Capacité de production agricole et stratégies d`adaptation à moyen

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Capacité de production agricole et stratégies d’adaptation
à moyen terme face aux changements globaux en
Méditerranée
Direction de thèse : Dr. D. Ruelland (HSM, ADR), Dr. E. Servat (HSM, HDR).
UMR 5569 HydroSciences
Maison des Sciences de l'Eau
Place Eugène Bataillon - CC 057
F-34095 MONTPELLIER CEDEX 5
Tel : [phone] (dir)
Fax : [phone]
[e-mail]
Financement : recherche bourse CIFRE (2011–2013)
Rattachement universitaire : Ecole Doctorale SIBAGHE de l’Université Montpellier 2
Candidat : Julie Fabre (jm[email protected])
Résumé
Les écosystèmes méditerranéens sont soumis à des pressions anthropiques anciennes, qui se sont
accentuées depuis les années 1960 avec une forte intensification de l’agriculture et un large
développement de l’irrigation, associés à de forts taux de croissance démographique. Cependant la
région méditerranéenne reste largement importatrice de produits agricoles et doit faire face à une
démographie galopante et à des conditions environnementales de plus en plus dégradées. De plus,
la Méditerranée est considérée comme un point focal des changements climatiques, avec une hausse
importante des températures (2,2 à 5,1°C) et une ba isse de précipitations (de 4 à 27%) à l’horizon
2100, qui pourraient avoir des conséquences considérables sur la capacité de production agricole de
cette région.
Le projet de thèse vise à mieux appréhender le fonctionnement et les évolutions d’agro-
hydrosystèmes méditerranéens sous les pressions d'origines climatique et humaine actuelles
et à venir.
Répondre à la question de la capacité de production agricole face aux changements globaux à
l’échelle de la région méditerranéenne est complexe. Plusieurs bassins versants d’étude,
respectivement situés sur les rives nord, sud et est du bassin méditerranéen, sont envisagés pour
représenter une certaine diversité de situations climatiques et socio-économiques : on peut citer, par
exemple, l’Ebre en Espagne, le Cheliff en Algérie et le Gediz en Turquie. Cette liste n’est néanmoins
pas définitive et fixée et peut être adaptée en fonction de l’accès aux données et des attentes
du partenaire de la CIFRE.
Une modélisation agro-hydrologique prenant en compte à la fois la variabilité climatique et
environnementale et les modes de production agricole aujourd’hui et dans le futur, sera mise en
œuvre avec le modèle SWAT, qui permet de simuler les rendements des cultures ainsi que les flux
d’eau dans le sol, les nappes et les rivières. On cherchera à reproduire correctement le
fonctionnement hydrologique et agronomique sur une période de référence, puis à modéliser des
futurs possibles du système sous contrainte de scénarios de changements climatiques et de pratiques
agricoles. Les scénarios d’évolution agricole seront confrontés aux scénarios d’évolution climatique
pour connaître la capacité de production et les impacts environnementaux de l’agriculture, à court
(horizon 2025) et moyen (horizon 2050) terme.
La thèse devrait donc produire une démarche méthodologique rigoureuse pour caractériser et simuler
la capacité de production agricole de bassins méditerranéens. On en attend également un aspect
opérationnel puisqu’elle visera aussi à fournir des éléments concrets quant aux tendances hydro-
climatiques et socio-économiques futures. Enfin, une réflexion devra être menée quant aux stratégies
d’adaptation possibles face aux scénarios climatiques testés, afin de guider les actions locales et la
réflexion régionale à mener quant aux modes et aux types de production agricole.

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1. Contexte et enjeux
La région méditerranéenne est considérée par de nombreux travaux scientifiques (Giannakopoulos et
al., 2005 ; Giorgi, 2006 ; Mariotti et al,. 2008), et en particulier par le 4
e
rapport du GIEC (IPCC, 2007),
comme l’une des régions du monde les plus révélatrices de l’ampleur du défi posé par le changement
climatique. Déjà confrontée à tout un ensemble de crises environnementales, économiques et
sociales, elle devrait connaître dans le courant du 21
ème
siècle des modifications climatiques et
anthropiques importantes se traduisant par une série d’impacts majeurs pour certains secteurs clé de
l’économie de la région. C’est en particulier le cas de l’agriculture, avec une augmentation, en
moyenne, des besoins en eau.
