Empreinte carbone d’exploitations agricoles suite à l’adoption des pratiques agroécologiques

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Le stockage de carbone dans le sol

Enjeux agronomiques

Le sol tient une place importante dans le domaine de l’agronomie comme étant à la base de toute production agricole. La qualité des propriétés physiques du sol est en relation avec la teneur en matière organique. Cette dernière est à la base de la stabilité structurale des sols (Bissonnais et Arrouays, 1997) favorisant la résistance à l’érosion, la rétention en eau et des éléments minéraux utiles à la plante. Favoriser le stockage de carbone dans le sol par l’apport de matière organique et la bonne gestion des terres agricoles constitue un facteur important du point de vue agronomique pour l’augmentation et le maintien de la fertilité des sols et donc du rendement agricole.
Nombreuses sont les études déjà entreprises pour évaluer l’effet des techniques culturales sur le stockage de carbone dans les sols. La plupart des comparaisons entre les systèmes de travail du sol montrent des teneurs en carbone significativement plus élevées sous les systèmes sans labour (SCV) par rapport à aux systèmes conventionnels avec labour au niveau des couches superficielles du sol (0-10 cm de profondeur) (Arrouays et al., 2002 ; Razafimbelo, 2005).
La gestion de la fertilité par l’apport régulier de matières organiques telles que fumier et compost constitue également une technique qui permet d’augmenter le stock de carbone dans le sol (Gilley and Risse, 2000 ; Gregorich et al., 2001, Sommerfeldt et al., 1988).
Du point de vue système de culture, différentes études ont mis en évidence le rôle de l’agroforesterie tropicale comme étant une des principales méthodes permettant la plus importante séquestration de carbone dans le système sol-plante et notamment le compartiment sol (Albrecht and Kandji, 2003; Hutchinson et al., 2007).

Enjeux environnementaux

Le sol est également reconnu pour sa fonction puits de carbone qui lui confère un rôle essentiel dans le maintien de l’équilibre des flux de gaz à effet de serre vers l’atmosphère à l’origine du changement climatique. Au niveau du cycle du carbone terrestre, le carbone organique du sol représente le plus grand réservoir en interaction avec l’atmosphère estimé entre 1500 et 2000 Gt à 1 m de profondeur (Figure 8). Ce carbone organique est essentiellement apporté au sol par la matière organique. Les différents rapports du GIEC ont mis en exergue les rôles de l’agriculture et de la foresterie dans les flux de gaz à effet de serre entre le système « sol-végétation-atmosphère ». Une des options identifiées par le GIEC pour atténuer le changement climatique est la séquestration du carbone dans le compartiment sol. En effet, il a été estimé que l’adoption des bonnes pratiques de gestion des sols agricoles peut réduire la concentration de CO2 dans l’atmosphère par la séquestration de carbone dans le sol à hauteur de 50 à 1000 kg/ha/an. Cela correspond à un potentiel de séquestration globale de 0.9 (± 0.3) Gt C/an, réduisant d’un quart à un tiers l’augmentation annuelle de la concentration de CO2 dans l’atmosphère estimée à 3.3 Gt C/an (R. Lal, 2004).

Présentation du milieu d’étude

Situation géographique

L’étude a été réalisée dans la Région Itasy, sur les Hautes Terres Centrales de Madagascar. Etant la plus petite région administrative de Madagascar, elle couvre une superficie de 6727 km2 (Région Itasy, 2005). La Région Itasy est composée de 3 districts, à savoir d’Est à l’Ouest, Arivonimamo, Miarinarivo et Soavinandriana. La région comptabilise au total 51 communes et sa capitale administrative ; Miarinarivo (46°54’22.66″E, 18°57’25.85″S) est située à 88 km d’Antananarivo sur la route nationale n°1 (Carte 1).
La présente thèse ayant été effectuée dans le cadre du projet Mahavotra, les travaux ont été réalisés au niveau de quatre communes de la région où les activités du projet sont les plus concentrées, à savoir, Imerintsiatosika, Miarinarivo II, Analavory et Alatsinainikely.
Carte 1 : Carte de localisation de la Région Itasy et des zones d’activités du projet Mahavotra

Relief

La région Itasy fait partie intégrante des Hautes Terres Centrales de Madagascar. A l’Est, le relief est généralement constitué de collines aux versants convexes surplombant des bas-fonds de largeur variable. Dans la partie Sud-Est, la ligne de crête du massif de l’Ankaratra s’abaisse progressivement vers le Nord en une longue croupe d’orientation subméridienne, suivie par les cours d’eau qui dissèquent la terminaison des plateaux basaltiques du district d’Arivonimamo. Au centre, on a un relief très accidenté aux pentes fortes encaissant fortement les vallées. Plus on va vers l’Ouest, les épanouissements de bas-fonds propres à la riziculture deviennent de plus en plus fréquents (Bastian, 1967).

