Systemic evaluation of the potential of organic farming to mitigate agricultural greenhouse gas emissions at the global scale | L’expansion de l’agriculture biologique permettrait-elle d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre d’origine agricole ? Une approche systémique à l’échelle mondiale

English. Agriculture and other land uses are responsible of 23% of global anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. In order to reach the goal set by the Paris Agreement, it is necessary to reduce GHG emissions in all sectors, including agriculture. Organic farming appears to be a promising farming system, due to (i) the non-use of synthetic nitrogen fertilizers – and the associated reduction of N2O emissions – and (ii) practices that promote soil carbon sequestration – and therefore the removal of atmospheric CO2. However, organic farming is often criticized for its lower yields, potentially leading to land-use changes if this mode of production was to expand. Several studies have estimated that the expansion of organic farming worldwide would mitigate GHG emissions from agriculture (from -3 to -40%), these studies have not taken into account the numerous systemic feedbacks that the development of this farming system could generate. These feedbacks are mainly due to a stronger competition for organic fertilizing resources with potential effects leading to (i) a reduction of nitrogen availability for crops resulting in yields reduction, (ii) a reduction of C inputs and C stocks in agricultural soils and (iii) land-use changes related to an increased need for agricultural land. While the effect of these feedbacks on global food production has been investigated in a recent study, their effects on GHG emissions have not yet been explored on a global scale. The objective of this dissertation is to assess the effect of a widespread adoption of organic farming – and the systemic feedbacks it generates – on GHG emissions in agriculture. To meet this objective, we combined the GOANIM model – a model that simulates nitrogen availability and its consequences on global crop productivity under scenarios of widespread adoption of organic farming – to three other models: the N2O-CH4 model adapted from the IPCC guidelines to estimate N2O and CH4 emissions from agricultural activities, a model simulating the C dynamics in agricultural soils (RothC) to estimate changes in soil organic carbon stocks, and a model that estimate changes in agricultural land requirements as a function of agricultural yields and diets (GlobAgri-AgT) to estimate land-use changes. Our results show that a global expansion of organic farming would see agricultural GHG emissions increase by 56% compared to current emissions. This net increase would be explained by (i) a 60% decrease in annual N2O and CH4 emissions (-3.1 Gt CO2eq.yr-1), (ii) an increase in CO2 emissions related to carbon depletion from agricultural soils (+2.3 Gt CO2eq.yr-1) and (iii) GHG emissions induced by land-use changes (+3.7 Gt CO2eq.yr-1). Furthermore, we found a non-linear response of global GHG emissions as a function of the share of global agricultural lands occupied by organic farming. Thus, in a scenario where organic occupies only 20% of the world's agricultural area, global GHG emissions could be reduced by 70%. This result suggests the existence of an optimal development of organic farming minimizing agricultural GHG emissions. Furthermore, our results allow us to identify practices in organic farming (such as systemic use of cover crops) that would improve the effects of organic farming on GHG emissions. The approach used in this dissertation is a methodological basis that will allow the analysis of other scenarios including a greater diversity of practices, shedding light on the possibilities for producers and public decision makers to reduce GHG emissions in agriculture.

French. L’agriculture et les autres usages des terres sont responsables de 23% des émissions anthropiques mondiales de gaz à effet de serre (GES). Pour atteindre les objectifs fixés par l’Accord de Paris, il est nécessaire de réduire les émissions de GES dans tous les secteurs y compris l’agriculture. L’Agriculture Biologique (AB) apparait comme un modèle agricole prometteur du fait (i) du non recours aux engrais azotés de synthèse – et de la réduction des émissions de N2O associées – et (ii) de pratiques favorisant le stockage de carbone (C) dans les sols – et donc le retrait de CO2 atmosphérique. Cependant l’AB est souvent critiquée pour ses rendements plus faibles, engendrant potentiellement des changements d’usage des terres si ce mode de production se développait. Plusieurs études ont estimé que la généralisation de l’AB serait de nature à atténuer les émissions de GES d’origine agricole (de -3 à -40%), mais celles-ci n’ont pas tenu compte des rétroactions systémiques potentielles que le développement de ce mode de production pourrait générer. Ces rétroactions sont principalement le fait d’une plus forte compétition pour les ressources fertilisantes organiques avec une potentielle cascade d’effets menant à (i) une réduction de la disponibilité en azote pour les cultures engendrant une réduction des rendements, (ii) une réduction des entées de C et des stocks de C dans les sols agricoles et (iii) des changements d’usage des terres liés à un besoin accru de surfaces agricoles. Si l’effet de ces rétroactions sur la production alimentaire mondiale a été étudié dans une récente étude, leurs effets sur les émissions de GES n’ont encore jamais été explorés à l’échelle mondiale. L’objectif de cette dissertation est d’évaluer l’effet d’une généralisation de l’AB – ainsi que des rétroactions systémiques qu’elle engendre – sur les émissions de GES d’origine agricole. Pour répondre à cet objectif, nous avons couplé le modèle GOANIM – modèle simulant la disponibilité en azote et ses conséquences sur la productivité des cultures dans des scénarios de généralisation de l’AB – à trois autres modèles : le modèle N2O-CH4 adapté des directives du GIEC pour estimer les émissions de N2O et CH4 des activités agricoles, un modèle simulant la dynamique du C dans les sols agricoles (RothC) pour estimer les changements de stocks de carbone organique des sols et un modèle visant à estimer un changement de besoin en terres agricoles en fonction des rendements agricoles et des régimes alimentaires (GlobAgri-AgT) pour estimer le changement d’usage des terres. Les résultats obtenus montrent qu’une généralisation de l’AB verrait les émissions de GES d’origine agricole augmenter de 56% comparées aux émissions actuelles. Cette augmentation nette s’explique par (i) une baisse de 60% des émissions annuelles de N2O et CH4 (-3.1 Gt CO2eq.an-1), (ii) une augmentation des émissions de CO2 liée au déstockage du carbone des sols agricoles (+2.3 Gt CO2eq.an-1) et (iii) des émissions de CO2 induites par des changements d’usage des terres (+3.7 Gt CO2eq.an-1). De plus, nous avons trouvé une réponse non-linéaire des émissions mondiales de GES en fonction de la part des surfaces agricoles mondiales occupées par l’AB. Ainsi, dans un scénario où l’AB ne couvre que 20% des surfaces agricoles mondiales, les émissions de GES mondiales pourraient être réduites de 70%. Ce résultat suggère l’existence d’un développement optimal de l’AB minimisant les émissions de GES d’origine agricole. Par ailleurs, nos résultats permettent d’identifier des pratiques en AB (comme la généralisation des cultures intermédiaires) qui permettraient d’améliorer les effets de l’AB sur les émissions de GES. L’approche utilisée dans cette dissertation est une base méthodologique qui permettra l’analyse d’autres scénarios incluant une plus grande diversité de pratiques, apportant un éclairage sur les pistes ouvertes aux producteurs et décideurs publiques pour réduire les émissions de GES d’origine agricole.