1.1. Pression démographique et mutations agricoles
Les écosystèmes méditerranéens font l’objet d’une exploitation anthropique ancienne et intense. La
région a ainsi subi des modifications significatives de l’usage des terres. Aujourd’hui, la grande
majorité des terres à potentiel agricole est (sur)exploitée. Depuis les années 1960, les politiques
agricoles ont mobilisé des moyens humains et financiers considérables pour promouvoir
l’augmentation de la production agricole par l’extension des surfaces mais surtout par l’intensification
via la modernisation de l’agriculture. Elles se sont souvent basées sur des réformes agraires, et elles
ont pu être associées à d’importants développements hydrauliques. L’hydraulique agricole, ou encore
la mobilisation de l’eau « bleue », devait contribuer à compléter la disponibilité en eau verte, c’est-à-
dire l’eau naturellement présente dans le sol et issue des précipitations, pour stabiliser et augmenter
les rendements. L’objectif était de faire face à l’accroissement de la population et de permettre
d’accéder à l’autonomie alimentaire, considérée comme un gage d’affirmation politique. Cependant,
les registres de justification des politiques de développement de l’irrigation sont multiformes et
évolutifs. Ils ne se limitent pas à des logiques agronomiques et alimentaires : celles-ci peuvent aussi
relever de stratégies d’occupation et d’aménagement du territoire, ou encore être d’ordre commercial,
et ces différentes logiques ne sont pas nécessairement toujours compatibles. À l’échelle
méditerranéenne, cette intensification s’est traduite par une forte augmentation de la surface irriguée.
Cependant, la croissance démographique a pu être largement supérieure aux gains de productivité, et
la mobilisation croissante des ressources pour l’irrigation ne s’est donc pas traduite partout par une
amélioration de la dotation alimentaire par habitant. L’irrigation a aussi pu générer des dommages
environnementaux et sociaux, parfois graves et irréversibles : intrusion d’eaux saumâtres dans les
aquifères côtiers, altération des écosystèmes aquatiques, salinisation ou sodisation des terres, risques
sanitaires : bilharziose, etc. (Fernandez, 2008).
Par ailleurs, les pays du pourtour méditerranéen connaissent aussi une urbanisation croissante dans
les zones littorales. Aujourd’hui, un tiers de la population méditerranéenne vit dans les régions
côtières soit sur 13% de la superficie des pays riverains. Selon le scénario tendanciel du Plan Bleu à
l’horizon 2025, la population des régions côtières pourrait croître de 17 %, atteignant 170 millions
d’habitants dont 130 millions en milieu urbain, avec une croissance essentiellement dans les pays du
Sud et de l’Est de la région. Néanmoins, si les arrière-pays de la frange littorale nord sont l’objet d’un
exode rural, ceux de la frange littorale sud restent très fortement peuplés malgré des flux migratoires
importants vers les zones urbaines.
De nombreux pays méditerranéens sont largement importateurs de produits agricoles et donc,
virtuellement, d’eau : en 2003, la région méditerranéenne comptait ainsi pour 22% des importations
alimentaires mondiales alors qu’elle ne représente que 7% de la population mondiale. Or, un taux
d’importations élevé conduit à des situations de forte dépendance à l’égard des termes économiques
et politiques des échanges mondiaux, avec des impacts économiques à long terme sur les filières
agricoles, notamment parce qu’il contribue à faire baisser les prix sur le marché intérieur. Si le niveau
de ces importations n’est évidemment pas exclusivement lié à des raisons climatiques, la disponibilité
en eau joue cependant, pour ces pays, un rôle significatif et devrait donc contraindre encore plus ces
pays à l’avenir (Fernandez, 2006 ; 2007 ; Paillard et al., 2010).
1.2. Changements climatiques et impact sur la production agricole
En Méditerranée, les changements climatiques devraient être très marqués en termes de température.
