Une récente étude de modélisation de l’écosystème menée par des scientifiques de l’Iowa State University montre comment la production agricole aux États-Unis a entraîné une augmentation des émissions d’oxyde nitreux, un puissant gaz à effet de serre, au cours du siècle dernier.
Les chercheurs se sont appuyés sur des quantités massives de données sur tout, des modèles météorologiques aux conditions du sol en passant par l’utilisation des terres et les pratiques de gestion agricole afin d’alimenter le modèle et de quantifier les changements dans les émissions d’oxyde nitreux des sols aux États-Unis. La recherche, publiée dans la revue académique à comité de lecture Biologie du changement globaldécomposent les émissions du sol par types d’écosystèmes et principales cultures et ont constaté que l’expansion des terres consacrées à l’agriculture depuis 1900 et les apports intensifs d’engrais ont principalement entraîné une augmentation globale des émissions d’oxyde nitreux.
L’expansion des terres agricoles et l’application d’engrais azotés ont entraîné une augmentation des émissions d’oxyde nitreux des sols américains, selon une nouvelle étude de chercheurs de l’ISU. Crédit image : Paolo Neo via PixnioCC0 Domaine public
L’utilisation de tels modèles écosystémiques pour évaluer les sources d’émissions d’oxyde nitreux pourrait aider les décideurs politiques à adopter des plans de conservation et des réponses au changement climatique, a déclaré Chaoqun Lu, professeur agrégé de écologie, évolution et biologie des organismes et auteur correspondant de l’étude.
« Le modèle que nous utilisons est un modèle d’écosystème basé sur les processus », a déclaré Lu. « Cela revient à imiter les modèles et les processus d’un écosystème dans notre ordinateur. Nous divisons la terre en milliers de pixels à une taille uniforme et exécutons des algorithmes qui simulent la façon dont les processus écologiques réagissent aux changements du climat, de la composition de l’air et des activités humaines.
Les résultats montrent que les émissions ont triplé
L’étude a révélé que les émissions d’oxyde nitreux du sol américain ont plus que triplé depuis 1900, passant de 133 millions de tonnes métriques d’équivalent dioxyde de carbone (MMT CO2 eq) par an au début du XXe siècle à 404 MMT CO2 eq par an dans les années 2010. Près des trois quarts de cette augmentation des émissions proviennent des sols agricoles, la production de maïs et de soja étant à l’origine de plus de 90 % de l’augmentation des émissions liées à l’agriculture, selon l’étude.
« Notre étude suggère une grande [nitrous oxide] potentiel d’atténuation dans les terres cultivées et l’importance d’explorer des stratégies d’atténuation spécifiques aux cultures et de hiérarchiser les alternatives de gestion pour les types de cultures ciblés », ont écrit les auteurs de l’étude dans leur article.
L’augmentation des émissions correspond à une expansion des terres cultivées aux États-Unis, a déclaré M. Lu. Les modèles informatiques ont trouvé que les terres consacrées à la production agricole émettent plus d’oxyde nitreux que les paysages naturels. Cela est dû en grande partie à l’application généralisée d’engrais azotés sur les terres agricoles et la production de légumineuses, a déclaré M. Lu. L’azote ajouté est partiellement utilisé par les cultures, et le reste reste dans les sols ou est perdu dans l’environnement. Au cours de ce processus, les micro-organismes vivant dans les sols consomment des composés contenant de l’azote et dégagent de l’oxyde nitreux comme sous-produit. Mieux comprendre la dynamique des cultures qui génèrent les plus grandes émissions peut aider à façonner la politique d’atténuation du changement climatique, a déclaré M. Lu. Parce que plus d’engrais azotés sont appliqués dans la production de maïs en moyenne que dans les autres cultures, l’étude a révélé que les sols où le maïs est cultivé ont tendance à émettre plus d’oxyde nitreux par unité d’engrais utilisée, a déclaré Lu.
Les chercheurs ont conçu des modèles mathématiques qui imitent les processus écologiques. Les modèles reposent sur des montagnes de données recueillies et développées au fil des années, a déclaré Lu. Les chercheurs ont compilé des données gouvernementales sur les cultures, l’utilisation des terres, la météo et d’autres variables. Ils ont également pris en compte les données historiques et d’enquête des agriculteurs et autres propriétaires fonciers.
L’équipe de recherche a également comparé les résultats de leur modèle avec des données du monde réel afin de valider leurs résultats. Par exemple, les scientifiques ont montré les prédictions de rendement de leur modèle suivies des records de rendement nationaux remontant à 1925 pour les principales cultures telles que le maïs, le soja, le blé, le riz et autres. Cela montre que la simulation du modèle pourrait suivre la trajectoire à long terme de l’absorption d’azote qui soutient l’augmentation du rendement des cultures au cours du siècle dernier. Ils ont également comparé les prévisions d’émissions d’oxyde nitreux de leur modèle aux données du monde réel collectées sur plusieurs sols naturels et gérés à travers le pays, ainsi qu’aux mesures de séries chronologiques d’un site central de rotation maïs-soja de l’Iowa sur une période de sept ans.
« Notre groupe a passé beaucoup de temps à améliorer les performances du modèle et à développer l’historique des forces motrices, y compris les perturbations naturelles et humaines, pour les simulations du modèle », a déclaré Lu. « Dans les coulisses, il y a des milliers de lignes d’algorithmes pour guider le modèle informatique pour faire des prédictions. Il faut des décennies d’efforts, et d’autres à venir, pour réduire les incertitudes de modélisation et intégrer une meilleure compréhension des processus écologiques résultant du travail acharné des scientifiques de terrain.
