Chapitre 11. Intégration du changement d'usage des terres et évaluation des réactions dans les modèles de changement global: L'approche IMAGE 2

11.1. Importance des réactions et des liaisons
11.2. Les approches des modelés
11.3. Remarques et conclusion
Remerciements
Références

Rik LEEMANS, Gert JAN VAN DEN BORN et Lex BOUWMAN
Département du Changement Global, Institut National de Santé Publique et de l'Environnement, RIVM, Bilthoven, Pays-Bas

Au cours des dernières décennies, il s'est développé une préoccupation croissante à propos de l'impact négatif du changement des conditions atmosphériques. Dans les premiers temps, ces préoccupations se focalisaient essentiellement sur la pollution de l'air à l'échelle locale et régionale; mais par après, des aspects globaux furent pris en considération. Une des principales préoccupations globales est l'accroissement des 'gaz à effet de serre' (GHGs: H₂O, CO₂, CH₄, CO, CFCs, N₂O, l'O₃ troposphérique et ses précurseurs) qui influencent l'équilibre radiatif de la terre. Les concentrations atmosphériques de ces gaz ont augmenté de manière significative depuis le début de la révolution industrielle. De telles augmentations pourraient d'ailleurs conduire à d'importants changements de climat tant à l'échelle régionale que globale (Houghton et al., 1992).

Les sources et les puits des différents GHGs sont hétérogènes et difficiles à évaluer parfaitement à une échelle globale. Les concentrations de ces gaz sont influencées par une série de processus chimiques dont beaucoup sont intrinsèquement liés les uns aux autres (Prinn, 1994). Outre ces importants processus chimiques dans l'atmosphère, les concentrations finales sont fortement déterminées par plusieurs processus océaniques et terrestres. Par exemple, les océans absorbent le CO₂ atmosphérique par le biais de processus diffusifs et biologiques dont la grandeur est fonction des propriétés climatiques, de l'équilibre énergétique et de la circulation océaniques (par ex., Sarmiento et Bender, 1994; Woods et Barkmann, 1993). Les processus altérant les sources terrestres et les puits déterminent de façon importante les nombreux flux des GHGs entre l'atmosphère et la biosphère (Leemans, 1996). Les sources, les puits et les flux des GHGs émanant de la biosphère terrestre sont plus difficiles à quantifier parce qu'ils sont déterminés par les propriétés locales des sols, de la végétation et du climat ainsi que par l'usage réel des terres. Tous ces facteurs diffèrent fortement selon le contexte géographique et s'influencent les uns les autres à des échelles temporelles bien spécifiques. Les changements de ces flux sont actuellement dominés par les activités humaines. Ceci signifie que toute tentative d'évaluation globale des futurs niveaux des GHGs atmosphériques exige la prise en considération de ces caractéristiques spatio-temporelles hétérogènes et des activités humaines qui affectent la biosphère terrestre.

Dans ce chapitre, l'accent est mis sur les processus de la biosphère terrestre qui déterminent les flux des GHGs. Tout d'abord, les liaisons et les réactions entre les différents processus et compartiments du système terrestre sont discutées en accordant une attention toute particulière aux processus qui influencent les caractéristiques de la biosphère terrestre. Cette partie est suivie d'un bref aperçu de l'importance d'une modification dans l'usage des terres, en spécifiant sa nature et les problèmes rencontrés pour parvenir à une évaluation appropriée de sa grandeur. Enfin, le développement d'un modèle de système terrestre (IMAGE 2; Alcamo, 1994) y est décrit. Il intègre les questions du changement de climat et en évalue l'importance dans leur ensemble. Cette étude présente et discute également quelques applications du modèle relatives à l'atténuation des GHGs.

11.1. Importance des réactions et des liaisons

11.1.1. REACTIONS PHYSIQUES ET BIOGEOCHIMIQUES

Les processus de réaction influencent les taux d'échange des GHGs entre l'atmosphère, la biosphère et les océans et modifient la durée de séjour de ces gaz dans les différents compartiments. Les processus de réaction déterminent grandement la réponse dynamique du système terrestre. Ces processus ne comprennent pas seulement les réactions géophysiques naturelles, telles les changements du climat et de la circulation océanique, et les réactions biogéochimiques, telles les modifications de l'activité biologique, de la chimie atmosphérique et de l'absorption de CO₂ par les océans, mais aussi d'importantes réactions anthropogéniques, telles que les modifications des activités humaines dans la consommation d'énergie et l'usage des terres (voir le paragraphe suivant).

Les réactions géophysiques modifient les caractéristiques de la contrainte radiative de l'atmosphère et comportent des changements dans les caractéristiques et la répartition des nuages, des glaces et des neiges. Ces réactions sont intégrées dans les modèles climatiques globaux et leur ampleur détermine la sensibilité du système climatique aux modifications de la contrainte radiative (par ex., Lashoff, 1989; Houghton et al., 1990, 1992). Les processus de réactions biochimiques impliquent des changements dans les sources et les puits des GHGs et dans les propriétés de surface, telles que l'albédo et la transpiration. On distingue les effets directs et indirects.

Les effets directs sont ces processus qui influencent la chimie atmosphérique et océanique (Lashof, 1989; Prinn, 1994) et les processus biosphériques. Le plus important processus de feed-back est probablement l'accélération de la croissance végétale sous l'effet de niveaux élevés de concentration en CO₂ atmosphérique. Cet effet fertilisant du CO₂ a pu être observé dans de nombreuses expériences en serres ou dans des écosystèmes (par ex., Strain et Cure, 1985; Drake, 1992). Des niveaux accrus de CO₂ améliorent également l'efficience de l'utilisation de l'eau par la plante (WUE) et modifient la croissance des plantes dans des conditions de manque d'eau (par ex., Morison, 1985).

Les réactions biogéochimiques indirectes concernent les conséquences du changement de climat. Un bon nombre de ces effets a été identifié. Des exemples sont des modifications de la circulation océanique, des glissements de zones de végétation et des modifications du taux de croissance végétale. Une augmentation de température influence la photosynthèse et la respiration de manière complexe (Larcher, 1980), ce qui favorise la croissance des plantes dans des régions soumises à des contraintes de température. Cependant, une croissance végétale renforcée ne conduit pas automatiquement à une augmentation du stockage du carbone au sein d'un écosystème. La dégradation des litières est stimulée simultanément (Raich et Schlesinger, 1992).

Enfin, tout comme un accroissement de l'efficience de l'utilisation de l'eau, un changement de climat modifie la répartition de la végétation et des cultures agricoles (Leemans et van den Born, 1994). Le climat détermine fortement les modèles de répartition de la végétation et des cultures à grande échelle, et cette corrélation a été utilisée pour évaluer les impacts globaux du changement de climat (voir Leemans et al., 1996).

Certaines de ces réponses sont illustrées aux Figures 11.1 et 11.2 où le modèle BIOME (Prentice et al., 1992) est appliqué pour évaluer les changements dans la répartition de la végétation potentielle caractéristique aux conditions climatiques stables prédominantes. Les impacts humains et autres influences (par ex., successives) ne sont pas prises en compte. Les effets des modifications de l'efficience de l'utilisation de l'eau sont simulés en modifiant les tolérances à la sécheresse dans le modèle BIOME (Klein Goldewijk et al, 1994). Les cartes (Figure 11.1) montrent clairement les grandes différences régionales. Des glissements de végétation dûs à un climat plus chaud peuvent être observés principalement dans la zone boréale tandis que les effets d'une augmentation de l'efficience de l'utilisation de l'eau sont principalement localisés dans les zones tropicales où des écosystèmes forestiers et de savanes prennent de l'expansion. Ces modifications sont résumées à la Figure 11.2 et pourraient avoir un effet prononcé sur le cycle global du carbone. On a souvent constaté que, sous un climat plus chaud, la biosphère résultante pouvait, à l'équilibre, stocker bien plus de carbone (par ex., Smith et al, 1992), mais il apparaît que la réaction de la végétation pourrait bien être différente en transitoire. La dynamique de la végétation en transitoire pourrait générer temporairement d'importantes émissions de CO₂ à cause d'un déclin rapide des écosystèmes (Neilson, 1993; Smith and Shugart, 1993), alors que le rétablissement qui s'en suivrait pourrait durer plusieurs décennies.

