Les émissions de composés azotés par les cultures à l’échelle régionale

Intitulé complet et acronyme du projet :  Emissions de composés azotés par les cUltures à l’échelle régionale : Rétroaction sur le fonctionnement des couverts via l’impact sur la chimie atmosphérique sous différents scénarios d’occupation des terres - EURECA      

Le projet EURECA est issu de l'AAP 2016 du LabEx.              

Porteurs: Raia Massad (ECOSYS) et Nicolas Vuichard (LSCE)

Partenaires

• dans BASC: SADAPT
• hors BASC: Chalmers Technical Univ

Malgré son importance pour la qualité de l'air et le climat, la représentation des émissions d'azote réactif provenant des processus agricoles a été traitée de manière rudimentaire dans les modèles du système terrestre. Une correction de ces lacunes est importante pour modéliser l'impact des évolutions du cycle de l'azote sur la qualité future de l'air. Il est également nécessaire pour évaluer l'impact de l'évolution des pratiques agricoles et de l'utilisation des terres sur le climat. 

À notre connaissance, il n'existe aujourd'hui aucun outil de modélisation capable de rendre compte de l'ensemble de la chaîne des effets et rétroactions, allant des émissions du sol et de la végétation aux changements de concentration atmosphérique et à la chimie, et le retour aux effets sur la végétation à l'échelle régionale et mondiale.

L’objectif du projet phare EURECA est d’améliorer la prise en compte du cycle de l’azote et des pratiques agricoles dans les interactions et rétroactions entre les  modèles de dynamique des écosystèmes et les modèles atmosphériques.

Une amélioration de la prise en compte des processus d'échanges, d'impact et de rétroactions est importante pour modéliser l'impact du changement des pratiques agricoles et des effets du climat sur la qualité de l'air mais aussi de la pollution atmosphérique sur le fonctionnement des agroécosystèmes et leurs capacités à s'adapter aux changements futurs.

===> Les porteurs vous expliquent le projet et ses RESULTATS en VIDEO (journées scientifiques du LabEx, nov. 2020)

Résultats

• Afin de combler le fossé entre les besoins des modèles complexes prenant en compte les processus d’émissions et les modèles atmosphériques à grande échelle, un nouveau modèle d'échange de surface 1-D, appelé ESX (European Surface eXchange Model), a été développé par D. Simpson¹. Des collaborations ont été initié autour de ce schéma de surface afin de l’évaluer et de l’utiliser pour les émissions des couverts agricoles. Cette collaboration a aussi abouti à l’organisation d’une Ecole d’hiver dont l’objectif est d’apporter des enseignements et de créer un réseau de jeunes chercheurs tentant de faire le lien entre le fonctionnement des écosystèmes, la pollution de l'air et changement tant sur la modélisation que sur les aspects expérimentaux.
• Durant les dernières années, le cycle de l’azote a été intégré dans le modèle global d’écosystèmes terrestres ORCHIDEE, développé à l’IPSL et notamment au LSCE². Un des objectifs de cette intégration était de rendre compte des émissions de composés azotés tels que l’ammoniac (NH₃) et l’oxyde nitreux (N₂O). Une comparaison des émissions d’oxyde nitreux simulées par ORCHIDEE avec les données de l’inventaire EDGAR a été réalisé, aux échelles continentale et globale (voir figure ci-dessous). Les travaux portant sur l’estimation de émissions de N₂O par les sols ont contribué à ce que le modèle ORCHIDEE participe au projet d’intercomparaison de modèles NMIP³.  

Figure: Emissions moyennes de N₂O (en gN m^-2 an^-1) à l’échelle globale pour la période 2007-2012 par (a) EDGAR et (b) le modèle ORCHIDEE⁴

Effet de levier

• Les travaux sur les émissions de NH₃ se poursuivent dans le cadre de la thèse de Maureen Beaudor inititulée « Modélisation globale du cycle de l’azote : quantification des interactions biosphère continentale – atmosphère ».
• Un projet faisant suite au projet EURECA est financé dans le cadre de l’appel d’offre Primequal et a débuté en novembre 2020. Intitulé RECAPS, ce projet vise à modéliser l’impact sur la qualité de l’air en France de pratiques agricoles favorables au stockage du carbone dans le sol des agroécosystèmes, tout en tenant compte des impacts rétroactifs de la pollution atmosphérique sur le potentiel de mitigation des GES dans les systèmes de culture.

