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 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.

Les systèmes fourragers sont difficiles à gérer, en particulier à cause de leur sensibilité aux variations climatiques. La conception de systèmes fourragers flexibles, capables de garantir voire d'accroître leurs performances productives et environnementales face à ces variations, est donc un enjeu important. Cet objectif nécessite de la part de l'éleveur un comportement gestionnaire qui valorise la diversité biologique végétale et animale, et du territoire d'exploitation. Pour ce faire, cette thèse propose une démarche de modélisation systémique et de simulation dynamique permettant d'étudier une large gamme de systèmes fourragers sous différents contextes de production. Sa principale originalité réside dans la représentation des comportements gestionnaires sous forme de plans flexibles d'activités par lesquelles les éleveurs contrôlent les processus biologiques en oeuvre dans leurs systèmes. Un exemple d'application illustre comment, grâce au réalisme de cette représentation, la mise en oeuvre de la démarche contribue à stimuler l'apprentissage des experts et des chercheurs, en remettant en cause, à l'échelle du système fourrager, leurs hypothèses issues d'un diagnostic de pratiques d'éleveur à l'échelle de la parcelle. / Grassland-based livestock systems are difficult to manage, particularly because of their sensitivity to weather variations. The design of flexible systems, capable of maintaining or even increasing their productive and environmental performances in spite of such variations, is thus a major issue. Such aim requires that the farmer's management behavior be oriented toward the exploitation of the opportunities provided by plant, animal and farmland diversity. To this end, this thesis proposes an approach relying on systemic modeling and dynamic simulation that enables to study a wide range of grassland-based livestock systems under different production contexts. Its main originality is the modeling of management behaviors as flexible plans of activities through which the farmer controls the biological processes occurring within the system. Thanks to the realism of this representation, an example of application displays how the use of the proposed approach contributes to stimulate learning of experts and researchers by reviewing, at the system scale, their hypothesis formulated at the plot scale based on a diagnosis of the farmers' practices.

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.

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.

Les alpages sont des espaces utilisés par la majorité des exploitations d’élevage de montagne et de Provence, qui y envoient tout ou partie de leurs troupeaux durant la saison estivale. Ce sont des milieux très riches sur le plan environnemental, mais aussi très fragiles et gérés exclusivement par le pâturage des troupeaux, constituant de ce fait des espaces particuliers dans la problématique de l’adaptation au changement climatique pour les systèmes d’élevage provençaux et de montagne. Or le constat est fait que les approches de diagnostic d’alpage et les références utilisées au plan pastoral présentent des lacunes pour appréhender la gestion dynamique des alpages : vision statique des végétations d’alpage et des pratiques, prise en compte des aléas et de la variabilité interannuelle souvent réduite à un coefficient forfaitaire de sécurité... et pas de prise en considération des interactions entre alpage et exploitations utilisatrices. Afin de renouveler ces cadres d’analyse, notre travail de thèse propose une modélisation conceptuelle du fonctionnement du système « alpage-exploitations », intégrant les plans biophysique et de la gestion. La construction du modèle s’appuie sur la combinaison de travaux en écologie et en agronomie « système », et de dires d’expert (modélisation participative). Le modèle est mis à l’épreuve sur une diversité de cas, issus du réseau Alpages Sentinelles dans le massif Alpin. Une analyse de la vulnérabilité des systèmes à la recrudescence des aléas climatiques est effectuée en étudiant leur exposition aux aléas puis leur sensibilité ; afin d’intégrer la dynamique de long terme du changement climatique dans la gestion des alpages, une analyse mobilisant les théories de la résilience socio-écologique est proposée en complément. / Alpine pastures, or mountain summer pastures can be defined as permanent grasslands used in summer by mountain and surrounding plains farmers (especially Provence in the French Alps). They are rich but fragile ecosystems, managed exclusively through the grazing of herds. Therefore adaptation to climate change is very specific on these spaces. Pastoral diagnosis methods and technical references are insufficient to analyse dynamic management of summer mountain pastures: static vision of vegetation and practices, climatic hazards considered only through a security coefficient, and no consideration for interactions between summer pastures and farms. In order to renew these analytical frameworks, our PhD thesis proposes a conceptual model of how the system “mountain summer pastures-farm” works, both in biophysical terms and in terms of management. The building of this model relies both on researches in ecology and agronomy, and on participatory modelling. We evaluate the model through an analysis of the vulnerability to climatic hazards of a diversified sample of systems. In order to take into account long term dynamics of climate change, we also mobilise the theories of social-ecological resilience.