C’est aussi une des rares régions du globe où les modèles climatiques convergent et prévoient une
baisse moyenne des précipitations. D’ici 2100, les pays méditerranéens pourraient ainsi connaître une
hausse de températures de 2,2 à 5,1°C et une baisse des précipitations allant de 4 à 27% (IPCC,

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2007). Les régions méditerranéennes qui souffrent déjà d’un stress hydrique important se
retrouveraient alors particulièrement exposées à des réductions de leurs ressources en eau.
La hausse de l’évapotranspiration couplée à la modification du régime des précipitations et des
températures pourrait conduire à une augmentation des besoins en eau de l’agriculture même à
production constante. Ces changements auraient donc aussi des impacts sur la productivité agricole.
Au Maghreb, si l’augmentation de la teneur en CO
2
de l’atmosphère peut augmenter les rendements
de certaines cultures, cet effet est contrecarré par le risque de diminution des disponibilités en eau et
par l’accentuation d’une dynamique déjà engagée d’accroissement des déficits hydriques. Les
cultures pluviales seraient directement affectées et les zones d’irrigation souffriraient également de la
rareté de l’eau. Ces changements projetés sont bien sûr très variables dans l’espace. Néanmoins,
l’augmentation de la fréquence de certains évènements extrêmes à des étapes clés du
développement des cultures (par exemple le stress thermique pendant la période de floraison ou la
pluie lors des semis) ainsi que des intensités plus fortes des précipitations et des périodes sèches
plus longues pourraient réduire la productivité des cultures d’été (Plan Bleu, 2008).
La tendance en Méditerranée apparaît donc comme une impasse, d’un point de vue environnemental,
social et économique. Mettre en place des modes de développement durable pour cette région du
monde demande une meilleure connaissance des facteurs de dégradation, de résilience, de flexibilité
et de réhabilitation de ses agrosystèmes sous l’influence des changements globaux en cours.
2. Objectifs généraux
Dans ce contexte, le projet de thèse vise à mieux appréhender le fonctionnement et les évolutions
d’agrosystèmes méditerranéens sous les pressions d'origines climatique et humaine actuelles et à
venir. La thèse permettra d’étudier par la modélisation les mécanismes biophysiques régissant les
bilans et cycles biogéochimiques et hydrologiques, ainsi que les conséquences de la variabilité
actuelle et de l’évolution du climat et des activités humaines. Elle analysera aussi les pratiques
agricoles ayant un impact sur ces cycles, afin d’appuyer la recherche de modes de gestion innovants
de ces agrosystèmes.
3. Echelle et zones d’études
Même si les pays méditerranéens partagent certaines dominantes climatiques et physiographiques, la
variabilité des milieux et des sociétés humaines est très grande. Les agrosystèmes méditerranéens se
caractérisent donc par une grande diversité des conditions de milieu et d’exploitation des terres. La
diversité se retrouve également au niveau local au sein des bassins versants du pourtour
méditerranéen, avec l’existence fréquente d’un arrière-pays montagneux présentant des conditions
agronomiques contraintes mais producteur de ressources en eau pour les plaines fertiles et
urbanisées des zones littorales. Ces bassins versants présentent donc une grande diversité de sols,
d’écosystèmes, de ressources en eau et de modes d’exploitation allant des zones forestières aux
parcours, aux productions céréalières ou maraîchères. Les différents modes d’exploitation sont eux-
mêmes associés à des organisations sociales variées.
Une telle diversité constitue une richesse pour l’étude de l’évolution des agrosystèmes sous influence
anthropique et climatique car la comparaison de situations différentes peut permettre d’en dégager les
mécanismes génériques à l’échelle des différentes rives de la Méditerranée. Elle peut toutefois aussi
être un handicap si les travaux spécifiques entrepris pour chaque type d’agrosystèmes ne parviennent
pas à dépasser l’étude de cas. Dans ce contexte, la généricité escomptée des travaux nécessite une
démarche adaptée.