Ce bref compte-rendu indique que les effets tant directs qu'indirects doivent être pris en considération lorsqu'on évalue les impacts et les conséquences d'un accroissement du niveau des GHGs sur les écosystèmes et les agrosystèmes. Ceci est particulièrement vrai lorsqu'on élabore des scénarios sur les tendances futures et lorsqu'on les évalue avec des modèles d'évaluation intégrés pour le système terrestre. Ces modèles manquent trop souvent d'une paramétrisation appropriée à de tels processus rétroactifs et peuvent donc générer des résultats trompeurs. Malgré les limites de ces modèles, ils demeurent toujours le seul outil d'évaluation d'ensemble de la gamme complète des problèmes climatiques, de leurs sources à leurs impacts et à leurs interactions, en passant par leurs processus. Afin de faire des évaluations adéquates, les concepteurs de modèles du système terrestre global et les experts de chaque discipline doivent communiquer et essayer de comprendre, d'un côté, le besoin de simplification et de généralisation du modélisateur et, de l'autre, le besoin d'observations adéquates et d ' expérimentation de l'expert.

11.1.2. L'IMPORTANCE DES CHANGEMENTS DANS L'USAGE DES TERRES

Soutenir une population en pleine croissance exige un flux ininterrompu de produits agricoles et forestiers, tels que nourriture, fourrage, bois de construction et bois de chauffage. Ces produits exigent tous des terres pour les produire. Accroître ce flux exige plus de productivité. Celle-ci peut être accrue par une intensification des pratiques agricoles, par des systèmes de culture améliores et par une augmentation des superficies agricoles. De tels changements influencent les propriétés biogéochimiques des terres et déterminent donc de manière cruciale la dimension des sources ainsi que les puits et les flux de GHGs. Jusqu'ici, seules les conversions de terres, évidentes et à grande échelle (déboisement, assèchement de marécages..) ont été reconnues comme importantes pour les flux de carbone global vers l'atmosphère.

Figure 11.1. Cartes globales de la distribution de la végétation potentielle, basées sur le modèle BIOME (Prentice et al., 1992) pour différents climats et réactions biogéochimiques. (1) La distribution sous le climat actuel

Figure 11.1. Cartes globales de la distribution de la végétation potentielle, basées sur le modèle BIOME (Prentice et al., 1992) pour différents climats et réactions biogéochimiques. (2) Distribution sous un climat avec doublement du CO₂ selon le Modèle de Circulation Générale (GCM) GFDL (Manabe et Wetherald, 1987)

Figure 11.1. Cartes globales de la distribution de la végétation potentielle, basées sur le modèle BIOME (Prentice et al., 1992) pour différents climats et réactions biogéochimiques. (3) Distribution sous l'effet renforcé de l'Efficience de l'Utilisation de l'Eau (WUE) pour un doublement du CO₂

Figure 11.1. Cartes globales de la distribution de la végétation potentielle, basées sur le modèle BIOME (Prentice et al., 1992) pour différents climats et réactions biogéochimiques. (4) Distribution combinée de (2) et (3)

Figure 11.2. Glissements dans la distribution de la végétation potentielle dans les conditions d'un doublement du CO₂ (GFDL: changement de climat seul; WUE: WUE renforcée; GFDL et WUE: effet combiné)

Le déboisement tropical a provoqué un important flux de CO₂ et des autres GHGs. Les forêts sont abattues, brûlées et supprimées pour installer des pâturages et des terres de culture. Ces pratiques d'usage des terres sont courantes dans des systèmes agricoles dépassés. Cependant, au cours des récentes décennies, les taux de déboisement se sont accrus et le taux de CO₂ résultant représentat 25% de l'accroissement total de CO₂ atmosphérique (Watson et al., 1992). Après un certain temps, d'importantes portions des terres défrichées furent abandonnées, souvent même dégradées, de sorte que des forêts secondaires s'y développèrent. Récemment, on a accordé plus d'attention à l'équilibre entre le déboisement et l'implantation de forêts dans les régions tropicales (par ex., Skole et Tucker, 1993). Cet équilibre est important pour les flux globaux totaux. Les configurations spatiales et temporelles hétérogènes qui en découlent rendent difficile une évaluation précise du flux total émanant du déboisement.

Bien des évaluations des flux totaux dûs à l'usage des terres sont calculées par le biais du bilan total du carbone à l'échelle du globe. Les données sont obtenues à partir des concentrations atmosphériques observées, de la capacité supposée (modélisée) d'absorption par les océans et des émissions bien connues résultant de la combustion des combustibles fossiles. Le bilan global est ensuite équilibré avec un flux dérivé de la biosphère terrestre. La grandeur des flux terrestres nécessaires en provenance de la biosphère terrestre est généralement inférieure à celles des émissions déduites du déboisement tropical. On conclura d'un tel exercice de simplification qu'un puits important est nécessaire pour équilibrer le cycle global du carbone (C). Ce puits manquant est supposé être localisé dans la biosphère terrestre vu que les processus à l'origine de tous les autres flux semblent bien compris. Au cours de ces dernières années, de nombreuses études ont prétendu avoir identifié au moins partiellement ce puits manquant (par ex., Kauppi et al., 1992; Wofsy et al., 1993; Fisher et al., 1994), mais sa localisation réelle et les processus concernés sont difficiles à localiser et à observer. Ce puits manquant met l'accent sur l'importance de l'usage des terres, de la couverture des sols et de la gestion des terres dans l'évaluation des sources, des puits et des flux de GHGs (Leemans, 1996).

La discussion qui précède s'est focalisée essentiellement sur le carbone, mais des conclusions similaires peuvent être tirées pour d'autres gaz à effet de serre tels le CH₄ et le N₂O (Bouwman, 1992). Par exemple, des modifications de la couverture des terres changent l'absorption du CH₄ par les sols, des pratiques agricoles différentes modifient les émissions de CH₄, et les émissions de N₂O sont influencées tant par le déroulement que par la quantité des applications d'engrais. Ces exemples indiquent que la structure spatiale des émissions des GHGs à partir de la biosphère terrestre est très hétérogène et influencée par des facteurs physiques, biochimiques, socio-économiques et techniques. Le véritable usage des terres et la couverture des sols qui en résulte sont des contrôles importants. Particulièrement, lorsque des politiques d'atténuation sont évaluées, les évaluations agrégées globalement ne sont plus valables. Les évaluations à la pointe du progrès devraient être dynamiques, géographiques et régionalement explicites. Elles devraient aussi inclure les aspects les plus importants des sous-systèmes physiques et biogéochimiques ainsi que l'usage des terres et les modifications y intervenant (Figure 11.3).

11.2. Les approches des modelés

De nombreuses démarches ont été développées pour modéliser les conséquences du changement global de climat. La plupart de ces modèles ne couvrent qu'un seul ou quelques aspects de l'ensemble de la chaîne d'émissions, de processus et d'impacts.

