Modélisation avec STICS des systèmes de culture avec

Produits Résiduaires Organiques : limites du modèle de

décomposition de la matière organique et perspectives

Florent Levavasseur1, Sabine Houot1, Bruno Mary2

1UMR INRA AgroParisTech ECOSYS, Université Paris Saclay, 788850 Thiverval-Grignon2UR INRA AgroImpact, 02000 Barenton Bugny

Séminaire STICS

17-19 octobre 2017

Introduction

Plan de l'exposé

1 IntroductionContexteObjectif

2 Site d'étude

3 QualiAgro avec STICS � standard �MéthodesRésultats

4 Modi�cation de STICS-résidusMéthodesRésultats

5 Conclusion et perspectives

Levavasseur et al. Séminaire STICS 17-19 octobre 2017 2 / 19

Introduction

Plan de l'exposé

1 IntroductionContexteObjectif

2 Site d'étude

3 QualiAgro avec STICS � standard �MéthodesRésultats

4 Modi�cation de STICS-résidusMéthodesRésultats

5 Conclusion et perspectives

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Introduction Contexte

E�ets des PRO (Houot et al., 2014)

Produits Résiduaires Organisues (PRO) : e�uents d'élevage, compostsurbains, digestats...

E�ets fertilisants et amendants des PRO

Impacts négatifs : contaminants, volatilisation de NH3 ...

Sous contrôle de di�érents facteurs (sols, climat, système de culture...)

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Introduction Contexte

E�ets des PRO (Houot et al., 2014)

Produits Résiduaires Organisues (PRO) : e�uents d'élevage, compostsurbains, digestats...

E�ets fertilisants et amendants des PRO

Impacts négatifs : contaminants, volatilisation de NH3 ...

Sous contrôle de di�érents facteurs (sols, climat, système de culture...)

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Introduction Contexte

E�ets des PRO (Houot et al., 2014)

Produits Résiduaires Organisues (PRO) : e�uents d'élevage, compostsurbains, digestats...

E�ets fertilisants et amendants des PRO

Impacts négatifs : contaminants, volatilisation de NH3 ...

Sous contrôle de di�érents facteurs (sols, climat, système de culture...)

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Introduction Contexte

E�ets des PRO (Houot et al., 2014)

Produits Résiduaires Organisues (PRO) : e�uents d'élevage, compostsurbains, digestats...

E�ets fertilisants et amendants des PRO

Impacts négatifs : contaminants, volatilisation de NH3 ...

Sous contrôle de di�érents facteurs (sols, climat, système de culture...)

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Introduction Objectif

Objectif du travail

Objectif �nalisé : optimiser la gestion des PRO à l'échelle territorialepour maximiser les services rendus (fourniture N, stockage C...) etlimiter les impacts

Nécessite d'évaluer la pratique, dans di�érents systèmes de cultures,sols, climats :

Essais au champ indispensables mais insu�santsIntérêt complémentaire de la modélisation (extrapolation, variables nonsuivies au champ...)Nécessaire de véri�er au préalable la capacité de ces modèles à biensimuler les essais au champ

Objectif du travail : analyser la capacité du modèle STICS (Brisson

et al., 2003) à simuler les dynamiques observées de di�érentes

variables agronomiques et environnementales suivies sur le site

expérimental de longue durée QualiAgro.

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Introduction Objectif

Objectif du travail

Objectif �nalisé : optimiser la gestion des PRO à l'échelle territorialepour maximiser les services rendus (fourniture N, stockage C...) etlimiter les impacts

Nécessite d'évaluer la pratique, dans di�érents systèmes de cultures,sols, climats :

Essais au champ indispensables mais insu�santsIntérêt complémentaire de la modélisation (extrapolation, variables nonsuivies au champ...)Nécessaire de véri�er au préalable la capacité de ces modèles à biensimuler les essais au champ

Objectif du travail : analyser la capacité du modèle STICS (Brisson

et al., 2003) à simuler les dynamiques observées de di�érentes

variables agronomiques et environnementales suivies sur le site

expérimental de longue durée QualiAgro.