Répondre à la question de la capacité de production agricole face aux changements globaux à
l’échelle de la région méditerranéenne est complexe. La prise compte de tous les systèmes de
productions, ainsi que des évolutions économiques mondiales qui pourraient influer sur les
productions locales, dépasse largement le cadre d’une seule thèse. Par ailleurs, la complexité des
processus en jeu (variabilité climatique et environnementale, pratiques agricoles et usages de l’eau)
nécessite de circonscrire l’étude à des unités géographiques de taille intermédiaire (1 000–5 000
km²).
On propose donc de procéder à des études de cas sur des territoires variés de la région
méditerranéenne, de manière à représenter une certaine diversité de situations climatiques et socio-

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économiques. L’objet d’étude étant les agrosystèmes et les hydrosystèmes, l’unité territoriale retenue
est le bassin versant. Plusieurs bassins versant d’étude peuvent être envisagés en fonction de
l’accès aux données et des attentes du financeur de la bourse CIFRE.
4. Méthodologie proposée
Sur le(s) site(s) retenu(s), il s’agira de mettre en œuvre une modélisation agro-hydrologique
intégratrice qui prenne en compte à la fois (i) la variabilité climatique et environnementale
(topographie, type de sols…), et (ii) les modes de production agricole (cultures, pratiques agricoles
associées…) aujourd’hui et dans le futur. On cherchera à reproduire correctement le fonctionnement
hydrologique et agronomique sur une période de référence, puis à modéliser des futurs possibles du
système sous contrainte de scénarios de changements climatiques et de pratiques agricoles.
L’évaluation de la capacité de production agricole à court et moyen terme sur chaque bassin étudié se
basera sur la simulation des rendements et des flux d’eau.
4.1. Modélisation agro-hydrologique
Le modèle utilisé doit permettre d’étudier les pressions climatiques sur les rendements sous différents
scénarios de production agricole. Les agrosystèmes et les hydrosystèmes étant étroitement liés, on
cherche à représenter non seulement les rendements des cultures en place, mais également les flux
d’eau dans le bassin versant afin de saisir les interactions entre agrosystèmes et milieu.
Le modèle choisi est le modèle SWAT (Arnold et al., 1998) qui a été développé par le Ministère
américain de l’agriculture (USDA). Ce modèle a été conçu pour être appliqué à des bassins de
plusieurs centaines à plusieurs milliers de km². Ce modèle est semi-distribué : certains paramètres
sont distribués (sols, cultures, climat…) tandis que d’autres sont considérés de façon globale à
l’échelle du bassin versant (Figure 2). SWAT permet de représenter finement les relations sols-
végétation-atmosphère et a été utilisé dans de nombreuses études sur la simulation des débits (e.g.
Schuol et al., 2008 ; Laurent & Ruelland, 2010) et des transferts de polluants d’origine diffuse (e.g.
Conan et al., 2003 ; Ruelland et al., 2004 ; Bracmort et al., 2006 ; Laurent et al., 2007). Il permet
d’estimer les rendements des cultures ainsi que les flux d’eau, de nutriments, de pesticides et de
sédiments dans le sol, les nappes et les rivières.
Ces flux sont utilisés pour le calage et la validation du modèle en comparaison avec des mesures
ponctuelles. L’unité spatiale de base aux calculs de SWAT est la HRU (Hydrologic Response Unit).
Elle constitue le résultat de la combinaison d’un type de sol, d’une classe d’occupation du sol et d’un
sous bassin versant. Dans chaque HRU, les volumes représentés sont le sol, l’aquifère peu profond et
l’aquifère profond. Le modèle SWAT suppose que chaque HRU présente un comportement agro-
hydrologique homogène. Les transferts estimés pour chaque HRU sont alors sommés par sous-bassin
de manière à obtenir un transfert global transmis entre les sous-bassins.
L’accès aux variables et paramètres est facilité par le couplage avec un SIG. Le modèle permet le
suivi des écoulements et des stockages à chaque étape du cycle hydrologique. Il permet ainsi
d’analyser à la fois l’impact de pratiques agricoles sur les ressources en eau et les facteurs
déterminant les transferts à différentes échelles (Tripathi et al., 2003). Certaines variables calculées
par le modèle comme les rendements ou les émissions de polluants peuvent être spatialisés par HRU.
