# Evaluation de l'effet de la mise à jour du modèle d'émission de N 2 O: IPCC 2006 > 2019 sur les émissions de N 2 O et l'impact Changement Climatique des ICV Agribalyse

Nesrine Ayari, Julie Auberger

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To cite this version:

Nesrine Ayari, Julie Auberger. Evaluation de l'effet de la mise à jour du modèle d'émission de N 2 O: IPCC 2006 > 2019 sur les émissions de N 2 O et l'impact Changement Climatique des ICV Agribalyse. INRAE SAS. 2022. hal-03889011

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Submitted on 7 Dec 2022

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# Evaluation de l'effet de la mise à jour du modèle d'émission de N₂O : IPCC 2006 > 2019 sur les émissions de N₂O et l'impact Changement Climatique des ICV Agribalyse

Nesrine Ayari, Julie Auberger, UMR SAS
Contexte du travail et but de l'étude

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<figure><img src="image_4.png" /></figure>
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# Les changements effectués à la base Agribalyse pour la mise à jour de la version 3.0.1 vers 3.1

- Les itinéraires techniques n'ont pas été modifiés

- Principal changement sur les ICVs en production végétale : mise à jour du modèle d'émission du N₂O

- Passage du modèle IPCC 2006 à IPCC 2019

- Influence possible de ce changement de modèle : évolution de l'impact Changement climatique des produits

- Autre changement : sur les ICVs de fruits et légumes : mise à jour du modèle d'émission du NH₃

- Passage du modèle EMEP 2006/2009 à EMEP 2016

- Les autres modèles d'émission n'ont pas été modifiés
<figure><img src="image_6.png" /></figure>

# Flux pris en compte dans le modèle N₂O

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

MEANS

INRAO

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

cirad
<figure><img src="image_10.png" /></figure>

# Evolution des facteurs d'émission de N₂O entre les versions 2006 et 2019 du modèle IPCC

<table><caption>Tableau 1 : Evolution des facteurs d'émission de N₂O direct des engrais et résidus de culture, en situation « humide » (cas de la France métropolitaine)</caption><thead><tr><th>Source d'émission</th><th>Facteur d'émission (FE) 2006</th><th>FE 2019</th></tr></thead><tbody><tr><td>engrais minéraux (FE_N<sub>2</sub>O_EM)</td><td>0,01</td><td>0,016</td></tr><tr><td>engrais organiques (FE_N<sub>2</sub>O EO)</td><td>0,01</td><td>0,006</td></tr><tr><td>résidus de culture (FE_N<sub>2</sub>O_RC)</td><td>0,01</td><td>0,006</td></tr><tr><td>Déjections au pâturage : Autres bovin (veau, bœuf, allaitantes)</td><td>0,02</td><td><strong>0,006</strong></td></tr></tbody></table>

<table><caption>Tableau 2 : Evolution des facteurs d'émission de N₂O indirect, en situation « humide » (cas de la France métropolitaine)</caption><thead><tr><th>source d'émission</th><th>FE 2006</th><th>FE 2019</th></tr></thead><tbody><tr><td>N volatilisé (NH<sub>3</sub>, NO) (FE_N<sub>2</sub>O_ind_volat)</td><td>0,01</td><td><strong>0,014</strong></td></tr><tr><td>N lixivié (NO<sub>3</sub>) (FE_N<sub>2</sub>O_ind_leach)</td><td>0,0075</td><td><strong>0,011</strong></td></tr></tbody></table>

* Les facteurs d'émission directe N₂O ont augmenté ou diminué (fonction des sources) pour le modèle IPCC 2019

* Les facteurs d'émission indirecte N₂O ont augmenté pour le modèle IPCC 2019
<figure><img src="image_11.png" /></figure>

Question posée

■ Quelle est l'influence de la mise à jour du modèle d'émission du N₂O sur les émissions de N₂O et l'indicateur de changement climatique (ICC) pour les produits de la base de données AGRIBALYSE?

• Sur l'ensemble des productions végétales de la base ?

• Selon le type de production ?

