Adaptation de l'agriculture aux politiques de gestion de l'eau et aux changements globaux : l'apport des modèles de programmation mathématique

This thesis develops and discusses agricultural-supply modeling approaches for representing the adaptation of farming to global changes and water policies: their effects on agricultural economics and water resources comprise critical information for decision makers. After a summary and a review chapter, four essays are presented. The first essay describes a representation of the behavior of ten typical farms using a risk linear programming model connected to a plant-soil-hydrodynamic model chain, to assess the future level of nitrate contamination in the upper Rhine valley aquifer. The baseline, liberal, and interventionist scenarios for 2015 all result in lower nitrate concentrations. The second essay explores the effects of the economic uncertainty of global changes by means of a Monte Carlo approach distinguishing various levels of dependence on uncertain parameters. Analyses for a nitrate-oriented and a water-use model (in Alsace and southwestern France) show that the environmental objectives can be targeted withsufficient confidence. The third essay develops a flexible specification for positive mathematical programming - constant elasticity of substitution with decreasing returns - to explore how irrigated farming adapts to increased water scarcity in Beauce, France. The possibility of adjusting the application of water per hectare accounts for about 20% of the response. The last essay presents the development of a holistic hydro-economic model of Beauce’s agriculture and aquifer under climate-change uncertainty, so as to evaluate various water policies, as well as the open-access case, up to the year 2040. The results show that the baseline policy is more cost-effective than the other instruments tested (tax, transfer,etc.).Cette thèse développe et discute différentes approches micro-économiques de modélisation de l’agriculture pour représenter l’effet de changements globaux et de politiques de gestion de l’eau sur l’adaptation de l’agriculture et sur les ressources en eau. Après un chapitre de synthèse et une revue de la littérature, quatre essais sont présentés. Le premier essai décrit la représentation du comportement de dix exploitations agricoles en Alsace et en Bade (Allemagne) à partir de modèles de programmation linéaire qui intègrent la prise en compte du risque. Après extrapolation, les résultats de simulation sont couplés à une chaîne de modèle plante-sol et de transfert hydrogéologique afin d’estimer la concentration future en nitrate dans l’aquifère du Rhin supérieur. Les simulations des trois scénarios de changements - tendanciel, libéral et interventionniste - suggèrent que les concentrations en nitrates baissent dans les trois cas par rapport à la référence. Le second essai explore l’effet de l’incertitude de changements globaux sur les ressources en eau par des simulations Monte Carlo pour le modèle alsacien (premier essai) et un modèle de demande en eau agricole (Sud-Ouest). Plusieurs niveaux de dépendance entre les paramètres incertains sont caractérisés. L’analyse des résultats montre que les objectifs environnementaux peuvent être déterminés avec suffisamment de précision malgré l’incertitude forte. Le troisième essai développe un modèle agricole régional de programmation mathématique positive avec élasticité de substitution constante entre l’eau et la terre afin d’explorer comment l’agriculture, partiellement irriguée, de Beauce s’adapte à une baisse de la disponibilité en eau. La réponse du rendement à l’eau est calibrée à partir d’information agronomique. Les adaptations à la baisse de disponibilité en eau sont distinguées selon qu’elles correspondent à des baisses de dose d’eau d’irrigation ou de changement de culture. Environ 20% de la réduction est due à la baisse des doses d’eau (marge intensive). Le dernier essai présente un modèle hydro-économique “holistic” de l’agriculture et de l’aquifère de Beauce afin d’évaluer plusieurs politiques de gestion quantitatives de l’eau ainsi que d’évaluer le cas où l’accès à la ressource n’est plus régulé. Des simulations dynamiques sont réalisées à l’horizon 2040 en tenant compte de l’incertitude liée au changement climatique. La politique actuelle de quotas annualisés semble être plus coût-efficace que les autrespolitiques testées (taxes, transferts etc.)

