Méthode d'évaluation de l'intégration des systèmes agriculture-élevage : cas d'un modèle de simulation d'exploitations mixtes

Méthode d'évaluation de l'intégration des systèmes

agriculture-élevage :

Cas d'un modèle de simulation d’exploitations mixtes

Stéphanie Alvarez

Doctorante du CIRAD

Atelier de travail sur l’Intégration Agriculture Elevage

Contexte

fermes laitières en intégration agriculture-élevage

deux piliers économiques et culturels :

riz et vaches laitières

- petites exploitations familiales

- une dynamique laitière forte

- plusieurs cultures agricoles par an (saisons sèche et humide)

- agriculture avec peu

d’intrants minéraux de l’extérieur :

importance des fumures organiques dans la fertilité des sols

- (presque) toute la biomasse disponible est utilisée par les animaux :

alimentation et litière

 système complexe avec une pression élevée sur les ressources

Représentation schématique d'un système agricole basé sur l'intégration agriculture – élevage (Thorne 1998)

Context

Contexte

Problèmes de

répartition de

la biomasse

entre le sol et

l'élevage : toute la

biomasse est

exportée pour

l'élevage

… fertilité des

sols soutenue

par le fumier

actuellement

l'élevage est le

seul

(ou presque)

moyen utilisé

pour maintenir

la fertilité des

sols

Context

Objectif

évaluer l'impact des changements dans la répartition de

la biomasse sur les indicateurs de production et de

l'environnement

Famille

Sol

Elevage

Culture



Famille

Sol

Culture

Elevage

4/20

?

?

?

!

?

?

agriculture culture-élevage de la région de Antsirabe

«immersion» : comprendre comment la ferme fonctionne et initier

une base de donnés

critères

critères de sélection avec partenaires pour couvrir

DIVERSITÉ DE LA RÉGION

William

Rakoto

Jules

Raheli.

partenaires

locaux

base de donnés :

données agronomique, techno-économique

- famille (histoire, objectives)

- cultures (input, output)

- élevage (laitier et autres)

- autres activités, etc.

“immersions”

«

maté

rie

l

»

résultats

méth

od

e

Méthodologie

5/20

Méthodologie

±

0 60 120 Metres 0 3 6 Kilometers Manan. Antsoso Betafo Antsirabe

^

_

Andrano. Ambohi.

^

_

#

^

`

Antsirabe town Villages Study sites (soil sampling)

Homestead farm (transect)

I1 : Lithic Raw Mineral soils on granite (Lithosol) I2: Lithic Raw Mineral soils on gneiss (Lithosol) I3: Lithic Raw Mineral soils on quartzite (Lithosol)

VI1: Eutrophic Brown soils on volcanic ash (Eutric Cambisol)

VIII7: Typical Red Ferrallitic soils on acid rock (Haplic/Rhodic Ferralsol) VIII8: Typical Red Ferrallitic soils on eroded phase (Haplic/Rhodic Ferralsol)

VIII9: Typical Brown-red Ferrallitic soils on basic rock (Haplic/Rhodic Ferralsol) VIII11: Leached Yellow Ferrallitic soils on colloid (Haplic/Rhodic Ferralsol)

(A) El e v a tion (m ) Distance (km)

Manan. Ambohi. Andrano. Antsoso

(B)

carte des sols (A) et transect (B) de la zone d'étude

adapté de la carte des sols de Madagascar de Riquier (1968) avec le système de

classification français (CPCS, 1967) et le correspondant de classification FAO-Unesco

critères

William

Rakoto

Jules

Raheli.

partenaires

locaux

base de

donnés

outil = modèle

• ensemble de la ferme

• dynamique

• «stock» et flux

conceptualisation

du modèle

Pour choisir les simplifications

Pour choisir les outils informatiques

Analyse SPIR :

fourrage

complément

fèces

fumier

sols

Méthodologie

agriculture culture-élevage de la région de Antsirabe

l'outil : modèle de simulation de l’ensemble de la ferme

(avec Vensim

®

₎

 modèle global :

modèle GAMEDE

(Vayssières et al., 2009)