Figure 11.3. Organigramme du système terrestre (redessiné d'après IGBP, 1994)

Les modèles d'émissions se focalisent essentiellement sur le secteur énergétique et c'est pourquoi ils sont souvent dérivés de modèles macroéconomiques ou technologiques (voir comptes rendus dans Nakícevoníc et al., 1994). Mais les émissions issues de l'usage des terres ne sont pas traitées de façon adéquate dans de tels modèles. Les modèles plutôt orientés sur les processus simulent des aspects de la chimie atmosphérique, du climat et des cycles biogéochimiques. Les modèles les plus avancés sont les Modèles de Circulation Générale (GCMs) qui simulent les caractéristiques spatiotemporelles du système climatique et les modèles basés sur le cycle du C, lesquels simulent le bilan global du carbone. Le groupe de modèles les plus divers vise les impacts. De nombreux secteurs différents ont des approches propres à leurs modèles qui tous simulent un ou plusieurs aspects de la transformation de la composition atmosphérique et/ou du changement climatique. De tels modèles ont été plus particulièrement développés dans les domaines agricole, écologique et hydrologique (par ex., Parry et al., 1990; Cramer et Solomon, 1993; Kwadijk, 1993). Des efforts sont faits actuellement pour harmoniser la grande diversité des approches d'évaluation d'impacts et on va probablement s'accorder sur une méthodologie standardisée et plus performante (Carter et al., 1994).

Récemment, une approche s'est distinguée, qui intègre différentes sources d'émissions des GHGs avec les processus atmosphériques et, si jugé nécessaire, avec différents impacts. IMAGE (Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect: Modèle Intégré d'Évaluation de l'Effet de serre; Rotmans et al., 1990) fut un des premiers modèles de ce type. Ce modèle a simulé la dynamique des différentes sources d'émissions des GHGs et calculé de façon dynamique les concentrations finales des GHGs atmosphériques en prenant en considération l'influence de la chimie atmosphérique et le cycle du C. Ces concentrations furent intégrées dans un modèle de contrainte radiative qui calcula de façon globale le changement annuel moyen du climat. L'élévation du niveau de la mer fut le seul impact pris en considération. Ce modèle fut utilisé pour développer les premiers scénarios globaux du IPCC (Leggett et al., 1992).

L'approche novatrice du modèle IMAGE a maintenant plusieurs rivales. Le successeur d'IMAGE fut ESCAPE, un modèle intégré qui fut mis au point pour une évaluation de politique dans l'Union Européenne (Rotmans et al., 1994). La structure d'IMAGE fut améliorée par l'intégration de différents modèles d'impact d'une façon géographiquement explicite. Le cadre d'ESCAPE constitua la base du développement de deux autres modèles. Hume et al. (1994) sont parvenus à la conclusion que le cadre d'ESCAPE dans son entièreté était trop complexe et ils mirent au point un modèle global dérivé, fortement paramétré, qui convient pour déterminer la sensibilité du système climatique et pour évaluer rapidement les conséquences de différentes options de politique. Les réactions et les liaisons entre les sous-systèmes ne sont cependant pas couvertes de façon adéquate dans ce modèle global.

Plusieurs groupes sont actuellement occupés à mettre au point des modèles intégrés d'évaluation qui traitent les réactions et les liaisons de manière plus adéquate, en intégrant plus avant la structure d'ESCAPE. Certains d'entre eux se concentrent uniquement sur une seule région, telle la région du Pacifique asiatique (le modèle AIM, Morita et al., 1994) ou l'Amérique du Nord (GCAM, Edmonds et al., 1994). Mais ils incluent des modules d'impact de haute résolution et des liens entre eux, tandis que les tendances d'autres régions à émettre des GHGs sont imposées et que les processus physiques et biogéochimiques globaux sont simulés d'une manière plus agrégée. D'autres modèles globaux sont en cours de développement auprès de plusieurs instituts (Dowlatabadi et Morgan, 1993). Un des rares modèles intégrés globaux entièrement réalisé et documenté est IMAGE 2 (Alcamo, 1994). Ses innovations comprennent une simulation dynamique du changement de la couverture des terres induit par des facteurs socio-économiques, atmosphériques et climatiques. Le cadre d'IMAGE 2 a été spécialement mis au point pour relier de façon globale tous les processus pertinents, tout en retenant simultanément les caractéristiques régionales et locales.

11.2.1. L'APPROCHE D'IMAGE 2

L'objectif d'ensemble du modèle IMAGE 2 consiste à simuler sur base de scénarios politiques et socio-économiques, des tendances futures plausibles des concentrations des GHGs dans l'atmosphère et à déterminer leurs impacts sur les systèmes physiques, biogéochimiques et humains. En vue d'accomplir cela, d'importants aspects scientifiques et politiques concernant le changement global du climat doivent être liés. L'horizon temporel des simulations devrait être de plusieurs décennies afin de parvenir à distinguer sans ambiguïté l'efficacité de mesures politiques. Cet objectif poursuit plusieurs buts scientifiques, comme celui de fournir des éclaircissements sur l'importance relative des diverses liaisons et réactions du système terrestre, de fournir des estimations sur les sources d'incertitude et d'aider à identifier les lacunes dans notre connaissance et nos données afin d'établir un programme pour la recherche sur le changement de climat. Les buts à orientation politique qui y sont liés visent à fournir une base quantitative permettant d'analyser le coût sociétal et les bénéfices de différentes mesures à prendre vis-à-vis du changement de climat.

On se contente ici de résumer le but de chaque sous-modèle de IMAGE. Pour une description complète de tous les modèles et de leurs liens, on fera référence aux articles publiés dans le livre d'Alcamo, 1994.

Figure 11.4. Schéma des modèles et liaisons dans IMAGE 2 (d'après Alcamo, 1994)

Le modèle IMAGE est composé de trois sous-modèles entièrement liés (Figure 11.4): le Système Energie - Industrie (EIS), le Système Environnement Terrestre (TES) et le Système Atmosphère - Océan (AOS). Les données d'entrée des modèles socio-économiques sont essentiellement des tendances économiques, technologiques et démographiques imposées et combinées avec différentes politiques de contrôle, tandis que les modèles environnementaux sont essentiellement régis par les propriétés du climat, de la végétation, des cultures et des sols.

Les modèles composant le EIS calculent les émissions des GHGs de 13 grandes régions relativement homogènes (Tableau 11.1) en fonction de la consommation d'énergie et de la production industrielle. La consommation énergétique finale est calculée à partir de diverses forces motrices économiques. Les facteurs d'émissions spécifiques à un secteur sont obtenus à partir de la littérature et étalonnés par rapport aux données concernant les émissions globales et régionales. Les modèles sont conçus de façon à ce que l'efficacité d'une efficience énergétique améliorée et d'un développement technologique sur les futures émissions de chaque région puisse être évaluée et que l'ensemble des modèles puisse être utilisé pour évaluer les conséquences de différentes politiques et tendances socio-économiques sur les émissions futures.

Le sous-modèle du TES simule les modifications de la couverture globale des sols basée sur des facteurs climatiques et socio-économiques. Les rôles de la couverture et de la gestion des terres sont utilisés pour calculer le flux de CO₂ et des autres gaz à effet de serre de la biosphère terrestre dans l'atmosphère. La structure du TES est discutée plus en détails ci-dessous.

Le sous-modèle du AOS calcule l'accumulation des GHGs dans l'atmosphère et le changement de climat qui en résulte moyenné sur les latitudes. Il calcule donc des changements transitoires du climat résultant des modifications d'émissions de tous les GHGs. Dans un premier temps, la concentration en CO₂ dans l'atmosphère est modifiée par l'absorption du CO₂ par les océans. Ensuite, des tendances temporelles de concentrations atmosphériques moyennes des GHGs sont calculées qui prennent en compte les réactions chimiques se passant dans l'atmosphère entre l'O₃, l'OH, le CO et d'autres gaz et les aérosols sulfatés. Les niveaux finaux des GHGs dans l'atmosphère (y compris H₂O) sont utilisés pour calculer l'équilibre énergétique de la terre.

