# Le carbone dans les grandes cultures

Eric Ceschia

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Eric Ceschia. Le carbone dans les grandes cultures. Journée de la Science, CNES, Nov 2023, Paris, France. 23 p. hal-05115368

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# Le carbone dans les grandes cultures

Eric Ceschia, DR INRAE au CESBIO

<table><tr><td>13.45-15.15</td><td>Le cycle du carbone</td><td>animateur : Carole Deniel (CNES)</td></tr><tr><td>13.45-13.50</td><td>Introduction</td><td>Carole Deniel (CNES)</td></tr><tr><td>13.50-14.05</td><td>Les mesures des Gaz à effet de Serre depuis l'espace</td><td>François-Marie Bréon (LSCE)</td></tr><tr><td>14.05-14.20</td><td>L'espace au service des forêts</td><td>Jérôme Chave (CNRS)</td></tr><tr><td>14.20-14.35</td><td>Le carbone dans les grandes cultures</td><td>Eric Ceschia (CESBIO)</td></tr><tr><td>14.35-14.50</td><td>L'observation spatiale au service du cycle du carbone océanique</td><td>Hubert Loisel (LOG)</td></tr><tr><td>14.50-15.05</td><td>Faire converger le bilan carbone planétaire</td><td>Philippe Ciais (LSCE)</td></tr><tr><td>15.05-15.15</td><td>Discussions</td><td></td></tr></table>
Les sols, un grand réservoir de C mais avec de grandes disparités

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

en Giga tonne = 10⁹ tonne (1 milliard de tonnes)

* Le carbone est présent dans les sols en grande quantité sous forme de matière organique plus ou moins décomposée (ex. débris de feuilles et de racines, humus, associations organo-minérales)

* Mais forte variabilité spatiale des stocks en partie liées aux activités anthropiques

Variabilité spatiale des stocks de Carbone Organique des Sols (COS) à l'échelle globale sur la couche 0-30 cm

<figure><img src="image_2.png" /></figure>
# Les sols, un grand réservoir de C mais avec de grandes disparités

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

en Giga tonne = $10^9$ tonne (1 milliard de tonnes)

* Le carbone est présent dans les sols en grande quantité sous forme de matière organique plus ou moins décomposée (ex. débris de feuilles et de racines, humus, associations organo-minérales)

* Mais forte variabilité spatiale des stocks en partie liées aux activités anthropiques

Variabilité spatiale des teneur en Carbone Organique des Sols (COS) en surface sur l'Europe

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

Teneur en C des sols
Tourbières >>> prairies > forêts >> cultures
# Les sols, un grand réservoir de C mais avec de grandes disparités

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

en Giga tonne = $10^9$ tonne (1 milliard de tonnes)

* Le carbone est présent dans les sols en grande quantité sous forme de matière organique plus ou moins décomposée (ex. débris de feuilles et de racines, humus, associations organo-minérales)

* Mais forte variabilité spatiale des stocks en partie liées aux activités anthropiques

Effet des changements d'occupation du sol sur les stocks de matière organique des sols (d'après Deng et al. 2016)

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

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

Approche type « inventaire »
# Accroitre les stocks de Carbone Organique des Sol (COS), un enjeux climatique et de sécurité alimentaire

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

Accroitre les stocks de COS dans les sols de 0,4% (soit 4 pour 1000) par an permettrait de compenser les émissions annuelles globales de CO₂, d'accroitre la fertilité des sols et la résilience des cultures aux extrêmes climatiques → **mais où et comment ?!**

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

Expertise nationale : Stocker du carbone dans les sols français. Quel potentiel et à quel coût ? (Pellerin et al. 2019) → stat. nationales (pratiques), modèle agronomique STICS + plusieurs scénarii.