Climat

La Région Itasy est caractérisée par deux zones climatiques bien distinctes à savoir :
• La zone Imerintsiatosika correspondant à la partie Est de la région où le climat est de type tropical d’altitude à rythme pluviométrique. Les précipitations sont plus importantes en été qu’en hiver. Le mois de juillet est le plus sec de l’année avec 6mm de précipitation tandis que le mois de janvier est le plus arrosé affichant une précipitation moyenne de 304 mm. En termes de température, le mois de février est le mois le plus chaud de l’année avec une température moyenne de 21.0 °C tandis que le mois de Juillet est le plus frais affichant une température moyenne de 14.7 °C.
• La zone Alanavory correspondant à la partie Ouest de la région est caractérisée par un climat de type tropical d’altitude de versant sous le vent. Octobre est le mois le plus sec avec 78 mm de précipitation, tandis que le mois de mars affiche les précipitations moyennes les plus élevée à hauteur de 404 mm. En termes de température, janvier est le plus chaud avec une température moyenne de 26.1 °C et le mois de juillet est le plus frais avec une température moyenne de 19.7 °C.

Type de sol

La Région Itasy est caractérisée par trois principaux types de sol (Carte 2):
 les sols ferrallitiques et ferrugineux qui couvrent une grande partie de la région, environ 57 1089 Ha. On y distingue les sols ferrallitiques rouges, les sols ferrallitiques jaune sur rouge et les associations sols ferrallitiques rouge + jaune sur rouge. Généralement, l’aptitude culturale de ces sols ferralitiques est médiocre ;
 les andosols formés sur roches volcaniques qui occupent 48 420 Ha. Ils sont surtout localisés dans la partie Est du district de Soavinandriana et dans la zone Ouest et Sud-ouest du district de Miarinarivo. Ces sols volcaniques sont généralement plus fertiles.
 les sols hydromorphes à engorgement temporaire ou permanent occupent les bas-fonds de toute la région.