Tableau 11.1. Principales caractéristiques des régions représentées dans le modèle IMAGE et quelques hypothèses du scénario. Les chiffres donnés ici sont tirés du scénario (conventionnellement accepté) extrait du scénario de base de l'IPCC. (IS92a; Leggett et al., 1992). (L'indice d'augmentation de rendement est relatif à l'année 1990)

Région	Population (x106)		Croissance économique (%)		Augmentation de rendement (%)
	1990	2100	1990-2025	2025-2100	2025	2100
Canada	27	27	2,06	1,31	1,83	1,91
Etats-Unis	250	295	2,09	1,25	1,62	1,66
Amérique Latine	448	877	1,85	2,20	2,14	2,95
Afrique	642	2875	1,57	2,39	1,50	1,73
Europe	378	388	2,06	1,31	1,45	1,57
Occidentale Europe de l'Est	123	148	1,87	1,18	1,42	1,56
C.E.I.	289	347	1,87	1,18	1,98	2,31
Proche Orient	203	937	1,36	1,98	1,41	1,67
Inde et Asie du Sud	1171	2644	2,97	2,84	2,34	2,98
Chine et pays à Planification	1248	1963	4,23	3,07	1,50	1,93
Centralisée Asie de l'Est	371	837	2,97	2,84	2,00	2,81
Océanie	23	24	2,71	1,28	1,64	1,84
Japon	124	130	2,71	1,28	1,02	0,99
TOTAL	5297	11492

L'effet rafraîchissant dû à la réfraction du rayonnement solaire sur les aérosols sulfatés est inclus (Taylor et Penner, 1994). L'échange de chaleur à la surface des terres et des océans ainsi que les changements de l'albédo émanant des modifications de la couverture des sols sont pris en considération dans le calcul final des changements de température. D'autres caractéristiques climatiques (par ex., la précipitation) sont regroupées grossièrement en faisant une mise à échelle du changement latitudinal de température avec les résultats des Modèles de Circulation Générale (GCMs).

Les TES et EIS sont liés l'un à l'autre par le besoin en biocombustibles (bois et biomasse). Cette liaison permet à IMAGE 2 d'évaluer les conséquences sur la couverture des sols des futures exigences en combustibles. Les TES et EIS sont connectés au AOS de diverses façons. Les liens les plus importants passent par les émissions des GHGs et par les modifications d'albédo des structures de couverture des sols. Le AOS fournit au EIS et au TES un climat modifié qui est immédiatement utilisé pour déterminer les exigences énergétiques en matière de chauffage et de refroidissement, pour calculer des structures potentielles de végétation, la distribution des récoltes et les rendements, et pour modifier les taux d'émissions de N₂O. Les concentrations finales en CO₂ ont également une influence directe sur la productivité des plantes. Ces liens dynamiques permettent à IMAGE 2 d'être appliqué directement pour évaluer la sensibilité du système à différents processus de feed-back.

Tous les sous-modèles ont leur domaine spécifique avec une résolution spatiale et temporelle, une échelle et une dimensionnalité propres. Malgré cette hétérogénéité, nous avons essayé d'intégrer tous les sous-modèles par leurs liens évidents. Tous les modèles socio-économiques (EIS et les modèles de besoins agricoles et d'usage des terres) distinguent 13 régions majeures. C'est pourquoi ces modèles sont explicites d'un point de vue régional et peuvent être étalonnés et validés au moyen de toute une série de bases de données mises en tableaux par pays et par régions. Tous les modèles environnementaux pour la biosphère terrestre sont réalisés dans un maillage de 0, 5 x 0, 5°. Chaque maille est caractérisée par son climat (Leemans et Cramer, 1991), son sol (Zobler, 1986) et sa couverture des terres (Olson et al., 1985). L'hétérogénéité spatiale des caractéristiques environnementales et des influences environnementales locales sur les processus biogéochimiques est donc couverte de façon appropriée. De nouveaux systèmes réglementés sont utilisés pour intégrer toutes ces dimensions globalement.

La modélisation du changement de la couverture des sols

II est difficile de modéliser le changement de couverture des sols. Bien que de nombreux modèles simulent certains effets du changement d'usage des terres, de tels changements n'impliquent souvent qu'une déforestation tropicale imposée. Contraction, expansion et délocalisation de terres agricoles, intensification ainsi que différentes cultures et pratiques agricoles et de gestion forestière y sont rarement incluses. Ces modifications doivent être incorporées aux modèles d'émission globale parce que leurs effets cumulés sont importants. Nous avons développé un modèle pour le changement de couverture des sols qui est commandé par un ensemble hétérogène de variables physiques, biogéographiques et socio-économiques. Quoique beaucoup d'autres modèles et études (par ex., FAO, 1993a; Rosenzweig et Parry, 1994) accentuent l'importance des forces motrices macro-économiques, nous ne les avons pas mises en évidence.

Notre approche est basée sur un ensemble de modèles écologiques et agricoles bien établis. Des schémas de végétation potentielle sont modélisés avec le modèle BIOME (Prentice et al., 1992). Ce modèle utilise des variables climatiques pour délimiter la distribution des différents Types Fonctionnels de Plantes (PFTs, cf. arbres à larges feuilles caduques, conifères, herbes C₄).

Chaque PFT est caractérisé par des contraintes climatiques spécifiques définies par la chaleur accumulée pendant la saison de croissance, par la sécheresse et la résistance au gel. Les biomes sont des regroupements de ces PFTs (Figure 11.1). BIOME nous permet d'évaluer les glissements de végétation dûs au changement climatique et aux modifications de l'efficience de l'utilisation de l'eau (Figures 11.1 et 11.2) ainsi que les conséquences de ces glissements sur le piégeage total de C.

Les répartitions de cultures sont modélisées par l'approche de zones agro-écologiques (Brinkman, 1987; Leemans et Solomon, 1993). Les cultures exigent une période de croissance minimale (la période d'apport adéquat d'humidité et de chaleur) pour pousser et mûrir. Cette période de croissance ainsi que plusieurs autres paramètres climatiques (voir Leemans et Solomon, 1993) définissent la répartition potentielle des cultures pluviales. Le rendement est calculé avec un modèle simple (FAO, 1987) qui distingue différents types de cultures (C₃ ou C₄, tropicales ou tempérées, légumineuses ou non-légumineuses) et estime la production de biomasse pour chaque culture dans des conditions climatiques dominantes pendant la période de croissance. Le rendement économique est une fraction de cette production et est ajustée à la qualité du sol. Le résultat de ces deux modèles est donc une végétation potentielle et un rendement des cultures pour chaque maille 0,5x0,5°.

La transformation de la couverture des sols est guidée par la demande locale, régionale et globale pour les produits agricoles (grains, viande, bois et biocarburants). Cette demande est satisfaite par l'usage spécifique des terres en sols de cultures, de pâturages, de prairies et de fôrets (gérées). L'usage des terres est fortement lié aux productivités potentielles et aux rendements techniquement réalisables dans chaque maille. Nous avons développé un modèle des besoins agricoles pour estimer la demande sociétale en produits agricoles. Ces calculs sont réalisés pour chaque région du monde et utilisent les mêmes données d'entrée socio-économiques que le EIS (Tableau 11.1).

