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Intitulé du projet: Scénario vers l'intégration multiéchelle de modèles autour des usages des sols (en abrégé STIMUL) 

Type de projet: projet phare (2016-2019) du LabEx BASC

Porteurs: Raja CHAKIR et Jean-Christophe BUREAU (Economie Publique)

Partenaires:

• Dans BASC : Agronomie, CIRED (Centre international de recherche sur l'environnement et le développement), ESE (Ecologie, systématique, évolution), LSCE (Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement)
• Non académiques : CEPII (Centre d'études prospectives et d'informations internationales)

L’utilisation intensive d'engrais azotés dans l'agriculture est un contributeur majeur aux émissions de GES, à la dégradation de la qualité de l'air et à l'eutrophisation des masses d’eau. L’objectif du projet STIMUL était d’évaluer les impacts d'une réduction de 50 % de l'utilisation d'engrais azotés minéraux dans l'agriculture européenne.  Il s’agit d’un problème complexe, en raison des effets induits et indirects. Ainsi il faut tenir compte des impacts agronomiques (rendements), mais aussi des changements directs et indirects d'utilisation des sols, l’impact sur la production agricole et sur les écosystèmes. Comprendre ces effets et leurs interactions complexes est essentiel pour concevoir des politiques publiques pour préserver l’environement qui permettraient d’éviter des effets indésirables et imprévus. Ceci permettra notamment de montrer que les politiques qui ont des avantages environnementaux locaux (par exemple, l'extensification des pratiques agricoles) peuvent avoir des effets indirects sur l'utilisation des terres qui se répercutent sur les marchés et les pays par le biais d'effets sur les prix mondiaux (c'est-à-dire les «fuites»).

Pour répondre à cette question, nous avons mobilisé un ensemble de modèles économiques, agronomiques et biophysiques pour analyser les impacts de la réduction de moitié de l'utilisation d'azote minéral dans l'agriculture de l'UE sur le changement d'utilisation des terres dans l'UE et dans le monde et évaluer les conséquences agricoles, économiques et sur le carbone et la biodiversité. Cette analyse est structurée autour d’un couplage soft de modèles agronomiques (STICS et LPJmL), de modèles économiques (MIRAGE, AROPAj, NLU, modèle économétrique d'utilisation des terres). Ces modèles diffèrent par leurs méthodologies, l'échelle d'intérêt et la résolution, mais ils sont très complémentaires et sont tous pertinents pour une analyse complète des impacts de la réduction de moitié de l'azote minéral en Europe en termes de changement directs et indirects des usages des sols. Les usages des sols prédits par les modèles économiques sont utilisés pour simuler l’impact sur la biodiversité via le modèle PREDICTS et sur le carbone via le modèle ORCHIDEE du scénario étudié.  

Les bénéficiaires du projet :

• Les décideurs publics qui s'interrogent sur les possibilités d'adaptation du secteur agricole européen dans le cadre du Green Deal et en particulier de la stratégie "Farm to Fork" qui prévoit une baisse importante des fertilisations azotées à l'horizon 2030: ministère de l'agriculture, commission européenne, parlement européen
• Les scientifiques qui cherchent à coordonner différentes approches dans le cadre de la modélisation intégrée de la transition écologique
• Le milieu du développement agricole qui s'interroge sur les effets des stratégies de réduction des fuites d'azote (directive nitrates) et des effets des politiques en cours (Green Deal) sur les récoltes et les revenus (conseil agricole, chambres d'agriculture, régions, coopératives).

L’utilisation de l’azote minéral dans l’agriculture a permis un formidable gain en productivité qui aujourd’hui de nourrir presque la moitié de la population mondiale (Erisman et al., 2008[1], Smil, 2002[2]). Cependant, ceci vient à un prix environnemental assez conséquent et menace la soutenabilité de l’agriculture. Un changement dans les pratiques actuelles sera forcément lié à des changements dans l’allocation des terres et ces derniers ont été jusqu’à récemment le vecteur le plus important de la perte de la biodiversité notamment par le biais de la dégradation des habitats (Foley, 2005[3]).

