A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Une batterie d’indicateurs au service de la tâche 3 ! A.-I. Graux 03/04/2012, Réunion ORACLE, tâche 3

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Objectif et démarche générale de la tâche 2 Objectif : Développer une batterie d’indicateurs de l’évolution des agro- écosystèmes au changement climatique, à des horizons temporels différents Démarche: –Exploitation de données climatiques et données de simulation issues du projet CLIMATOR (ANR 2007) pour calculer des indicateurs porteurs d’information à l’échelle annuelle ou saisonnière: Climatiques : information purement climatique (ex: nombre de jours de gel dans l’année) Ecoclimatiques : information dérivée du climat et spécifique d’un type d’agro-écosystème donné (ex: période de mise à l’herbe des troupeaux) Biotechniques : information agro-environnementale jouant un rôle clé pour la localisation des agro-écosystèmes (ex: rendement, besoins en eau d’irrigation)

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T SCENARIOS CLIMATIQUES SRES x GCM x Regionalisation DONNEES HORAIRES ( ) Température Précipitations Rayonnement Pression de vapeur Vent [CO 2 ] Données climatiques exploitées pour le calcul des indicateurs climatiques & écoclimatiques SRESGCMRégionalisation (8 x 8km)Init. B1ARPEGECorrections variables (CV) A1BARPEGEAnomalies A1BARPEGECorrections variables (CV) A1BARPEGETypes de temps (TT)i1 A1BARPEGETypes de temps (TT)i2 A2ARPEGECorrections variables (CV) 6 scénarios continus sur les 10 disponibles 12 sites français (caractérisés sur le passé récent) Versailles Avignon Mirecourt Toulouse Bordeaux Rennes Theix Colmar Dijon St-Etienne Mons Lusignan

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Démarche de co-construction des indicateurs climatiques - écoclimatiques Proposition et calcul d’indicateurs Connaissances scientifiques et attentes des porteurs d’enjeux Analyse des résultats Confrontation porteurs d’enjeux Choix et validation d’indicateurs pertinents Amélioration et/ou proposition de nouveaux indicateurs Proposition systèmes adaptés Projections spatialisées Démarche participative de co-construction Mobilisation Capitalisation des retours d’expérience

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T SCENARIOS CLIMATIQUES SRES x GCM x Regionalisation DONNEES HORAIRES ( ) Température Précipitations Rayonnement Pression de vapeur Vent [CO 2 ] Démarche de construction des indicateurs biotechniques (fonctions de transfert) climecoclim SORTIES Rendement Production laitière Stockage de C Bilan GES etc. MODELES SPATIALISES A LARGE ECHELLE (TYPES FONCTIONNELS) MODELES D’IMPACT (ECOSYTEME) SORTIES NPP Consommation d’eau Etc. biotech ecoclim Ex: Rendement = f( NPP, I aridité, [CO 2 ], I exploitation )

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Quels indicateurs climatiques pour la caractérisation de l’évolution des conditions climatiques futures ?

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Indicateurs climatiques Identification de ~60 indicateurs délivrant une information sur l’évolution: –des conditions moyennes : Indices agro-métérologiques (Barnett et al., 2006; Matthews et al., 2008 Clim. Res.; Confalonieri et al., 2010 Env. Model. Soft), bilan hydrique (Rivington et al Aspects of Applied Biology) –des extrêmes : dans le cadre du projet Européen STARDEX ( (méthodes de régionalisation des extrêmes en Europe) Beniston et al Climatic Change ) par l’équipe d’experts (CCI/CLIVAR/JCOM) dans la détection du changement climatique et des indicateurs (ETCCDI) : 27 indicateurs ( Alexander et al J. Geophys. Res.)

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Précédentes études Utilisation de ces indicateurs pour anticiper les changements climatiques moyens et extrêmes –à l’échelle d’un pays: Italie (Moonen et al., 2003; Bellocchi et al., 2007) Grèce (Baltas, 2007) USA (Feng et Hu, 2004) Ecosse (Barnett et al., 2006; Rivington et al., 2008) Québec (Qian et al., 2012) France (Déqué, 2007; ONERC, 2012) –De l’Europe (Beniston et al., 2007; Trnka et al., 2011 a,b) –jusqu’à l’échelle du globe: (Alexander et al. 2006; Orlowsky et Senevirtane, 2011)