* Un potentiel de stockage supplémentaire de C de 5,78 à 8,6 Mt C/an dans la couche de sol de 0 à 30 cm (selon que l'on considère que des cultures intermédiaires étaient déjà en place ou non)

* Cela représente une augmentation annuelle de :

* +5,2 à +8,3 % des stocks de COS pour les terres cultivées → 62 % de cet effet via cultures intermédiaires

* +0,9 % pour les prairies

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Additional C storage potential in tC/ha/yr</figcaption></figure>
# Accroitre les stocks de Carbone Organique des Sol (COS), un enjeux climatique et de sécurité alimentaire

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

Accroitre les stocks de COS dans les sols de 0,4% (soit 4 pour 1000) par an permettrait de compenser les émissions annuelles globales de CO₂, d'accroitre la fertilité des sols et la résilience des cultures aux extrêmes climatiques → **mais où et comment ?!**

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Expertise nationale : Stocker du carbone dans les sols français. Quel potentiel et à quel coût ? (Pellerin et al. 2019) → stat. nationales (pratiques), modèle agronomique STICS + plusieurs scénarii.

* Un potentiel de stockage supplémentaire de C de 5,78 à 8,6 Mt C/an dans la couche de sol de 0 à 30 cm (selon que l'on considère que des cultures intermédiaires étaient déjà en place ou non)

* Cela représente une augmentation annuelle de :

* +5,2 à +8,3 % des stocks de COS pour les terres cultivées → 62 % de cet effet via cultures intermédiaires

* +0,9 % pour les prairies

## Exemples de cultures intermédiaires

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Moutarde blanche</figcaption></figure>

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Radis fourrager</figcaption></figure>

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

<figure><img src="image_16.png" /></figure>
# Accroitre les stocks de Carbone Organique des Sol (COS), un enjeux climatique et de sécurité alimentaire

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

Accroitre les stocks de COS dans les sols de 0,4% (soit 4 pour 1000) par an permettrait de compenser les émissions annuelles globales de CO₂, d'accroitre la fertilité des sols et la résilience des cultures aux extrêmes climatiques → **mais où et comment ?!**

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Expertise nationale : Stocker du carbone dans les sols français. Quel potentiel et à quel coût ? (Pellerin et al. 2019) → stat. nationales (pratiques), modèle agronomique STICS + plusieurs scénarii.

* Un potentiel de stockage supplémentaire de C de 5,78 à 8,6 Mt C/an dans la couche de sol de 0 à 30 cm (selon que l'on considère que des cultures intermédiaires étaient déjà en place ou non)

* Cela représente une augmentation annuelle de :

* +5,2 à +8,3 % des stocks de COS pour les terres cultivées → 62 % de cet effet via cultures intermédiaires

* +0,9 % pour les prairies

* Ce potentiel se trouve principalement dans les sols de grandes cultures car sols très appauvris en COS par l'agriculture intensive

* Extrapolé au profil du sol entier ce stockage supplémentaire de C compenserait 6,8 à 10% des émissions nationales de GES !

## Exemples de cultures intermédiaires

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Moutarde blanche</figcaption></figure>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Radis fourrager</figcaption></figure>

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

<figure><img src="image_22.png" /></figure>
# Un manque de connaissance sur les systèmes agricoles

* Niveau d'adoption des pratiques agroécologiques ??

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

Illustrations: Arbre et Paysage 32

Manque d'outils de diagnostiques spatialisés pour dresser un état des lieux des pratiques et objectiver leurs bénéfices environnementaux (services écosystémiques) notamment d'un point évolution des stocks de C, émissions de GES, modifications d'albédo de surface...
# Une réalité du terrain hélas plus complexe...

* Hétérogénéité spatiale de mise en oeuvre des cultures intermédiaires et de leur développement

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

Réal. A. Herblot, C. Marais-Sicre, JF Dejoux, E. Ceschia pour le projet Bag'Ages (financement AEAG): données Sentinel 2

Aucun modèle agronomique ne peut prédire cette hétérogénéité de développement et les conséquences en termes de stockage du carbone (et autres effets climatiques : albédo, flux de chaleur, évapotranspiration...)

L'assimilation de données de télédétection dans des modèles de cultures peut permettre d'objectiver ces effets
# La télédétection pour cartographier les cultures

* Cartographie annuelle de l'occupation des sol et des cultures à 20m de resolution grâce aux données Sentinel 1 et 2 de l'ESA et au logiciel IOTA²

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

Crédits image : CLS

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

Theia

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

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

Approches similaire utilisée de manière opérationnelle depuis 2023 par plusieurs Agences de Paiement en Europe pour vérifier les déclaration PAC des agriculteurs.