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Introduction Objectif

Objectif du travail

Objectif �nalisé : optimiser la gestion des PRO à l'échelle territorialepour maximiser les services rendus (fourniture N, stockage C...) etlimiter les impacts

Nécessite d'évaluer la pratique, dans di�érents systèmes de cultures,sols, climats :

Essais au champ indispensables mais insu�santsIntérêt complémentaire de la modélisation (extrapolation, variables nonsuivies au champ...)Nécessaire de véri�er au préalable la capacité de ces modèles à biensimuler les essais au champ

Objectif du travail : analyser la capacité du modèle STICS (Brisson

et al., 2003) à simuler les dynamiques observées de di�érentes

variables agronomiques et environnementales suivies sur le site

expérimental de longue durée QualiAgro.

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Site d'étude

Plan de l'exposé

1 IntroductionContexteObjectif

2 Site d'étude

3 QualiAgro avec STICS � standard �MéthodesRésultats

4 Modi�cation de STICS-résidusMéthodesRésultats

5 Conclusion et perspectives

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Site d'étude

Essai longue durée QualiAgro, 1998-2013

Parcelle située dans les Yvelines sur sols limoneux profonds décarbonatés

Rotation maïs-blé (sans CIPAN), labour, pailles exportées

Deux sous-essais, complémentation azotée optimale (N+) ou minimale (N-)

Épandage tous les deux ans de di�érents PRO, à 4 t C / ha :

Compost boues d'épurations et déchets verts (DVB N+,DVB N-),Composts biodéchets et déchets verts (BIO N+,BIO N-),Compost ordures ménagères (OMR N+,OMR N-),Fumier Bovin (FUM N+,FUM N-)Témoin sans PRO (TEM N+,TEM N-)

4 répétitions par traitement

Suivi du sol, des PRO épandus, descultures, des eaux drainées et desémissions gazeuses

Changement de système de culture en2014Levavasseur et al. Séminaire STICS 17-19 octobre 2017 6 / 19

Site d'étude

Les PRO épandus

Des apports de C équivalents entre PRO mais de nature di�érentes

Des �ux correspondants d'apports en N très variés

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Site d'étude

Les PRO épandus

Des apports de C équivalents entre PRO mais de nature di�érentes

Des �ux correspondants d'apports en N très variés

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QualiAgro avec STICS � standard �

Plan de l'exposé

1 IntroductionContexteObjectif

2 Site d'étude

3 QualiAgro avec STICS � standard �MéthodesRésultats

4 Modi�cation de STICS-résidusMéthodesRésultats

5 Conclusion et perspectives

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QualiAgro avec STICS � standard � Méthodes

Les PRO dans STICS

Sous-modèle STICS résidus (Nicolardot et al., 2001)

Développé initialement pour les résidus de culture

2 paramètres de vitesse (k , λ) et 2 taux d'incorporation (Y , h)

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QualiAgro avec STICS � standard � Méthodes

Démarche de modélisation

Simulation continue des 10 traitements de l'essai QualiAgro

Variable de contrôle :

Plante : rendement, azote absorbé plante/grain/résidus, retour de Cpar les résidusSol : humidité, azote minéral, stock de carbone/azote, rapport C/N

Statistiques calculées : erreur moyenne, RMSE, RRMSE...

Calage des propriétés du sol non mesurables /mesurées (q0, z0, cfes,obstarac, epd...) et ajustement des propriétés mesurées :

Tirage aléatoire de paramètres dans des distributions prédé�nies(mesures / pédotransfert)Sélection de la simulation ayant obtenu le meilleur compromis entreRRMSE rendement, humidité, Nmin sol

Même démarche pour les paramètres de minéralisation des PRO

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QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Ensemble des traitements

Variabilité des principales variables de contrôle bien reproduite

Des années sèches mal simulées en maïsBiais dans les stocks importants de Corg

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QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Ensemble des traitements

Variabilité des principales variables de contrôle bien reproduite

Des années sèches mal simulées en maïsBiais dans les stocks importants de Corg

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QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Ensemble des traitements

Variabilité des principales variables de contrôle bien reproduite

Des années sèches mal simulées en maïsBiais dans les stocks importants de Corg

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QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Erreurs par traitement

Qualité de simulation satisfaisante pour le témoin, comparable àd'autres travaux (Coucheney et al., 2015)

Qualité moyenne pour les traitements avec PROMoindre qualité de simulation des traitements avec fertilisation Nminimale

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QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Limites du module résidus pour les PRO

Paramètres obtenus pour les PRO permettant d'obtenir le meilleurcompromis entre RRMSE rendement, Nmin, stock Corg :

