Modelling agricultural transitions : energy, nitrogen and the feeding capacity of French agriculture on the long duration (1882-2016) and first steps towards a world scale approach

Face aux enjeux de changement climatique et de transition énergétique associés aux prévisions de croissance démographique au cours du XXIème siècle, l’agriculture doit se transformer pour produire plus de nourriture tout en réduisant sa dépendance aux ressources non-renouvelables et en préservant les écosystèmes. Dans ce contexte, cette thèse s’intéresse à examiner les impacts des contraintes biophysiques et des transformations sociotechniques sur le métabolisme agricole, les transitions et la capacité nourricière de l’agriculture. Le métabolisme agricole est modélisé par les flux d’énergie et d’azote que le système agricole mobilise et transforme pour fonctionner et fournir de la biomasse. Ce cadre analytique permet d’une part de positionner l’agriculture dans les enjeux de la transition énergétique et, d’autre part, de quantifier conjointement la capacité nourricière atteignable et son impact sur la biogéochimie planétaire. Nous examinons le métabolisme agricole à deux niveaux d’échelles spatio-temporelles : une modélisation en perspective historique de longue durée (1882-2016) à l’échelle de la France et une modélisation historique (1961-2013) et prospective à l’échelle du monde. L’analyse de l’agriculture en France s’appuie sur la modélisation des données historiques de productions et des moyens de productions. Nous mettons en lumière les mécanismes qui relient les entrées et sorties du système agricole, et les transitions énergétiques et azote associées de manière continue depuis 1882. Nous caractérisons la trajectoire française à l’aide d’indicateurs d’efficacité, de retour sur investissement énergétique, de surplus agricole, d’autosuffisance et de neutralité énergétique du système. La neutralité énergétique est un indicateur clé pour positionner l’agriculture dans la transition énergétique à venir. Nous retraçons l’impact des transformations sociotechniques sur les transitions qui ont fait quadrupler le surplus alimentaire des fermes et ont réduit presque à zéro leur autosuffisance énergétique. L’agriculture produisait en énergie deux fois ce qu’elle consommait en temps préindustriels contre quatre fois aujourd’hui, or elle est passée d’un système énergétiquement autonome nourri de biomasse à un système quasi-exclusivement nourri d’énergies fossiles. Exprimée en équivalent biomasse, la consommation actuelle d’énergie de l’agriculture est égale à sa production, ce qui en fait un système énergétiquement inintéressant. Le défi pour l’agriculture est de contribuer à la transition énergétique sans empiéter sur sa production alimentaire. Relever ce défi, qui est peu compris par la société, passe par l’amélioration de la performance énergétique de l’agriculture et implique l’amélioration de l’efficacité d’utilisation de l'azote ainsi que la réduction de l’élevage surtout des monogastriques, la valorisation énergétique d’une majorité des résidus agricoles et la réduction du travail au champ. La modélisation à l’échelle mondiale permet de caractériser la trajectoire de l’agriculture en termes de capacité nourricière et d’impact environnemental et d’évaluer sa capacité limite de production sur la base des contraintes biophysiques. Cette modélisation est un premier module centré sur le métabolisme azote et ne tient pas compte du mode de fonctionnement énergétique de l’agriculture. Nous examinons les limites de production alimentaire mondiale conjointement avec les pertes d’azote en fonction des degrés d’autosuffisance en azote. Nous montrons que la population humaine maximale supportable sur Terre peut varier de 6 à 17 milliards de personnes en fonction de la part de la production totale de grain utilisée dans l’alimentation animale, l’efficacité d’utilisation de l’azote et le régime de fertilisation azotée. Cette analyse permet de confronter, comme c’est rarement fait, les projections démographiques officielles pour le XXIe siècle à des contraintes biophysiques planétaires et discuter leurs conditions de réalisation.To overcome the challenges of climate change and energy transition, combined with the projected population growth in the 21st century, agriculture must transform itself to produce more food while reducing its dependence on non-renewables sources and preserving ecosystems. This thesis examines the impacts of biophysical constraints and socio-technical transformations on agricultural metabolism, transitions and feeding capacity of agriculture. Agricultural metabolism is modelled through both energy and nitrogen flows that the agricultural system mobilizes and converts to operate and to supply biomass. This analytical framework allows us, on the one hand, to position agriculture within the energy transition challenges and, on the other hand, to jointly quantify the achievable feeding capacity and its impact on global biogeochemical cycles. Agricultural metabolism is examined at two spatial and temporal scales: a long-term historical perspective modelling (1882-2016) at the scale of France and a historical (1961-2013) and prospective modelling at the global scale. The analysis of French agriculture is based on the modelling of historical production data and means of production. We explore the mechanisms that link the inputs and outputs of the agricultural system, together with the associated energy and nitrogen transitions continuously since 1882. We characterize the French trajectory on the basis of efficiency indicators, energy return on energy investment, farm surplus, self-sufficiency and energy neutrality of the system. Energy neutrality is a key indicator for positioning agriculture in the future energy transition. We quantify the impact of socio-technical transformations on transitions that have quadrupled the farm surplus and reduced its energy self-sufficiency to almost zero. Agriculture produced twice as much energy as it did in pre-industrial times, compared to four times today, but it has gone from an energy self-sufficient system fed by biomass to a system almost exclusively dependent on fossil fuels. Expressed in biomass equivalent, agriculture's current energy consumption is equal to its production, therefore a system that is not energetically viable. The challenge for agriculture is to contribute to the energy transition without encroaching on its food production. Meeting this challenge, which is little understood by society, requires improving the energy performance of agriculture and involves improving nitrogen use efficiency, as well as reducing livestock production, especially from monogastrics, decreasing farm labor needs, together with a high energy recovery from agricultural residues. Global-scale modelling allows us to describe the agriculture trajectory in terms of feeding capacity and environmental impact and to assess its food production limits on the basis of biophysical constraints. This modeling is a first module focused on the nitrogen metabolism and does not take into consideration the energy operating regime of agriculture. We examine the limits of world food production along with nitrogen losses according to degrees of nitrogen self-sufficiency. We show how maximum supportable human population on Earth can range from 6 to 17 billion people depending on the share of total grain production used in animal feed, the nitrogen use efficiency and the nitrogen fertilization regime. This analysis allows comparing, as it is rarely done, official population projections for the 21st century with planetary biophysical constraints and discuss the conditions under which these projections can be achieved