PaSim et ses applications dans le cadre de l’étude des impacts du changement climatique sur les prairies Anne-Isabelle Graux, Post-doctorante ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

Historique de PaSim Ses caractéristiques Ses applications pour l’étude des impacts du changement climatique Quelques pistes pour ORACLE (G. Bellocchi) Plan

1998 Création Riedo et al. Implémentation en ACSL, paramétrisation et validation pour des conditions suisses Module « Végétation » = HP Model (Thornley and Veberne 1989) Module « Biologie du sol » = CENTURY (Parton et al. 1987) Module « Physique du sol » issu de Soils physics with basic (Campbell et al. 1985) Module « Microclimat » 3 Research Station Agroscope, Switzerland, Reckenholz Historique ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

1998 Riedo et al. Création Ajout d’un module « Animal » : ingestion et production laitière au pâturage effets altitude et couverture neigeuse sur le développement et la croissance du couvert 4 Research Station Agroscope, Switzerland, Reckenholz 2000 Riedo et al. Historique ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

1998 Riedo et al. Création Cycle de l’N: Production et émission de N 2 O Volatilisation de NH 3 5 Research Station Agroscope, Switzerland, Reckenholz 2000 Riedo et al Schmid/Riedo et al. N 2 O NH 3 Historique ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

1998 Riedo et al. Création Riedo et al Schmid/Riedo et al. N 2 O NH Thèse N. Vuichard Simulation des émissions de CH 4 en fonction de la qualité de l’herbe Sélection de la végétation par les herbivores Révision de la sénescence et des impacts du pâturage sur la dynamique de végétation CH 4 Historique ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

1998 Riedo et al. Création Riedo et al Schmid/Riedo et al. N 2 O NH Thèse N. Vuichard Simulation des émissions de CH 4 en fonction de la qualité de l’herbe Sélection de la végétation par les herbivores Révision de la sénescence et des impacts du pâturage sur la dynamique de végétation Optimisation du chargement animal et des surfaces allouées au pâturage Systèmes exclusivement herbagers, autonomes c CH 4 Historique ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

Thèse AI Graux 8 Simulation de prairies semées (paramétrage & effet labour) Optimisation de l’irrigation, fertilisation N (couplage algo. opti. chargement animal et surfaces allouées au pâturage) Simulation mécaniste de l’ingestion, des performances et des émissions de méthane entérique, complémentation Vaches allaitantes + veaux, vaches laitières, génisses Historique 2011 En cours… Simulation des interactions de la diversité fonctionnelle avec le changement climatique et la gestion N DIVERSITE Légumineuses Traits fonctionnels GESTION Fertilisation Fauche, pâturage CHANGEMENT CLIMATIQUE 2006 Traduction ACSL => Fortran 90

Nature? Biogéochimique, mécaniste, déterministe Quoi? Réponses fonctionnelles des prairies au climat, à la gestion Domaine de validité? prairies permanentes ou semées, conditions européennes, races françaises Entrées? Echelle: m 2 (upcaling) /Pas de temps: ~ 30 min Sorties? agro- environnementales Caractéristiques Climat Rayonnement Précipitation Température Pression de vapeur Vitesse du vent [CO 2 ], [NH 3 ] Sol Texture pH Contenu en eau Conductivité Densité Profondeur MO Végétation Mono ou plurispécifique Taux de légumineuses Herbivores Type (Génisses, vaches allaitantes ou laitières, moutons) Potentiel laitier Poids, état, âge à la mise à l’herbe ENTREES Gestion Fauche Pâturage Fertilisation N (minérale et/ou organique) Complémentation PaSim Flux GES (CO 2, N 2 O, CH 4 ) Flux de C, N, H 2 O & énergie … Etats Production fourragère Production laitière, poids et état Matière organique, contenu en eau du sol Gestion optimisée Fauches Fertilisation N Pâturage Irrigation SORTIES ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Mise à l’équilibre

Rayonnement Température Pressions de vapeur Vitesse du vent Module végétation Module microclimat Gestion (optimisée) Module animal Gestion (prescrite) Structure modulaire Précipitations concentration en CO 2 Contenu en eau Température Module physique du sol Fertilisation N Déposition N Module biologie du sol Contenu en eau Température ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 concentration en NH 3 Caractéristiques animales Caractéristiques végétales

Rayonnement Température Pressions de vapeur Vitesse du vent Module végétation Module microclimat Gestion (optimisée) Module animal Gestion (prescrite) Structure modulaire Précipitations concentration en CO 2 Contenu en eau Température Module physique du sol Fertilisation N Déposition N Module biologie du sol ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 concentration en NH 3 Caractéristiques animales Caractéristiques végétales Interception du rayonnement Bilan énergétique du couvert et de la surface du sol

Rayonnement Température Pressions de vapeur Vitesse du vent Module végétation Module microclimat Gestion (optimisée) Module animal Gestion (prescrite) Structure modulaire Précipitations concentration en CO 2 Contenu en eau Température Module physique du sol Fertilisation N Déposition N Module biologie du sol ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 concentration en NH 3 Caractéristiques animales Caractéristiques végétales Croissance & développement Conductance stomatique Respiration Absorption racinaire & fixation biologique