Réforme des autorisations de prélèvement dans le bassin Adour-Garonne : impacts sur l'économie agricole

La réglementation française remet à plat les autorisations de prélèvements d'eau pour l'irrigation, dans un objectif de retour à l'équilibre ressources/besoins d'ici 2014 à 2021. Dans le sudouest, où une majorité du territoire est considérée comme déficitaire en eau mais où l'irrigation est très présente, cette réforme impliquera une baisse des volumes actuellement attribués. La présente étude a eu pour objectif d'évaluer l'impact de cette baisse sur l'économie agricole. Elle a été effectuée à l'échelle de six territoires en simulant les pertes en marge brute ou en excédent brut d'exploitation, avec ou sans mesures d'accompagnement. La combinaison de ces mesures permet, dans la majorité des cas, de réduire très significativement voire d'annuler ces pertes. Parmi ces mesures, les plus efficaces sont la création d'ouvrages de stockage et l'allocation prioritaire de quotas d'eau aux cultures à forte valeur ajoutée (arboriculture, maraichage, semences). / Water withdrawal policy for irrigation is reformed by the French legislation for a return to a balance between resources and needs in 2014 to 2021. Irrigation is largely developed in south-western France, where most of the territory faced structural water deficits. This policy change will decrease the available water for irrigation. The aim of this study was to assess the impact of this reform on the farming economy. It has been conducted on six watershed where economic losses have been simulated, using or not support measures. For most of cases, the combination of these measures lead to a significant decrease or a cancel of the losses. Among these measures, the most effective are the investment in water storage, and the prior water reallocation for high added value crops (tree crops, vegetable growing, seeds crops)

L’évolution de la pollution agricole des eaux souterraines

Cet article présente les résultats d’un travail de modélisation interdisciplinaire visant à construire des scénarios d’évolution à long terme des teneurs en nitrates dans les eaux souterraines de la vallée du Rhin supérieur. La méthodologie consiste à intégrer différents modèles représentant des processus biophysiques et économiques et leurs interactions. Cet article se concentre plus particulièrement sur les modèles économiques qui représentent les choix de productions et de pratiques des agriculteurs de la zone d’étude (France et Allemagne) et permet d’en simuler l’évolution en fonction de divers scénarios d’évolution de l’environnement économique, naturel et réglementaire. Il présente le résultat de trois scénarios prospectifs de changement global.This paper presents the results of an interdisciplinary modelling project aiming at simulating future evolution of nitrate concentration in the Upper Rhine valley aquifer. The methodology developed consists of integrating different models representing bio-physical and economic processes as well as their interactions in order to deliver a prospective vision of nitrogen pollution. The paper focuses on economic models which were developed to represent farm production choices and copping practices in the case study area (France and Germany). The models are used in simulation to assess the impact of scenarios of global economic, natural and regulatory changes. It presents the results for three contrasted global change scenarios

Grapevine Yield Big-data for Soil and Climate Zoning. A case study in Languedoc-Roussillon, France

New winegrower and resource datasets appear to be a great opportunity to understand which are the environmental factors involved in grapevine yield spatially. Such analysis can help regional label managers and winegrowers for the conception of local adaptation strategies to climate change, reducing yield gaps. In the present study, we aggregated yield a big dataset obtained from Pays d’Oc winegrowers (n = 96677) between 2010 and 2018 at the municipality level (n = 606), located in the Languedoc-Roussillon region, in the South of France. We used a backward stepwise model selection process using linear mixed-effect models to discriminate and select significant indicators capable of estimating grapevine yield at the municipality level, these include: Soil Available Water Capacity (SAWC), soil pH, Huglin Index, the Climate Dryness Index, the number of Very Hot Days and Days of Frost. We then determined spatial zones by creating clusters of municipalities with similar soil and climate characteristics. The seven zones presented two marked yield levels. Yet, all zones had municipalities with both high yield and high yield gaps. On each zone, grapevine yield was found to be driven by a combination of climate and soil factors, rather than just by a single environmental factor. Environmental factors at this scale largely explained yield variability across the municipalities, but they were not performant in terms of annual yield prediction. Further research is required on the interactions between environmental factors, plant material and farming practices

Agricultures' adaptation to water management policies and global change : the interest of economic programming models