DVB BIO OMR FUM

Y 0.90 0.98 0.60 0.75h 1 1 1 1

→ Y et h proche du maximum mais nepermettent pas de simuler les stocks les +élevés de Corg des traitements composts BIOet DVB (idem si Y=1 et h=1)

Mauvaise évolution du C/N du sol

→ Besoin d'une adaptation du modèle

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QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Limites du module résidus pour les PRO

Paramètres obtenus pour les PRO permettant d'obtenir le meilleurcompromis entre RRMSE rendement, Nmin, stock Corg :

DVB BIO OMR FUM

Y 0.90 0.98 0.60 0.75h 1 1 1 1

→ Y et h proche du maximum mais nepermettent pas de simuler les stocks les +élevés de Corg des traitements composts BIOet DVB (idem si Y=1 et h=1)

Mauvaise évolution du C/N du sol

→ Besoin d'une adaptation du modèle

Levavasseur et al. Séminaire STICS 17-19 octobre 2017 13 / 19

QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Limites du module résidus pour les PRO

Paramètres obtenus pour les PRO permettant d'obtenir le meilleurcompromis entre RRMSE rendement, Nmin, stock Corg :

DVB BIO OMR FUM

Y 0.90 0.98 0.60 0.75h 1 1 1 1

→ Y et h proche du maximum mais nepermettent pas de simuler les stocks les +élevés de Corg des traitements composts BIOet DVB (idem si Y=1 et h=1)

Mauvaise évolution du C/N du sol

→ Besoin d'une adaptation du modèle

Levavasseur et al. Séminaire STICS 17-19 octobre 2017 13 / 19

QualiAgro avec STICS � standard � Résultats

Limites du module résidus pour les PRO

Paramètres obtenus pour les PRO permettant d'obtenir le meilleurcompromis entre RRMSE rendement, Nmin, stock Corg :

DVB BIO OMR FUM

Y 0.90 0.98 0.60 0.75h 1 1 1 1

→ Y et h proche du maximum mais nepermettent pas de simuler les stocks les +élevés de Corg des traitements composts BIOet DVB (idem si Y=1 et h=1)

Mauvaise évolution du C/N du sol

→ Besoin d'une adaptation du modèle

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Modi�cation de STICS-résidus

Plan de l'exposé

1 IntroductionContexteObjectif

2 Site d'étude

3 QualiAgro avec STICS � standard �MéthodesRésultats

4 Modi�cation de STICS-résidusMéthodesRésultats

5 Conclusion et perspectives

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Modi�cation de STICS-résidus Méthodes

Intégration d'un compartiment passif dans le PRO

Di�érents travaux suggèrent une plus grande stabilité de la MO dessols recevant des PRO (Paetsch et al., 2016, Yu et al., 2012)

→ Ajout d'un compartiment passif dans le PRO, qui rejoint directementla MO passive du sol

→ 2 nouveaux paramètres : proportion de MO passive dans le PRO, C/NMO passive

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Modi�cation de STICS-résidus Méthodes

Intégration d'un compartiment passif dans le PRO

Di�érents travaux suggèrent une plus grande stabilité de la MO dessols recevant des PRO (Paetsch et al., 2016, Yu et al., 2012)

→ Ajout d'un compartiment passif dans le PRO, qui rejoint directementla MO passive du sol

→ 2 nouveaux paramètres : proportion de MO passive dans le PRO, C/NMO passive

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Modi�cation de STICS-résidus Résultats

Résultats

Amélioration de la simulation de la plupart des variables, notammentrendement, Corg et C/N du sol

Augmentation des stocks de Corg et Norg du sol bien simulées etpossibilité de simuler des augmentations encore plus fortes pour desproduits potentiellement plus stables (biochar...)

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Modi�cation de STICS-résidus Résultats

Résultats

Amélioration de la simulation de la plupart des variables, notammentrendement, Corg et C/N du sol

Augmentation des stocks de Corg et Norg du sol bien simulées etpossibilité de simuler des augmentations encore plus fortes pour desproduits potentiellement plus stables (biochar...)

