I. Introduction - Systèmes fourragers et climat

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Analyse du changement climatique récent sur
l’arc péri-méditerranéen et conséquences sur
la production fourragère.
François Lelièvre, Sylvain Satger, Stéphan Sala et Florence Volaire
INRA, UMR 1230 SYSTEM, 2 Place Viala 34060 Montpellier
I. Introduction
Dans les régions tempérées au contact de la zone méditerranéenne (entre les axes
Avignon-Carcassonne et Toulouse-Lyon), une fréquence anormale de sécheresses est
observée sur la décennie 2000-09 : trois ont été très sévères et classées calamités agricoles
(2003, 2005, 2006), et deux autres sévères (2004, 2009). Toutes se sont traduites par
d’importantes pénuries d’herbe en été et en automne, nécessitant des importations massives
de fourrages à coûts élevés pour les éleveurs, l’état et certaines collectivités. La répétition du
problème a conduit trois Régions (Rhône-Alpes, Languedoc-Roussillon, Midi-Pyrénées),
l’INRA et le CEMAGREF à mettre en place le projet CLIMFOUREL (www.climfourel.fr). Ce
projet de recherche est conduit en partenariat entre chercheurs zootechniciens et
agronomes et les services techniques de l’Institut de l’Elevage et de 8 chambres
d’agriculture de l’arc péri-méditerranéen. Son premier objectif, dont il est rendu compte ici, a
été d’analyser la situation climatique, pour tester si le rapprochement des sécheresses et
l’impact sur la production fourragère est déjà un effet très perceptible du changement global.
A partir de cet éclairage, il s’agira d’éclairer sur le caractère conjoncturel ou structurel des
difficultés rencontrées et de proposer des adaptations aux systèmes d’alimentation animale.
La tendance de réchauffement moyen normalisée pour le siècle donnée pour le siècle
(1906-2005) et pour le globe par le GIEC (2007) est de +0,74 [0,56-0,92]°C, ce qui paraît
encore modéré Mais c’est une moyenne de mesures sur les océans qui se réchauffent moins
vite et sur les continents qui se réchauffent plus vite. La moyenne en France métropolitaine
sur le 20ème siècle est de 1°C (Moisselin et al., 2002). Mais en France comme à l’échelle
mondiale, l’évolution n’a pas été uniforme depuis un siècle. On distingue trois phases : (i) un
réchauffement lent de 1900 à 1945; (ii) une quasi stabilité ou un très léger refroidissement de
1945 à 1979 ; (iii) un réchauffement rapide qui commence en 1980. Les tendances
d’évolution de la température moyenne française sur ces trois périodes sont d’environ
+0,5°C sur la première, entre 0 et -0,2°C sur la seconde, et environ +1,5 °C sur la troisième
malgré sa brièveté. Le réchauffement avançant le temps thermique végétal (somme des
degrés-jours) par rapport au calendrier julien, une plus grande précocité des stades de
développement (épiaison, floraison, maturité) est observée chez la plupart des plantes
cultivées ou spontanées. Les couverts accumulant des structures et des réserves carbonées
entre deux hivers consécutifs (forêts, prairies, betterave) sont actifs plus tôt au printemps et
plus tard à l’automne. Ils ont un temps thermique de croissance plus important et leur
production de biomasse augmente si l’alimentation hydrique reste optimale.
La pluviométrie, annelle ou estivale n’a pas significativement changé en France
depuis un siècle ou sur les 30 dernières années (Moisselin et al., 2002). Ce serait donc
l’accroissement de l’évapotranspiration potentielle (ETP) qui tendrait à creuser le déficit
hydrique estival, augmentant la fréquence et la sévérité des sécheresses.
Enfin, la teneur de l’atmosphère en CO2 a augmenté depuis un siècle de plus de 100
ppm, passant de 280 à 385 ppm. Sur la période 1980-2008, la teneur est passée de 335
ppm à 385 ppm (référence Mauna Loa, NOAA), soit +18 ppm/décennie. L’effet sur la
croissance des plantes prairiales est positif, avec de grandes variations selon les espèces,
les conditions de culture et les rythmes d’exploitation (Picon-Cochard et al., 2004). En
moyenne, le gain de biomasse produite est de +0,6% pour +10 ppm de CO2 pour les
graminées en C3 et de +1% pour les légumineuses (Tubiello et al. 2007). Pour une prairie à
dominante de graminées, l’effet moyen est voisin de +3.5% pour +50 ppm 1980-2008.