(A) Stoorvogel & Antle (2007)

(B) Passioura (1996)

Tittonell P., PhD Thesis (2008)

 pour adapter et simplifier au contexte des fermes mixtes malgaches

 pour compléter les sous-systèmes sols et cultures :

modèle FIELD (T

ittonell et al., 2008)

Méthodologie

autoconsommation :

quantité riz consommé/p/mois quantité maïs consommé /p/mois quantité haricot consommé/p/mois quantité lait consommé

MO familiale :

quantité MO adultes famille quantité MO adultes permanents quantité MO enfants non scolarisé quantité MO enfants scolarisé quantité MO enfants permanents

production :

quantité biomasse (PAR, LAI, …) qualité (MS, PB, MS, C/N) taux N absorbé

taux Nstress = taux N limitant taux H2O absorbé

taux H2O transpiré

taux Pstress = taux P limitant

retour au sol qté MO résiduelle, qté MO apportée porc nb porcelets, prix achat, nb porc vendus, prix ventes entrées :

ventes lait, grains, tubercules bovins, porcs, poules, œufs, fromage MO

drainage qté H2O drainée lixiviation qté N sortie avec f(drainage) érosion ? qté terre perdue après forte précipitation, taux C ferti. minérale qté d’engrais apporté % N/engrais provende & grains qté achetée, qualité nutri

CROPS

(rice, maize, raygrass, …)

LIVESTOCK

SOIL

FAMILY

Climate

SYSTÈME D’ÉLEVAGE

bozaka extérieur temps en pâture, qté boz. récoltée, qté achetée matière monétaire énergie (W, Rg, T…) évaporation qté H2O évaporé (ETR-Transp)

bilan C : stock C du sol

taux de matière organique du sol (MOS)

bilan N : stock N du sol

qté absorbée plante qté apporté dégradation MO qté apporté fertilisation minéral (NKP ou urée) qté apporté fertilisation fumure organique

qé perdue par lessivage (liée avec drainage)

bilan hydrique : stock H₂O sol

précipitations ; RU ; ETR qté H2O drainée f(drainage)

ITK/culture :

MO nécessaire à la mise en culture et récolte

coût (qté et prix) de production (semence, intrant, MO)

coupe fourrage : MO nécessaire à la coupe MO nécessaire transport coût achat données météo : Ray. global (Rg) Températ. Précipit. ETP production de lait :

quantité lait ; qualité (nutri.) ?

production excrétas :

quantité bouses ; tx MO des bouses , tx C bouses ; tx N bouses

quantité d’urine ; taux N urine

production de fumure organique :

qté produite ; tx de f bouses, tx herbes ajouté tx de MO totale; taux C/N ; taux humidité

pertes :

qté lait perdu

qté azote perdu stockage fumier

besoin nutritionnel du troupeau :

besoin en UFL/UGT, MS/UGT, PB/UGB, MAD/UGB… besoin en eau

dynamique démographique du troupeau :

nombre de vl ; nb de génisse ; nb de velles, de vx…

tx fertilité ; tx mortalité

nb animaux acheté ; nb animaux vendus

gestion du troupeau :

MO nécessaire traite (h)

MO nécessaire alimentation (distribution) MO nécessaire maintenance bâtiments

alimentation et complémentation :

qté fourrage données, consommés, rejetés qté bozaka données, consommés, rejetés qté ensilage ; coût ensilage ; qualité (UFL, PD, MS…) ensilage

qté provende

atelier transformation :

qté lait transformé ; nb de produits qté MO nécessaire transformation coût transformation nb fromages vendus précipitation qté H2O apportée argent :

quantité cash nécessaire (alim, santé, hygiène, transport…) quantité argent nécessaire scolarité

vente lait (quantité*prix) vente animaux (quantité*prix) trésorerie disponible nutrition plante qté H2O absorbée qté N absorbé LEGENDE flèche sorties :