L’un des points forts du projet est de mobiliser un ensemble de modèles économiques, agricoles et de biodiversité nous permettant de couvrir l'échelle locale et mondiale des impacts de la réduction de moitié de l'utilisation de l'azote en Europe et d’intégrer les effets sur le reste du monde via les changements indirects des usages des sols.

Les principaux résultats obtenus:

Au niveau européen, nos résultats montrent qu’une réduction de 50% de l’utilisation d’engrais azoté dans l’agriculture européenne va réduire les rendements et la production agricole. Un résultat intéressant montre que l’utilisation des effluents d’élevage va également baisser du fait de l’extensification de l’élevage et la hausse des prix des cultures fourragères. Ainsi les émissions de gaz à effets de serre d’origine agricoles en Europe baissent. Les impacts sur le carbone et la biodiversité sont mitigés entre les modèles. 

Dans le reste du monde et via les changements indirects des sols, nos résultats montrent que la production agricole va augmenter ainsi que l’utilisation des engrais azotés. Les prix mondiaux vont également augmenter ainsi que les émissions de gaz à effets de serre dépassant la réduction obtenue dans l’UE. Cependant, nous n’évaluons pas les gains en termes de la qualité de l’air et de l’eau. 

Ces résultats sont à interpréter avec précaution car nos modèles ne prennent pas en compte les changements structurelles notamment les réponses en termes d’innovations technologiques qui peuvent émerger en cas de restriction dans l’utilisation des engrais azotés de synthèse. Nos résultats ne prennent pas en compte non plus les ajustements possibles du côté de la demande notamment en matière de changements de régimes alimentaires vers la consommation de moins de viande.

Pour élargir l’analyse, une première perspective est d’évaluer l’impact de la politique proposée sur la qualité de l’eau. Par ailleurs, le travail engagé dans le cadre du projet STIMUL a permis la mise en place d’un dialogue renforcé entre les équipes des différents laboratoires partenaires ce qui ouvre la perspective vers d’autres collaborations dans le futur.

La porteuse du projet vous explique ses RESULTATS en VIDEO (journées scientifiques du LabEx BASC, nov. 2020)            ========>

Pour en savoir plus, consultez le site du projet

Références

[1]      Erisman, J. W., Sutton, M. A., Galloway, J., Klimont, Z., and Winiwarter, W. (2008). How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geoscience, 1:636.

[2]              Smil, V. (2002). Eating Meat: Evolution, Patterns, and Consequences. Population and Development Review, 28(4), 599–639. 

[3]              Foley, J. A. (2005). Global Consequences of Land Use. Science, 309(5734), 570–574.

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Publications

>Bayramoglu, B., Chakir, R. & Lungarska, "Impacts of Land Use and Climate Change on Freshwater Ecosystems in France" Environmental Modeling and Assessment (2019). https://doi.org/10.1007/s10666-019-09673-x **

>Damien Beillouin, Tamara Ben-Ari, David Makowski 2019 "A dataset of meta-analyses on crop diversification at the global scale" Data in Brief, Volume 24. https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.103898

>J. Vaitkeviciute, R Chakir, S Van Passel (2019) "Climate variable choice in Ricardian studies on European agriculture". Revue Economique. vol 70. https://www.cairn.info/revue-economique-2019-3-page-375.htm# ** Résumé: "Le modèle ricardien a été fréquemment utilisé pour étudier l’impact du changement climatique sur l’agriculture européenne. Cet article contribue à cette littérature en utilisant les données de panel sur les régions du RICA et la période 2004-2012, et en tenant compte à la fois de l’hétérogénéité individuelle et de l’autocorrélation spatiale entre les régions de l’Union européenne. Nous avons testé trois hypothèses liées au modèle des degrés-jours. Nos résultats montrent que le climat en dehors de la saison de croissance est important pour l’agriculture européenne, et l’exclure pourrait sous-estimer les impacts du changement climatique. Nos résultats devraient appuyer les décisions de politique publique relatives aux mesures efficaces d’atténuation et d’adaptation dans l’agriculture de l’UE."

