Soil-crop modelling of ecosystem services in diversified and integrated crop-livestock systems for climate change adaptation and mitigation

English. Agriculture faces immense challenges: it must meet the growing demand for food, feed, fiber, and fuel while significantly reducing its environmental impact. This challenge is further compounded by climate change, which increasingly threatens agricultural systems. In turn, these systems contribute to climate change, creating a selfreinforcing cycle. To address these challenges, various agroecological strategies are being proposed within crop rotations. These strategies range from efficiency measures, such as reducing nitrogen fertilization, to substitution approaches like no-till, and more comprehensive redesign methods, including growing cover crops, diversifying crop rotations, and integrating livestock. However, significant uncertainties remain regarding the impacts of these levers. Their effectiveness depends on various factors, including pedoclimatic conditions and agronomic contexts, with trade-offs and synergies emerging among the ecosystem services provided by agricultural systems. There is a lack of research that spans broad spatiotemporal scales, which addresses the limitations of studies confined to narrow sites or short timeframes, yet still maintains a detailed analysis of key concepts such as soil health, stability, and resistance to climate change. In this thesis, we investigate the impacts of such agroecological levers on a wide spectrum of indicators, each linked to specific ecosystem services: provisioning services (e.g., productivity, profitability, and the stability and resistance of yields to extreme climatic events), supporting services (e.g., soil carbon sequestration and reduced nitrate leaching), and regulating services (e.g., greenhouse gas emissions reduction). Various crop rotations, differing in their use of agroecological levers, are analyzed under a range of current and future pedoclimatic conditions, with different climate change scenarios. This includes site-specific studies in Lonzée and Gembloux (Belgium) and São Miguel (Brazil), as well as large-scale assessments covering millions of hectares in Belgium and the U.S. Midwest. To do so, we base on simulations conducted with two different process-based soil-crop models, STICS and SALUS, which are calibrated and validated using a large number of field experiments. Results show that, across all three Belgian, Brazilian and American contexts, crop diversification and, to a further extent, integrated crop-livestock systems (ICLS) offer strong opportunities to enhance climate change adaptation through greater stability and resistance of agricultural productivity to extreme climatic events. They also allow to mitigate negative environmental impacts such as nitrate leaching and greenhouse gas emissions. Reducing nitrogen fertilization proved to be an effective strategy for mitigating both factors, with a relatively small impact on productivity that varied depending on agronomic context and pedoclimatic conditions. While cover crops significantly enhanced soil carbon sequestration, the impact of ICLS varied by region. In Belgium and Brazil, it led to a substantial increase in soil organic carbon (SOC), whereas in the U.S. Midwest, maize monocultures showed the highest SOC gains due to the combination of no-till practices and the accumulation of large amounts of crop residues. In all contexts, ICLS benefits were maximized under moderate grazing intensities which optimize the trade-off between maximizing carbon harvest by grazing for cattle live weight gain and maximizing carbon returned to the soil. This thesis also involved developing innovative methodologies for crop modelling and comparative metrics. A novel approach was designed to explicitly calculate carbon fluxes in cropping systems, including net ecosystem exchange, gross primary productivity, and ecosystem respiration. It proved to be able to capture the influence of environmental drivers of CO2 fluxes inter-seasonal variability from a diversified crop rotation. Additionally, a methodology was adapted to simulate ICLS with grazing cattle, modelling animals dry matter intake, live weight gain and the return of faeces and urine. One key challenge was implementing an engineering method to spatially scale crop models over large areas using a High-Performance Computer. Additionally, calibrating and validating these models across vast regions required extensive field experiments with detailed agronomic management data and high-quality measurements of yields and SOC. We found that simulating the effects of different tillage practices on yields and SOC with STICS is feasible but requires detailed parameterization, particularly regarding soil bulk density. Lastly, we adapted a methodology to assess crop rotation resistance to extreme wet and dry climatic events in a granular manner, using a drought index to characterize these events. This thesis, by exploring various scenarios of crop diversification and crop-livestock integration, demonstrates how process-based soil-crop models can be utilized to assess strategies for agroecological transition across efficiency, substitution, and redesign levels. By integrating these models with innovative methodologies for designing cropping systems, it becomes possible to explore tailored scenarios that support diverse human diets while minimizing food and feed imports and exports. Furthermore, when coupled with our novel approach to evaluating stability and resistance against extreme climate events, soil-crop models serve as essential tools for assessing the potential of these systems in adapting to and mitigating climate change.