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II. Matériel et méthodes
1. Postes météorologiques et données climatiques directes
Pour faire une analyse fine des variations climatiques et utiliser le modèle de
croissance et de production fourragère STICS-herbe (Brisson et al., 1998 ; Ruget et al.,
2009) sept variables sontt nécessaires au pas de temps journalier : températures minimale
et maximale, précipitation, ETP, rayonnement global, vitesse du vent, et humidité de l’air.
Les éventuelles tendances au changement des paramètres climatiques étant supposées
encore peu perceptibles, on ne pouvait les analyser que sur des postes climatiques
disposant de séries d’enregistrements hautement fiables et continues sur au moins 30 ans. Il
ne doit y avoir aucun risque de discontinuité dans les séries, ni risque de biais
méthodologique dû à des changements d’observateurs, de techniques de mesure ou autres.
La densité des stations climatiques des réseaux Météo-France (MF) et INRA-AgroClim (AG)
répondant à ces exigences est faible (0 à 3 par département). Il n’y en a pas dans les
départements accidentés tels que la Lozère et l’Ardèche. Deux lignes ont été choisies :
- (i) une ligne « plaines » : Lyon-Bron-MF, Valence-AG, Montélimar-MF, Avignon-AG,
Montpellier-Mauguio-MF, Carcassonne-MF, Toulouse-MF, et Albi-MF ;
- (ii) une ligne « plateaux » (alt. 600-700 m) : Millau-Larzac-MF, Mende-MF, et Colombier-le-
Jeune-MF (Ardèche centrale). Dans cette série, seule la station Millau-Larzac remplit tous
nos critères. Mende et Colombier, ayant des séries de données incomplètes sur la durée
visée, n’apparaissent pas dans tous les résultats.
Nous avons traité la période 1980-2008 en valeurs annuelles, mensuelles et par
périodes de 4 mois telles que définies ci-dessous (JFMA, MJJA, SOND), sur les données
directes suivantes : températures, précipitations et ETP. Ces variables sont étudiées en
testant l’existence d’une régression linéaire significative avec les années. Nous avons aussi
utilisé les valeurs moyennes mensuelles et annuelles 1950-79 chaque fois qu’elles
existaient, comme référence du climat avant l’accélération du changement climatique. La
moyenne 1950-79 est l’espérance e(y) des températures, pluviométries et ETP de chaque
année, 1979 inclus. Les régressions calculées sans contrainte à l’origine pour 29 ans [1980,
2008] sont dites ‘tendances réelles’ ; elles sont recalculées sur 30 ans [1979-2008] en
imposant le passage par l’origine [1979 ; moyenne 1950-79]. Cette ‘tendance corrigée’
[1979-2008] est ainsi en continuité avec la tendance 1950-79 (droite horizontale). Toutes les
tendances en fonction du temps sont exprimées par décennie (par 10 ans).
Puisque le climat change très significativement depuis 1980, le climat actuel (2008 ou
2009) ne peut plus être caractérisé par les moyennes m(y) de grandeurs climatiques y
calculées sur 20 ou 30 ans on le caractérise par l’espérance e(y) donnée par le modèle
d’ajustement (valeur la plus probable de y).
2. Données calculées et modèles de production fourragère
2.1. Périodes et effets des variations climatiques
L’année est divisée en 3 périodes :
(a) Période 1 (1er janvier-30 avril) : la croissance possible se joue surtout en mars-avril, en
situation toujours hydriquement favorable; elle dépend surtout des températures, très
variables à cette saison. La production de la période représente 15 à 25% d’une prairie
irriguée de la zone d’étude. Les effets attendus du changement climatique sont positifs
(augmentation des températures et du CO2).
(b) Période 2 (1er mai-31 août) : dans nos régions, les températures de croissance sont
optimales ou très favorables, mais le déficit climatique en eau est systématiquement négatif
(ETP-P<0) sur chacun des mois pratiquement tous les ans, mais avec de très grandes
variations interannuelles de l’importance du déficit cumulé sur 4 mois. Sous irrigation, la
production de biomasse fourragère de la période représente 60 à 65 % du total annuel. En
sec, à conditions de végétal, sol et techniques fixées, les variations interannuelles de
production sont considérables, proportionnelles au ratio d’évapotranspiration réel/potentiel.

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Les grandeurs P-ETP et P/ETP sur ces quatre mois permettent de classer le climat d’un lieu
ou d’une année. Le principal effet attendu du changement climatique sur la production de
biomasse est une baisse de production par creusement du déficit hydrique.