Total marginal effect of climate for the growing season and four-season models, une figure de l'article susmentionné

>ALBERT, Isabelle and MAKOWSKI, David. (2018) "Ranking crop species using mixed treatment comparisons". Research Synthesis Methods. https://doi.org/10.1002/jrsm.1328

>Lungarska, A. & Chakir, R. (2018), 'Climate induced land use change in France: impacts of agricultural adaptation and climate change mitigation', Ecological Economics 147 , 134--154. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2017.12.030 ====>

>Cernay C., Makowski D., Pelzer E. (2018). New Insights into the Yields of Underexploited Grain Legume  Species: Waste Recycling and Fertilisation in Lichtfouse E. (Ed.), Sustainable Agriculture Reviews 32, pp.77-103. doi: 10.1007/978-3-319-98914-3_4** . Résumé: "Protein-rich grain legumes are grown for both human food and animal feed, and their multiple benefits to the environment. Pea (Pisum sativum) is the most widely cultivated grain legume in Europe. In the world, several field experiments have compared the yields of a broad range of grain legumes in contrasting environments, but these experiments have never been synthesized. We address two questions: 1) What is the yield levels of pea compared to other grain legume species in Europe? 2) Which grain legume species with good yield performances in North America and Oceania are candidates for future European experiments? We conducted a statistical analysis of five variables – grain yield, total aerial biomass, grain crude protein, grain gross energy, grain nitrogen content – comparing 22 grain legume species with pea, based on experimental data extracted from 61 peer-reviewed articles and nutritional data. We identify soybean (Glycine max), narrowleaf lupin (Lupinus angustifolius), and faba bean (Vicia faba), as alternative grain legumes to pea in Europe. Grain legume species grown in North America do not outperform pea for most of the criteria. In Oceania, faba bean has significantly higher yield than pea, whereas several species do not differ significantly from pea. Based on data collected in North America and Oceania, we suggest assessing the relative productivities of several vetches and lupins (Lathyrus, Lupinus, and Vicia species) in European experiments. Our findings reveal new insights into the yields of as yet underexploited grain legume species for potential future use in Europe."

>Cernay, C.; Makowski, D. & Pelzer, E. (2017), 'Preceding cultivation of grain legumes increases cereal yields under low nitrogen input conditions', Environmental Chemistry Letters, 1--6. Résumé: "The European Union (EU) has advised to increase the production of grain legumes, both to reduce EU dependency on soybean imports from the Americas and to reduce pollution from intensive cereal production. Several studies have indicated that preceding grain legume had a positive effect on the yields of subsequent cereals; this argument being often used to promote cultivation of grain legumes. However, no quantitative synthesis of the data has been performed on a global scale to estimate the relative increases in cereal yields arisen from cultivation of preceding grain legumes. Here, we performed a meta-analysis of 1181 yields of cereals cultivated in 15 countries. The results show that the yields of cereals cultivated after grain legumes were, on the average, + 29% higher than the yields of cereals cultivated after cereals. Our findings also show that the positive effect of grain legumes decreased with the nitrogen (N) fertilization applied to subsequent cereals, then became negligible when the mean N fertilization exceeded 150 kg N ha−1. This threshold is often exceeded in European conventional cereal systems."

>Lesur-Dumoulin, C.; Malézieux, E.; Ben-Ari, T.; Langlais, C. & Makowski, D. (2017), 'Lower average yields but similar yield variability in organic versus conventional horticulture. A meta-analysis', Agronomy for Sustainable Development 37(5), 45. Résumé: "Organic agriculture prohibits the use of almost all synthetic inputs and it is expected to have lower impacts on natural resources than conventional agriculture. However, previous meta-analyses have shown that yields in organic systems are in average 8 to 25% lower compared with conventional systems. Here, we focus on horticulture (fruits and vegetables) and we refine our knowledge by characterising the distributions of organic and conventional yields both in terms of average yield loss and in terms of variability across experiments and across years. We built a new dataset including 636 ratios of organic versus conventional yields covering 37 horticultural species and 17 countries and estimated (i) mean yield ratios, (ii) yield ratio probability distribution across experiments and (iii) interannual yield variances in organic and conventional systems. Our results show that yields in organic horticulture are indeed on average 10 to 32% lower than those in conventional horticulture but they exhibit large variation across experiments. An analysis of yield ratio probability distribution shows that yield loss in organic horticulture has about 10% chances to exceed 50% compared to conventional systems. The analysis gives also around 20% chances to get higher yields in organic horticulture compared to conventional systems. None of the tested covariates (e.g. crop type, climate zone) was able to explain a significant part of the yield ratio variability. We find no evidence of a larger interannual variability (i.e. lower yield stability) in organic versus conventional horticulture. Longer-term trials could nonetheless help substantiate this result. Our results support also the needs to conduct new experiments in countries from the Southern Hemisphere and to collect standard data on crop management and environmental characteristics."          Illustration: "Vegetable production, here in West Africa, is often associated with the use of high levels of pesticides. The development of organic food chains remains an important challenge in periurban areas and can also be beneficial for farmers’ health. Abidjan, Côte d’Ivoire. Photo Eric Malézieux"

