Évaluation quantitative de la durabilité de stratégies d’atténuation des é́missions de gaz à effet de serre dans le secteur AFOLU à l’échelle mondiale

The large-scale implementation of emission reduction strategies in the agriculture, forestry and other land uses (AFOLU) sector raises questions about their sustainability. For example, second-generation bio-fuels threaten biodiversity and the reforestation of agricultural land increases food prices. In addition, these emission reduction strategies are highly dependent on socio-economic conditions describing the rest of the food system (agricultural trade liberalization, economic development, population growth, etc.). For example, an increase in food demand, due to population growth and economic development, can increase pressures on the food system, leading to ecosystem degradation and increased greenhouse gas emissions. In this thesis, we seek to clarify the impacts on biodiversity, food and greenhouse gas emission of large-scale mitigation strategies in the AFOLU sector under different socio-economic conditions. To do this, we used prospective modeling to simulate various global land uses in 2030, 2050 and 2100 under different scenarios. More specifically, to study the impact of different mitigation strategies on biodiversity indicators, we coupled the Nexus Land-Use (NLU) model with the Projecting Responses of Ecological Diversity In Changing Terrestrial Systems (PREDICTS) biodiversity model. A nitrogen balance is also built to specify the link between intensification and environmental impact.In the first chapter, we assessed the impact of scenarios of increased legume production in Europe on greenhouse gas emissions in the AFOLU sector. We found that the main environmental benefit of legumes is to provide proteins as a substitute for animal products rather than enabling a lower consumption of synthetic fertilizer through the increased leguminous nitrogen fixation. Most of the emission reduction takes place in the animal production sector and outside Europe. This first chapter also highlights the importance of indirect mechanisms that lead to a reduction in N2O emissions associated with nitrogen fertilization in the plant sector. The sensitivity of these results to different reforestation scenario led me to then focus on the interactions between mitigation strategies.In the second chapter, we analyzed the trade-offs and synergies between biodiversity and food security for different combinations of mitigation scenarios. Large-scale bioenergy production had negative effects on different biodiversity indicators (species richness and biodiversity intactness index) as well as on different food security indicators (food prices and production costs). Although presenting a trade-off between biodiversity protection and food security, a combination of diet change and reforestation scenarios can improve biodiversity and food security in many cases compared to a situation without mitigation.In a third chapter, we identified global land-use scenarios that ensure to stay within planetary boundaries in terms of nitrogen cycle, biosphere integrity, non-CO2 emissions from the AFOLU sector and forest conservation. We showed that despite the uncertainty surrounding the determination of global boundaries, the most robust environmental scenarios that ensure to stay within these global boundaries are mainly composed of reforestation, dietary changes and increased efficiency in the use of inputs in crop production.L'implémentation à large échelle de stratégies d’atténuation des émissions dans le secteur de l'agriculture, la forêt et autres usages des sols (AFOLU) pose des questions sur leur durabilité. Par exemple, les bio-fuels de seconde génération menacent la biodiversité et la reforestation d'espaces agricoles augmente le prix de l'alimentation. De plus, ces stratégies d’atténuation des émissions dépendent fortement des conditions socio-économiques décrivant le reste du système alimentaire (libéralisation du commerce agricole, développement économique, augmentation de la population...). Dans cette thèse, nous cherchons à préciser les impacts sur la biodiversité, l'alimentation et les émissions de gaz à effet de serre de différentes stratégies d’atténuation à large échelle dans le secteur AFOLU au regard de différentes situations socio-économiques. Pour cela, nous utilisons la modélisation prospective qui nous permet de simuler des scénarios décrivant l'évolution de l'usage des sols à l'échelle mondiale à l'horizon 2030, 2050 et 2100. Le couplage du modèle d'usage des sols Nexus Land-Use (NLU) avec le modèle de biodiversité Projecting Responses of Ecological Diversity In Changing Terrestrial Systems (PREDICTS) permet d’étudier l’impact de ces stratégies d’atténuation sur différentes composantes de la biodiversité. Le calcul de bilan d’azote permet quant à lui de préciser le lien entre l’intensification et sont impact environnemental.Dans la première partie du manuscrit de thèse, nous testons des scénarios d’augmentation de la production de légumineuse en Europe en évaluant les effets sur les émissions de gaz à effet de serre du secteur AFOLU. Nous montrons que le principal avantage environnemental des légumineuses est de fournir des protéines comme substitut aux produits d'origine animale plutôt que de permettre une réduction de la consommation d'engrais de synthèse par une fixation accrue de l'azote par les légumineuses. La majorité de la réduction d’émission a lieu dans le secteur de production animal et hors de l'Europe. Notons également l'importance des mécanismes indirects qui mène à une réduction des émissions de N2O associées à la fertilisation azotée dans le secteur végétal. La sensibilité de ces résultats à la combinaison du scénario de changement de régime alimentaire avec un scénario de reforestation nous amène à nous intéresser dans la suite aux interactions entre stratégies d’atténuation.Dans la seconde partie, nous étudions les compromis et les synergies entre conservation de la biodiversité et maintien de la sécurité alimentaire pour différents scénarios d’atténuation. La production à large échelle de bioénergie a des effets négatifs à la fois sur différents indicateurs de biodiversité (richesse spécifique et l’indicateur d'intégrité de la biodiversité) et sur la sécurité alimentaire (prix de l’alimentation et coût de production). Bien que présentant un compromis entre protection de la biodiversité et sécurité alimentaire, les combinaisons de changement de régime alimentaire et de scénario de reforestation permettent d’améliorer la biodiversité et la sécurité alimentaire dans de nombreux cas par rapport à une situation sans atténuation des émissions.Dans la troisième partie, nous comparons différentes évolutions de l'usage des sols à l'échelle mondiale en identifiant les scénarios qui permettent de ne pas dépasser les limites de la planète au regard d'indicateurs renseignant le cycle de l’azote, l'intégrité de la biosphère, les émissions de CO2 du secteur AFOLU et la conservation des forêts. Nous montrons que malgré l’incertitude régnant autour de la détermination des limites planétaires, les scénarios environnementaux qui permettent de rester de manière robuste au sein de ces limites planétaires sont constitués majoritairement de reforestation, de changement de régime alimentaire et d’augmentation de l’efficacité de l’utilisation des intrants dans la production végétale