Le changement climatique affecte l'agriculture de plusieurs façons. Les chercheurs utilisent des données satellitaires et la modélisation informatique pour surveiller et atténuer ces impacts. Crédit :NASA/Observatoire de la Terre/USDA/Jesse Kirsch
La Terre se réchauffe. Les effets du changement climatique mondial causé par l'homme deviennent de plus en plus apparents alors que nous assistons à des vagues de chaleur record, à des sécheresses intenses, à des changements dans les régimes de précipitations et à une augmentation des températures moyennes. Et ces changements environnementaux touchent tous les aspects de la production agricole.
La NASA, ainsi que les agences et organisations partenaires, surveillent tous ces changements environnementaux qui se produisent aujourd'hui. En outre, la NASA utilise des modèles informatiques avancés qui extraient des données satellitaires, puis simulent la réaction future du climat de la Terre aux émissions continues de gaz à effet de serre. Les chercheurs le font pour une série de scénarios futurs, puis ils utilisent les projections climatiques qui en résultent pour voir comment le changement climatique affectera l'agriculture mondiale.
Partout dans le monde, les pratiques agricoles se sont développées en fonction de la topographie, du type de sol, du type de culture, des précipitations annuelles et de la tradition. Ce montage de six images du capteur ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) du satellite Terra de la NASA montre des différences dans la géométrie et la taille du champ dans différentes parties du monde. Crédit :Observatoire de la Terre de la NASA
"Lorsque nous examinons le changement climatique futur, ce n'est pas la même chose que les années chaudes que nous connaissons actuellement", a déclaré Alex Ruane, codirecteur du Climate Impacts Group au Goddard Institute for Space Studies (GISS) de la NASA à New York. Il coordonne et dirige l'équipe climat du projet d'intercomparaison et d'amélioration des modèles agricoles (AgMIP), un projet international reliant la science du climat, la modélisation des cultures et la modélisation économique pour examiner l'avenir potentiel des rendements des cultures et de la sécurité alimentaire.
"Si nous devions trouver un emplacement et regarder une année chaude qui a été récemment connue, cela aurait probablement été une vague de chaleur qui aurait augmenté la température globale", a déclaré Ruane. « Le changement climatique est différent. Le changement climatique est chaque jour, un peu de plus en plus. Lorsque ces vagues de chaleur arrivent [dans le futur], elles sont juste un peu plus intenses ou extrêmes, et cela a un impact physiologique différent [sur les plantes]."
Ces changements physiologiques sur les plantes peuvent être complexes et sont liés au type de culture et aux effets climatiques observés au niveau régional et local.
Le dioxyde de carbone comme engrais
Le dioxyde de carbone est le principal gaz à effet de serre responsable de l'augmentation de la température globale de la Terre. Émis par la combustion de combustibles fossiles, il peut rester dans l'atmosphère pendant des centaines d'années, ce qui signifie que chaque année, nous ajoutons du dioxyde de carbone à la quantité qui s'est accumulée depuis le début de la révolution industrielle il y a plus de 200 ans.
Le département américain de l'Agriculture mène des expériences sur le taux de croissance des cultures dans des chambres à environnement contrôlé, y compris avec des serres et des parcelles de terrain dans lesquelles ils contrôlent la température, l'humidité et le dioxyde de carbone atmosphérique. Crédit :USDA
Le dioxyde de carbone est éliminé de l'atmosphère par les plantes pendant la photosynthèse (mais pas en quantités suffisantes pour éliminer tout ce que les humains émettent). En fait, des expériences en serre et sur le terrain ont montré que des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone dans l'atmosphère peuvent agir comme engrais et augmenter la croissance des plantes. Le montant des avantages qu'une culture reçoit dépend de son type. Le blé, l'orge et le riz, par exemple, bénéficient davantage de concentrations plus élevées de dioxyde de carbone que le maïs. Plus de dioxyde de carbone dans l'air rend la plante plus efficace pour absorber le gaz, et par conséquent, elle perd moins d'eau pendant le processus, ce qui est meilleur pour la croissance de la plante. Avec suffisamment d'eau et d'autres nutriments, les rendements des cultures peuvent augmenter de manière significative.
Cependant, ces rendements plus élevés s'accompagnent souvent d'inconvénients pour la nutrition. "Les cultures poussent plus vite et plus grosses sous un CO2 plus élevé », a déclaré Jonas Jägermeyr, coordinateur du projet Global Gridded Crop Model Intercomparison sous AgMIP au GISS. "Mais la teneur en protéines et en micronutriments est proportionnellement plus faible."
La quantité par rapport à la qualité est une complication lorsque l'on examine les effets du climat sur les cultures. Une autre est que si des niveaux plus élevés de dioxyde de carbone apportent certains avantages, ils apportent également de la chaleur.
Monter la chaleur
L'augmentation des températures régionales due au changement climatique, en particulier sous les tropiques, peut entraîner un stress thermique pour tous les types de cultures. De nombreuses cultures commencent à se sentir stressées à des températures supérieures à environ 90 à 95 degrés Fahrenheit (32 à 35 degrés Celsius), a déclaré Jägermeyr, bien que cela varie selon le type de culture et dépende de la disponibilité de l'eau. Le signe le plus visible du stress thermique est le flétrissement dû à la perte d'eau et peut entraîner des dommages permanents à la plante.