Cette thèse développe et discute différentes approches micro-économiques de modélisation de l’agriculture pour représenter l’effet de changements globaux et de politiques de gestion de l’eau sur l’adaptation de l’agriculture et sur les ressources en eau. Après un chapitre de synthèse et une revue de la littérature, quatre essais sont présentés. Le premier essai décrit la représentation du comportement de dix exploitations agricoles en Alsace et en Bade (Allemagne) à partir de modèles de programmation linéaire qui intègrent la prise en compte du risque. Après extrapolation, les résultats de simulation sont couplés à une chaîne de modèle plante-sol et de transfert hydrogéologique afin d’estimer la concentration future en nitrate dans l’aquifère du Rhin supérieur. Les simulations des trois scénarios de changements - tendanciel, libéral et interventionniste - suggèrent que les concentrations en nitrates baissent dans les trois cas par rapport à la référence. Le second essai explore l’effet de l’incertitude de changements globaux sur les ressources en eau par des simulations Monte Carlo pour le modèle alsacien (premier essai) et un modèle de demande en eau agricole (Sud-Ouest). Plusieurs niveaux de dépendance entre les paramètres incertains sont caractérisés. L’analyse des résultats montre que les objectifs environnementaux peuvent être déterminés avec suffisamment de précision malgré l’incertitude forte. Le troisième essai développe un modèle agricole régional de programmation mathématique positive avec élasticité de substitution constante entre l’eau et la terre afin d’explorer comment l’agriculture, partiellement irriguée, de Beauce s’adapte à une baisse de la disponibilité en eau. La réponse du rendement à l’eau est calibrée à partir d’information agronomique. Les adaptations à la baisse de disponibilité en eau sont distinguées selon qu’elles correspondent à des baisses de dose d’eau d’irrigation ou de changement de culture. Environ 20% de la réduction est due à la baisse des doses d’eau (marge intensive). Le dernier essai présente un modèle hydro-économique “holistic” de l’agriculture et de l’aquifère de Beauce afin d’évaluer plusieurs politiques de gestion quantitatives de l’eau ainsi que d’évaluer le cas où l’accès à la ressource n’est plus régulé. Des simulations dynamiques sont réalisées à l’horizon 2040 en tenant compte de l’incertitude liée au changement climatique. La politique actuelle de quotas annualisés semble être plus coût-efficace que les autrespolitiques testées (taxes, transferts etc.).This thesis develops and discusses agricultural-supply modeling approaches for representing the adaptation of farming to global changes and water policies: their effects on agricultural economics and water resources comprise critical information for decision makers. After a summary and a review chapter, four essays are presented. The first essay describes a representation of the behavior of ten typical farms using a risk linear programming model connected to a plant-soil-hydrodynamic model chain, to assess the future level of nitrate contamination in the upper Rhine valley aquifer. The baseline, liberal, and interventionist scenarios for 2015 all result in lower nitrate concentrations. The second essay explores the effects of the economic uncertainty of global changes by means of a Monte Carlo approach distinguishing various levels of dependence on uncertain parameters. Analyses for a nitrate-oriented and a water-use model (in Alsace and southwestern France) show that the environmental objectives can be targeted withsufficient confidence. The third essay develops a flexible specification for positive mathematical programming - constant elasticity of substitution with decreasing returns - to explore how irrigated farming adapts to increased water scarcity in Beauce, France. The possibility of adjusting the application of water per hectare accounts for about 20% of the response. The last essay presents the development of a holistic hydro-economic model of Beauce’s agriculture and aquifer under climate-change uncertainty, so as to evaluate various water policies, as well as the open-access case, up to the year 2040. The results show that the baseline policy is more cost-effective than the other instruments tested (tax, transfer,etc.)

