foin. Cependant dans la perspective des changements globaux, les prévisions tablent sur une disponibilité en eau pour l'irrigation en diminution, de plus des changements d'occupation du sol (10% de la surface totale), avec une réduction des prairies irriguées. Ceci risque de remettre en cause la durabilité de l'agrosystème irrigué et partant l'approvisionnement en eau à partir de la nappe de toute l'économie locale (300 000 habitants, les industries lourdes du site de Fos-sur-Mer).
Author: Simon Lehuger Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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L'agriculture représente 10 à 15 % des émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES), ce qui justifie que ce secteur soit amené à jouer un rôle dans la lutte contre les changements climatiques. Les échanges de GES entre agro-écosystèmes et atmosphère font intervenir trois composés : le protoxyde d'azote (N2O), le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2). Les sols cultivés sont responsables de 60 % des émissions de N2O, dont le potentiel de réchauffement global équivaut à 300 fois celui du CO2 à horizon 100 ans. Le protoxyde d'azote est produit dans le sol par les processus microbiologiques de nitrification et de dénitrification, ce qui induit des émissions fugaces qui dépendent fortement des conditions pédoclimatiques locales et des pratiques agronomiques. À l'échelle globale, les flux de CO2 entre agro-écosystèmes et atmosphère sont pratiquement équilibrés, mais la mise en place de certaines pratiques agronomiques permet d'accroître le stock de C de l'écosystème et de réduire ainsi d'autant le stock atmosphérique. La prédiction de ces échanges de GES nécessite de prendre en compte les processus sous-jacents au sein du système sol-plante, qui sont fortement régulés par les conditions agro-pédoclimatiques. L'utilisation de modèles biophysiques est actuellement une approche très prometteuse en ce sens, mais encore en émergence. La problématique centrale de ce travail de thèse est l'estimation du pouvoir de réchauffement global des agro-écosystèmes, basée sur une modélisation biophysique des agro-écosystèmes et de leurs échanges de GES avec l'atmosphère. Le développement du modèle CERES-EGC a permis d'estimer ses paramètres, grâce à une méthode originale de calibration bayésienne, et d'évaluer son erreur de prédiction pour la simulation des flux de N2O et de CO2 à l'échelle de la parcelle. Ce modèle, qui intègre le fonctionnement de l'agro-écosystème dans son ensemble et l'effet des pratiques culturales, est désormais en mesure de prédire le bilan de GES des systèmes de cultures, avec une marge d'erreur que nous avons pu quantifier. L'application du modèle sur des sites expérimentaux aux conditions pédoclimatiques contrastées a permis de quantifier le pouvoir de réchauffement global de systèmes de cultures à l'échelle de rotations, en y incluant les flux de N2O, de CO2 et de CH4. Les émissions indirectes dues à la production des intrants, à leur transport jusqu'à la ferme et aux opérations culturales ont également été intégrées au bilan final selon une approche d'analyse de cycle de vie. Le modèle a ainsi permis de tester différentes stratégies de mitigation du pouvoir de réchauffement des systèmes de cultures, et mis en exergue certaines pratiques à haut potentiel notamment celles qui induisent des retours importants de résidus de cultures au sol. L'utilisation et le développement du modèle dans une perspective d'extrapolation spatiale permet de produire des inventaires d'émissions de GES par les surfaces agricoles à échelle régionale.
Author: Hacene Bouhoun Ali Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La réduction de la consommation de l'eau dans les serres agricoles représente un grand intérêt ne serait-ce que pour accroitre l'efficience d'utilisation de l'eau par les cultures et rendre les professionnelsdu secteur horticole plus compétitifs. La thèse vise à apporter des réponses concernant la gestion optimale de l'eau. Ceci passe par la mise en place d'un modèle capable de prédire les bilans demasse et d'énergie sur l'ensemble du continuum substrat-planteatmosphère en régimes de confort et de restriction hydrique. La plupart des modèles de transfert existants se focalisent soit surle système sol-plante, soit sur le système plante-atmosphère. Ils ont de plus été établis principalement pour les systèmes de grandes cultures, alors que les cultures en pot sous serre possèdent desspécifi cités liées au confi nement tant aérien que racinaire. L'enjeu est de bâtir une approche intégrée du continuum substrat-planteatmosphère pour modéliser le fonctionnement de plantes en pots sousserre. La thèse s'appuie sur une double approche expérimentale et numérique. Une campagne expérimentale a été lancée en 2014 puis en 2015 sous serre et une autre en chambre climatique en 2014,en utilisant l'Impatiens de Nouvelle Guinée comme plante modèle. Il s'agissait d'abord d'élaborer un modèle de la résistance stomatique, élément clef de la transpiration en s'appuyant sur le modèleméthode multiplicatif de Jarvis puis sur la méthode des plans d'expérience en confort et en restriction hydrique. Les données acquises ont permis de caler/valider ces modèles de résistance,qui ont pu êtr.