achats premières nécessitées, scolarisation, intrants cultures, matériel, MO extérieurs, grains, fourrages extérieurs, provende, dépenses véto, autres dépenses

taille élevage :

nb de poules, nb porcs

production de œuf & viande :

quantité oeuf./mois durée du cycle ; nb moyen porc vendus nb moyen poule vendues production excrétas porcs & poules : quantité déjections, tx N déjections qtité ajouté à fumier alimentation des anx: besoin en grain (riz, maïs, orge,… ) besoin en eau gestion MO : MO nécessaire volailles nb achetées, nb vendues, nb œuf vendus, prix achat et ventes ventes lait qté vendue, prix vente ventes fumier qté vendus prix vente

ventes prod. agricole

qté vendue prix vente alimentation fourrages, pailles et résidus qté récoltée, distribuée qualité nutritive consommation de grain et tubercules qté récoltées, qté distribuées épandage type de fumure, qté épandue, qualité (C/N, H2O) consommation prod. animaux type de prod qté consommées

Modèle

FIELD

Modèle

GAMEDE

Tittonell et al., 2008

Vayssières et al., 2009

9/20

Vayssières et al., 2009

acquissions de données

pour paramétrer le modèle

Gamede

quel est le fonctionnement des

exploitations et en particulier atelier

animal ?

immersions dans les exploitations et suivis

(dont stages Constance, Batiste, Lova x 2)

- caractérisation exploitations (surfaces, activités,…)

- estimation des productions (lait, fromage, cultures,...)

- détermination valeurs nutritives fourrages

- caractérisation quantité et qualité des fumiers (flux azote)

Modèle

GAMEDE

Tittonell et al., 2008

acquissions de données pour

paramétrer le modèle sol

quelle est la variabilité de la fertilité du sol ?

échantillons de sol au niveau des parcelles

- analyse laboratoire (Cirad-Réunion)

- prédiction MIRS (LRI) : C organique, azote total et P

- prédiction NIRS (Cirad-Réunion) : pH et CEC

- cartographie des indicateurs de fertilité

Modèle

FIELD

Résultats

relation entre azote total et carbone organique du sol

0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4

carbone organique (g.kg

-1

_MS)

azo

te

total

(g.kg

-1

MS)

R² = 0.94 12/20

Résultats

Toposéquences

Tan : Tanety

Tr : Terrasse de rizière au pied de colline

Ri : Rizière de bas-fond

Ba : Baiboho

a b b c _{a b b c a a a a} c a b a c b a ab

0

20

40

60

80

sto

ck

car

b

o

n

e

o

rg

an

iq

u

e

(t

onne.

ha

-1

;

0

-20

c

m

)

Tan

0

1

2

3

4

az

ote

total

(g.

k

g

-1

MS)

50

100

150

200

P

assimi

lab

le

(m

g.

k

g

-1

M

S)

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

pH

2

4

6

8

10

C

EC

(m

e.

100

g

-1

M

S)

paradoxe Tanety - bas-fond

13/20

Tr

Ri

Ba

Tan Tr

Ri

Ba

Tan Tr

Ri

Ba

Résultats

ITK

S : sans labour

SCV : SCV

Mc : Mise en culture conventionnel

d’une parcelle

après bozaka / jachère / SCV

b a b b c bc a b bc ac c c ab b a

0

20

40

60

80

0

1

2

3

4

50

100

150

200

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

2

4

6

8

10

Mj : Mise en jachère / repos

C : ITK conventionnel avec labour

14/20

sto

ck

car

b

o

n

e

o

rg

an

iq

u

e

(t

onne.

ha

-1

;

0

-20

c

m

)

az

ote

total

(g.

k

g

-1

MS)

P

assimi

lab

le

(m

g.

k

g

-1

M

S)

pH

C

EC

(m

e.