La demande agricole d'une région est calculée à partir de la consommation humaine par personne pour différentes cultures et produits viandeux. Elle est basée sur une relation supposée élastique entre consommation et revenu par personne. Ces coefficients d'élasticité sont estimés à partir des données 1970-1990 de la FAO (1991) et sont les principaux paramètres ajustables dans ce modèle de demande. Les besoins humains totaux (par opposition aux animaux) pour ces produits sont alors calculés dans un scénario donné de revenu et de population. Une procédure semblable est utilisée pour calculer la demande régionale totale en viande. Cette demande est alors convertie en nombre de têtes de bétails et leurs besoins en aliments (les concentrés à partir des cultures et des résidus ainsi que les fibres à partir des terres de prairies et des pâturages). Ces besoins alimentaires sont additionnés à la demande humaine totale en cultures pour la région. Cette demande est ensuite ajustée au commerce entre régions. La demande en fibres est convertie en besoins en terres de prairies et de pâturages en multipliant la productivité par animal par la superficie moyenne de prairies par animal.

La demande régionale totale en produits agricoles est ajustée à la distribution et aux rendements potentiels locaux des cultures calculés précédemment. La couverture des sols est initialisée sous les conditions de 1970 en utilisant une version agrégée de la base de données de Olson et al. (1985). Les besoins agricoles en cultures sont supposés être satisfaits dans la classe unique des 'terres agricoles', tandis que la demande en prairies peut être satisfaite par différents types de prés en fonction de ce qui se passe localement. L'idée de base du modèle dynamique de changement de la couverture des sols est de modifier la couverture du sol jusqu'à ce que tous les besoins régionaux soient satisfaits. Le modèle génère donc la couverture future des sols qui est cohérente avec la demande et la production potentielles. Ceci n'est probablement pas réaliste mais conforme aux ensembles de données globales disponibles et certaines forces motrices de base (Turner et al., 1990). Une amélioration des analyses qui incorporeraient différents systèmes d'usage des terres, structures politiques et caractéristiques culturales, est loin au-delà des exigences et de l'analyse actuelles d'IMAGE 2. Cependant, nous sommes avides d'apprendre à mieux comprendre à partir de projets neufs (par ex., Turner et al., 1993) et d' expériences avec d'autres modèles (par ex., Fisher et al., 1988).

Les modifications réelles des combinaisons futures de la couverture des sols sont difficiles à estimer parce que les forces motrices actuelles sont hétérogènes, diffèrent par région et sont généralement mal comprises (Turner et al., 1993). Notre approche est donc de prescire un ensemble de règles logiques transparentes pour faire correspondre la demande régionale en terres avec son potentiel. Ces règles, ainsi qu'un facteur de gestion (qui tient compte de l'augmentation de rendement due à l'application d'engrais et à l'amélioration technologique, cf. Tableau 11.1) définissent les combinaisons futures. Par exemple, il y a deux règles de pondération qui guident l'affectation de nouvelles superficies agricoles: (1) les nouvelles surfaces devraient, si possible, être voisines des terres agricoles existantes à cause de la disponibilité d'infrastructures, de transports et de populations; (2) les nouvelles terres devraient se développer dans des régions où le potentiel de production est le plus élevé. Des ensembles de règles similaires sont spécifiés pour satisfaire la demande en prairies et en bois de chauffage mais la demande pour les terres de cultures est satisfaite la première. Les terres non gérées à des fins agricoles sont supposées aboutir à une végétation potentielle déterminée par le modèle BIOME. Ce modèle de couverture des terres résulte en une couverture des sols qui change dynamiquement sur le maillage terrestre. Les combinaisons de couvertures des sols sont cohérentes avec un climat changé et sont utilisées pour commander le cycle terrestre du C. Une amélioration majeure de cette approche sur les modèles précédents est que l'augmentation de la superficie agricole ne se fait pas en soi par déforestation mais est une fonction de l'aptitude agro-écologique de tous les types de sol. L'agriculture pourrait ainsi s'étendre aussi bien dans les prés que dans les forêts.

Les flux de carbone

Le modèle du cycle du C estime les sources, les puits et les flux de C qui résultent des processus naturels et du changement de la couverture du sol. Le modèle du cycle du C calcule pour chaque type de couverture du sol, la Productivité Nette de l'Ecosystème (NEP) qui est la différence entre la Productivité Primaire Nette (NPP) et la respiration du sol. La NPP est une caractéristique de chaque type de couverture du sol mais sa valeur actuelle est corrigée en fonction des conditions locales (température et disponibilité en eau) et globales (concentration en CO₂ atmosphérique) et du temps passé depuis la dernière modification de couverture du sol. La NPP et la respiration du sol sont modifiées par l'influence du changement de climat en supposant qu'une réponse caractéristique fonctionne pour la photosynthèse, la respiration des plantes et celle du sol (par ex., Larcher, 1980). La fertilisation par le CO₂ est une fonction des PFTs disponibles dans chaque type de couverture du sol (tels que les plantes C₃, C₄, annuelles, pérennes ou les arbres), de la température, de l'humidité, de la fertilité du sol et de l'altitude. La NEP simulée est cohérente avec les conditions climatiques simulées.

La NPP est divisée en composantes spécifiques de la biomasse (feuilles, branches, tiges et racines) de la couverture du sol. Chacune a une longévité spécifique, une matière morte (litière, humus et charbon de bois) et un temps de renouvellement spécifique. Nous avons initialisé le modèle à partir de 1900. Par conséquent, la plupart des simulations de IMAGE 2 débutent (en 1990) dans des conditions de NEP qui sont presque en équilibre avec les conditions climatiques et atmosphériques dominantes. Cette condition proche de l'équilibre change quand l'environnement change ou que le sol est converti en un autre type. Si la végétation naturelle est convertie, une fraction de la biomasse est brûlée sur place, relâchant immédiatement du CO₂ alors que le reste est alloué à la matière morte. Une telle modification résulte en un petit flux additionnel de CO₂ à long terme à partir de ces sites. Si l'agriculture est abandonnée, nous supposons que la végétation naturelle potentielle se réinstalle. Cependant, une telle succession prend du temps et nous supposons que la NPP se construit lentement suivant une fonction logistique.

Les émissions dues à l'usage des terres

Le modèle des Emissions dues à l'Usage des Terres lie l'usage global des terres au flux des émissions de CH₄, N₂O, CO, NO_X, et les Carbones Organiques Volatiles (VOCs, sauf CH₄) (cf. Tableau 11.2). En outre, le modèle estime les émissions résultant des processus non liés à l'activité humaine telles que les émissions de N₂O à partir des sols dans les forêts non gérées, et les émissions de gaz en trace à partir des systèmes aquatiques. Les estimations sont importantes pour déterminer l'usage des terres et la couverture liée aux émissions de GHGs et peuvent être utilisées pour évaluer les stratégies de réduction de ces émissions.

Tableau 11.2. Sources d'émissions décrites dans le modèle IMAGE 2 de 'Land Use Emissions', nature des gaz émis, type de calcul et présentation. GE = géographiquement explicite; TR = total régional; TG = total global. Adapté de Kreileman et Bouwman (1994)

source		Nature	Type de calcul
Rizières en zones humides		CH4	GE
Terres humides naturelles		CH4	GE
Décharges		CH4	TR
Traitement d'égoûts domestiques		CH4	TR
Animaux		CH4	TR
Déjections animales		CH4, N2O	TR
Termites		CH4	TG
Hydrates de méthane		CH4	TG
Sources aquatiques		CH4, N2O	TG
Brûlage de biomasse		CH4, CO, NOx, N2O, VOC
	-Déforestation		GE
	-Brûlis de savanes		GE
	-Brûlage des résidus agricoles		GE
Sols naturels		N2O	GE
Champs agricoles		N2O	GE
Déforestation		N2O	GE

Ce modèle est basé sur des estimations actuelles pour les diverses sources et espèces. Etant donné les limitations des données disponibles, le modèle présente des estimations maillées pour un nombre de sources différentes qui comprennent l'émission de CH₄ à partir des rizières et des terres humides, des émissions de CH₄, N₂O, CO, NO_X et de VOCs à partir de la déforestation, le brûlis de savane et de résidus agricoles et de N₂O à partir des sols naturels, des engrais azotés et de la déforestation (Tableau 11.3; Bouwman, 1995). Pour certaines sources (décharges, traitement des effluents domestiques, termites, hydrates de CH₄ et sources aquatiques), des calculs géographiquement explicites ne sont pas encore possibles à cause du manque de données (Tableau 11.2).

