Réalisation de cadastres dynamiques des émissions d'ammoniac liées à la fertilisation azotée aux échelle régionale et nationale. Rapport de fin de projet Cadastre_NH3, Convention ADEME n°1081C0031
Résumé
Arable crops are the sources of numerous gaseous components which are expected to have a major threat to the environment and/or on neighboring ecosystems: it is particularly the case of ammonia, originating at 97% from the agricultural and related activities, and for more than one third from field fertilization. Ammonia is recognized to be involved in particulate matter formation which damages air quality and human health (PM2.5), and, after deposition, it contributes to soil acidification, semi-natural ecosystem biodiversity decline and terrestrial aquatic ecosystem eutrophication. Controlling atmospheric ammonia emissions to the troposphere is becoming a major concern at an international level with the currently committed revision of the Gothenburg Protocol (1999) as part of the Geneva Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution (1979). This control relies on a better knowledge and quantification of the sources, and of their spatial and temporal variability. Ammonia volatilization is a process which intensity and duration depend on agricultural and environmental conditions. The variability of conditions encountered in agricultural practice makes the quantification of emissions difficult. The use of emission factors allows not allow neither to account for their spatial and temporal variability, nor to assess the abatement potential of recommended measures or changes in emissions due to global changes.
Two methodologies are available for the development of emission inventories:
•the first type, the so-called "top-down" one, considers the general statistical data and calculate national or regional emissions, based on the use of distribution or disaggregation keys to generate data required for the calculation at a finer scale (Department, Township, or grid scale). This method has generally a low cost in time, and allows many methodological and technical shortcuts; it is used by the air quality models. However, it proved inadequate to the forecast of some particulate pollution events.
•the second type, the so-called "bottom-up" one, is based on the collection of data from the thinnest level to the more aggregated one, preferring fine data sources rather than distribution keys. This approach is more costly in time and requires that the data and methodology are adapted one to another to form a coherent model for the estimation of the emissions.
We plan to implement a "bottom-up" type approach to build dynamic and spatially-explicit inventories of ammonia emissions from the field. This method is expected to reflect regional or annual specific effects related to climate, cultural practices, soil type, and to assess some scenarios of agricultural practices and climate change. The target spatial scale is regional and national (France). The approach is therefore based on the combination of ammonia volatilization models run and geo-referenced databases.
The project focuses on three work-packages:
The first work-package concerns the process-base modeling of physical, chemical and biological process at the field scale. It involves the coupling of two models developed at the UMR EGC: Volt'Air, the process-based predictive model of ammonia volatilization on bare soil and SurfAtm, the SVAT model (soil-vegetation-atmosphere transfer) for the description of the exchange of ammonia between the soil, the plant and the atmosphere. The spatialization and initialization of the resulting volatilization model will be provided by coupling it with the agro-ecosystem CERES-EGC model which simulates the global dynamic of water, carbon and nitrogen.
The second work-package relates to the implementation of geographical information system (GIS) methods including the crossing of the information layers to map and generate the model inputs. It implies the constitution of several geo-referenced databases: soil, climate, land-use and management. The project will particularly focus on the cultural practice database, as a consequence of the lack of references on organic fertilization practices in France.
The last work-package concerns the generation of the dynamic and spatially-explicit emission inventories. A methodological component should allow analyzing to what extent the aggregation and the loss of information related to the change of scale alter the values of the emissions. Finally, we will apply this approach to the prospective study of the effect of the implementation of the policies/guidelines for abating ammonia emissions (annex IX of the Gothenburg Protocol (1999)).