Cette carte à code couleur dans la projection de Robinson affiche une progression des anomalies de température de surface mondiale changeantes. Les températures normales sont la moyenne sur la période de référence de 30 ans 1951-1980. Les températures supérieures à la normale sont indiquées en rouge et les températures inférieures à la normale sont indiquées en bleu. Le cadre final représente les anomalies de température mondiale sur 5 ans de 2016 à 2020. Échelle en degrés Celsius. Crédit :Studio de visualisation scientifique de la NASA
Différentes régions connaîtront différentes intensités de chaleur dans le climat futur, en particulier lors d'événements extrêmes comme les vagues de chaleur. "Le modèle de l'endroit où les cultures sont cultivées détermine le modèle des impacts", a déclaré Jägermeyr. « Plus vous grandissez sous les tropiques, plus vous serez touché. Parce qu'il fait déjà assez chaud, un réchauffement supplémentaire sera plus sévère qu'aux hautes latitudes."
Une étude de modèle de 2019 a simulé la future production mondiale de blé avec des températures mondiales projetées de 1,5 degrés Celsius et 2,0 degrés Celsius au-dessus des températures préindustrielles. En tenant compte de l'effet fertilisant du dioxyde de carbone, les résultats ont montré que les rendements céréaliers du blé d'hiver ou de printemps ont augmenté d'environ 5 % dans les régions plus tempérées comme les États-Unis et l'Europe, et ont diminué d'environ 2 à 3 % dans les régions plus chaudes comme que l'Amérique centrale et certaines parties de l'Afrique. De plus, dans les régions chaudes comme l'Inde, qui produit 14 % du blé mondial, les années ont été plus fréquemment marquées par de faibles rendements de blé.
La température affecte également le cycle de vie des cultures. Une petite augmentation des températures quotidiennes pendant la saison de croissance accélère le cycle de vie de la plante, a déclaré Ruane. "Donc, ce qui finit par se produire, c'est que la plante mûrit plus rapidement et à la fin de la saison, quand elle dépose le grain, elle n'a tout simplement pas passé autant de temps à construire des feuilles, à collecter la lumière du soleil et à produire cette énergie dont vous avez besoin pour le grain. .” Le résultat est moins de grains et des rendements de récolte plus faibles.
Montre-moi l'eau
La dernière pièce majeure du puzzle est l'eau. Le changement climatique affecte les modèles de précipitations et de chutes de neige et donne lieu à davantage de sécheresses et de précipitations extrêmes.
"Certaines régions verront des précipitations supplémentaires et donc des avantages", a déclaré Jägermeyr. "Certaines régions recevront trop de précipitations supplémentaires et verront ensuite les effets néfastes d'un excès de pluie. Et une tonne de régions connaîtront en fait la sécheresse. Par exemple, les moussons peuvent apporter plus de pluie en Asie du Sud-Est, et les sécheresses peuvent devenir plus intenses dans l'ouest des États-Unis, en Australie, en Afrique et en Amérique centrale.
La quantité d'eau disponible pour l'irrigation subit déjà les effets du changement climatique. L'enneigement des montagnes diminue dans l'Himalaya et la Sierra Nevada en Californie, qui sont les principales sources d'eau potable et d'irrigation.
Les niveaux des eaux souterraines sont également sensibles aux changements climatiques comme la sécheresse persistante et les pluies excessives. Une étude de 2018 a montré que là où les eaux souterraines sont utilisées pour l'agriculture, les niveaux des eaux souterraines diminuent généralement à la fois en raison de l'eau extraite et de sa sensibilité au changement. De plus, les plantes accèdent à l'eau dans le sol, qui dans les régions plus chaudes et un avenir plus chaud est plus sujette à l'évaporation, ce qui en laisse moins à utiliser pour les plantes.
L'accès à l'eau a un effet direct sur la santé des cultures, et les observations par satellite sont l'une des principales entrées des outils que les chercheurs et les partenaires de la NASA développent pour aider à gérer notre avenir plus chaud.
Adaptation
"Nous nous soucions du changement climatique non pas à cause des degrés Celsius ou des parties par million de CO2 , mais parce que ceux-ci affectent à leur tour tous les secteurs et nos vies », a déclaré Ruane, faisant référence non seulement au secteur agricole et à l'économie à grande échelle, mais également aux changements quotidiens qui se produiront lorsque les communautés réagiront au changement climatique.
En plus d'examiner les conséquences directes des facteurs environnementaux du changement climatique sur les cultures, les équipes de recherche au sein d'AgMIP étudient également le potentiel d'adaptations, les pratiques de gestion et les incitations économiques qui aideront à atténuer les pires résultats.
Il existe trois types de stratégies d'adaptation, a déclaré Ruane :les choses décidées chaque année, comme quand planter et la rotation des cultures d'un champ; des investissements à plus long terme, tels qu'un nouveau tracteur, des systèmes d'irrigation améliorés ou de nouvelles infrastructures d'irrigation dans les zones actuellement pluviales ; et des actions transformatrices, telles que la sélection de nouvelles variétés de cultures ou la réponse à des changements à grande échelle dans le régime alimentaire d'une population.
"Nous pouvons tester différentes options dans les champs virtuels [du modèle]", a déclaré Ruane. "Nous pouvons également poser des questions sur la façon dont les prix [calculated in] nos modèles économiques changent si les gens adoptent le type de régime que nous avons ici aux États-Unis par rapport au régime méditerranéen ou au régime est-asiatique." Par exemple, que se passe-t-il lorsqu'une population mange plus ou moins de viande, ou passe d'une alimentation à base de blé à une alimentation à base de riz, ou vice versa ? Les modèles peuvent également explorer d'autres effets secondaires de ces grands changements, en particulier ceux imprévus.
Ruane ajoute :« Si nous voulons vraiment savoir ce qui va arriver aux agriculteurs ou aux consommateurs, nous devons intégrer l'économie de la situation. À mesure que le changement climatique aura un impact sur les systèmes alimentaires à l'avenir, ses effets se répercuteront sur l'économie et sur les ménages, en fonction de la réaction des gens.