(c) Période 3 (1er septembre-31 décembre) : la croissance possible se joue surtout en
septembre-octobre. Elle représente 15-30% de la biomasse annuelle d’une prairie irriguée
de la zone. En sec, elle est très variable, encore plus que l’été car les profils hydriques sont
asséchés fin août et la croissance d’automne dépend directement de la pluviométrie de fin
août à mi-octobre. L’effet attendu du changement climatique est composite : effet négatif par
augmentation du déficit hydrique dans la continuité de l’été ; effet positif par augmentation
des températures, comme au printemps, et plus secondairement du CO2.
Les trois effets attendus (déficit hydrique, températures, et CO2) ont été analysés
d’une part avec des modèles simples utilisables sous simple tableur, d’autre part avec le
modèle de culture STICS-prairie. Pour l’analyse des variations climatiques sur de longues
périodes (29 ans ici), la modélisation permet de fixer les conditions de sol, de couvert et de
techniques et d’analyser les seuls effets des variations climatiques.
2.2. Modélisation simplifiée de la production estivale (1 mai-31 août) en
fonction de l’alimentation hydrique :
Le rendement R en biomasse des espèces fourragères en croissance est exprimé en
rapport au rendement de la même parcelle idéalement irriguée (Rm). A titre indicatif, dans la
région d’étude, Rm se situe entre 5 et 7 tMS/ha en 2 à 4 pâtures, selon la richesse du milieu
et la conduite. Le taux de réduction du rendement par la contrainte hydrique R/Rm sur la
période dépend du ratio d’évapotranspiration réelle/potentielle (ETR/ETP) ou indice de
satisfaction des besoins en eau comme suit (Lelièvre, 1999) :
- Quand ETR/ETP < 0.2 (soit environ P/ETP < 0.1) sur l’ensemble de la période de 4
mois, l’eau disponible et évapo-transpirée ne sert qu’à la survie des plantes, il n’y a pas de
croissance significative : R/Rm = 0
- Quand ETR = ETP (soit environ quand P/ETP > 0.9), les besoins en eau du couvert
sont satisfaits à l’optimum : R/Rm =1
- Quand 0.2 < ETR/ETP < 1 (soit environ 0.1 < P/ETP < 0.9), le rapport R/Rm croît
linéairement de 0 à 1 lorsque ETR/ETP croît de 0.2 à 1, selon la relation :
R/Rm = 1.25(ETR/ETP)-0.25 (1)
où ETR est estimée par : ETR = P-ru avec une valeur moyenne ru = -65 mm, P étant la
pluviométrie cumulée mai-août et ru la variation de réserve hydrique du sol entre le 1er mai
et le 31 août. L’expression de ETR est obtenue par un bilan hydrique entre le 1er mai et le 31
août où les pertes par ruissellement et par drainage sont négligées, cas très général dans
cette région vu les pluies réduites et l’évapotranspiration élevée à la période. En général, la
réserve d’eau dans le sol est élevée au 1er mai, basse fin août, et ru réellement utilisé pour
la croissance varie entre 0 et -100 mm selon les années, les lieux et les sols. Si avril est très
humide, août très sec et le sol très profond, ru réel peut atteindre -100 mm. Inversement, si
avril est très sec et fin août pluvieux, ru réel peut avoir des valeurs voisines de 0 mm. La
valeur moyenne -65 mm a été déduite d’une série de simulations avec STICS-herbe.
L’expression (1) devient :
R/Rm = 1.25((P+65)/ETP)-0.25 (2)
En simplifiant (ru = -65 mm), compte tenu des valeurs d’ETP de la période (500 à
700 mm), on introduit une erreur maximale de 0,1 sur le ratio ETR/ETP. Cette simplification
est acceptable dans notre contexte. Elle permet une analyse très simplifiée de l’impact
hydrique sur la production estivale des prairies, à partir des valeurs de P et ETP mensuelles.
La variation relative de R/Rm de 1980 à 2008 traduit l’effet moyen de la contrainte hydrique
en 29 ans. Les ratios R/Rm obtenus par cette voie sont correctement corrélés aux mêmes
ratios obtenus avec le modèle STICS-herbe avec des coefficients de corrélation de 0,8 à 0,9
selon les lieux ; l’écart entre les deux ratios R/Rm est inférieur ou égal à 0,20 dans 91% des
cas.