11.2.2. APPLICATIONS D'IMAGE 2

Le modèle IMAGE 2 a été testé et calibre avec des données de 1900 à 1970. Pour cette période, il peut reproduire des tendances de consommation régionale d'énergie et d'émissions liées à l'énergie, de couverture des sols, de flux terrestres de CO₂ et d'émissions d'autres GHGs dans l'atmosphère. L'horizon de temps pour les simulations actuelles va de 1970 à 2100 et chaque simulation est caractérisée par un ensemble spécifique d'options d'entrée qui décrivent une politique et des tendances socio-économiques (Tableau 11.1). Nous y présentons un scénario qui est une adaptation du scénario intermédiaire du IPCC (IS92a, Leggett et al., 1992). Le scénario fait des hypothèses 'conventionnelles' à propos des forces motrices futures, démographiques, économiques et technologiques. (Tableau 11.1; Alcamo, 1994). Il n'y a pas de politiques liées au climat à l'exception de celles sur lesquelles il y a déjà accord (par ex., le Traité de Montréal sur les émissions de CFCs). Ce scénario suppose, en plus, une augmentation de l'efficience de l'utilisation de l'énergie et une utilisation régionale spécifique des véhicules. Ce scénario de base peut être utilisé comme référence de comparaison avec d'autres scénarios.

La modification de l'usage des terres et les émissions

On a comparé les émissions de CFL) et de N₂O, calculées pour les années 1970, 1990 et 2050, avec différentes estimations de référence de sources sélectionnées liées à l'usage des terres (Tableau 11.3; Watson et al., 1992). De ces rapports, on a adopté soit la méthodologie donnant par définition des résultats semblables, soit des facteurs d'émissions permettant d'arriver à des totaux globaux égaux en 1990. Dans certains cas, nos résultats diffèrent légèrement de ceux des études de références, par exemple pour les émissions de CH₄ des déchets animaux. On trouve des différences importantes pour toutes les émissions dues à la déforestation. Le régime global de déforestation du scénario de base est de 155.000 km²/an pour la période de 1970 à 1980 et de 140.000 km²/an de 1980 à 1990. Les inventaires officiels de déforestation de la FAO (1993b) montrent que les régimes peuvent avoir été respectivement de 115.000 km²/an et de 155.000 km²/an. Les estimations de référence pour le brûlage de biomasse sont basées sur les estimations de déforestation de la FAO pour le début des années 1980 et résultent donc en des émissions plus faibles que notre scénario de base (Tableau 11.2).

Nos calculs sont sensibles aux hypothèses de développement démographique, technologique et économique ainsi qu'à la productivité des terres (rendements des cultures et productivité animale). De légères modifications du bilan entre la demande et la production agricole pourraient causer de grandes différences dans l'usage des terres et les émissions y associées. Comme illustré pour le riz (Tableau 11.3), il y a un désaccord entre le scénario de base et les données de Watson et al. (1992) concernant les émissions futures liées à l'agriculture. L'augmentation supposée de rendement du riz (t/ha) dans le scénario de base pour l'Asie du Sud et de l'Est et les pays asiatiques à Planification Centralisée est de 1, 1% par an pour la période de 1990-2010, soit une hausse de 25% sur ces 20 années. Les augmentations annuelles de rendement supposées par Watson et al. (1992) sont respectivement de 1,2% et de 0,5%. Ces deux estimations sont de loin moins optimistes que celles de la FAO (1993b) qui suppose une hausse globale de rendement du riz de 1,5% par an pour la même période conduisant à une augmentation du rendement total de l'ordre de 35%. Ceci illustre l'incertitude dans les prédictions de la productivité et la superficie de culture du riz ainsi que les conséquences associées aux émissions de CH₄ (Tableau 11.3). En général, notre référence suppose aussi des productivités animales beaucoup plus faibles que celles de la FAO (1993b).

La hausse de productivité des cultures est couplée à celles de l'usage des intrants en agriculture représentés dans le modèle par les engrais azotés (N) et un facteur de gestion (Tableau 11.1). L'augmentation annuelle de l'utilisation globale d'engrais N dans notre scénario de base est d'environ 2% pour la période de 1990-2025 et de 0,3% de 2025 à 2050. Ces hypothèses conduisent à un doublement de l'utilisation des engrais N entre 1990 et 2025. Les pertes associées de N₂O sont directement liées à l'utilisation des engrais. Il n'est pas irréaliste de supposer que l'utilisation d'engrais continuera de croître avec les augmentations projetées de la productivité des cultures. Cependant, l'augmentation projetée tant dans notre référence que celle de Watson et al. (1992) pour les décennies à venir est un peu plus lente que pour la période 1970-1990.

Le scénario de base génère globalement une forte augmentation de l'étendue des terres agricoles (Tableau 11.5). Quoique la population globale fasse plus que doubler, l'augmentation de la superficie agricole n'est que d'environ 15%. Ceci est comparable à la hausse observée au cours de la moitié du siècle dernier (Plucknett, 1994). Cette augmentation relativement faible de la superficie est accompagnée d'une forte augmentation de la productivité agricole sur les terres cultivées actuellement.

Tableau 11.3. Emissions globales estimées pour 1970, 1990 et 2050, et estimations de références pour 1990 et 2050. Les estimations de références pour 1990 sont de Watson et al. (1992) sauf autre indication. Les estimations de référence pour 2050 sont de Pepper et al. (1992), scénario IS92a. Les émissions sont exprimées en Tg CH₄/an et Tg N₂O-N/an. La gamme d'incertitude de diverses estimations n'est pas indiquée ici, mais peut être trouvée dans Watson et al. (1992). Adapté de Kreileman et Bouwman (1994)

Source	Emission (Tg/cm)
	1970 IMAGE	1990 IMAGE	1990 REF.	2050 IMAGE	2050 REF.
a. Sources de CH4
Rizières en zones humides	53	59	60	52	87
Animaux	66	79	80	161	173
Déjections animales	12	14	14a	28	54
Brûlage de biomasse					34
Déforestationb,c	16	14	6d	12	14
Brûlis de savane	17	16	13d	6
Brûlage de déjections animales	7	8	9d	-
b. Sources de N2O
Induit par les engrais	0, 4	0, 9	2,2e	2,0	4,2e
Déforestationc	0, 2	0, 2	0,4f	0,1	1,1
Déjections d'animaux	0, 5	0, 6	0,4g	1,5

^aGibbs and Woodbury (1993).
^bL'estimation de la déforestation exclut l'agriculture itinérante, qui contribue à environ 10 Tg CH₄/an d'émission (Crutzen and Andreae, 1990).
^cA partir de 1970 les valeurs ne sont pas disponibles, puisque que ce calcul implique l'histoire de la déforestation sur une période d'un certain nombre d'années. Pour les effets de déforestation sur les émissions de N₂O du sol et aussi pour le brûlage direct de la biomasse, c'est l'année 1975 qui est présentée
^dCrutzen and Andreae (1990).
^ePepper et al. (1992). Estimation de la perte totale de N₂O, y compris celle induite par les engrais et les pertes de fond par les terres arables. A partir de cette valeur, le total d'environ 1 Tg N₂O-N/an doit être soustrait pour, arriver à la perte induite par les engrais en 1990
^fBouwman (1995).
^gKhalil et Rasmussen (1992).