Levavasseur et al. Séminaire STICS 17-19 octobre 2017 16 / 19

Conclusion et perspectives

Plan de l'exposé

1 IntroductionContexteObjectif

2 Site d'étude

3 QualiAgro avec STICS � standard �MéthodesRésultats

4 Modi�cation de STICS-résidusMéthodesRésultats

5 Conclusion et perspectives

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Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives

Version actuelle de STICS donne des résultats mitigés pour simuler unessai avec PRO

Modi�cation du modèle semble prometteuse, mais premiers résultatsrestent à a�ner

Besoin de valider la présence de matière organique � passive � (stablesur les durées de simulation) dans les PRO

Sur quelle échelle de temps cela reste cohérent ?

Besoin de prédicteurs des paramètres des PRO dans STICS :incubation et STICS-résidus ?

Autres essais à modéliser (autres PRO, sols, climat, SdC...)

Utiliser STICS pour aider au paramétrage des modèles plus simples(AMG...)

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Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives

Version actuelle de STICS donne des résultats mitigés pour simuler unessai avec PRO

Modi�cation du modèle semble prometteuse, mais premiers résultatsrestent à a�ner

Besoin de valider la présence de matière organique � passive � (stablesur les durées de simulation) dans les PRO

Sur quelle échelle de temps cela reste cohérent ?

Besoin de prédicteurs des paramètres des PRO dans STICS :incubation et STICS-résidus ?

Autres essais à modéliser (autres PRO, sols, climat, SdC...)

Utiliser STICS pour aider au paramétrage des modèles plus simples(AMG...)

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Conclusion et perspectives

Conclusion et perspectives

Version actuelle de STICS donne des résultats mitigés pour simuler unessai avec PRO

Modi�cation du modèle semble prometteuse, mais premiers résultatsrestent à a�ner

Besoin de valider la présence de matière organique � passive � (stablesur les durées de simulation) dans les PRO

Sur quelle échelle de temps cela reste cohérent ?

Besoin de prédicteurs des paramètres des PRO dans STICS :incubation et STICS-résidus ?

Autres essais à modéliser (autres PRO, sols, climat, SdC...)

Utiliser STICS pour aider au paramétrage des modèles plus simples(AMG...)

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Conclusion et perspectives

Merci de votre attention

Brisson N., Gary C., Justes E., Roche R., Mary B., Ripoche D., Bussière F., 2003. An overview of the cropmodel STICS. European Journal of agronomy, 18(3), 309-332.

Coucheney E., Buis S., Launay M., Constantin J., Mary B., de Cortázar-Ataur, I. G., Le Bas C., 2015.Accuracy, robustness and behavior of the STICS soil ?crop model for plant, water and nitrogen outputs :evaluation over a wide range of agro-environmental conditions in France. Environmental Modelling &Software, 64, 177-190.

Houot S., Pons M.N., Pradel M., Caillaud M.A., Savini I., Tibi A.(éditeurs), 2014. Valorisation des matièresfertilisantes d'origine résiduaire sur les sols à usage agricole ou forestier. Impacts agronomiques,environnementaux, socio-économiques. Expertise scienti�que collective, INRA-CNRS-Irstea (France).

Nicolardot B., Recous S., Mary B., 2001. Simulation of C and N mineralisation during crop residuedecomposition : a simple dynamic model based on the C : N ratio of the residues. Plant and Soil, 228(1),83-103.

Paetsch, L., Mueller, C. W., Rumpel, C., Houot, S., & Kogel-Knabner, I. (2016). Urban waste compostsenhance OC and N stocks after long-term amendment but do not alter organic matter composition.Agriculture, Ecosystems & Environment, 223, 211-222.

Yu, H., Ding, W., Luo, J., Geng, R., Ghani, A., & Cai, Z. (2012). E�ects of long-term compost and fertilizerapplication on stability of aggregate-associated organic carbon in an intensively cultivated sandy loam soil.Biology and Fertility of Soils, 48(3), 325-336.

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Conclusion et perspectives

Paramètres des PRO avec MO passive

B Paramètres temporaires calés � à la main �

→ Démarche d'optimisation à mettre en ÷uvre

Moins d'azote stocké dans la MO passive que dans l'active (%Npassif

< %Cpassif )

DVB BIO OMR FUM

Y 0.82 0.90 0.65 0.70h 1 1 0.85 1Cs0 : %Cpassif 50 55 20 40%Npassif 45 43 19 35

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Conclusion et perspectives

Dynamique des stocks de C sans MO passive

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Conclusion et perspectives

Dynamique des stocks de C avec MO passive

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