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Précédentes études Ces études se limitent souvent à : –une comparaison des conditions climatiques dans un horizon lointain par rapport à un horizon proche du présent (Beniston et al., 2007 ; Bellocchi et al., 2007; Déqué, 2007; Rivington et al., 2008) –une analyse du climat passé (Alexander et al. 2006; Baltas, 2007; Feng et Hu, 2004; Qian et al., 2012; Moonen et al., 2003) Elles donnent parfois des conclusions très générales du fait de l’échelle d’étude (Alexander et al ; Beniston et al., 2007; Trnka et al., 2011 a,b ;Orlowsky et Senevirtane, 2011) Elles fournissent peu d’informations détaillées à l’échelle intra- annuelle, pourtant essentielle pour aider les porteurs d’enjeux et les décideurs à adopter les bonnes mesures Peu utilisent des données climatiques régionalisées (Beniston et al., 2007; Déqué, 2007; ; Rivington et al., 2008 ; ONERC, 2012; Trnka et al., 2011 a,b ) et il s’agit souvent d’une seule et même méthode

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs climatiques calculés Plusieurs classifications dans la littérature: –dates, counts, thermal units, water, waves and indices ( Matthews et al., 2008) –percentile-based, absolute, threshold, duration and other indices (Alexander et al. 2006) Propose une classification suivant la(les) variable(s) climatique(s) utilisée(s) : –Radiation-based indicators, Temperature-based indicators, Rainfall- based indicators, Multiple-variable indicators Pour plus de détails sur les indicateurs: –Métrique, paramétrage, information, limites, sources

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs climatiques calculés Indicateurs dérivés des températures FROID: Jours et nuits froides, jours de gel, jours sans dégel, dates des premiers et derniers gels, la longueur potentielle de la période des gelées, le mois le plus froid de l’année et sa température, la longueur de la plus longue vague de froid, les degrés-jours et l’énergie nécessaire pour la réfrigération des bâtiments CHALEUR: Jours et nuits chaudes, journées estivales, nuits tropicales, le mois le plus chaud de l’année et sa température, la longueur des plus longues vagues de chaleur, les degrés-jours et l’énergie nécessaire au chauffage des bâtiments Les températures mensuelles et l’amplitude mensuelle des températures, les extrêmes mensuelles (min et max) des températures journalières minimales et maximales dans le mois, l’amplitude annuelle moyenne et extrême des températures, l’indice dérivé d’Emberger

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs climatiques calculés Indicateurs dérivés des précipitations HUMIDITE: Jours humides, très humides, extrêmement humides et les précipitations associées, la contribution des jours très et extrêmement humides au total annuel des pluies, jours de pluies > 10mm et >20mm, les pluies mensuelles et annuelles, les pluies journalières les plus fortes du mois, le cumul des pluies journalières sur 5 jours le plus fort du mois, la semaine la plus humide de l’année et les pluies associées, la vague humide la plus longue de l’année « SECHERESSE » : jours secs, le mois le plus aride de l’année, sa température et ses précipitations, la vague sèche la plus longue de l’année L’intensité journalière et la saisonnalité des pluies, l’indice de Méditerranéité Indicateurs dérivés du rayonnement Rayonnement global cumulé et durée du jour

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs climatiques calculés Indicateurs dérivés des plusieurs variables climatiques BILAN HYDRIQUE POTENTIEL: Jours où le sol est sec/très sec, dates de la fin de la capacité au champ et du retour à la capacité au champ, période d’accessibilité potentielle et réelle des parcelles, date à laquelle le contenu en eau du sol est minimal et quantité d’eau associée, pluies hivernale excédentaires, Le déficit hydrique saisonnier potentiel (P-ET0) L’INDICE d’ARIDITE de De Martonne-Gottmann dérivé des températures et précipitations « Nouveaux » indicateurs Dates de début et fin des vagues de froid, chaleur, humides, sèches Indicateur de l’évolution interannuelle du nombre de vagues extrêmes par rapport à la période de référence ( ) La moyenne saisonnière et annuelle des températures min, moy et max, pluies saisonnières

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Différentes illustrations Indicateurs annuels Indicateurs mensuels Indicateurs journaliers + Tests de Kolmogorov-Smirnov + régressions linéaires + cartes (scénario A2 types de temps VALIDATE)

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Diapositive explicative de la lecture des graphiques Période récente Futur proche Futur lointain 50% Médiane actuelle 82%100% Première gelée Dernière gelée + Comparaison aux données observées

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Des différences quantitatives suivant la méthode de régionalisation mais tendance identique ToulouseMirecourt ARPEGE A1B TTi1 ARPEGE A1B CV

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Prise en compte de l’incertitude associée au scénario climatique (SRES x GCM x Reg.) ? Médianes et valeurs extrêmes (10 ème et 90 ème percentiles) pour chacune des 3 périodes climatiques + Tests de Kolmogorov- Smirnov entre courbes médianes