Objectifs et Hypothèses de l’étude

L’objectif de la présente thèse consiste à évaluer les impacts environnementaux de l’adoption des pratiques agroécologiques sur l’empreinte carbone des exploitations agricoles et sur le stockage de carbone dans le sol.
Les hypothèses de travail à tester tout au long de l’étude sont les suivantes :
H1 : L’adoption des pratiques agroécologiques permet d’améliorer l’empreinte carbone des exploitations agricoles.
Afin de tester cette première hypothèse, les objectifs spécifiques suivants ont été fixés : (i) caractériser les exploitations agricoles échantillonnées pour la réalisation de cette étude ; (ii) évaluer les niveaux d’adoption des pratiques agroécologiques par les exploitations agricoles et (iii) élaborer un outil de calcul permettant d’évaluer l’empreinte carbone des exploitations agricoles.
La première partie de cette thèse est consacrée à répondre à cette première hypothèse.
H2: Les pratiques agroécologiques permettent d’améliorer les stocks de carbone du sol.
Les objectifs spécifiques fixés pour pouvoir répondre à cette deuxième hypothèse consistent à (i) mettre en place une approche méthodologique permettant de prédire la teneur en carbone organique des sols via la spectrométrie en moyen infrarouge (MIRS) ; (ii) quantifier et analyser le stock de carbone du sol suivant la diversité des contextes pédologiques et agronomiques rencontrés dans la région Itasy ; (iii) Cartographier le stock de carbone du sol pour pouvoir évaluer et comprendre leur distribution et variabilité spatiale.
La deuxième partie de cette thèse est consacrée à répondre à cette deuxième hypothèse.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1 Contexte scientifique de l’étude
2 Cadrage de la thèse dans le projet Mahavotra
3 L’Agroécologie
3.1 Le concept et définition
3.2 Les pratiques agroécologiques
4 L’empreinte carbone
4.1 Concept et définitions
4.2 Méthodes d’évaluation dans le secteur de l’Agriculture
5 Le stockage de carbone dans le sol
5.1 Enjeux agronomiques
5.2 Enjeux environnementaux
6 Présentation du milieu d’étude
6.1 Situation géographique
6.2 Relief
6.3 Climat
6.4 Type de sol
7 Objectifs et Hypothèses de l’étude
Partie 1 : EMPREINTE CARBONE D’EXPLOITATION AGRICOLE
Chapitre 1 : Caractérisation des exploitations agricoles et carte des flux de ressources
1 Introduction
2 Matériels et méthodes
2.1 Echantillonnage des exploitations agricoles
2.2 Acquisition de données
2.3 Carte des flux de ressource
3 Résultats
3.1 Description des exploitations agricoles
3.2 Caractérisation des exploitations suivant les zones d’étude
3.3 Adoption des pratiques agroécologiques
Chapitre 2 : Elaboration d’un outil de calcul de l’empreinte carbone d’exploitation agricole : TropiC Farm Tool
1 Présentation générale de TropiC Farm Tool
2 Spécificité de TropiC Farm Tool
3 Structure générale de l’outil
4 Méthodologie générale
5 Guide à la saisie de données
5.1 Volet Description
5.2 Volet Agriculture
5.3 Volet Elevage
5.4 Volet Foresterie
5.5 Volet Energie
5.6 Volet Résultat
Chapitre 3: Empreinte carbone d’exploitations agricoles suite à l’adoption des pratiques agroécologiques
1 Introduction
2 Materials and methods
2.1 Description of case study
2.2 Farm survey and resource flow mapping
2.3 Carbon footprint calculation
2.4 Development of a dedicated farm carbon footprint calculator
2.5 Data analysis
3 Results
3.1 Carbon footprint of farms
3.2 GHG sources and sinks at farm scale
3.3 Comparison between farms CFP using Tier 1 and Tier 3 factors for carbon removal in woody biomass and in cropland soil
4 Discussion
4.1 Comparison with similar studies in different contexts
4.2 Contribution of practices to farms CFP
4.3 Influence of agroecological practices on CFP reduction
5 Conclusion
Partie 2 : STOCKS DE CARBONE DES SOLS
Chapitre 1 : Recherche méthodologique pour simplifier le processus de préparation d’échantillons de sol en vue de la prédiction de la teneur en carbone organique des sols par la spectrométrie en moyen infrarouge (SMIR)
1 Introduction
2 Material and methods
2.1 Soil samples
2.2 Sample preparation
2.3 Soil organic carbon references analysis
2.4 Spectrum acquisition and pre-processing
2.5 Statistical analysis
2.6 Regression analysis
3 Results and discussion
3.1 Reference carbon data
3.2 Effect of sample preparation on soil spectra
3.3 Model performances of different soil sample preparations
4 Conclusion
Chapitre 2 : Prédiction de la teneur en carbone organique et de la texture des principaux types de sols de la région Itasy par la spectrométrie en moyen infrarouge (SMIR)
1 Introduction
2 Matériels et méthodes
2.1 Zone d’étude et localisation des parcelles
2.2 Protocole d’échantillonnage de sol
2.3 Préparation des échantillons et analyses spectrales
2.4 Analyse du carbone organique et de la texture en laboratoire
2.5 Prétraitements des données spectrales
2.6 Elaboration des modèles de prédiction
2.7 Paramètres de performance d’évaluation des modèles
3 Résultats
3.1 Caractéristiques des spectres moyens par type de sol
3.2 Statistique descriptive des résultats d’analyse au laboratoire
3.3 Calibration et validation des modèles de prédiction
4 Discussions
5 Conclusion
Chapitre 3: Etude des stocks de carbone des sols et influence des pratiques agroécologiques
6 Introduction
7 Matériels et méthode
7.1 Zones d’étude et échantillonnage
7.2 Inventaire des parcelles de culture
7.3 Prélèvement de sols
7.4 Classification des types de sol suivant leur signature spectrale
7.5 Détermination de la teneur en carbone organique du sol
7.6 Détermination de la densité apparente du sol
7.7 Détermination de la texture du sol
7.8 Calcul du stock de carbone organique du sol
7.9 Analyses statistiques
8 Résultats et discussions
8.1 Classification et identification des types de sol
8.2 Densité apparente et teneur en carbone organique du sol
8.3 Stocks de carbone suivant le type de sol
8.4 Stock de carbone du sol en fonction de la texture du sol
8.5 Stocks de carbone du sol suivant la position topographique
8.6 Stock de carbone du sol suivant les systèmes et pratiques agricoles
8.7 Influence des déterminants du stock de carbone du sol
8.8 Effet des pratiques agroécologiques sur le stock de carbone du sol
9 Conclusion et perspectives
Chapitre 4 : Cartographie des stocks de carbone des sols
1 Introduction
2 Méthodologie
2.1 Zone d’étude
2.2 Détermination du stock de carbone du sol
2.3 Traitement des données spatiales
2.4 Modélisation des stocks de carbone
3 Résultats
3.1 Stocks de carbone du sol
3.2 Résultats de la modélisation
4 Conclusion et perspectives
SYNTHESES ET PERSPECTIVES
1 Synthèse des résultats
2 Perspectives de l’étude
2.1 L’outil TropiC Farm Tool
2.2 Mesure et modélisation de facteurs d’émission et de séquestration de GES
2.3 Application des modèles de prédiction du carbone organique du sol
2.4 Cartographie du carbone
CONCLUSION GENERALE
Références bibliographiques
ANNEXES

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