• Selon que ces productions sont bio ou conventionnelles ?
<figure><img src="image_12.png" /></figure>

## Objectif du travail

- Evaluer l'effet du changement de modèle sur les émissions de N₂O totales

- Evaluer l'effet du changement de modèle selon le type d'émission

- (N₂O_direct, N₂O_Indirect)

- Identifier le(s) type(s) de culture impacté(s) par ce changement de modèle

- Evaluer l'effet du changement de modèle sur les résultats d'impact Changement Climatique
Matériels et méthodes

<figure><img src="image_13.png" /></figure>
<figure><img src="image_14.png" /></figure>

# Origine des données et limites de la BDD

## Données issues :

* Pour les émissions de N₂O : des inventaires de cycle de vie de la base Agribalyse (version 3.0.1 et future 3.1)

* Pour l'indicateur d'impact Changement climatique : calcul avec Simapro sur les données de la base Agribalyse (version 3.0.1 et future 3.1)

## Limites de la BDD :

* Pour les cultures de légumes et fruits : le modèle NH₃ a été mis à jour entre les deux versions, ce qui modifie les émissions de NH₃ (impact sur les émissions de N₂O indirect)
<figure><img src="image_15.png" /></figure>

# Traitement des données Agribalyse

## Ecarter de l'analyse

- les cultures modifiées dans la version 3.1 (exemple : correction de rendement)

- les cultures qui présentent des unités fonctionnelles différentes du kilogramme

- les associations de cultures

- Extraction des données d'émissions de N₂O à partir des XML sortis de MEANS-InOut

- Extraction des données d'indicateurs Changement Climatique à partir des sorties de Simapro

- → Indicateur de changement climatique, méthode EF 2.0

- Les analyses statistiques ont été faites sous R.
<figure><img src="image_16.png" /></figure>

# Paramètres d'étude

## Les paramètres quantitatifs étudiés sont :

* Emission N2O : Emission_N2O_Kg

* Indicateur de changement climatique : Climate_Change_kg.CO2.eq

## Unité fonctionnelle utilisée : Kg de produit

* Les émissions de N2O et l'indicateur changement climatique ont été ramenés à cette unité fonctionnelle pour tous les inventaires étudiés
<figure><img src="image_17.png" /></figure>

# Paramètres qualitatifs étudiés

## Catégorie : deux versions différentes du modèle : (Type_modele)

* IPCC 2006 : Modele_2006 (M0)

* IPCC 2019 : Modele_2019 (M1)

## Catégorie : type d'émission de N2O (directe ou indirecte) : (Type_emission)

* N2O total = $\sum_{n=i}^{n=x} (N_2O \ Direct + N_2O \ Indirect)$ avec x = Type de modèle et i = nom de processus

* Le couple indépendant : N2O direct et N2O indirect

## Catégorie : cinq types de production : (Type_systeme_exploitation)

* Cultures plein champ : céréales + oléagineux + racines et tubercules : Crops_open_field

* Cultures de légumineuses (exclues des grandes cultures car souvent absence de fertilisation azotée) : Legumes

* Les fruits : Fruits

* Les légumes : Vegetables

* Les cultures fourragères : Roughage

* Les semences et plants : Plant seeds

## Sous catégorie : deux modes de production :

* Biologique : Bio

* Conventionnel : Conv

## Sous catégorie : Nom des inventaires de cycle de vie d'Agribalyse : (nom_processus)
<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Effectif des ICV par types et modes de production

<table><thead><tr><th></th><th>Cultures de plein champ</th><th>Légumineuses</th><th>Fourrages</th><th>Légumes</th><th>Fruits</th><th>Semences</th><th>Total</th></tr></thead><tbody><tr><th>Conventionnel</th><td>38</td><td>4</td><td>20</td><td>50</td><td>28</td><td>28</td><td>168</td></tr><tr><th>Biologiques</th><td>34</td><td>8</td><td>30</td><td>4</td><td>12</td><td></td><td>88</td></tr><tr><th>Total</th><td>72</td><td>12</td><td>50</td><td>54</td><td>40</td><td>28</td><td>256</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_19.png" /></figure>

# Distribution des inventaires par type de production en fonction de leurs émissions totales de N₂O

## Densité des inventaires en fonction des émissions totales de N₂O :

Chaque graphique montre un type de production différent, dans chaque graphique une couleur montre la densité des ICV pour un couple {version du modèle (2006, 2019); mode de production (conventionnel, bio)}.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Grandes cultures</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Fourrages</figcaption></figure>

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Légumes</figcaption></figure>

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>Fruits</figcaption></figure>

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>Légumineuses</figcaption></figure>