Présentations à des conférences

> Lungarska A., Narayanappa D., Prudhomme R., Chakir R.,  Brunelle T., Jayet P.A., de Noblet-Ducoudré N., Bellora C., Bureau J.C., Leadley P., De Cara S.,  Ciais P (2020):"Halving mineral nitrogen in European agriculture: insights from multi-scale land-use models" presented at the EAAE webinar "The nitrogen planet boundary: how economists could help?", september 2020

>A. Lungarska, R. Chakir et P.-A. Jayet. (2018) “Input taxation at different spatial scales : reducing nitrogen fertilizer use in Europe” 6th World Congress of Environmental and Resource Economists, Gothenburg, Sweden, June.

>Rémi Prudhomme , Thierry Brunelle, Patrice Dumas, Xin Zhang. (2017): 'Legumes production in Europe to mitigate agricultural emissions in a global perspective' Présenté à la conférence de la FAERE (French Association of Environmental and Resource Economists). Résumé: "Reactive nitrogen is an indispensable nutrient for agricultural production, since half of the crop production depends on human nitrogen fertilization, but reactive nitrogen also contributes to climate change through nitrous oxide emissions. Legumes fix nitrogen that can be used by subsequent crops, and emit less nitrous oxide than non legume crops. Ruminants use important areas of land, notably pastures and are associated to emissions of methane through enteric fermentation and methane and nitrous oxide during manure management. Introducing legumes to replace livestock could allow for reductions of Green House Gas (GHG) emissions, although this effect depends on how this introduction modifies livestock and cropland intensification and extensification. We evaluate the impacts of legume introduction in Europe on global agricultural emissions and production using a global agricultural intensification model: the NLU (Nexus Land-Use). We decompose effects of a demand side scenario representing a shift of animal protein to legume protein on GHG emissions taking into account indirect effects and characteristics of legumes. We also decompose effects of this scenario on the calorie price of the representative crop. For a 11.4kg/capita/year legumes introduction scenario, the net effect is an emission decrease of 100 million tCO2eq/year. It also decreases price of crops by % in 2050. The reduction of global demand decreases GHG emissions by 600 million tCO2eq/year. This reduction is partly compensated by an increase of emissions per unit of production, as livestock extensification leads to emission increases of 550 million tCO2eq/year. The importance of the indirect livestock extensification effect is caused by the low efficiency of extensive systems and the exogeneity of forest areas evolutions in the NLU. It emphasises the importance of taking into account indirect effects because of their major role in emission changes."

(une figure de la communication susmentionnée)

>Bayramoglu, R. Chakir, A. Lungarska: 'Land use and freshwater ecosystems in France' presented at the 18th Annual BIOECON Conference, Cambridge, septembre 2016. Conference EcoMod, Lisbonne, juillet 2016. The 23rd Annual Conference of the European Association of Environmental and Resource Economists (EAERE), juin-juillet 2017, Athènes, Grèce. And at the XV EAAE Congress, août 2017, Parme, Italie

Working papers

>Bayramoglu, R. Chakir, A. Lungarska (2018): 'Land use and freshwater ecosystems in France' submitted

>Jayet and Ollier (2018): 'Economic tools aiming at nitrogen use reduction by the European agro-system', working paper

>Lungarska, Chakir and Jayet (2018) : 'Input taxation at different spatial scales: reducing nitrogen fertilizer use in Europe' working paper

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