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2.3. Modélisation simplifiée de la production automnale en fonction de
l’alimentation hydrique (1 sept-31 décembre)
La réserve hydrique des sols disponible pour la croissance étant généralement
épuisée à la mi-août, la croissance d’automne se joue directement sur la pluviométrie du 20
août au 10 octobre (Pa). Le meilleur estimateur du ratio ETR/ETP de la période automnale
est le ratio Pa/ETPa établi du 20 août au 10 octobre. Les pluies antérieures au 20 août sont
consommées avant le 1er septembre et ne sont pas utiles pour la croissance d’automne ; les
pluies après le 10 octobre arrivent trop tard pour provoquer une production significative avant
la période froide. Le taux de réduction du rendement d’automne par rapport à l’irrigué (R/Rm)
est calculé avec l’équation (1) ci-dessus où Pa/ETPa remplace ETR/ETP. La variation relative
de R/Rm de 1980 à 2008 traduit là aussi l’effet moyen de la contrainte hydrique en 29 ans.
Les ratios obtenus par cette voie sont corrélés aux mêmes ratios obtenus avec le modèle
STICS-herbe avec des coefficients de corrélation de 0,7 à 0,9 selon les lieux.
2.4. Modélisation simplifiée des effets des changements de températures
et de la concentration en CO2
Les effets des températures au printemps sur la précocité des stades végétatifs et sur
la production de biomasse au printemps ont été modélisés à partir de calculs de sommes de
degrés-jours cumulés du 1er février au 30 avril en base 0°C et en base 5°C. On fait de même
du 1er septembre au 30 novembre pour estimer les variations de production d’automne. Les
effets sont appliqués au rendement des deux périodes après calcul de l’effet sécheresse.
Puis l’effet CO2 est calculé uniformément par +3.5% pour 30 ans.
2.5. Modélisation globale avec STICS-herbe
Le modèle de cultures STICS est très utilisé en France (Brisson et al., 1998 ;
http://www.avignon.inra.fr/stics/accueil/accueil.php). Il a été adapté (version STICS-herbe)
pour simuler la croissance et le rendement en biomasse sèche des prairies sous climat
tempéré (Ruget et al., 2006). Avec un paramétrage adéquat, il calcule jour par jour la
croissance de l’herbe à partir de sept variables météorologiques journalières. Il est utilisé
dans diverses applications, notamment pour le suivi en temps réel de la situation fourragère
nationale selon le système ISOP (http://www.agreste.agriculture.gouv.fr).
Ce modèle simule les variations de production d’un couvert de graminées standard.
Mais il a plusieurs limites importantes : il ne différencie pas les types de variétés et il n’est
pas validé pour les régions méditerranéennes. Il ne traduit pas l’impact des fortes
sécheresses de type méditerranéennes pouvant entraîner la mortalité partielle ou totale du
couvert, avec des degrés de récupération ultérieurs variables. On doit donc être prudent
pour évaluer les impacts du changement climatique dans le futur dans le Grand Sud français
puisque les conditions y seront beaucoup plus chaudes et plus sèches qu’aujourd’hui. Une
version du modèle intégrant ces fonctionnalités est en préparation mais n’était pas encore
validée pendant cette étude (Satger et al., 2008 ; Ruget et al., 2009).
Nous avons cependant réalisé des simulations sur les 29 ans et tous les sites, dans
le cas de sols moyennement profonds, bien exploités par les racines sur 70-80 cm, avec des
réserves utiles de 80 à 120 mm, et une prairie standard de type prairie temporaire semi-
intensive de graminées tempérées (mélange de ray-grass, fétuque élevée, dactyle, variétés
tempérées). Les niveaux d’azote d’origine organique et minéral permettent une production
moyenne annuelle d’environ 11-12 tMS/ha/an en régime hydrique optimal. Pour minimiser
les inconvénients décrits ci-dessus, le modèle est utilisé en comparatif. Ainsi, pour estimer
l’effet hydrique, pour chaque année et chaque lieu, on a procédé à un double calcul : (i)
simulation I avec un régime pluviométrique optimal (dit « irrigué ») compensant l’ETP afin
d’obtenir le rendement Rm « irrigué » ; (ii) simulation S avec le régime hydrique réel dit « en
sec ». Les régimes de fauche n’étant pas les mêmes en irrigué et en sec, les rendements
par période ne sont pas établis en sommant les fauches mais les croissances journalières de
chaque période. Les résultats interannuels sont exprimés en ratios R/Rm (rendement simulé
avec le climat réel de l’année/rendement de la même prairie bien alimentée en eau) ou en
rendements réels par période. Une approche similaire a été faite pour le CO2 (335-385 ppm).

