Modélisation de scénarios de transition du système agricole français // modeling of transition scenarios for the french agricultural system

Topic description

Pour faire face aux enjeux environnementaux, une transition du secteur agricole est nécessaire.
Cependant, la complexité des mécanismes régissant le fonctionnement des agro-écosystèmes au sens des interactions entre cultures, prairies, élevage et consommation humaine rend difficile l'anticipation de l'effet d'un changement dans le système sur sa réponse en terme de performance et de soutenabilité. Par exemple, l'effet d'un changement de la taille et du type de cheptel sur la durablité et la productivité du système agricole est difficile à prédire du fait d'effets induits qui peuvent être antagonistes. Les systèmes d'élevage sont émetteurs de gaz à effet de serre et en compétition direct avec l'alimentation humaine, mais contribuent au maintien des prairies et donc de la biodiversité et assurent un rôle important dans la fertilité des cultures via les effluents d'élevage.

Tout cela rend difficile à la fois (i) pour la recherche l'élaboration des scénarios de transition et (ii) pour le grand public la compréhension de ces questions qui sont pourtant au centre des débats dans la société civile.

L'objectif général de cette thèse est donc d'exploiter les possibilités offertes par l'informatique pour concevoir un outil visuel, didactique et interactif mettant en lumière toute cette complexité et les différents liens de cause à effets avec pour but final d'éclairer les débats publics et choix sociétaux en offrant une vision à la fois plus réaliste mais aussi moins caricaturale et binaire. Il s'agit d'un vaste sujet s'inscrivant dans un projet plus large que cette thèse en collaboration avec une équipe d'agronomes de l'INRAE. Dans un premier temps, le focus sera mis sur un sous-ensemble des mécanismes clefs autour de l'élevage bovin avant d'être étendu à l'ensemble du système agricole. Le travail de thèse abordera les aspects suivants :

- Etude bibliographique de la littérature sur les modèles agronomiques et économiques ; compilation des données.
- Conception d'un modèle mathématique/informatique permettant d'évaluer les impacts (GES, surface, intrants, etc.) sur le système en fonction de différentes variables d'entrées (ex. taille de cheptel de race laitière, taux de pâturage, etc.)
- Implémentation du modèle.
- Conception d'un outil web permettant de visualiser et d'interagir avec le modèle pour permettre à l'utilisateur de mieux comprendre les mécanismes et d'explorer différents scénarios.

Le secteur de l'élevage bovin constituera une première étape. Il bénéficie déjà de plusieurs modèles ainsi que de certains outils, analysant notamment les impacts environnementaux associés [1,2,3,4,5,6,7]. Ces outils opèrent à différentes échelles, de la ferme à l'échelon national voire mondial. Chacun possède des limites par rapport aux fonctionnalités proposées ci-dessus : l'aspect temporel (modéliser une transition sur plusieurs décennies), l'interaction en temps réel (certains modèles mettent actuellement 4 jours sur un ordinateur standard), l'échelle spatiale (périmètre et granularité), la prise en compte des cycles (azote, carbone…), etc.

Pour la conception de l'outil, nous nous appuierons sur plusieurs sources d'inspirations telles que les explorable explanable [8], model-driven reading/debate [9], des outils tels qu'AeroMAPS pour l'aéronautique [10], et un prototype sur la modélisation du transfert de données par Internet [11].
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To address environmental challenges, a transition in the agricultural sector is necessary. However, the complexity of the mechanisms governing the functioning of agro-ecosystems, in terms of the interactions between crops, grasslands, livestock, and human consumption, makes it difficult to anticipate the effect of a change in the system on its performance and sustainability. For example, the effect of a change in the size and type of livestock on the sustainability and productivity of the agricultural system is difficult to predict due to potentially conflicting induced effects. Livestock systems emit greenhouse gases and compete directly with human food production, but they contribute to maintaining grasslands and therefore biodiversity, and play an important role in crop fertility through livestock effluents.

All of this makes it difficult both (i) for researchers to develop transition scenarios and (ii) for the general public to understand these issues, which are nevertheless central to debates in civil society.

The overall objective of this thesis is to leverage the possibilities offered by computer science to design a visual, educational, and interactive tool that highlights the complexity of the agricultural system and its various cause-and-effect relationships. The ultimate goal is to inform public debates and societal choices by offering a more realistic, less simplistic, and less binary perspective. This is a broad topic that is part of a larger project undertaken in collaboration with a team of agronomists from INRAE. Initially, the focus will be on a subset of key mechanisms related to cattle farming before being extended to the entire agricultural system. The thesis work will address the following aspects:

- Literature review of agronomic and economic models; data compilation.
- Design of a mathematical/computer model to assess the impacts (GHG, land area, inputs, etc.) on the system based on various input variables (e.g., dairy herd size, grazing rate, etc.).
- Implementation of the model.
- Design of a web-based tool to visualize and interact with the model, enabling users to better understand the mechanisms and explore different scenarios.

The cattle farming sector will be a first step. It already benefits from several models and tools that analyze, in particular, the associated environmental impacts [1,2,3,4,5,6,7]. These tools operate at different scales, from the farm level to the national and even global level. Each tool has limitations compared to the functionalities described above: the temporal aspect (modeling a transition over several decades), real-time interaction (some models currently take 4 days on a standard computer), spatial scale (perimeter and granularity), consideration of cycles (nitrogen, carbon, etc.), and so on.

For the tool design, we will draw on several sources of inspiration, such as explorable explanables [8], model-driven reading/debate [9], tools like AeroMAPS for aeronautics [10], and a prototype for modeling data transfer over the Internet [11].
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral