Modélisation et Télédétection pour évaluer et concevoir des systèmes agro-écologiques basés sur une large diversité d’espèces

Eric Justes (INRA, UMR AGIR Toulouse-Auzeville)Eric Ceschia (UPS, CESBIO Toulouse)Mercredi 1er mars 2017

Quelles sont les problématiques prégnantes où télédétection et modélisation peuvent soutenir le développement de l’agroécologie ?Quelques exemples :

1) Initiative 4 pour 1000 : quelles sont les solutions réellement efficaces pour favoriser le stockage C et contribuer à l’atténuation du changement climatique

2) Santé des plantes : comment améliorer le diagnostic et la gestion des épidémies causées par des maladies fongiques

3) Gestion territoriale de l’eau et réduction de l’érosion4) ….

Quelles échelles d’analyse et d’intervention sont pertinentes ? de la modulation intra-parcellaire (agriculture de précision) à la gestion du territoire (agroécologie des territoires) Pertinence de la modélisation mathématique (multi-objets,multi-échelles, dynamique pour représenter le fonctionnement du système)

• Une agriculture triplement performante• Un gradient d’intensification écologique des agrosystèmes :

• De l’amélioration de l’efficience des intrants (réduction des pesticides et engrais de façon optimisée, adaptation et modulation intra-parcellaire, …) : weak agroecology• En passant par la substitution des intrants chimiques par des intrants d’origine biologique (SDN, micro-org. …) et des techniques agronomiques (mélanges devariétés, désherbage mécanique, couverts intermédiaires multi-services, …)• Allant jusqu’à la re-conception des systèmes de cultures (parcelle) basés surune forte biodiversité d’espèces (y compris cultures associées, agroforesterie)et au niveau du territoire (organisation spatiale paysage, haies, …) : strong agroecology

Agroécologie : de quoi parle-t-on ?

Produire des services écosystémiques de substitution aux intrants via la diversité biologique (accroitre les espèces végétales, et favoriser l’expression des régulations biologiques, …) pour une production agricole durable et de d’externalités positives

• Une agriculture triplement performante• Un gradient d’intensification écologique des agrosystèmes :

• De l’amélioration de l’efficience des intrants (réduction des pesticides et engrais de façon optimisée, adaptation et modulation intra-parcellaire, …) : weak agroecology• En passant par la substitution des intrants chimiques par des intrants d’origine biologique (SDN, …) et des techniques agronomiques (mélanges de variétés,désherbage mécanique, couverts intermédiaires multi-services, …)• Allant jusqu’à la re-conception des systèmes de cultures (parcelle) basés surune forte biodiversité d’espèces (y compris cultures associées, agroforesterie)et au niveau du territoire (organisation spatiale paysage, haies, …) : strong agroecology

Agroécologie : de quoi parle-t-on ?

Produire des services écosystémiques de substitution aux intrants via la diversité biologique (accroitre les espèces végétales, et favoriser l’expression des régulations biologiques, …) pour une production agricole durable et de d’externalités positives

• Un gradient d’intensification écologique des agrosystèmes :• Améliorer l’Efficience des intrants Outils d’aide à la décision à différentes échelles : gestion fine à la parcelle et modulation intra-parcellaire

• Substitution des intrants chimiques Outils d’aide à la décision basés sur de nouvelles règles de décision, de la parcelle à l’exploitation (voire territoire)

• Re-conception des systèmes de cultures basée sur une forte diversification des espèces Outils et méthodes de raisonnement nouveaux, forte importance de l’observation et de définir des règles de décision en situation d’incomplétude de connaissances

Agroécologie : de quoi parle-t-on ?

weak agroecology

strong agroecology

+++ observations+++ anticipation+++ gestion avec incomplétude de

connaissances

Couplage entre télédétection (observation) et modélisation

(simulation/ optimisation)

Nécessite une démarche de recherche en 3 étapes :1) Diagnostic/état des lieux de l’environnement : apports de la télédétection2) Analyse du fonctionnement des systèmes à l’échelle spatiale : couplage télédétection et

modélisation3) Proposition de solutions à partir d’analyse multicritère pour trouver des compromis

entre services : couplage de la modélisation, télédétection et optimisation multicritères

Pourquoi modélisation et télédétection peuvent-elles supporter l’agroécologie ? Pour trouver des compromis entre services écosystémiques, adaptés à chaque contexte local (territoire), respectueux de l’environnement et efficaces économiquement

Pourquoi la télédétection ? Quelles sont les innovations qui changent la donne ? 1) De nouveaux satellites embarquant de nouveaux capteurs ou/et ayant une résolution

plus forte ( plus de précision, accès à de nouvelles mesures)2) Des algorithmes puissants pour traiter des données de télédétection (big data)3) Des produits prometteurs issus de la télédétection couplée à la modélisation

Apport des nouvelles missions spatiales pour répondre à ces problématiques ?

Par temps couvert ou clairRugosité & humidité de surface

Sentinel 1(10 m, 6j, Radar)

Sentinel 2(10 m, 5j, Optique)

Par temps clairRéflectances

Occupationdu sol

Indicefoliaire/

phénologie

Albédo2%

40%

Humiditédu sol

Biomasses

Cartes dynamiques des OS et pratiques culturales

(H2020 Sensagri Copernicus)

Travail du sol

Paramètresmesurés

Cartographiedynamique

fusion

SentinelUne

Révolution !!!

Satellites à couverture globale

La haute résolution spatiale et temporelle pour établir un diagnostic territorial

Blé-Tournesol

Blé- Colza - Tournesol

Surf. enherbées - Blé

Blé-Colza

Maïs- Blé

Maïs - Tournesol

Surf. enherbées - Tournesol- Blé

Surf. enherbées - Tournesol

Sol nuRepousses précocesRepousses tardivesCI tardifsCI précoces

D. Ducros, J. Inglada, C. Marais-Sicre , S. Valero , J.F Dejoux,, E. Ceschia

Cartographie des successions culturales

Blé - Colza - Orge

Maïs - Soja

Blé - Maïs - Tournesol

Collab. INRA Auzeville, projets CICC & Bag’ages

et des couverts intermédiaires (CI), repousses, adventices…

H2020 Sensagri

Occupation du sol et successions culturales

Possibilité de cartographier les zones d’implantations possibles des CI

Blé-Tournesol

Blé- Colza - Tournesol

Surf. enherbées - Blé

Blé-Colza

Maïs- Blé

Maïs - Tournesol

Surf. enherbées - Tournesol- Blé

Surf. enherbées - Tournesol

Sol nuRepousses précocesRepousses tardivesCI tardifsCI précoces

D. Ducros, J. Inglada, C. Marais-Sicre , S. Valero , J.F Dejoux,, E. Ceschia

Cartographie des successions culturales

Blé - Colza - Orge

Maïs - Soja

Blé - Maïs - Tournesol

Collab. INRA Auzeville, projet CICC et des couverts intermédiaires

H2020 SensagriCartographie dynamique des travaux du sol et du déchaumageH2020 Sensagri

La haute résolution spatiale et temporelle pour établir un diagnostic territorialPratiques culturales

Possibilité de cartographier les zones de non labour (stockage C, érosion)

Des produits à vocation thématiques en cours de développement

• Cartographie dynamique des usages des sols (H2020 Sensagri, Bag’ages…) : irrigation, travail du sol (labour/non-labour), enfouissement des résidus, repousses/adventices, couverts intermédiaires…problématiques érosion, maladies…

• Cartographie des haies indicateurs de biodiversité, de continuité écologique, microclimats…

• Cartographie dynamique des paramètres biophysiques : humidité du sol, développement de la végétation (indice foliaire), biomasse, albédo…

La haute résolution spatiale et temporelle pour établir un diagnostic territorial

Comment exploiter cette richesse d’information pour produire des indicateurs agro-écologiques plus élaborés ?