Author: Camille Cros Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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La présence de plantes accélère la décomposition de la matière organique du sol (MOS) au travers de l'apport de composés riches en énergie (rhizodépôts et litières) stimulant les microorganismes ; un phénomène appelé « rhizosphere priming effect » (RPE). Une augmentation de la photosynthèse, activité pourvoyeuse d'énergie rhizodéposée, pourrait augmenter le RPE et l'offre du sol en nutriments. Récemment, le modèle SYMPHONY couplant activités photosynthétiques et microbiennes du sol suggère un ajustement de l'offre du sol en nutriments (delta minéralisation-immobilisation) à la demande des plantes. Cependant, le rôle clé de la photosynthèse sur cet ajustement offre-demande reste à étudier expérimentalement.L'objectif général de la thèse est d'étudier le rôle des interactions des activités photosynthétiques et microbiennes du sol dans les régulations des flux de carbone (C) et d'azote (N) des écosystèmes. Trois écosystèmes types ont été étudiés : la prairie, la monoculture de blé et un nouveau système de culture (NSC) associant blé et plantes pérennes de la prairie. Nous émettons l'hypothèse que les plantes pérennes, via une activité photosynthétique pourvoyant les microorganismes en énergie tout au long de l'année, sont essentielles à l'ajustement offre-demande en N. De nombreux défis techniques ont été relevés afin de construire une plateforme expérimentale de 40 mésocosmes sous éclairage et température naturels. Cette plateforme permet de coupler marquage 13C des plantes, mesures continues des échanges de CO2, du RPE, de la production végétale, du stockage de C du sol, le taux de minéralisation-immobilisation d'N et du lessivage d'N. Ce dispositif nous a permis de déterminer la contribution du RPE dans les flux de C des écosystèmes comprenant la production nette de l'écosystème (NEP), la production primaire brute (GPP) et la respiration de l'écosystème (RE) exprimées en g C m-2 24h-1. Nous avons montré une relation positive linéaire entre (1) RPE et GPP et (2) RPE et biomasse aérienne (AGB) (g C m-2). A partir de ces relations, le RPE peut être prédit en utilisant les équations suivantes : (...). Nous montrons un ajustement offre-demande de l'N au cours des saisons : une forte activité photosynthétique (printemps) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d'N élevés alors qu'une faible activité photosynthétique (automne) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d'N faibles. Cet ajustement était observé dans la prairie et dans le NSC mais pas en monoculture de blé. Logiquement, la lixiviation d'N était importante en monoculture de blé alors qu'elle était quasi nulle en prairie et dans le NSC. Après deux années de maintien des trois écosystèmes types, la production aérienne totale du NSC était équivalente à la prairie, tous deux étant supérieurs d'environ un facteur deux à la monoculture de blé. Ces résultats confirment l'importance des plantes pérennes dans la synchronisation offre-demande de l'N. L'ensemble de ces investigations souligne l'importance des activités des plantes et des processus rhizosphériques dans la régulation des cycles CN des écosystèmes. Ces régulations pourront être étudiées in situ et à l'échelle globale grâce aux proxys de ces processus rhizosphériques (RPE, ajustement offre-demande) déterminés dans la thèse. Des activités photosynthétiques et rhizosphériques tout au long de l'année sont essentielles à l'ajustement offre-demande en nutriments conduisant à une forte production primaire, à la fermeture des cycles des nutriments et au stockage de MOS. Ces découvertes offrent l'opportunité de construire de nouveaux systèmes de culture, à l'image de l'association blé-plantes pérennes étudiée, à hautes performances agro-environnementales.
Author: Benoît Gabrielle
Author: Benoît Gabrielle
Author: 
Author: FRANCOIS.. CABON
Author: M J Shaffer
Author: Yiqi Luo
Author: Raoul Calvet
Author: Gihan Mohammed
Author: Simon Lehuger
Author: Hacene Bouhoun Ali
Author: Camille Cros