100

g

-1

M

S)

S

SCV

Mc Mj C

S

SCV

Mc Mj C

S

SCV

Mc Mj C

S

SCV

Mc Mj C

S

SCV

Mc Mj C

Intensité de fertilisation organique

Fa : faible < 1 kg fumier sec / are / an

Mo : moyen entre 30-50 kg fumier sec / are / an

Fo : forte entre 200-300 kg kg fumier sec / are / an

c b a b a a b b a a a a

Résultats

0

20

40

60

80

Fa

0

1

2

3

4

50

100

150

200

2

4

6

8

10

15/20

sto

ck

car

b

o

n

e

o

rg

an

iq

u

e

(t

onne.

ha

-1

;

0

-20

c

m

)

az

o

te

to

tal

(g.

k

g

-1

M

S)

P

assimi

lab

le

(m

g.

k

g

-1

M

S)

C

EC

(m

e.

100

g

-1

M

S)

Mo

Fo

Fa

Mo

Fo

Fa

Mo

Fo

Fa

Mo

Fo

variabilité géographique de 3 indicateurs de la fertilité des sol : C organique, P et pH

(exploitation M. William)

SCV Bozaka Bois

Résultats

16/20

Résultats

SCV

Bozaka

SCV

• pas de gradient fertilité

• variabilité entre parcelles voisines  utilisation + ITK

• bas-fond : moins acides, mais moins riches en C

Bois

variabilité géographique de 3 indicateurs de la fertilité des sol : C organique, P et pH

(exploitation M. Rahelisaona)

évolution du taux de carbone organique du sol en fonction de l’âge des parcelles :

Vågen

: courbe d’évolution du C calculé pour un système

abattis-brûlis sur tanety dans HT (Vågen et al., 2006)

perte de C en culture annuelle conventionnelle ???

 fertilisation organique ?

 incertitude âge (estimation agriculteur) ?

accumulation C en culture

fourragère pérennes (kizozi)

avec FUMIER !

(A)

cultures annuelles pluviales

durée de culture (années)

0 0 Vågen 0 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 60

c

a

rbone

orga

nique

(g

.kg

-1

M

S

)

0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60

Annual pluvial crops

S o il O rg a n ic C a rb o n ( g .k g -1 D M ) 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 Perennial forage

Period of cultivation (years)

S o il O rg a n ic C a rb o n ( g .k g -1 D M )

(B)

c

a

rbone

orga

nique

(g

.kg

-1

M

S

)

durée de culture (années)

cultures fourragères pérennes

Résultats

prédiction du taux de carbone organique du sol à l’aide d’un modèle linéaire

à effets mixtes (LME)

Résultats

2,5

1,8

0,157

26,0

-

6,5

1,7

< 0,001

17,0

parcelle

5,5

**

0,4

< 0,001

couche pédologique

sol eutrophe sur cendres volcaniques sol typique ferralitique rouge

sol ferralitique jaune sur colloïde

utilisation de la terre

non cultivée

0,6

3,2

0,848

24,1

jachère/repos -

6,8

4,2

0,109

16,7

culture fourragère pérenne

0,5

2,3

0,822

24,0

riz avec contre-saison -

8,0

1,8

< 0,001

15,5

riz -

5,1

2,1

0,014

18,4

maraîchères -

8,7

6,3

0,169

14,8

culture annuelle pluviale

niveau fertilisation organique

moyen

6,3

2,0

0,002

29,8

fort

7,3

2,8

0,009

30,8

faible

ITK

SCV

14,5

3,9

< 0,001

38,0

12,8

3,7

< 0,001

36,3

mise en culture après repos/SCV

3,7

2,5

0,143

27,2

5,1

3,2

0,108

28,6

conventionnel (labour)

non-labour (bozaka/bois) mise en repos récente

19/20

* valeurs prédites calculées avec les covariables des modalités de référence = 0

variables

Intercepte

23,5

2,0

< 0,001

23,5

modalités

coeffic. SE Wald test C org. prédit*

prédiction du taux de phosphore assimilable du sol à l’aide d’un modèle linéaire

à effets mixtes (LME)