Bien que la croissance globale soit modeste, il y a de grandes différences régionales. Les régions agricoles fortement développées (spécialement l'Amérique du Nord et l'Europe) accroissent leur productivité de façon significative alors que la population reste largement stable. Une partie de la croissance est exportée mais il y a encore un abandon d'une grande partie des terres. Nous supposons que ces terres sont restituées lentement à leur végétation potentielle (souvent la forêt), ce qui crée un important puits de C dans ces régions. La diminution des terres agricoles débute immédiatement dans la simulation. L'Amérique Latine suit un chemin similaire au cours du siècle prochain mais, au début, il y a encore une importante déforestation.

D'autres régions (surtout l'Afrique, l'Inde et la Chine) présentent des itinéraires différents; la hausse de la population et du revenu (et son lien avec une modification des préférences diététiques) amplifie la demande agricole. Cette demande, qui ne peut pas être satisfaite par une hausse de la productivité et des importations, conduit à une forte augmentation des terres agricoles. D'ici la fin du siècle prochain, presque toutes les terres qui conviennent pour l'agriculture seront occupées. Ceci résultera en une déforestation et, par conséquent, en de grands flux de GHGs en provenance de ces régions. Le modèle simule ainsi un glissement des principaux endroits de déforestation de l'Amérique Latine vers l'Afrique et l'Asie du Sud-Est. Les pressions humaines sur les terres, fortement accrues dans ces régions, pourraient avoir de sérieuses conséquences sur le développement d'une gestion soutenable du territoire, la sécurité alimentaire et la biodiversité.

Le boisement comme option d'atténuation

Le modèle permet non seulement l'évaluation des conséquences des différentes tendances socio-économiques mais peut aussi être utilisé pour évaluer diverses options d'atténuation. Il y a de nombreuses options d'atténuation (cfr Nakícenovíc et al., 1994) mais leur efficacité ou convenance peut être différente de région à région. Par conséquent, il faut développer une capacité d'ensemble pour évaluer de telles options. IMAGE 2 offre quelques possibilités dont voici deux exemples.

Une des options d'atténuation la plus souvent avancée est le boisement. Cette option accroît le C piégé dans les forêts et demeure efficace si la superficie totale des forêts continue de croître (la NEP des forêts adultes est en équilibre avec le cycle du C), ou si les produits forestiers sont utilisés de façon durable (bois de construction), remplacent d'autres sources de CO₂ (la biomasse ligneuse pourrait remplacer les combustibles fossiles) ou les deux (le bois de construction pourrait remplacer le ciment).

La simulation de IMAGE 2 satisfait d'abord la demande pour les produits agricoles. Cette demande modifie la couverture des sols et le restant est une végétation naturelle avec sa dynamique et son stockage du C spécifiques. Seules les régions qui, climatologiquement, peuvent être des forêts conviennent pour l'option d'atténuation de boisement mais une grande partie de ces régions est utilisée à d'autres fins. Les premières estimations du potentiel de boisement furent probablement beaucoup trop optimistes parce que, pour compenser les grandes quantités d'émissions de CO₂ associées aux combustibles fossiles, de grandes étendues devraient être annuellement boisées (Sedjo et Solomon, 1989). Le seul boisement de ceintures de protection, le long des champs et des routes et de terrains dégradés, n'est pas suffisant malgré qu'il soit important pour d'autres raisons.

Le Tableau 11.4 présente les superficies convenables et disponibles pour le boisement selon le scénario de base. De ces chiffres, il ressort qu'il y a de grandes différences régionales. La boisement est une option possible aux latitudes élevées et moyennes des régions développées. Aux hautes latitudes, il y a même, en 2050, un grand potentiel d'accroissement des forêts boréales et tempérées dû à leur glissement vers les pôles suite au réchauffement climatique (Figure 11.1). Ce phénomène est une réaction négative qui rend l'option de boisement actuellement plus efficace. En Amérique Latine, les possibilités de boisement s'améliorent aussi un peu mais, dans beaucoup d'autres régions, il y a peu d'opportunités disponibles. Dans ces régions, le piégeage du C dans des ceintures de protection et sur les terrains dégradés est vraisemblablement la seule option valable.

Les biocombustibles comme option d'atténuation

Une autre option d'atténuation est l'utilisation de la biomasse pour produire de l'énergie. Une utilisation efficace des biocombustibles et de la biomasse renouvelables pour la production d'énergie pourrait diminuer la dépendance de combustibles fossiles. Un tel programme est déjà mis en oeuvre au Brésil où l'éthanol à partir de la canne à sucre est utilisé pour remplacer le pétrole. Des biocarburants utilisés pour le tranport sont dérivés de cultures d'oléagineux ou de la fermentation du sucre ou de l'amidon. Les techniques impliquées ne sont pas encore compétitives avec l'énergie dérivée des huiles fossiles. Cependant, de nouvelles technologies rendraient très efficaces l'usage de la biomasse comme source d'énergie (Johansson et al., 1993). Par exemple, le développement prévu de piles à combustible, dans lesquelles la biomasse est convertie en un gaz riche en hydrogène, promet la possibilité d'une production d'électricité à petite et grande échelle avec une efficience allant de 50 à 80% et peu d'impacts environnementaux. Par conséquent, beaucoup de scénarios du futur supposent que de grandes quantités d'énergie seront dérivées de la biomasse renouvelable. Spécialement, lorsque des systèmes de piles à combustibles seraient largement opérationnels dans la seconde moitié du siècle prochain, la biomasse pourrait être la source majeure d'énergie renouvelable (Johansson et al., 1993; Kassler, 1994).

Tableau 11.4. Aptitude et disponibilité des sols (pas utilisés pour d'autres buts) pour l'option de compensation par boisement, selon la simulation d'IMAGE 2 avec le scénario conventionnellement accepté

Région	Disponible en 1990 (106km2)	Apte en 1990 (106km2)	Disponible en 2050 (106km2)	Apte en 2050 (106km2)
Canada et Etats-Unis	6,1	10,2	7,9	11,7
Amérique latine	6,2	11,1	6,5	14,3
Afrique	2,5	4,5	0,2	6,3
Europe	1,3	3,9	1,4	4,2
C.E.I	8,5	11,5	9,6	14,1
Inde et Asie du sud	0,5	0,9	0,0	1,3
Chine	1,9	4,5	0,2	5,5
Asie de l'est	1,3	3,2	0,5	3,6

Nous faisons plusieurs hypothèses pour l'utilisation de la biomasse comme source d'énergie dans le scénario de base. L'utilisation de la biomasse croît de 5 EJ à partir de maintenant, à 75 EJ en 2050 et 210 EJ en 2100 (EJ=10¹⁸ J: l'utilisation actuelle globale d'énergie est de 300 EJ). Ces chiffres sont basés sur des combinaisons raisonnables de transporteurs d'énergie, de la croissance annuelle de la demande en énergie induite par l'augmentation globale de la population et de son revenu, d'une réduction des ressources en pétrole et en gaz naturel et de la préférence pour les sources d'énergie renouvelable sur les combustibles fossiles. Nous supposons comme référence que la biomasse requise est simplement disponible à partir des résidus et déchets agricoles et forestiers. Cette quantité de biomasse n'exige donc pas de nouvelles terres de culture. Cependant, les biocarburants utilisés dans le secteur des transports (éthanol) sont dérivés de la canne à sucre et du maïs mais cette demande supplémentaire relativement faible est comprise dans l'extension simulée des terres agricoles.