Inglada J., Thierion V., Fauvel M.
# La télédétection pour cartographier les pratiques

* Cartographie des pratiques agricoles durant les périodes d'interculture avec les données Sentinel

## Etat des intercultures sur la France en 2019

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

Collab. KERMAP & CESBIO : données Sentinel 2

## Cartographie des cultures intermédiaires en Europe

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Fendrich et al. (2023) : données Sentinel 1
# Effet durée de couverture des sols sur les flux nets annuels de CO₂

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Flux nets annuels de CO₂ en 2019 : toutes les cultures</figcaption></figure>

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

With the support of
# Effet durée de couverture des sols sur les flux nets annuels de CO₂

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>## Flux nets annuels de CO₂ pour les maïs en France en 2019</figcaption></figure>

Réalisation A. Ihasusta & L. Arnaud

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>## Types de maïs (données RPG)</figcaption></figure>

Malgré un cycle de végétation plus courts, les maïs ensilage fixent plus de CO₂ que les maïs grains car ils sont précédés par des couverts végétaux (directive nitrate).

Approche très simple mais peu précise ➔ permet quand même de visualiser des effets gestion (date récolte, cult. intermédiaires) et réglementation (directive nitrate) sur la durée de couverture du sol
# Comment aller jusqu'à quantifier les bilans C

Le bilan C représente un gain ou une perte en carbone organique du sol, principalement sous forme de matière organique, entre deux dates (année culturale, rotation...)

## 2 approches

**Mesure directe des variations de stocks de C organique du sol**

<figure><img src="image_35.png" /></figure>

25 à 75 échantillons/ha entre 2 dates →
trop couteux, risque d'échantillonnage peu
représentatif, incertitudes de mesures,

<figure><img src="image_36.png" /></figure>
# Comment aller jusqu'à quantifier les bilans C

Le bilan C représente un gain ou une perte en carbone organique du sol, principalement sous forme de matière organique, entre deux dates (année culturale, rotation...)

## 2 approches

Mesure directe des variations de stocks de C organique du sol

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

25 à 75 échantillons/ha entre 2 dates →
trop couteux, risque d'échantillonnage peu
représentatif, incertitudes de mesures,

Comptabilité des entrées-sorties

Approche plus dynamique mais qui nécessite de pouvoir quantifier tous les flux de C entre la parcelle et son environnement par des mesures ou via la modélisation.

<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Tour à flux (Pibrac, 32)</figcaption></figure>

Bilan C

<figure><img src="image_39.png" /></figure>
# Approche combinant satellite et modélisation pour l'estimation spatialisée des bilans C

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

SAFYE-CO2

## Initiée il y a 10 ans...

### Objectif :

1) Obliger le modèle de culture (SAFYE-CO2) à reproduire la dynamique et l'intensité de développement de la culture vue par satellite → **biomasses, rendements, flux et bilans plus précis et objectif avec prise en compte implicite des stress (N, eau...) et de certaines pratiques,**

2) Processus de minéralisation matière de la organique volontairement très simple (car forte incertitude des cartes de propriétés de sol)

<figure><img src="image_41.png" /></figure>
<figure><img src="image_42.png" /></figure>

# Cartographie des composantes du bilans C pour les tournesols

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>Flux net de CO₂</figcaption></figure>

NEP (gC/m2/yr)
-91 - 50
-50 - 0
0 - 50
50 - 100
100 - 150
150 - 200
200 - 232
Altitude (m)
144
184
224
264
304

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>C récolté</figcaption></figure>

Cexp (gC/m2/yr)
132 - 155
119 - 132
110.0 - 119
101 - 110.0
91.0 - 101
80.0 - 91.0
68 - 80.0
Altitude (m)
144
184
224
264
304

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>Bilan C</figcaption></figure>

NECB (gC/m2/yr)
64 - 90
90 - 143
143 - 169
169 - 192
192 - 215
215 - 242
242 - 300
Altitude (m)
144
184
224
264
304

Pique et al (2020b) dans Remote Sensing

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

B

ΔNEP (gC/m2/yr)
0
-28 - -56
-56 - -84
-84 - -112
-112 - -140

Effet des repousses/adventices/couverts estivaux sur les flux nets annuels de CO₂ → seule une approche combinant satellite et modélisation permet de quantifier ces effets
# Cartographie des bilans C à haute résolution et leurs composantes