Combining flexible regulatory and economic instruments for agriculture water demand control under climate change in Beauce

International audienceAgricultural water management is becoming a critical issue in many parts of the world and cost-effective water policies are required to control water use. We examine the case study of irrigated agriculture in Beauce, France (9750 km2, Europe's largest cereal producing region). We explore the mechanisms for water abstraction control involving a combination of regulatory and economic instruments. The analysis is conducted with a hydro-economic model that includes a calibrated economic model and a semi-distributed calibrated hydrogeological model. First, we analyse the system currently used to manage groundwater abstraction. It includes a flexible quota system, revised annually as a function of the state of the groundwater, combined with a tax. This dual system performs better than a single instrument because of regional hydrogeological and economic specificities, as well as the fact that it limits costs for farming. We then investigate the impact of alternative combinations of instruments. Our findings show that the most cost-effective and robust way to improve the groundwater state is to increase the economic component (a flexible tax) in association with a flexible quota system

Economic calibrated models for water allocation in agricultural production: A review

International audienceThere is a growing need to assess the effects of policies and global changes on both water resources and agriculture. Agricultural programming models are adequate to study this topic as their functional forms and calibration capacities make them suitable to represent real agricultural production systems and explicit the link between water and production. We present a review of the research on agricultural economic programming models that represent water demand and allocation among farming activities for different problem settings. The different types of models are discussed and particularly the integration of water into the production function so as to reflect the agronomic response of yields to varying levels of water. Uncertainty and risk integration as well as spatial and temporal scale issues are reviewed as they are determining to model results in a science support to policy perspective. A research agenda for future research in this field is provided

Intensive and extensive margin adjustments to water scarcity in France's Cereal Belt

International audienceEfficient water management in agriculture is becoming critical due to increasing environmental constraints and global food and bio-energy demands. Farmers may respond to increased water scarcity along three main adjustment margins: amove towards rain-fed agriculture (super-extensive margin) or towards less water-intensive crops (extensive margin), and a reduction in water intensity for irrigated crops (intensive margin). Using a positive mathematical programming model of regional supply calibrated to economic and agronomic information, we decompose the total effect of reduced water availability on these adjustment margins in Beauce, a productive cereal region that relies on a groundwater resource to meet its irrigation needs. For realistic water scarcity scenarios, 57 per cent of the total response is attributable to super-extensive margin adjustments. The extensive margin represents 28 per cent of the total response, while the intensive margin accounts for 15 per cent. Crop-level analysis reveals more subtle adaptation patterns

Les effets des politiques de l’eau sur l’adaptation de l’agriculture au changement climatique: Le cas du Guadalquivir

International audienceLes effets du changement climatique sur le secteur agricole dans les territoires arides et semiarides sont multiples et il est crucial d'étudier les mesures d'adaptation envisageables. Parmi ces mesures, l'irrigation et la gestion collective de l'eau ont une place centrale tant les ressources en eau sont fortement sous-tension et sont d'ores et déjà indispensables dans certaines régions pour le maintien d'une partie du secteur agricole. Des politiques efficaces et robustes ainsi que leur évaluation dans un contexte de changement climatique sont nécéssaires. Ce travail analyse les effets des politiques et leurs instruments de gestion de l'eau sur la capacité d'adaptation du secteur agricole au changement climatique dans un territoire du Sud de l'Europe, le bassin du Guadalquivir en Andalousie. Pour ce faire une perspective historique est adoptée. Nous distinguons les politiques de l'eau d'une part et l'évolution de l'agriculture d'autre part. Une étude de terrain complète cette analyse et a permis d'étudier les adaptations de court terme des agriculteurs lors d'une sécheresse. Celle-ci suggère que si la trajectoire semble assez peu résiliente mais performante du point de vue économique, les agriculteurs ont encore des marges de manoeuvre pour l'optimisation de l'usage de l'eau

Exploring resilience and competitiveness of wine estates in Languedoc-Roussillon in the recent past: a multi-level perspective

International audienceThe Languedoc-Roussillon, south west Mediterranean, wineries are facing a decline in wine yields particularly Protected Geographical Indication (PGI) wine yields. Climate change is one of the many factors and its effect is also expected to increase in the future. There is also structurally a large heterogeneity of yield profiles among terroirs, varieties and strategies of winegrowers. To investigate the link between yield, competitiveness and resilience multiple approaches have been combined in an observatory of wine yields and competitiveness for Pays d'Oc (PGI) wines. The resilience concept can be approached by the operational tool of trajectories. The present work aims at analyzing individual trajectories of PGI wine growers' to characterize the resilience of these farming systems. By analyzing individual data (toll data) of wine production over 9 years we suggest a methodology to represent their inter annual trajectories