Ces graphiques montrent que les ICV ne sont pas répartis suivants une loi normale au regard des émissions de N₂O/ kg de produit, quel que soit le type de production.
<figure><img src="image_25.png" /></figure>

# Méthode d'analyse pour évaluer l'effet du changement de modèle sur les émissions de N₂O et ICC

## Vérification de la normalité et de la répartition des données

* La distribution des systèmes en fonction des émissions de N₂O par kg de produit ne suit pas une loi normale

* Les groupes sont indépendants les uns des autres

* Les distributions au sein des différents groupes sont similaires mais de forme quelconque

* Des points aberrants ou des cas exceptionnels

## Choix du test non paramétrique de Kruskal-Wallis pour comparer la différence de médiane entre les groupes

* Hypothèse :

- H0:mri=mr2=...=mrj

- H1:∃(i,j) tel que mri≠mrj

- Avec mr est la **médiane**, i et j sont les différents groupes de catégories

## Réalisation d'une procédure de comparaisons multiples Dwass, Steel, Critchlow-Fligner pour comparer les différences deux à deux (test post hoc)

## Réalisation d'un test Wilcoxon non-paramétrique deux à deux (comparaison des moyennes pour la distribution hors de la loi normale)

* pour dupliquer les résultats
Résultats et discussion

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

<figure><img src="image_27.png" /></figure>
<figure><img src="image_28.png" /></figure>

# Tests de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les émissions totales de N₂O en fonction de la version du modèle

Pour l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE

→ Pas de différence de médiane pour les émissions de N₂O totales quand le test est appliqué sur l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>Figure 1 : Emission des N2O en fonction de type de modèle</figcaption></figure>
<figure><img src="image_30.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les émissions totales de N₂O en fonction de la version du modèle ET du mode de production

## Pour l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE

posthocs5.4<-dscfAllPairsTest(Emission_N2O_Kg ~ Type_Production, data=data_somme_N2O_modele)

Pairwise comparisons using Dwass-Steele-Critchlow-Fligner all-pairs test
data: Emission_N2O_Kg by Type_Production

<table><caption>Figure 1 : Emission des N2O en fonction de type de production</caption><thead><tr><th></th><th>Conventional_M0</th><th>Organic_M0</th></tr></thead><tbody><tr><th>Conventional_M1</th><td>0.96297</td><td>-</td></tr><tr><th>Organic_M1</th><td>0.64462</td><td>0.00737</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

* Pas de différence significative de médiane des émissions de N₂O liées au changement de modèle pour les cultures conventionnelles

* Une différence de médiane des émissions de N₂O liées au changement de modèle est significative pour les cultures biologiques

* Le modèle IPCC 2019 a généré une diminution de **17 % sur la moyenne** pour les émissions N₂O pour les cultures biologiques et une diminution de **14 % sur la médiane**

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

<figure><img src="image_33.png" /></figure>
<figure><img src="image_34.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les émissions totales de N₂O en fonction de la version du modèle, du mode de production et du type de production

## Pour les cultures de plein champ

```
m3<-kruskal.test(Emission_N2O_Kg ~ type_systeme_exploitation, data=data_Impact_enviro)
Kruskal-Wallis rank sum test
data: Emission_N2O_Kg by type_systeme_exploitation
Kruskal-Wallis chi-squared = 220.53, df = 19, p-value < 2.2e-16
```

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Figure 2 : Emission des N2O en fonction du système des cultures plein champs</figcaption></figure>

→ **Pas de différence significative** de médiane des émissions de N₂O liées au changement de modèle pour les cultures de plein champ conventionnelles

→ Une différence de médiane des émissions de N₂O liées au changement de modèle est **significative pour les cultures de plein champ biologiques**

→ Le modèle IPCC 2019 a généré une diminution de **11% sur la moyenne** pour les émissions N₂O pour les cultures biologiques et une diminution de **15% sur la médiane**
<figure><img src="image_36.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les émissions totales de N₂O en fonction du modèle, du mode de production et du type de production

## Pour les fourrages

* Une différence de médiane des émissions de N₂O liées au changement de modèle est **significative pour les fourrages biologiques et pour les fourrages conventionnels (prairies)**

* Le modèle IPCC 2019 a généré une diminution de **22 % sur la moyenne** pour les émissions N₂O pour les prairies biologiques et une diminution de **34 % sur la médiane**