Rayonnement Température Pressions de vapeur Vitesse du vent Module végétation Module microclimat Gestion (optimisée) Module animal Gestion (prescrite) Structure modulaire Précipitations concentration en CO 2 Contenu en eau Température Module physique du sol Fertilisation N Déposition N Module biologie du sol ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 concentration en NH 3 Caractéristiques animales Caractéristiques végétales Ingestion, performances et CH 4 Complémentation des animaux au pâturage

Rayonnement Température Pressions de vapeur Vitesse du vent Module végétation Module microclimat Gestion (optimisée) Module animal Gestion (prescrite) Structure modulaire Précipitations concentration en CO 2 Contenu en eau Température Module physique du sol Fertilisation N Déposition N Module biologie du sol ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 concentration en NH 3 Caractéristiques animales Caractéristiques végétales Concentrations NO 3 - et NH 4 + Décomposition de la MOS Volatilisation NH 3 Nitrification et dénitrification Production de N 2 O

Rayonnement Température Pressions de vapeur Vitesse du vent Module végétation Module microclimat Gestion (optimisée) Module animal Gestion (prescrite) Structure modulaire Précipitations concentration en CO 2 Contenu en eau Température Module physique du sol Fertilisation N Déposition N Module biologie du sol ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 concentration en NH 3 Caractéristiques animales Caractéristiques végétales Optimisation des fauches, de la fertilisation N, de l’irrigation et de la complémentation des animaux Optimisation du chargement animal et des surfaces allouées au pâturage

Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Modèle conçu dans cet objectif… Riedo et al. (1997) Acta Oecologica 1 ères simulations sous changement climatique et [CO 2 ] élevée (conditions suisses) Riedo et al. (1999) Global Change Biology Comparaison des effets individuels et combinés du changement climatique, d’un doublement du [CO 2 ] et de l’acclimatation de la photosynthèse (conditions suisses) Riedo et al. (2000) Ecological Modelling Comparaison des effets individuels et combinés du réchauffement, des changements des précipitations, de l’augmentation progressive du [CO 2 ] avec l’altitude et la gestion (fauche vs grazing) (conditions suisses) Riedo et al. (2001) Climate Research Spatialisation des réponses des prairies aux températures élevées et à un doublement du [CO 2 ] dans le cas d’un paysage alpin

Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Plus récemment … Graux et al. (2011) Projections régionalisées des impacts du CC sur les services assurés par les prairies (production fourragère & laitière, séquestration C, drainage) et les rétroactions (GES) => 4 systèmes de prairie, gestion prescrite définie à dire d’expert SystèmeSISPIPE Type de prairieSeméePermanente Ressources hydriquesIrriguéePluviale Légumineuses-5%20% Fertilisation N (kg N ha -1 an -1 ) FauchesMi-avril Fin juin Mi-août Mi-octobre Mi-avril Fin juin Mi-août Mi-octobre Mi-avril Début juin - Mi-avril Début juin - Pâturage --15 jours en été puis en automne Chargement (UGB ha -1 )

Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Plus récemment …  Estimation des risques et des opportunités C omparaison des distributions de probabilité d’excédence des valeurs présentes et futures Calcul des probabilités d’excéder ou d’être en deçà de seuils critiques (relatifs ou absolus) Productivité annuelle Prairies permanentes extensives (PE) Prairies semées irriguées (SI) *** Restitution nette d’eau aux nappes ** ns *** ns

Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Plus récemment …  Étude de la réponse des variables étudiées à l’aridité GPPRestitution d’eau C:N fourragesGWP GPP printempsGPP été GPP automneGPP hiver Période récente ( ) Futur proche ( ) Futur lointain ( ) Indice aridité humidearide

Les recherches en cours … Evaluation de la capacité du modèle à reproduire le changement climatique ( IMAGINE: Impacts du changement climatique sur la biodiversité et le cycle du carbone en prairie ) Dispositif mini-face (Clermont-Ferrand) +3°C, sécheresse estivale accrue, +200ppm Respiration du solEmissions de N 2 O Température de surface Humidité du sol Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011

Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Les recherches en cours … Evaluation de la capacité du modèle à reproduire les évènements extrêmes (VALIDATE: Vulnérabilité des prairies et des élevages au changement climatique et aux évènements extrêmes Dispositif VALIDATE (Theix) Dispositif factoriel complet C : Témoin T : Climat réchauffé (1°C) et sécheresse estivale +: avec évènement extrême - : sans évènement extrême f : 6 fauches / an i : 3 fauches / an C - iT - i C - fT - f C + i C + f T + i T + f

Applications à l’étude des impacts du CC ORACLE – Kick­off Meeting / 30 et 31 Mai 2011 Les recherches en cours … Cartes françaises des productions de viande/lait (VALIDATE) et cartes européennes du bilan de GES des prairies sous changement climatique