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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
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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
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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
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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
?
?
?
!
?
?
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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variabilité géographique de 3 indicateurs de la fertilité des sol : C organique, P et pH
(exploitation M. William)
SCV
Bozaka
Bois
Résultats
16/20
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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)
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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
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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
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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
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Merci pour votre attention !
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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)
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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
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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
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sity (
g.c
m-3
)
No Dmc New Fall Conv
0
10
20
30
40
50
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So
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Ca
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g.k
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DM
)
No Dmc New Fall Conv
0
20
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60
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Sto
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a-1
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-20
cm
)
No Dmc New Fall Conv
0
1
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To
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ge
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g.k
g-1
DM
)
No Dmc New Fall Conv
50
100
150
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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
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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