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III.Résultats
1. Evolution des températures annuelles et mensuelles
La température moyenne annuelle 1980-2008 a évolué de façon parallèle entre les
11 stations (fig 1). Toutes les stations évoluent selon une tendance linéaire significativement
croissante, les pentes étant très voisines et les fluctuations maximales de 1°C autour de
chaque droite de tendance. Les équations des droites de tendance sont données dans le
tableau 1, les pentes étant exprimées en °C/décennie. Il y a une remarquable homogénéité
d’ensemble avec un réchauffement moyen voisin de +0,5°C/décennie. Il n’y a pas de
différence nette entre stations de plaine et de moyenne montagne, mais Lyon semble se
réchauffer plus rapidement (+0,67°C/décennie, +2°C depuis 1980), surtout en été.
L’analyse par mois (résultats non présentés) montre que sur toutes les stations
l’augmentation de température a été plus importante en été (+0,7 à +0,8°C/décennie de mai
à août en moyenne régionale) et moins importante de novembre à janvier (+0,3°C/décennie).
L’accroissement moyen régional pour la période mai-juillet est de +2.3°C en 30 ans. Toutes
les stations de la ligne plaine ont une espérance de température moyenne mai-août 2008
supérieures à Montpellier 1980 ce qui correspond à un déplacement des lignes isothermes
d’environ 300 km pendant l’été. Le nombre de jours supérieurs à 30°C (non présenté)
augmente partout, plus fortement à Lyon qui a rejoint le niveau de Montpellier.
2. Variations et tendances de la pluviométrie
Les données de pluviométrie 1980-2008 font ressortir une forte variabilité inter-
annuelle mais aucune tendance évolutive ne se dégage. Il en est de même sur 59 ans pour
les 8 stations où on dispose des données 1950-2008. Le résultat est le même quand on
analyse séparément les variations interannuelles des trois périodes de l’année décrites
précédemment, en particulier pour le cumul des précipitations de la période sèche (fig 2). En
pluviométrie, la moyenne depuis 30 ou 60 ans caractérise encore le climat moyen actuel.
3. Variations et tendances de l’évapotranspiration (ETP)
Sur dix stations étudiées, huit sont en ETP Penmann-Monteith et deux (Valence,
Avignon) en ETP Penmann. La seconde méthode donne des cumuls annuels légèrement
inférieurs, mais les variations peuvent être comparées entre les dix sites. L’ETP augmente
de manière hautement significative partout (fig 3 ; tableau 2). La moyenne annuelle régionale
a augmenté de +68 mm/décennie soit +200 mm en 30 ans, dont 2/3 concernent la période
mai-août (+ 44 mm/décennie de moyenne régionale). Bien qu’on manque de longues séries
d’ETP sur les plateaux du sud du Massif Central, il semble que l’augmentation d’ETP y soit
moindre (environ 40 mm/décennie), mais concentrée exclusivement sur la période estivale.
En plaine, l’accroissement annuel se répartit en 2/3 en été et 1/3 sur les mois intermédiaires
(mars-avril et septembre-octobre). Les tendances les plus élevées sont observées à Albi,
Toulouse, Montpellier, Avignon, et Lyon, sites où l’ETP annuelle a augmenté de +75 à +95
mm/décennie, dont 50 à 60 mm/décennie pour les 4 mois d’été. Toutes les stations ont une
espérance e(ETP) estivale en 2008 égale ou supérieure à celle de Montpellier-1980.
4. Caractérisation du climat par le déficit hydrique de mai à août,
quantitatif (ETP-P) et relatif (P/ETP)
Les deux critères synthétiques ETP-P et P/ETP établis pour la saison sèche et
chaude traduisent le niveau de contrainte hydrique sur la végétation pour cette période
représentant 60-65% du potentiel de production annuelle permis par le rayonnement et les
températures. Avec les années, le déficit climatique moyen (ETP-P) tend à augmenter et le
ratio P/ETP à diminuer, ce qui traduit l’augmentation de l’aridité. Sur la plupart des stations,
ces tendances en fonction des années ne sont pas encore statistiquement significatives à
cause de la très grande variabilité interannuelle des deux critères (addition des variabilités
de P et d’ETP) et du nombre de données limitées à 29 années. Nous avons étudié les deux
grandeurs en remplaçant P et ETP par leur espérance : e(P) est constante et égale à la