Les prairies assurent différents services auprès de l’agriculture et de la société, dont les plus fondamentaux sont de produire le lait et la viande que nous consommons, mais également d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES) en piégeant une partie du carbone atmosphérique dans leurs sols. L’anticipation des risques associés à la continuité de ces services, dans le contexte de changement climatique (CC) et démographique futur, est l’un des enjeux agricole et sociétal de demain. Dans ce cadre, cette thèse vise à i) modéliser les impacts du CC sur les services et le bilan de GES des prairies, en tenant compte de la variabilité climatique accrue prédite par les modèles climatiques, mais également ii) à fournir des pistes d’adaptations du système fourrager dans le cas de systèmes d’élevage bovin herbagers. Pour cela, nous avons développé les modules animal et végétal de PaSim afin, d’une part, de représenter de façon mécaniste les performances animales et les émissions de méthane entérique au pâturage et, d’autre part, de rendre compte des interactions de la diversité végétale avec le CC et la gestion des prairies. PaSim a ensuite été utilisé pour simuler, en 12 sites français, les impacts du CC sur des prairies mono ou plurispécifiques, dans différentes conditions pédoclimatiques et de gestion. Le modèle a été forcé par des scénarios climatiques à haute résolution couvrant la période 1950-2100 et issus de différents scénarios socio-économiques, modèles climatiques et méthodes de régionalisation / initialisation. Les conséquences du CC sont globalement assez favorables, hormis pour la production fourragère estivale et la restitution d’eaux aux nappes, pour lesquels les risques d’une diminution significative sont accrus. Les sites plus arides ne sont pas nécessairement ceux qui connaîtront la plus forte évolution négative, même si, en absolu, ils restent ceux présentant les déficits fourragers et hydriques les plus forts. De nouvelles opportunités pour la production fourragère s’offre aux saisons autres que l’été, laissant présager de changements saisonniers importants qui nécessiteront fatalement une adaptation des systèmes d’élevage de ruminants. Une étude de cas, centrée sur les bassins de production breton et du Massif Central, a permis de montrer que ces changements pourraient s’accompagner de modifications de la distribution de fourrages et de concentré en complément de l’herbe pâturée, avec parfois, une exclusion des troupeaux de la pâture l’été. Des systèmes fourragers offrant une certaine flexibilité face à l’aléa climatique pourraient permettre d’exploiter à son maximum l’herbe pâturée, avec des temps de pâturage plus longs et davantage de surfaces allouées au pâturage, et par conséquent des chargements plus élevés. Ces adaptations ne devraient pas nuire au bilan net de GES à l’échelle du système, exprimé par UGB jour. En revanche, afin de soutenir le potentiel de production, elles pourraient nécessiter un recours plus important à l’azote et, de fait, augmenter les pollutions azotées à l’échelle du système. / Grasslands ensure a variety of services to the agricultural community and the society as a whole. Dairy and beef production are the major objectives of grassland management. However, they are also effective to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions by sequestering the atmospheric carbon into the soil. Considering the challenges of demographic and climate changes (CC), anticipating the risks associated to the continuity of these services is to date a major societal concern (and is likely to remain a topic of public concern in the foreseeable future). In this context, the thesis aimed at: i) modelling the impacts of CC on grassland services (including the GHG budget), while accounting for the increased variability of future climate as projected by climate models ; ii) identifying pathways to CC adaptation of pasturebased livestock systems. By considering such goals, novel animal and plant modules were developed for the Pasture Simulation model (PaSim) that allowed, on the one hand, a mechanistic representation of the animal performance and methane emissions at pasture and, on the other hand, assessing interactions between vegetation diversity, CC and pasture management. PaSim has been used to simulate the impacts of CC on monocultures and multispecies grasslands run at 12 French sites across a range of soil, climate and management conditions. The model has been forced by high-resolution climate projections over 1950-2100, as generated by a set of socio-economic scenarios, climate models, and regionalization / initialization methods. Overall, the projected consequences of CC on French grasslands are not severe. Major concerns refer to summer forage deficit and water table depletion, for which significant risks of reduction may arise. If the most arid sites will not necessarily experience the worst CC impacts, they remain affected by the most critical conditions of forage and water deficit. Some opportunities for forage production that may arise for other seasons than summer involve important seasonal changes, which may also require the adaptation of pasture-based livestock production systems. A case study on two major production districts – Brittany and Massif Central – showed that CC will affect accompanied by the need of modifying forage and concentrate distribution to complement the grazed pastures. Moreover summer grazing will not be possible in some years. Flexible systems will allow better exploiting grazed grasslands. This may be achieved by extending the grazing periods and increasing the area allocated to pasture, while also increasing the animal density. Such adaptation measures proved not to worsen the GHG budget of the system, per livestock unit day. In contrast, increased supplies of nitrogen fertilizers to match the increased productivity potential may increase nitrate leaching.