Les grandes cultures sont la source de nombreux composés gazeux susceptibles d’avoir un impact sur l’environnement atmosphérique ou les écosystèmes voisins : c’est en particulier le cas de l’ammoniac, issu à 97% des activités agricoles, et lié pour plus d’un tiers aux fertilisations au champ : il est impliqué dans la formation des particules ayant un impact sur la santé humaine (PM2.5) et, après dépôt, contribue à l’acidification des sols, la baisse de la biodiversité des écosystèmes semi-naturels, et à l’eutrophisation des eaux continentales. La maîtrise des émissions d’ammoniac est une préoccupation majeure à l’échelle internationale avec la révision actuellement engagée du Protocole de Göteborg (1999) de la Convention de Genève sur la pollution atmosphérique transfrontalière à longue distance (1979). Cette maîtrise passe par une meilleure connaissance et quantification des sources, de leur variabilité spatiale et temporelle. La volatilisation d’ammoniac est en effet un processus dont l’intensité et la durée dépendent de l’ensemble des conditions agropédoclimatiques. De plus, la variabilité des conditions rencontrées dans la pratique agricole rend difficile la quantification des émissions. La simple utilisation de facteurs d’émission ne permet pas de rendre compte de leur variabilité spatio-temporelle, ni d’évaluer le potentiel de réduction des mesures préconisées ou l’impact des changements tels que le changement climatique.
Deux méthodologies sont disponibles pour le développement d’un cadastre :
•la première, de type "top-down" consiste à considérer la donnée statistique générale pour calculer les émissions nationales ou régionales et à utiliser des clés de répartition ou de désagrégation pour générer des données nécessaires au calcul à une échelle plus fine (département, canton ou maillage). Cette méthode a globalement un faible coût en temps, et permet de nombreux raccourcis méthodologiques et techniques ; c’est celle utilisée par les modèles de qualité de l’air. Cependant, elle s’est avérée inadaptée à la prédiction de forts épisodes de pollution particulaire observés.
•la seconde, de type "bottom-up", se base sur une collecte de données du niveau le plus fin vers le niveau le plus agrégé, privilégiant les sources de données fines aux clés de répartition. Cette approche est plus coûteuse en temps et nécessite que les données et la méthodologie soient adaptées l’une à l’autre pour former un modèle cohérent d’estimation des émissions.
C’est une démarche de type "bottom-up" que mettrons en œuvre pour réaliser des cadastres dynamiques des émissions d’ammoniac au champ. Seule cette méthode devrait permettre de répercuter des effets régionaux ou annuels spécifiques liés au climat, aux pratiques culturales, aux sols et d’évaluer différents scénarios de changement des pratiques agricoles et du climat. L’échelle spatiale visée est régionale et nationale (France Métropolitaine). L’approche est donc basée sur l’utilisation de modèles de volatilisation d’ammoniac utilisant comme sources de données des bases de données spatialisées.
Le projet s’articule autour de trois composantes :
La première concerne la modélisation des processus physiques, chimiques et biologiques à l’échelle de la parcelle agricole. Elle passe par le couplage de deux modèles produits dans l’UMR EGC : Volt’Air, le modèle mécaniste prédictif de volatilisation d’ammoniac sur sol nu et SurfAtm le modèle de calcul des échanges d’ammoniac entre le sol, un couvert végétal et l’atmosphère. La spatialisation et l’initialisation du modèle de volatilisation résultant seront assurées grâce à un couplage avec le modèle CERES-EGC modèles d’agro-écosystème de simulation de la dynamique globale de l’eau, du carbone et de l’azote.
La deuxième composante concerne la mise en œuvre de méthodes de systèmes d’information géographique avec un croisement des couches d’informations pour générer les entrées des modèles. Elle passe par la constitution et le renseignement des différentes bases de données spatialisées : sol, climat, pratiques culturales. Un effort particulier sera porté sur la base de données des pratiques culturales, en raison du manque de références sur les pratiques de fertilisation organique.
La dernière composante concerne la génération des cadastres d'émission. Un volet méthodologique devrait permettre d’analyser dans quelle mesure l’agrégation et la perte d’information liées au changement d’échelle altèrent les valeurs des émissions. Enfin, nous appliquerons cette démarche à l’étude prospective de l’effet de la mise en œuvre des politiques/directives de réduction des émissions d’ammoniac (annexe IX du protocole de Göteborg (1999)).