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Contenu minimum SWC min Indicateurs dérivés du bilan hydrique du sol Point de flétrissement SWC PWP Capacité au champ SWC FC Sol totalement sec SWC AD Fin de la capacité au champ (FCC) Dernier jour ou SWC > SWC FC -5 (avant SWC min ) Accessibilité potentielle des parcelles Jours où le sol est sec jours où SWC <SWC PWP Jours où le sol est très sec jours où SWC <SWC AD Année 1Année 2 Année 3 Retour à la capacité au champ (RCC) 1 er jour ou SWC > SWC FC -5 (après SWC min ) Pluies hivernales excédentaires ΣP avant FCC et après RCC Absence de retour à la capacité au champ

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Limites des indicateurs climatiques Ces indicateurs sont des outils utiles car simples à mettre en œuvre pour dégager de grandes tendances et complémentaires de l’information fournie par les modèles Ils présentent toutefois certaines limites comme: –Le calcul de l’intensité journalière des pluies qui néglige l’effet de la variabilité spatiale des pluies –L’utilisation d’une routine simplifiée pour le calcul du bilan hydrique potentiel du sol peut conduire à des prédictions erronées (cette routine ne tient pas compte du couvert végétal) –Plusieurs indicateurs peuvent délivrer des messages contraires => nécessité de développer des indicateurs intégrant plusieurs variables climatiques afin de délivrer un seul message 09/12/2011

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Quels indicateurs écoclimatiques pour la caractérisation de l’évolution des conditions d’exploitation des prairies ?

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Thématiques abordées dans la littérature Moreau et al. (2008) 3R Bouraoui et al. (2002) Anim. Res. Klinedinst et al. (1993) Clim. Change Mader et al. (2006) J. Anim. Sci. Gaughan et al. (2008) J. Anim. Sci. Stress thermique Protin et al. (2009) Fourrages Ziegler et Peronne (1987) Persp. Agr. Fertilisation Croissance développement Heide et al. (1994) New Phytol. Aamlid et al. (2000) Annals Bot. Cruz et al. (2010) Fourrages Gibson et al. (2009) Duru et al. (2010) Prod. Ani. Matthews et al. (2008) Clim. Res. Tolérance au froid Thorsen et al. (2010) Agr. Forest. Meteorol. Bélanger et al. (2002) Can. J. Plant Sci. Pâturage Cruz et al. (2010) Fourrages Duru et al. (2010) Prod. Ani. Theau et al. (2010) ISDA Moreau et al. (2008) 3R Hayhoe et Jackson (1974) Can. J. Plant Sci. Dyer and Brown (1977) Agr. Met. Dyer and Baier (1981) Agr. Met. Fauche

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs écoclimatiques des prairies Conditions de croissance du couvert: Longueur potentielle et effective de la saison de croissance Début et fin de la saison de croissance Degrés-jours de croissance 1 ère et dernière gelées et saison potentielle des gelées Degrés jours de froid Tolérance au froid de la végétation Nombre de jours ou le couvert est stressé par les hautes températures Nombre de jours ou le bétail est stressé par la chaleur et quantification de l’état de stress thermique Perte de production laitière estivale et perte de fertilité sur la période de vêlage associée au stress thermique

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs écoclimatiques des prairies Conditions de développement du couvert: Démarrage de la végétation Stade épi 10cm Epiaison Floraison Satisfaction de la double induction de la floraison 29/11/2011

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Phase reproductrice Montaison, épiaison, floraison Début de la saison de croissance Fin de la saison de croissance Saison de croissance potentielle Croissance potentielle (Kg MS ha j -1 ) HIVER et début PRINTEMPS – Température (insuffisante) PRINTEMPS – Rayonnement - Température ETE – Déficit hydrique - Température excessive AUTOMNE – Rayonnement - Température - Durée du jour Croissance moyenne Variations entre années Jours de croissance effective Les indicateurs écoclimatiques des prairies Jours où la végétation est stressée par les hautes températures T min >15°C et T max >35°C 1 er j où T moy > 5°C sur 5 j consécutifs depuis le 01/01 1 er j où T moy < 5°C sur 5 j consécutifs depuis le 01/07 Première gelée 1 er j où T min < 5°C depuis le 01/07 Dernière gelée dernier j où T min < 5°C depuis le 01/01 Saison potentielle des gelées

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Les indicateurs écoclimatiques des prairies Mise en œuvre des opérations (déclinée pour différentes végétations x gestions) : Date optimale du 1 er apport d’azote Début de mise à l’herbe des troupeaux Mise en œuvre des opérations liée à la portance des sols et aux gelées Durée potentielle du déprimage Dates de fauches théoriques et effectives (conditionnalité des fauches sur les conditions météorologiques) Nombre de jours disponibles pour réaliser un bon fourrage Possibilité de sécher le foin au sol Nombre de jours « pâturables » (modèle?) Rentrée des animaux à l’étable et durée du pâturage (modèle?)