Les systèmes de production agricole sont exposés au changement climatique des lors qu’ils mobilisent des ressources dépendantes du climat. L’enjeu pour la communauté scientifique est de produire des connaissances permettant aux praticiens d’anticiper les effets du changement climatique sur leur système, et d’élaborer des méthodes et outils pour s’y adapter. Les systèmes d’élevage herbagers sont particulièrement concernes par le changement climatique étant donné qu’ils dépendent de la ressource fourragère, dont la saisonnalité et la productivité sont fortement liées au climat. Leur adaptation au changement climatique nécessite d’anticiper les tendances et la variabilité interannuelle. L’objectif de la thèse est de proposer une analyse de la vulnérabilité des systèmes d’élevage herbagers au changement et à la variabilité climatique, ainsi qu’une méthode de conception de ces systèmes. La thèse repose sur la spécification et l’application du cadre de la vulnérabilité à l’échelle de l’exploitation d’élevage, et la mise en œuvre d’une méthode de conception participative. La démarche d’ensemble articule la représentation de l’exposition au climat en lien avec les contraintes de gestion des élevages, l’analyse rétrospective des dynamiques des élevages et la construction participative de systèmes d’élevage moins vulnérables au changement et a la variabilité climatiques. Nous avons mis en œuvre cette démarche sur les élevages du Sud-Ouest de la France. Nous avons mis en évidence que ces élevages, bien qu’exposes a l’évolution de la saisonnalité de la production herbagère et des types d’années fourragères les plus fréquents, disposent de capacités d’adaptation structurelles et organisationnelles suffisantes pour faire face au changement climatique a horizon 2085. Nous avons également identifie les caractéristiques des exploitations les plus sensibles et les adaptations les plus efficaces face a la variabilité climatique. Outre son intérêt pour comprendre et réduire la vulnérabilité des élevages herbagers à la variabilité et au changement climatique, cette méthodologie a la fois réflexive et interactive pourrait être utilisée pour communiquer auprès des éleveurs et des organismes de développement agricole sur le changement climatique, ses effets et les adaptations possibles des élevages. / Agricultural systems are exposed to climate change since they use climate-dependent resources. The current challenge for research is to produce knowledge, methods and tools to help farmers to anticipate and to cope with the effects of climate change on their systems. Climate change influences fodder production in seasonality and productivity and thus grassland-based livestock systems. The adaptation of those systems to climate change requires anticipating trends and inter-annual variability. The aim of this thesis is to propose a vulnerability assessment of grassland-based livestock systems to climate variability and climate change, and a method to design such systems. The thesis specifies and implements the vulnerability framework to livestock systems and develops a participatory design method. The whole approach articulates the representation of climate exposure in relation with management constraints of livestock systems, the retrospective analysis of livestock farms dynamics and the participatory design of grassland-based livestock systems that are less vulnerable to climate variability and change. We implemented this approach on cattle systems in South-West France. We have demonstrated that those cattle systems will be exposed to a change in the seasonality of grassland production and in the most frequent forage years. However, they have enough structural and organizational capacities to cope with climate change by 2085. We also identified sensitivity sources to extreme climatic events and the most efficient adaptations to cope with it. This approach helps to understand and reduce the vulnerability of grassland-based livestock systems to climate variability and change. In addition, this interactive and reflexive approach is an opportunity to make farmers and rural development actors aware of climate change, its consequences and the possible adaptations of livestock systems.

