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Ecran de contrôle de l'ordinateur pilotant la plateforme Phénoarch.. © Inra, SLAGMULDER Christian

Modélisation et agrosystèmes

A l’échelle du paysage : NitroScape modélise la cascade de l’azote

NitroScape est un modèle intégré qui permet de simuler l’ensemble des processus de transfert et de transformation  de l’azote à l’échelle du paysage agricole. C’est l’échelle pertinente pour proposer des stratégies d’atténuation des émissions d’azote.

Par Catherine Foucaud-Scheunemann
Mis à jour le 20/06/2017
Publié le 30/05/2013

L’échelle du paysage est pertinente

Depuis le milieu du XXe siècle, la production agricole s’est fortement accrue grâce à l’augmentation des apports d’azote aux cultures sous forme d’engrais minéral. Cette évolution s’est accompagnée de fuites importantes d’azote réactif (NH3, NO3-, NOx, N2O), résultant d’une cascade de processus depuis les systèmes agricoles vers les autres compartiments de l’environnement (atmosphère et hydrosphère et autres écosystèmes). Ces fuites produisent de multiples impacts : dégradation de la qualité de l’air et impacts sur la santé humaine, acidification des sols (NH3), pollution nitrique des milieux aquatiques et des zones littorales pouvant entraîner leur eutrophisation (NO3-), réchauffement climatique (N2O)...

Un défi majeur de l’agriculture consiste à proposer des stratégies pour réduire ces fuites tout en préservant la capacité de production de l’activité agricole. L’échelle du paysage agricole (quelques km2 à dizaines de km2) est particulièrement pertinente pour répondre à cet enjeu. C’est à cette échelle que sont gérés les apports d’azote aux cultures par les agriculteurs. C’est aussi dans les mosaïques paysagères que les transferts par les voies atmosphérique et hydrologique redistribuent l’azote entre les composantes du paysage et que s’expriment les premiers impacts sur les écosystèmes naturels ou que se produisent les transformations ultérieures de l’azote (e.g. émissions indirectes de N2O).

NitroScape modélise les transferts et les transformations d’azote

NitroScape est un modèle intégrant l’ensemble des processus de transfert et de transformation  d’azote dans les paysages. Il prend en compte les hétérogénéités du paysage, les structures et la gestion de l’azote dans les exploitations agricoles. Il a été développé dans le cadre du projet européen NitroEurope (The nitrogen cycle and its influence on the European greenhouse gas balance, 2006 - 2011).

Il couple différents modèles décrivant les grands processus de transfert et de transformation : gestion de l’azote au sein des exploitations agricoles, notamment pour les activités d’élevage ; transformations et transferts verticaux d’azote par voie bio-physico-chimique dans les agro-écosystèmes (modèle CERES-EGC, Inra Versailles-Grignon) ; transferts latéraux d’azote entre agro-écosystèmes par voie atmosphérique (modèle OPS, Institut national de la santé publique et de l’environnement, NL) et par voie hydrologique (modèle TNT, Inra Rennes).

Les simulations comportent une description spatialement explicite d’un paysage de quelques km2. Les flux sont simulés jour par jour et intégrés à l’échelle du cycle cultural ou de plusieurs années. Le couplage des modèles dans NitroScape a été réalisé à l’aide du coupleur PALM (Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique, Toulouse).

NitroScape permet de rendre compte de la dynamique des flux d’azote et des interactions spatiales entre les composantes du paysage et d’évaluer la contribution de chacune des voies de transfert aux émissions et bilans d’azote. Ainsi, les émissions indirectes de N2O ont été estimées à environ 21 % des émissions totales de N2O de ce paysage simplifié.

NitroScape, outil d’atténuation des émissions d’azote

NitroScape pourra être évalué à partir des données acquises sur les six sites « paysage » du projet NitroEurope, dont le site breton de l’Observatoire de recherche en environnement « Temps de réponses dans les agro-hydro-systèmes », dans un double objectif :

- apprécier, à l’échelle du paysage, les biais liés à la variabilité intra-maille des modèles de transferts atmosphériques régionaux (Projet européen ECLAIRE - Effects of climate change on air pollution and response strategies for European ecosystems, 2011/2015)

- estimer l’impact de changements des pratiques culturales, des systèmes de cultures ou des aménagements du paysage sur les flux et fuites d’azote dans l’environnement  (Projet national ESCAPADE - Evaluation de scénarios sur la cascade de l’azote dans les paysages agricoles et modélisation territoriale, 2013/2017).

 A terme, NitroScape constitue un outil d’aide à l’identification de leviers d’atténuation des émissions d’azote réactif, en complément des leviers classiques aux échelles de la parcelle et de l’exploitation agricole.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

Département(s) associé(s) :
Environnement et agronomie
Centre(s) associé(s) :
Versailles-Grignon

Référence

Drouet J-L. et al. 2012. Modelling the contribution of short-range atmospheric and hydrological transfers to nitrogen fluxes, budgets and indirect emissions in rural landscapes. Biogeosciences 9: 1647.

L’azote, formes inerte et réactive

L’atmosphère contient 78 % d’azote inerte N2 qui ne peut être utilisé par la majorité des êtres vivants.
Il peut être réduit en ammonium (NH4+) par des micro-organismes du sol, associés ou non à des plantes. Des transformations chimiques et biochimiques opérées par des organismes vivants et des processus de combustion, conduisent ensuite à des formes oxydées : monoxyde NO, dioxyde NO2  ou protoxyde N2O-, au nitrite NO2- et au nitrate NO3-. A ces formes minérales, s’ajoutent des formes organiques : urée, amines et protéines. L’ensemble constitue l’azote réactif.