* valeurs prédites calculées avec les covariables des modalités de référence = 0

** erreur standard inter-parcelle

Résultats

variables

Intercepte

_63,3

_4,8

_{< 0,001}

_63,3

couche pédologique

sol eutrophe sur cendres volcaniques

22,8

5,7

0,988

86,1

sol typique ferralitique rouge -

0,1

5,1

< 0,001

63,2

niveau fertilisation organique

moyen

- 5,3

5,0

0,295

58,0

fort

16,1

7,0

0,023

79,4

parcelle

20,5**

0,03

< 0,001

modalités

coeffic. SE Wald test P assi. prédit*

sol ferralitique jaune sur colloïde

faible

Carbone = f(couche pédo + utilisation + itk + niveau fertilisation)

toutes les variables montrent un effet significatif

Phosphore = f(couche pédo + utilisation + itk + niveau fertilisation)

Modèles statistiques initiaux pour C et P

seulement couche pédologique et le niveau de fertilisation

montrent un effet significatif  les autres variables sont écartés

du modèle final

Variables écartées dès le début :

(car considérées non pertinente ou présentant des problèmes de corrélations ou équilibre des

données -> problèmes de stabilité des modèles)

- Etat de la parcelle (« couvert ») lors de

l’échantillonnage (récolté, chaumes,

mh, labourée…) : considérées comme non pertinente pour les modèles

-

Topographie : corrélée avec l’utilisation de terre

- Age : corrélé avec le paysage (toutes les rizières > 50 ans)

300 400 500 600 700 800 C la y a n d si lt <2 0 µ m (g .kg -1 D M) Tan Tf Fl Ba 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Bu lk d e n si ty (g .cm -3 ) Tan Tf Fl Ba 0 10 20 30 40 50 60 So il O rg a n ic C a rb o n (g .kg -1 D M) Tan Tf Fl Ba 0 20 40 60 80 St o ck o f SO C (t .h a -1 f o r 0 -2 0 cm ) Tan Tf Fl Ba 0 1 2 3 4 T o ta l N it ro g e n (g .kg -1 D M) Tan Tf Fl Ba 50 100 150 200 Ex tra ct a b le P (m g .kg -1 D M) Tan Tf Fl Ba 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 pH Tan Tf Fl Ba 2 4 6 8 10 C EC (m e .1 0 0 g -1 D M) Tan Tf Fl Ba

Results

Paysages Tan : Tanety

Tf : Terraced foothill (terrasse de rizière au pied de colline) Fl : Flooded lowland (rizière de bas-fond)

Ba : Baiboho a b b b a b ab c a b b c a b b c a b b c a a a a a b c b a b c bc

300 400 500 600 700 800 C la y a n d si lt <2 0 µ m (g .kg -1 D M)

No Dmc New Fall Conv

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Bu lk d e n si ty (g .cm -3 )

No Dmc New Fall Conv

0 10 20 30 40 50 60 So il O rg a n ic C a rb o n (g .kg -1 D M)

No Dmc New Fall Conv

0 20 40 60 80 St o ck o f SO C (t .h a -1 f o r 0 -2 0 cm )

No Dmc New Fall Conv

0 1 2 3 4 T o ta l N it ro g e n (g .kg -1 D M)

No Dmc New Fall Conv

50 100 150 200 Ex tra ct a b le P (m g .kg -1 D M)

No Dmc New Fall Conv

4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 pH

No Dmc New Fall Conv

2 4 6 8 10 C EC (m e .1 0 0 g -1 D M)

No Dmc New Fall Conv

Results

ITK

No : No-tillage (sans labour) DMC : SCV

New : Recent cultivation after natural vegetation/fallow/DMC (mise en culture conventionneld’une parcelle en bozaka ou en jachère ou SCV) Fall : Recent fallow (mise en jachère ou repos)

Conv: Conventional cropping system (itk conventionnel avec labour) a a b a b c b c c a b a a c a b a a c a b c b a b a c a a b c b c