* Le modèle IPCC 2019 a généré une diminution de **25 % sur la moyenne** pour les émissions N₂O pour les prairies conventionnelles et une diminution de **31 % sur la médiane**

<figure><img src="image_37.png" /></figure>
<figure><img src="image_38.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les émissions directes de N₂O, les émissions indirectes de N₂O en fonction de la version du modèle

## Pour l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE

posthocs3<-dscfAllPairsTest(Emission_N2O_Kg ~ type_emission_N2O, data=data_modele)
Pairwise comparisons using Dwass-Steele-Critchlow-Fligner all-pairs test
data: Emission_N2O_Kg by type_emission_N2O
Direct_N2O_M0 Indirect_N2O_M0
Direct_N2O_M1 0.0021 -
Indirect_N2O_M1 4.6e-14 0.0009

Des tendances

<figure><img src="image_39.png" /></figure>

Pour les émissions directes, la distribution des ICV est la même avec la version 2006 et la version 2019 du modèle (aussi bien au niveau de la boîte à moustaches que la queue de distribution). Idem pour les émissions indirectes.

**On conclut à l'absence de différence significative pour les émissions de N₂O direct et de N₂O indirect.**

quand le test est appliqué sur l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE.

On observe seulement une tendance à la diminution de la médiane des émissions directes et une tendance à l'augmentation de la médianes des émissions indirectes en passant du modèle 2006 vers 2019.

<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>Figure 7: Emission des N2O en fonction de type d'émission par modèle</figcaption></figure>

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

<figure><img src="image_42.png" /></figure>
<figure><img src="image_43.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les émissions directes de N₂O, les émissions indirectes de N₂O en fonction de la version du modèle

## Pour les fourrages

```
posthocs4<-dscfAllPairsTest(Emission_N2O_Kg ~ type_emission_N2O, data=Roughage_type_emission)
data: Emission_N2O_Kg by type_emission_N2O
Direct_N2O_M0 Indirect_N2O_M0
Direct_N2O_M1 8.2e-06 -
Indirect_N2O_M1 2.9e-10 0.06720
```

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>Figure 7 : Emission des N2O des cultures fourrager en fonction de type de modèle</figcaption></figure>

→ Une différence de médiane des émissions de N₂O directes liées au changement de version du modèle est **significative pour les fourrages (diminution entre version 2006 et 2019)**

→ Absence de différence significative de médiane pour les émissions indirectes de N₂O
<figure><img src="image_45.png" /></figure>

# Procédure de Dwass, Steel, Critchlow-Fligner sur les émissions directes de N₂O, les émissions indirectes de N₂O en fonction de la version du modèle

## Pour les cultures de plein champ biologiques

posthocs4.1<-dscfAllPairsTest(Emission_N2O_Kg ~ type_emission_N2O, data=bio_crops_type_emission)

data: Emission_N2O_Kg by type_emission_N2O

Direct_N2O_M0_Bio Direct_N2O_M0_Bio Indirect_N2O_M0_Bio
Direct_N2O_M1_Bio 6.923176e-06
Indirect_N2O_M1_Bio 1.8e-12
0.005737757

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 7: Emission des N2O des cultures pleins champs biologiques en fonction de type de modèle</figcaption></figure>

* Une différence significative pour les émissions directes pour les cultures de plein champs biologiques

* Une diminution des émissions directes pour le modèle IPCC 2019

* Une augmentation des émissions N2O indirectes pour du modèle 2019
<figure><img src="image_47.png" /></figure>

# Synthèse

- Diminution des émissions totales de N₂O (directes + indirectes) significative avec la version 2019 du modèle IPCC par rapport à la version 2006 sur :

- les cultures biologiques

- les cultures de plein champ biologiques

- les cultures fourragères conventionnelles et biologiques

- Diminution des émissions directes de N₂O significative avec la version 2019 du modèle IPCC par rapport à la version 2006 sur :

- Les cultures fourragères conventionnelles et biologiques

- Les cultures de plein champs biologiques

- Une tendance à l'augmentation des émissions indirectes de N₂O avec la version 2019 du modèle IPCC par rapport à la version 2006 sur :

- Les cultures plein champs biologiques

- Les cultures fourragères
<figure><img src="image_48.png" /></figure>

# Synthèse graphique : effet du changement de version de modèle d'émission sur les émissions totales de N₂O des ICV AGRIBALYSE

Pas de différence significative pour le groupe

Diminution significative de la médiane des émissions du groupe

<figure><img src="image_49.png" /></figure>
<figure><img src="image_50.png" /></figure>

# Distribution des inventaires en fonction de leur impact changement climatique

## Densité des inventaires en fonction de l'indicateur changement climatique par kg de produit :

Toutes les productions sont représentées dans ce graphique. Une couleur montre la densité des ICV pour un couple {version du modèle (2006, 2019); mode de production (conventionnel, bio)}}.