Plusieurs données d’entrée sont donc spatialisées (Figure 1) : les cultures (voire successions
culturales), la topographie, la météorologie, les sols, les barrages-réservoirs, les rejets ponctuels et les
prélèvements d’eau. Le modèle combine à ces données spatialisées des données de paramètres
descriptifs qui peuvent être adaptés aux conditions locales si nécessaire. Ainsi, la base de données
pour les cultures fournit des informations détaillées sur des paramètres agronomiques tels que les
températures de base à la croissance, les degrés-jours pour atteindre la maturité de la plante, la
profondeur d’enracinement, le taux de matière sèche, la part récoltée, etc. La base de données pour
les sols contient des estimations relatives à la texture, la profondeur ainsi qu’à des propriétés
hydrologiques comme la conductivité hydraulique, la porosité, la capacité en eau, etc. Les pratiques
agricoles associées aux cultures et aux prairies prennent en compte les dates de semis et de récolte,
les modes de pâturage, les apports en fertilisants, le travail du sol, le maintien des résidus après
récolte. Le modèle permet enfin de prendre en compte les pratiques agricoles à travers une
description détaillée des opérations de fertilisation, de labour, d’irrigation et de drainage.

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SWAT a été mis en œuvre avec succès sur de nombreux bassins dans le monde (voir e.g. Srinivasan
et al., 1998; Santhi et al., 2001; Vaché et al., 2002) et sa validité a été testée sur des bassins de
différentes tailles et dans des contextes hydro-climatiques et géologiques variés.
Fig. 1. Schéma de mise en œuvre du modèle SWAT (basé sur Ruelland, 2009).
4.2. Calage et validation du modèle sur une période de référence
Il s’agira dans un premier temps de mettre en œuvre le modèle sur les trois bassins méditerranéens
retenus en (i) rassemblant les données nécessaires aux simulations et (ii) en calant/validant le modèle
sur de longues périodes de temps (20-30 ans) de façon à s’assurer de sa robustesse en vue des
simulations prospectives.
Sur chaque bassin, les données hydro-climatiques (précipitations, températures, débits, niveaux
piézométriques…) sur des longues périodes de temps seront rassemblées et structurées. Des cartes
d’occupation du sol détaillées (incluant les types de cultures) seront mobilisées. Le cas échéant, des
techniques de télédétection pourront être mises en œuvre pour acquérir ces cartes (voir e.g. Ruelland
et al., 2004 ; Laurent & Ruelland, in revision). De la même manière des cartes de sol et les
caractéristiques associées devront être disponibles. Enfin, une description détaillée des pratiques
agricoles de chaque secteur (calendrier agricole, rendements annuels des cultures, modes de
fertilisation et d’irrigation…) sera réalisée à partir d’enquêtes auprès des acteurs locaux et de dires
d’expert.
A partir de ces données, le modèle sera alors calé. SWAT représente de manière physique les
processus dans le sol mais la dynamique des écoulements superficiels et souterrains s’appuie sur une
représentation conceptuelle. Dès lors, les paramètres qui pourront être observés ou qui reposent sur
des lois physiques seront adaptés à chaque secteur d’étude et fixés (profondeur des horizons,
conductivité hydraulique, contenu en matière organique pour les sols ; températures de croissance,
taille maximale de la canopée pour les cultures ; fraction minérale et organique dans les
fertilisations…). Les paramètres empiriques seront calés pour faire correspondre au mieux les
simulations avec les observations. Le calage portera principalement sur les flux d’eau dans les nappes
et les rivières en se basant sur les 17 paramètres empiriques du modèle. Le calage visera à optimiser
des fonctions objectif (coefficient de Nash-Sutcliffe, Root Mean Square Error, biais, erreur de pic de
crue) en confrontation avec les débits et niveaux piezométriques observés en différents points
expérimentaux. Le cas échant, la simulation de barrages-réservoir sera introduite. On cherchera
surtout à reproduire au mieux les rendements annuels de chaque type de culture.
La validation consistera à appliquer les paramètres de calage sur une autre période de manière à
tester la robustesse du modèle à des conditions climatiques variées. Pour ce faire, les simulations
seront réalisées sur de longues périodes de temps (20-30 ans).