Références 

1. Simpson, D., Tuovinen, J.-P., 2014. ECLAIRE Ecosystem Surface Exchange model (ESX). In: Transboundary particulate matter, photo-oxidants, acidifying and eutrophying components., EMEP Status Report 1/2014. Norwegian Meteorological Institute.

2. Vuichard, N., Messina, P., Luyssaert, S., Guenet, B., Zaehle, S., Ghattas, J., Bastrikov, V., and Peylin, P.: Accounting for carbon and nitrogen interactions in the global terrestrial ecosystem model ORCHIDEE (trunk version, rev 4999): multi-scale evaluation of gross primary production, Geosci. Model Dev., 12, 4751–4779, https://doi.org/10.5194/gmd-12-4751-2019, 2019.

3. Tian, H., Gerber, S., Davidson, E.A., Olin, S., Thompson, R.L., Chang, J., Joos, F., Canadell, J.G., Yang, J., Lienert, S., Arneth, A., Messina, P., Zhang, B., Lu, C., Ciais, P., Pan, S., Peng, C., Saikawa, E., Xu, R., Vuichard, N., Ito, A., Zaehle, S., Winiwarter, W., Jackson, R.B. : Global soil nitrous oxide emissions since the preindustrial era estimated by an ensemble of terrestrial biosphere models: Magnitude, attribution, and uncertainty. Glob. Chang. Biol. 25, 640–659, 2018.

4. Figure issue du rapport de stage de M1 de Louis-Axel Rambaut       

Publication 

> Massad, R. S., Lathière, J., Strada, S., Perrin, M., Personne, E., Stéfanon, M., Stella, P., Szopa, S., and de Noblet-Ducoudré, N.: Reviews and syntheses: influences of landscape structure and land uses on local to regional climate and air quality, Biogeosciences, 16, 2369–2408, https://doi.org/10.5194/bg-16-2369-2019. Résumé: "The atmosphere and the land surface interact in multiple ways, for instance through the radiative-energy balance, the water cycle or the emission and deposition of natural and anthropogenic compounds. By modifying the land surface, land use and land cover changes (LULCCs) and land management changes (LMCs) alter the physical, chemical, and biological processes of the biosphere and therefore all land–atmosphere interactions, from local to global scales. Through socio-economic drivers and regulatory policies adopted at different levels (local, regional, national, or supranational), human activities strongly interfere in the land–atmosphere interactions, and those activities lead to a patchwork of natural, semi-natural, agricultural, urban, and semi-urban areas. In this context, urban and peri-urban areas, which have a high population density, are of particular attention since land transformation can lead to important environmental impacts and affect the health and life of millions of people. The objectives of this review are to synthesize the existing experimental and modelling works that investigate physical, chemical, and/or biogeochemical interactions between land surfaces and the atmosphere, therefore potentially impacting local/regional climate and air quality, mainly in urban or peri-urban landscapes at regional and local scales. The conclusions we draw from our synthesis are the following. (1) The adequate temporal and spatial description of land use and land management practices (e.g. areas concerned, type of crops, whether or not they are irrigated, quantity of fertilizers used and actual seasonality of application) necessary for including the effects of LMC in global and even more in regional climate models is inexistent (or very poor). Not taking into account these characteristics may bias the regional projections used for impact studies. (2) Land–atmosphere interactions are often specific to the case study analysed; therefore, one can hardly propose general solutions or recommendations. (3) Adaptation strategies, proposed after climatic impacts on the targeted resource have been derived, are often biased as they do not account for feedbacks on local/regional climate. (4) There is space for considering atmospheric chemistry, through land–atmosphere interactions, as a factor for land management, helping to maintain air quality and supporting ecosystem functioning. (5) There is a lack of an integrated tool, which includes the many different processes of importance in an operational model, to test different land use or land management scenarios at the scale of a territory."

Anthropogenic transformation of the terrestrial biosphere showing the number of years of intensive use from Ellis (2011)

(Une figure de l'article susmentionné)