<figure><img src="image_51.png" /></figure>

Ce graphique montre

- Que les ICV **ne sont pas répartis suivants une loi normale** au regard de l'impacts changement climatique / kg de produit

- Que les rangs des 4 modalités de l'étude sont proches

- Un chevauchement de la répartition des 4 modalités de l'étude
<figure><img src="image_52.png" /></figure>

# Tests de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur les valeurs de l'indicateur d'impact Changement climatique en fonction de la version du modèle

## Pour l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE

m2<-kruskal.test(Climate.change_kg.CO2.eq ~ Type_modele)
Kruskal-wallis rank sum test
data: Climate.change_kg.CO2.eq by Type_modele
Kruskal-wallis chi-squared = 1.1419, df = 1, p-value = 0.2853

→ Pas de différence de médiane pour l'indicateur d'impact changement climatique quand le test est appliqué sur l'ensemble des productions végétales d'AGRIBALYSE

<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>Figure 11 : Indicateur de changement climatique en fonction du type de modèle</figcaption></figure>

ICC en fonction tous les types des systèmes d'exploitations :

m1-kruskal.test(Climate.change_kg.CO2.eq ~ type_systeme_exploitation)
Kruskal-wallis rank sum test
data: Climate.change_kg.CO2.eq by type_systeme_exploitation
Kruskal-wallis chi-squared = 75.236, df = 19, p-value = 7.755e-13

<figure><img src="image_54.png" /></figure>

MEANS

INRAO

<figure><img src="image_55.png" /></figure>

cirad
<figure><img src="image_56.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur l'indicateur Changement climatique en fonction de la version du modèle, du mode de production et du type de production

## Pour les cultures de plein champ

<figure><img src="image_57.png" /><figcaption>Figure 12 : Indicateur de changement climatique des cultures plein champs en fonction du type de modèle</figcaption></figure>

→ **Pas de différence significative** de médiane de l'indicateur Changement climatique lié au changement de modèle pour les cultures de plein champ

→ Ni en conventionnel

→ Ni en bio
<figure><img src="image_58.png" /></figure>

# Test de Kruskal-Wallis et Wilcoxon sur l'indicateur Changement climatique en fonction de la version du modèle, du mode de production et du type de production

## Pour les fourrages

```
posthocs7<-dscfAllPairsTest(Climate.change_kg.CO2.eq ~
  type_systeme_exploitation, data=data_ICC_Roughage)
data: Climate.change_kg.CO2.eq by type_systeme_exploitation

Roughage_bio_M0 Roughage bio M0 Roughage conv_M0
Roughage_bio_M1 0.20344 -
Roughageoj conv_M1 0.8934 0.01013
```

→ **Pas de différence significative de médiane de l'indicateur Changement climatique liées au changement de modèle pour les fourrages biologiques (une tendance à la baisse)**

→ **Une différence de médiane de l'indicateur Changement climatique liées au changement de modèle pour les fourrages conventionnels (diminution de l'impact)**

<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>Figure 15 : Indicateur de changement climatique du systeme fourrager en fonction du type de modele</figcaption></figure>
<figure><img src="image_60.png" /></figure>

Conclusion

Par kg de produit, on a constaté une baisse significative des émissions totales de N2O pour

• Les productions végétales en bio

• Les cultures de plein champ en bio et les fourrages en bio

• Les fourrages conventionnels

Par kg de produit, on a constaté une baisse significative de l'impact changement climatique pour

• Les fourrages conventionnels

Pour les prairies et cultures de plein champ bio, la diminution significative des émissions de N2O ne se reporte pas sur l'indicateur changement climatique

→ Pour expliquer ce résultat il faudrait réaliser une analyse de contribution des éléments du système à l'impact

Globalement : sur l'ensemble des productions végétales par kg de produit, la mise à jour du modèle N2O n'a pas eu d'impact significatif sur l'impact changement climatique