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 ElevageAntsirabe, 20 et 21 juin 2011

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

2/20

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

ContextContexte

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

3/20

ContextObjectif

évaluer l'impact des changements dans la répartition de

la biomasse sur les indicateurs de production et de

l'environnement

FamilleSol

ElevageCulture

FamilleSol

CultureElevage

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 Raheli.Jules

partenaires

locaux

base de donnés :données agronomique, techno-économique

- famille (histoire, objectives)

- cultures (input, output)

- élevage (laitier et autres)

- autres activités, etc.

“immersions”

«m

até

riel»

résulta

tsm

éth

ode

Méthodologie

5/20

Méthodologie

±

0 60 120 Metres0 6 Kilometers3

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)

Ele

vatio

n (m

)

Distance (km)

Manan. Ambohi. Andrano. Antsoso(B)

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

6/20

critères

William Rakoto Raheli.Jules

partenaires

locaux

base de

donnés

outil = modèle• ensemble de la ferme

• dynamique

• «stock» et flux

conceptualisationdu 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

7/20

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 (Tittonell et al., 2008)

Méthodologie

8/20

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 solqté MO résiduelle, qté MO apportée

porcnb 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

extérieurtemps 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 bousesquantité d’urine ; taux N urineproduction de fumure organique :qté produite ; tx de f bouses, tx herbes ajoutétx de MO totale; taux C/N ; taux humiditépertes :qté lait perduqté azote perdu stockage fumierbesoin nutritionnel du troupeau :besoin en UFL/UGT, MS/UGT, PB/UGB, MAD/UGB… besoin en eaudynamique démographique du troupeau :nombre de vl ; nb de génisse ; nb de velles, de vx…tx fertilité ; tx mortaliténb animaux acheté ; nb animaux vendusgestion du troupeau :MO nécessaire traite (h)MO nécessaire alimentation (distribution)MO nécessaire maintenance bâtimentsalimentation et complémentation :qté fourrage données, consommés, rejetésqté bozaka données, consommés, rejetésqté ensilage ; coût ensilage ; qualité (UFL, PD, MS…) ensilageqté provendeatelier transformation :qté lait transformé ; nb de produitsqté MO nécessaire transformationcoût transformationnb 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 planteqté H2O absorbéeqté 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 porcsproduction de œuf & viande :quantité oeuf./moisdurée du cycle ; nb moyen porc vendusnb moyen poule venduesproduction excrétas porcs & poules :quantité déjections, tx N déjectionsqtité ajouté à fumieralimentation des anx:besoin en grain (riz, maïs, orge,… )besoin en eaugestion MO :MO nécessaire

volaillesnb achetées,nb vendues, nb œuf vendus, prix achat et ventes

ventes laitqté vendue, prix vente

ventes fumierqté vendus prix vente

ventes prod. agricoleqté vendue prix vente

alimentation fourrages, pailles et

résidusqté récoltée, distribuée qualité nutritive

consommation de grain et tuberculesqté récoltées, qté distribuées

épandagetype de fumure,qté épandue,qualité (C/N, H2O)

consommation prod. animaux

type de prodqté consommées

Modèle

FIELD

Modèle

GAMEDETittonell 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

10/20

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

11/20

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)

azote

tota

l(g

.kg

-1M

S)

R² = 0.94

12/20

Résultats

ToposéquencesTan : TanetyTr : Terrasse de rizière au pied de collineRi : Rizière de bas-fondBa : 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

ca

rbo

ne

org

an

iqu

e

(to

nn

e.h

a-1

; 0-2

0 c

m)

Tan

0

1

2

3

4

azo

te t

ota

l(g

.kg

-1M

S)

50

100

150

200

P a

ss

imil

ab

le(m

g.k

g-1

MS

)

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

pH

2

4

6

8

10

CE

C(m

e.1

00

g-1

MS

)

paradoxe Tanety - bas-fond

13/20

Tr Ri Ba Tan Tr Ri Ba Tan Tr Ri Ba

Tan Tr Ri Ba Tan Tr Ri Ba

Résultats

ITKS : sans labourSCV : SCVMc : Mise en culture conventionnel d’une parcelleaprès 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 / reposC : ITK conventionnel avec labour

14/20

sto

ck

ca

rbo

ne

org

an

iqu

e

(to

nn

e.h

a-1

; 0-2

0 c

m)

azo

te t

ota

l(g

.kg

-1M

S)

P a

ss

imil

ab

le(m

g.k

g-1

MS

)

pH

CE

C(m

e.1

00

g-1

MS

)

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

ca

rbo

ne

org

an

iqu

e

(to

nn

e.h

a-1

; 0-2

0 c

m)

azo

te t

ota

l(g

.kg

-1M

S)

P a

ss

imil

ab

le(m

g.k

g-1

MS

)

CE

C(m

e.1

00

g-1

MS

)

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)

17/20

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)

00

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

ca

rbo

ne o

rga

niq

ue

(g.k

g-1

MS

)

0 5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

50

60

Annual pluvial crops

Soil O

rganic

Carb

on (

g.k

g-1

DM

)

0 5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

50

60

Perennial forage

Period of cultivation (years)

Soil O

rganic

Carb

on (

g.k

g-1

DM

)

(B)

ca

rbo

ne o

rga

niq

ue

(g.k

g-1

MS

)

durée de culture (années)

cultures fourragères pérennes

Résultats

18/20

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 pédologiquesol eutrophe sur cendres volcaniques

sol typique ferralitique rouge

sol ferralitique jaune sur colloïde

utilisation de la terrenon cultivée 0,6 3,2 0,848 24,1jachère/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 organiquemoyen 6,3 2,0 0,002 29,8

fort 7,3 2,8 0,009 30,8

faible

ITKSCV 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*

** erreur standard inter-parcelle

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 organiquemoyen - 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

20/20

Merci pour votre attention !

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)

- Pente : corrélé avec paysage (pente forte seulement sur tanety)

300

400

500

600

700

800

Cla

y a

nd

silt <

20

µm

(g

.kg

-1 D

M)

Tan Tf Fl Ba

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Bu

lk d

en

sity (

g.c

m-3

)

Tan Tf Fl Ba

0

10

20

30

40

50

60

So

il O

rga

nic

Ca

rbo

n (

g.k

g-1

DM

)

Tan Tf Fl Ba

0

20

40

60

80

Sto

ck o

f S

OC

(t.h

a-1

fo

r 0

-20

cm

)

Tan Tf Fl Ba

0

1

2

3

4

To

tal N

itro

ge

n (

g.k

g-1

DM

)

Tan Tf Fl Ba

50

100

150

200

Extr

acta

ble

P (

mg

.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

CE

C (

me

.10

0g

-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 ba b ab c

a b b ca 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

Cla

y a

nd

silt <

20

µm

(g

.kg

-1 D

M)

No Dmc New Fall Conv

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Bu

lk d

en

sity (

g.c

m-3

)

No Dmc New Fall Conv

0

10

20

30

40

50

60

So

il O

rga

nic

Ca

rbo

n (

g.k

g-1

DM

)

No Dmc New Fall Conv

0

20

40

60

80

Sto

ck o

f S

OC

(t.h

a-1

fo

r 0

-20

cm

)

No Dmc New Fall Conv

0

1

2

3

4

To

tal N

itro

ge

n (

g.k

g-1

DM

)

No Dmc New Fall Conv

50

100

150

200

Extr

acta

ble

P (

mg

.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

CE

C (

me

.10

0g

-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 conventionnel d’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