- Traitements phytosanitaires & pratiques de fertilisation (dates, doses, types d’engrais)- Export ou non des pailles sur les céréales à pailles (blé, orge…)

Limites de l’approche : certaines pratiques ne sont pas identifiables par télédétection

La haute résolution spatiale et temporelle pour établir un diagnostic territorialOccupation du sol et successions culturales

Carte de 10 à 20m de résolution : 21 classes dont 8 de grandes cultures + sous classes (ex. maïs grain, ensilage, irriguées ou non)

Dejoux, JF., Ducrot D., P. Gouaux, Inglada J., Marais-Sicre C., Masse A., Valero S.

• Méthodologie mise au point en France sur l’OSR,

• Appliquée sur 5 pays dans le cadre de S2agri (ESA),

• Production sur toute la France en version simplifiée en 2017 (THEIA)

Approches de modélisations couplées à la télédétectionUne histoire ancienne…

• Le concept date des années 70

• Une large gamme de modèles pour des applications très variées : SAMIR (pilotage de l’irrigation) et TNT2 (modèle agro-hydro et transferts d’N) à l’échelle BV, Orchidee ou SURFEX (modélisation cycles eau/C et couplage avec modèle de climat) à l’échelle globale…

• Les « produits » issus de la télédétection (cartes d’occupation du sol, d’indices de végétation, humidité du sol) sont utilisés en assimilation directe dans les modèles ou pour les calibrer

… mais un nouveau paradigme grâce aux données à hautes résolutions, spatiale&temporelle

• Et une nouvelle génération de modèles (SAFY-WB, SAFYE-CO2, SPA-CROP…) conçus pour utiliser au maximum de leur potentiel ces nouvelles données nouveaux indicateurs élaborés

29/06/00626/07/2006

09/09/2006

Cartes de Green Area Index

Biomasse,Rendement,

irrigation

Flux CO2 /bilans Cet eau

Validation par stations de mesures des flux du

Model de transfert radiatif (BV-net de l'INRA Avignon)

Cartes occupation

du sol

Cartes des sols (BD Donesol)

Cartes SAFRANMétéo France

29 Juin 2006

Spot, Landsat, Sentinel 2

Validation par stat. régionales (rendement /irrigation) sur l’OSR8 km

Indice foliaire

m2 feuille/m2 sol

Cartes dynamiques des OS et pratiquesculturales

SO INRA (AgrHyS, PRO…)

Réseau JECAM

Stations de mesures de flux du réseau

Modèle spatialisé

SAFYE-CO2

Sentinel 1, Terrasar X

EUE

(gC.

Kgea

u-1)

Bi

lan

C (g

C.m

-2.a

n-1)

Ren

dem

ent (

t.ha-1

)

La télédétection peut nous aider à produire des compromis entre servicesAtténuation des changements climatiques : où implanter les couverts intermédiaires multi-services ?

Faut-il privilégier localement l’effet stockage de C (4/1000) des CI, l’effet sur l’albédo (SRM), aucun des deux ?

Albédo de sol nu (issus de MODIS ; Carrer et al., 2012) Cartes pédologiques (source EEA)

Les CIMS peuvent permettre de stocker du C et aussi d’augmenter l’albédo des grandes cultures. Par cet effet, ils peuvent compenser 5-9% des émissions de GES en Europe (Carrer et al, 2017) mais peuvent le faire chuter localement…

Albédo de sol faibleSol riche en C organique

Albédo de sol très fort

Sol calciqueImplanter/

maintenir !!

Ne pas implanter !!

Arbitrage local requis

En guise de ConclusionPossibilité d’établir des diagnostics territoriaux multi-critères grâce à la télédétection (état des lieux)

- Des indicateurs directement issus de la télédétection : successions culturales, certaines pratiques de gestion et leur émissions de GES associées (approche ACV)

Indicateurs à la parcelle voire infra-parcellaire (agriculture de précision)

- Via des indicateurs plus élaborés obtenus par l’utilisation couplée modèles/données de télédétection multi-temporelles à haute résolution : besoins en irrigation, bilans C & GES des grandes cultures

vers une agroécologie territoriale plus éclairée

Enjeux stratégiques pour l'INRA,au service conjoint de la profession agricole et la société

Outils essentiel pour guider/objectiver nos choix de changements de pratiques et les compromis à réaliser selon les enjeux locaux

Mercipour votre attention