French. L’agriculture est confrontée à d’immenses défis : elle doit répondre à la demande croissante en aliments, fourrages, fibres et bioénergies, tout en réduisant significativement son impact environnemental. Ce défi est amplifié par le changement climatique, qui menace de plus en plus les systèmes agricoles. Par ailleurs, ces mêmes systèmes contribuent au changement climatique, créant ainsi un cercle vicieux. Pour relever ces défis, différentes stratégies agroécologiques sont proposées dans les rotations culturales. Ces stratégies vont des mesures d’efficacité, telles que la réduction de la fertilisation azotée, aux approches de substitution comme le non-labour, en passant par des méthodes de redesign plus complètes, incluant l’implantation de cultures de couverture, la diversification des rotations et l’intégration de l’élevage. Cependant, d’importantes incertitudes subsistent quant aux impacts de ces leviers. Leur efficacité dépend de nombreux facteurs, notamment les conditions pédoclimatiques et les contextes agronomiques, avec l’émergence de compromis et de synergies entre les services écosystémiques fournis par les systèmes agricoles. Il existe un manque d’études à larges échelles spatiales et temporelles qui dépassent les limites des recherches menées sur des sites restreints ou sur des périodes courtes, tout en permettant une analyse détaillée de concepts clés tels que la santé des sols, leur stabilité et leur résistance au changement climatique. Dans cette thèse, nous étudions les impacts de tels leviers agroécologiques sur un large éventail d’indicateurs liés à des services écosystémiques spécifiques : les services de production (productivité et rentabilité, ainsi que leur stabilité et résistance face aux événements climatiques extrêmes), les services de soutien (stockage du carbone dans les sols et réduction du lessivage des nitrates), et les services de régulation (réduction des émissions de gaz à effet de serre). Différentes rotations culturales, variant dans leur utilisation des leviers agroécologiques, sont analysées sous divers contextes pédoclimatiques actuels et futurs, à travers différents scénarios de changement climatique. Cela inclut des études de sites spécifiques à Lonzée et Gembloux (Belgique) et São Miguel (Brésil), ainsi que des évaluations à grande échelle couvrant des millions d’hectares en Belgique et dans le Midwest des États-Unis. Pour cela, nous nous appuyons sur des simulations réalisées avec deux modèles mécanistes sol-plante, STICS et SALUS, calibrés et validés à l’aide d’un grand nombre d’expériences de terrain. Les résultats montrent que, dans les trois contextes étudiés (Belgique, Brésil et États-Unis), la diversification des cultures et, dans une plus large mesure, les systèmes intégrés cultures-élevage (ICLS) offrent des opportunités majeures pour renforcer l’adaptation au changement climatique grâce à une plus grande stabilité et résistance de la productivité agricole face aux événements climatiques extrêmes. Ils permettent également d’atténuer les impacts environnementaux négatifs, notamment la lixiviation des nitrates et les émissions de gaz à effet de serre. La réduction de la fertilisation azotée s’est révélée être une stratégie efficace pour atténuer ces deux facteurs, avec un impact relativement faible sur la productivité, qui dépend néanmoins du contexte agronomique et des conditions pédoclimatiques. Tandis que les cultures de couverture ont significativement augmenté la séquestration du carbone dans les sols, l’effet des ICLS varie selon les régions. En Belgique et au Brésil, ils ont entraîné une augmentation substantielle du carbone organique du sol (SOC), tandis que dans le Midwest américain, les monocultures de maïs ont affiché les gains les plus élevés en SOC, en raison de la combinaison du non-labour et de l’accumulation de grandes quantités de résidus de culture. Dans tous les contextes, les bénéfices des ICLS étaient maximisés sous des intensités de pâturage modérées, optimisant ainsi le compromis entre la récolte de carbone par le pâturage pour la prise de poids du bétail et le retour du carbone dans le sol. Cette thèse a également impliqué le développement de méthodologies innovantes pour la modélisation des cultures et la création de métriques comparatives. Une approche novatrice a été développée pour calculer explicitement les flux de carbone dans les systèmes agricoles, incluant la Net Ecosystem Exchange, la Gross Primary Productivity et la Ecosystem Respiration. Cette approche a permis de capturer l’influence des facteurs environnementaux sur la variabilité intersaisonnière des flux de CO2 dans une rotation culturale diversifiée. De plus, une méthodologie a été adaptée pour simuler les ICLS avec du bétail en pâturage, modélisant l’ingestion de matière sèche par les animaux, leur prise de poids et le retour des excréments et de l’urine au sol. Un défi majeur a été la mise en oeuvre d’une méthode d’ingénierie permettant de spatialiser les modèles de culture sur de vastes territoires à l’aide d’un High Performance Computer. En outre, le calibrage et la validation de ces modèles à grande échelle ont nécessité un grand nombre d’expériences de terrain avec des données agronomiques détaillées et des mesures précises des rendements et du SOC. Nous avons constaté que la simulation des effets des pratiques de travail du sol sur les rendements et le SOC avec STICS est réalisable, mais nécessite un paramétrage précis, notamment en ce qui concerne la densité apparente du sol. Enfin, une méthodologie a été adaptée pour évaluer de manière détaillée la résistance des rotations culturales aux événements climatiques extrêmes, en utilisant un indice de sécheresse pour caractériser ces événements. En explorant divers scénarios de diversification des cultures et d’intégration cultures-élevage, cette thèse démontre comment les modèles mécanistes sol-plante peuvent être utilisés pour évaluer les stratégies de transition agroécologique à travers les niveaux d’efficacité, de substitution et de redesign. En les intégrant à des méthodologies innovantes pour la conception des systèmes agricoles, il devient possible d’explorer des scénarios adaptés à différents régimes alimentaires tout en minimisant les importations et exportations de denrées destinées à l’alimentation humaine et animale. De plus, lorsqu’ils sont couplés à notre approche novatrice d’évaluation de la stabilité et de la résistance aux événements climatiques extrêmes, ces modèles constituent des outils essentiels pour analyser le potentiel de ces systèmes en matière d’adaptation et d’atténuation du changement climatique.