Les systèmes d’élevages laitiers herbagers montagnards sont d’autant plus sensibles aux changements de contraintes de production (types de fourrages et niveaux d’aliments concentrés autorisés dans les cahiers des charges AOP par exemple) et aux aléas climatiques que le milieu est contraignant et que le système fourrager repose sur l’utilisation exclusive de prairies permanentes. Une meilleure adéquation entre les dynamiques de besoins des animaux et d’offre herbagère permettrait à ces systèmes d’atteindre un meilleur degré d’autonomie fourragère et alimentaire, et d’être ainsi plus robustes face aux changements. Pour explorer des stratégies contrastées de conduite et comprendre les compromis qu’il est possible d’atteindre entre niveau de production, autonomie fourragère et utilisation durable des prairies, un modèle de simulation déterministe à l’échelle de l’exploitation a été construit, nommé Dynamilk. Ce modèle simule les interrelations entre le troupeau laitier, les ressources alimentaires et herbagères et la conduite du système. Dynamilk est composé de deux sous-modèles biotechniques avec, d’une part, le parcellaire comportant un module de croissance de l’herbe prenant en compte la diversité botanique des prairies, et d’autre part, le troupeau laitier. Un modèle de structure démographique du troupeau simule les différentes catégories d’animaux selon leur âge et leur stade physiologique, et, un modèle dynamique simule l’ingestion et la production pour chaque catégorie d’animaux. La production laitière résulte des besoins énergétiques, de l’énergie offerte par la ration et de la capacité des animaux à mobiliser ou reconstituer leurs réserves corporelles. Le modèle de conduite est composé des éléments stratégiques définissant les objectifs de production et les règles de pilotage des principales pratiques (constitution et gestion des fourrages, alimentation et pâturage du troupeau). Le modèle animal et le modèle global ont été validés sur des données expérimentales ou de référentiels de fonctionnement d’exploitations. Ces deux modèles présentent des résultats et un fonctionnement cohérent. Dynamilk a permis de tester deux systèmes contrastés selon leur dynamique annuelle de production (période des vêlages « groupés de septembre à février » (GA) vs « groupés de mars à mai » (GP)) à chargement (0,94 UGB/ha) et apports de concentrés (1 200 kg/VL/an) identiques. Dans un plan d’expérience virtuel, chaque système a été simulé sur deux séries climatiques, une sans aléa climatique (1993-1999) et l’autre avec (2005-2011), avec une augmentation du chargement et une diminution des apports de concentrés. Les résultats de simulation montrent qu’à faible chargement les deux systèmes sont autonomes pour les fourrages et sous-utilisent les ressources herbagères au pâturage. L’augmentation du chargement améliore l’utilisation de l’herbe pâturée sans pénaliser les performances laitières, mais réduit l’autonomie en fourrages récoltés. Diminuer les apports de concentrés améliore également l’utilisation de l’herbe, mais réduit la production laitière. La production laitière du système GA est plus sensible que celle du système GP à la qualité des fourrages récoltés qui varie selon les années climatiques. Ainsi le système GP, grâce à plus d’utilisation de l’herbe pâturée, serait moins sensible aux aléas. Dynamilk permet d’analyser la réponse de systèmes laitiers herbagers sur des séries climatiques longues et de tester pas à pas des modifications de structure et de pilotage du système dans une démarche de conception de systèmes ex ante. / Dairy systems based on grasslands are sensitive towards environmental variations (climatic events) and production constraints changes. A better match between dynamic of dairy cattle needs and herbage supply could enable the farming system to lean towards a better forage self-sufficiency at farm-scale and to be more resilient to changes. Modeling approach is used to study, over many years, several scenarios with contrasted strategies of biotechnical subsystems management in order to test different calving distributions, cattle and grasslands characteristics, or practices on pastures and meadows. Such a dynamic model, called Dynamilk, has been created and implemented. Dynamilk is focused on relationships among dairy cattle, management and resources. This model is based on a bio-technical approach focused on grassland use by animals. Grassland sub model which consists in biodiversity characteristics and grass growth components has been developed by Jouven (2006). Dairy cattle sub model consists in 2 units: demographic structure unit and intake, milk production and body reserve use unit. This model considers calving period and distribution, dairy cattle characteristics (ability of animals to produce milk and use its body reserve) in order to test the match between animal needs and feed supply. Milk production according to herbage and feed supply is the main output of Dynamilk. Decisional sub-system describe the main practices to rule the production system which are forage system management with mowing practices, forage stores, winter diet, concentrate distribution and grazing management. Validation of dairy cattle sub model and whole model has been carried out by comparison against experimental data and case-study data of real farms. Two systems has been simulated with Dynamilk, the first one based on calving distribution from august to february, called GA, and the second one from march to june, called GP (stocking rate 0.94 LU.ha-1 and concentrate amount 1200 kg.cow-1.year-1). Simulation results have pointed out that both system achieved forage self-sufficiency and grass offer is underused. Several simulations has been accomplished to evaluate impacts of stocking rate increase and concentrate decrease on animal production, herbage utilisation and forage self-suficiency rate. The simulation have indicated that matching animal needs with feed and herbage supply to better cope with climatic events and constraints changes.