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Perspectives : Résumé de l’évolution des conditions de croissance, développement et exploitation des prairies Radar « chaud »Radar « froid »

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Mise en œuvre des opérations au champ (1 er cycle) Date optimale de la 1 ère fertilisation ∑T moy > 200°Cj Depuis le 01/01 Epiaison Jours disponibles pour produire un fourrage de bonne qualité Épi 10 cm <∑Tmoy< Epiaison Jours disponibles pour produire un fourrage « compromis » qualité /quantité Epiaison <∑Tmoy< Floraison Durée potentielle déprimage Démarrage Mise à l’herbe ∑Tmoy> Démarrage Diversité des végétations Epi 10 cm 1 ère fauche précoce Floraison 1 ère fauche tardive Jours nécessaires pour sécher le foin au sol HDI = ET0 – 0.2 P Mn=M0+0,5P+3-4,3HDI Portance des sols ∑P sur 5j consécutifs < 60 mm Nombre de jours de gels T min <0°C Conditionnalité des fauches

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A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Origines du stress thermique chez les bovins Le métabolisme de l’animal est source de chaleur interne Pour maintenir sa température corporelle constante, le bétail échange de la chaleur avec l’environnement par des processus: –évaporatifs (respiration, sudation) –non-évaporatifs (convection, conduction, rayonnement) Les conditions estivales: –température et humidité de l’air élevées –fort rayonnements –faible vitesse du vent peuvent conduire à une accumulation excessive de chaleur, et ainsi réduire le confort et les performances des animaux, voire mener à leur mort. Rayonnement Evaporation (sudation) Evaporation (respiration) Rayonnement Convection Gain Conduction Perte

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Evaluation courante du stress thermique chez les bovins La température corporelle est un excellent indicateur de l’état de stress de l’animal. Une autre alternative est l’estimation de son degré d’halètement et/ou de respiration. L’indice de température-humidité (THI), dérivé de : –la température moyenne (T moy, °C) –l’humidité relative de l’air (HR, %) est utilisé depuis plus de 50 ans : THI = 0.8 T moy + RH (T moy -14.4) (Thom, 1959) THI = 1.8 T moy – (1- RH) (T moy -14.3) + 32 (Kibler et al., 1964) Équations équivalentes THI≥84 74 ≤ THI<79 79≤THI<84 THI = T moy T dp (Bosen et al., 1959) THI =0.72 (T dp +T moy ) (McDowell et al., 1976) On peut aussi calculer cet indice à partir de la température du point de rosée (T db, °C) 70 «Normal» THI «Alerte»«Danger»«Urgence» «Sérieux»«Substantiel» «Modéré» «Normal» «Léger» Beef cattle

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T THI ajusté pour l’effet de la vitesse du vent (WS, m s -1 ) et le rayonnement solaire (RAD, W m -2 ) pour les bovins à l’engraissement THI adj = THI WS RAD (Mader et al. 2006) Indice de charge thermique des animaux (HLI) et accumulation de chaleur (AHL) HLI BG>25 = RH BG WS + e -2.4-WS HLI BG<25 = RH BG - WS (Gaughan et al. 2008) Ajustements des seuils selon : –la couleur du pelage, l’état de santé de l’animal, l’accès à l’ombre, la température de l’eau bue, la gestion des déjections animales Ajustements pour une évaluation plus exacte TNZ warm hot very hot HLI dissipationaccumulation AHL=HLI-77AHL=HLI-86 AHL= 0

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Stress thermique des animaux et baisse de performances associées Baisse de production laitière journalière estivale (01/05-30/09) liée au stress MDPI = – NL NL.THI (72 ≤ THI ≤ 84) (Berry et al. 1964; Hahn, 1969; Klinedinst et al. 1993) MDPI = 0 sinon Baisse de fertilité associée au stress CRI = THI (63 ≤ THI ≤ 84) (Ingraham et al., 1974; Hahn, 1981; Klinedinst et al., 1963) CRI =100 sinon ; CRI calculé sur la période de vêlage (autre équation proposée par Du Preez et al. 1990)

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E E N V I R O N N E M E N T Cycle de développement des prairies TypeDémarrageEpi 10cmEpiaisonFloraisonDVF A B C b D Cruz et al. (2010) Fourrages, Duru et al. (2010) Prod. Ani. Typologie fonctionnelle (acquisition des ressources, recyclage des organes) basée sur 6 traits (TMS, SLA, DVF, Hauteur, Floraison et Etirement) Milieux fertiles Milieux moins fertiles DémarrageÉpis 10 cmEpiaisonFloraison Précoce / Fertile Tardive / Fertile Assez précoce / moins fertile TypeDémarrageEpi 10cmEpiaisonFloraisonDVF AB