Applications multiples : PAC (Green Deal), inventaires nationaux (COP21), marché du C en agriculture

https://www.cesbio.cnrs.fr/agricarboneo/

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

Flux nets annuels de CO₂ pour les céréales à paille en 2019 : 110 x 110 km à 10m de résolution

<figure><img src="image_48.png" /></figure>

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

## Biomasse de cultures + Incertitudes

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

Première carte de bilans C à 10m de résolution C en 2019, pour des parcelles en rotation couverts/maïs/blé (France)

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

+ données sur
amendements
organiques et
modèle sol AMG

<figure><img src="image_52.png" /></figure>

## Biomasse de cultures intermédiaires + Incertitudes

<figure><img src="image_53.png" /></figure>

Projet Naturellement popcorn en collab. avec Nataïs bpifrance
# Effet des cultures intermédiaires sur les flux nets annuels de CO₂

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

## Double exercice de simulation :

Couverts végétaux

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

+

Maïs

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

Incertitude

<figure><img src="image_57.png" /></figure>

<figure><img src="image_58.png" /></figure>

Forte
hétérogénéité
intra-parcellaire

### Distribution des différences entre les 2 simulations

<figure><img src="image_59.png" /></figure>

### Différence entre les simulations

Soit en moyenne 200g de MS/ha/an ou environ 0,3 t C/ha stocké par an par les cultures intermédiaires

<figure><img src="image_60.png" /></figure>

Réalisation A. Al Bitar
# Estimation des émissions de méthane en riziculture

Exemples d'utilisation de la télédétection pour cartographier les pratiques et les stades de développement du riz → pour mieux simuler les émissions de méthane

Thèse HOA PHAN (2018): données Sentinel 1

<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>Figure 62. Rice crop intensity map in the Mekong River Delta in 2016.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>Figure 57. Phenological stage map (12 stages) on 12/01/2017 of Winter-Spring 2017 in the Mekong Delta (left) and An Giang province (right).</figcaption></figure>

Zhang et al. (2016)

<figure><img src="image_63.png" /></figure>
# Effets sur l'albédo de surface des cultures intermédiaires (CI)

L'albédo représente la fraction de rayonnement solaire réfléchie vers l'espace (varie entre 0 et 1). Quand on l'augmente cela génère un effet refroidissant sur le climat (on parle de forçage radiatif, FR),

En complément de la réduction des émissions de GES et du stockage de C dans les sols c'est un levier efficace d'atténuation du changement climatique.

<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>Albédo de sol nu issus de MODIS (Carrer et al., 2018)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_65.png" /></figure>

Fort effet
refroidissant
des cultures
intermédiaires

Faible effet
refroidissant des
culture intermédiaires
voire effet réchauffant

La télédétection peut nous guider pour choisir où implanter ou non des CI pour accroitre l'albédo de surface
# Effets sur l'albédo de surface des cultures intermédiaires (CI)

L'albédo représente la fraction de rayonnement solaire réfléchie vers l'espace (varie entre 0 et 1). Quand on l'augmente cela génère un effet refroidissant sur le climat (on parle de forçage radiatif, FR),

En complément de la réduction des émissions de GES et du stockage de C dans les sols c'est un levier efficace d'atténuation du changement climatique.

Forçage radiatif induit par la couverture des sols grâce aux CI :
modèle RFCC + données satellites MODIS (Pique et al. 2023)

<figure><img src="image_66.png" /></figure>

* Cet effet albédo pourrait représenter l'équivalent d'un puits de 6.74 Millions de tCO₂-eq.an⁻¹ si on généralisait les CI à toute les intercultures de plus de 2 mois → soit une compensation annuelle d'environ 15% des émissions de GES de l'agriculture en Europe,

* Mais attention à couvrir en permanence les sols quand on y stocke du C !!!
Sinon on assombrit les sols → on piège plus d'énergie à la surface → partiellement réémise sous forme de rayonnement IR qui interagissent avec les GES,

Importance de considérer conjointement l'effet des pratiques et changements d'occupation du sol sur les bilans C/GES et sur les flux d'énergie à la surface pour établir des stratégies d'atténuation du changement climatique plus efficaces !!!
Merci pour votre attention !