Nous avons dérivé deux scénarios différents à partir du scénario de base. Ces scénarios diffèrent seulement par rapport à leur source du niveau biomasse-énergie. Dans le second scénario, cultures de biomasse, nous avons supposé que des quantités de biomasse aussi grandes ne sont simplement pas disponibles et qu'une grande partie devrait être cultivée spécifiquement sous forme de forêts à rotation courte et d'autres cultures de biomasse comme Miscanthes spp. Ces cultures pourraient être des sources efficaces parce qu'elles génèrent un haut rendement de 40-60 t/ha/an et ont une large distribution potentielle. Nous avons supposé que 40% de la demande totale en énergie liée à la biomasse est satisfaite par de telles cultures. Le troisième scénario, combustible sans biomasse, est l'approche inverse. La biomasse ne permet pas de fournir de l'énergie renouvelable et tous les combustibles modernes de la biomasse sont remplacés par des huiles fossiles.

Le Tableau 11.5 présente certains résultats de ces trois scénarios. Le scénario de base et celui avec cultures pour biocombustibles résultent en des concentrations en CO₂ atmosphérique plus basses mais des concentrations en CFL significativement plus élevées que le scénario sans biocombustibles. De ces chiffres, nous devons conclure que l'efficacité des options d'atténuation devraient être évaluées pour tous les GHGs simultanément. La concentration finale d'un seul GHG n'est pas un bon indicateur parce que la réduction d'une espèce pourrait en renforcer une autre. Le CH₄ a un potentiel de réchauffement global beaucoup plus grand. Malgré les différences de concentrations atmosphériques entre les scénarios, la hausse globale de température n'est donc pas significativement différente entre eux. La plupart des différences sont atténuées par les changements de la couverture du sol et les réactions climatiques et biogéochimiques qui les accompagnent.

Les différences dans l'étendue simulée des terres agricoles sont grandes (Tableau 11.5). La grande part de la demande supplémentaire pour des cultures de biomasse résulte en une augmentation de 30 ou de 65%, respectivement en 2050 et 2100. Cette augmentation conduit, à la fois, à une plus grande déforestation et à une expansion dans des régions plus arides comme les steppes ou les savanes. L'importance d'une évaluation d'ensemble de l'usage des terres apparaît ici. Le besoin croissant de terres dans le scénario de cultures pour biocombustibles résulte en un puits total plus petit dans la biosphère terrestre. Ceci a des conséquences pour la concentration simulée en CO₂ atmosphérique et est la principale raison pour le fait que ce scénario produit des concentrations plus élevées que celui de base où il était supposé que la biomasse était librement disponible. Les conséquences des scénarios pour une énergie par la biomasse doivent être évaluées avec soin et les problèmes d'usage des terres ne devraient pas être négligés dans cette évaluation.

Tableau 11.5. Importance de l'agriculture sous différentes options de scénarios pour la production d'énergie. La différence entre les scénarios est la source fournissant une grande fraction d'énergie (1.Toute la biomasse provient des résidus. 2. Les cultures à biocarburants. 60% de la biomasse provient des cultures à biocarburants. 3. La biomasse est remplacée par le pétrole)

Propriété	Scén. 1 2050	Scén.2 2050	Scén. 3 2050	Scén. 1 2100	Scén.2 2100	Scén.3 2100
CO2 atmosphérique concentration (ppmv)	522	534	539	777	821	857
(CH4) atmosphérique concentration (ppmv)	2,5	2,6	2,4	2,3	2,4	1,7
Température moyenne en surface (°C)	+1,2	+1,3	+1,2	+2,1	+2,3	+2,2
Changement de la surface agricole (26, 7 106 km2)	+9%	+30%	+9%	+14%	+65%	+15%
Changement de la surface forestière (47, 2 106 km2)	-26%	-32%	-26%	-27%	-31%	-27%

11.3. Remarques et conclusion

La valeur ajoutée des modèles intégrés d'évaluation est donc leur capacité à générer des vues qui ne pourraient pas être facilement dérivées des modèles à composante individuelle de science naturelle ou sociale qui ont été développés dans le passé. Les modèles intégrés d'évaluation du changement global de climat possèdent actuellement tous une combinaison de politiques et de buts scientifiques. Cela conduit à une grande diversité d'approches différentes. Peu de modèles peuvent simuler la modification de l'usage des terres et de la couverture des sols. Cela limite une évaluation d'ensemble des réactions et des liaisons effectives entre les secteurs économique, énergétique, agricole et forestier et empêche une évaluation adéquate de nombreuses options d'atténuation liées au cycle du C ou à la couverture du sol. Les exemples ci-dessus illustrent l'utilité de ces modèles intégrés pour améliorer la compréhension des liens et des relations entre le système du climat, la biosphère et les activités humaines. Des modèles tels que IMAGE 2 (Alcamo, 1994) et AIM (Morita et al., 1994) se renforceront de manière continue. Des développements de scénarios plus cohérents, de meilleurs algorithmes et de meilleures données d'initialisation et de validation des données amélioreront les applications futures. Une conclusion majeure d'une telle analyse devrait être que, à partir de l'intégration d'une série d'expertises et d'optiques disciplinaires, émerge une meilleure compréhension qui pousserait à plus de recherche disciplinaire et.multidisciplinaire.

Sans une telle compréhension, les évaluations intégrées du changement global continueront à mettre l'accent sur les émissions de r'énergie-industrie-transport', un cycle du C globalement agrégé avec peu de changement dans l'usage des terres et le système dû climat, alors que les écosystèmes naturels et les agrosystèmes ne seraient considérés seulement que dans les études d'impact. Les exclure des évaluations intégrées du changement de climat conduira à des politiques de climat inadaptées. Heureusement, les principaux programmes internationaux de recherche (Diversitas, WCRP, IGBP et HDP) se préoccupent maintenant de façon plus systématique de l'usage des terres et de la couverture des sols. Cela signifie que nous entrons maintenant dans une ère, nouvelle et passionnante, de la recherche sur le changement global.

Remerciements

La préparation de ce chapitre fut financée par le Ministère Hollandais du Logement, du Planning et de l'Environnement dans le cadre du contrat MAP410 avec le RIVM et le Programme National de Recherche sur 'la Pollution Globale de l'Air et le Changement de Climat'. Le Système de l'Environnement Terrestre du modèle IMAGE 2 est une contribution officielle à la recherche de base au sein du IGBP-GCTE.

Références

Alcamo, J. (ed.). 1994. IMAGE 2.0: Integrated Modeling of Global Climate Change. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.

Bouwman, A.F. 1995. Compilation of a Global Inventory of Emissions of Nitrous Oxide. Ph.D. Thesis. Agricultural University, Wageningen.

Brinkman, R. 1987. Agro-ecological characterization, classification and mapping. Different approaches by the international agricultural research centres. In: Agricultural Environments. Characterization, Classification and Mapping. A.H. Bunting (ed.). CAB International, Wallingford, UK. pp. 31-42.

Carter, T.R., Parry, M.L., Harasawa, H. and Nishioka, S. 1994. IPCC technical guidelines for assessing impacts of climate change. IPCC Special Report CGER-1015-'94. Intergovernmental Panel on Climate Change, WMO and UNEP, Geneva.

Cramer, W. and Solomon, A.M. 1993. Climatic classification and future global redistribution of agricultural land. dim. Res. 3: 97-110.

Crutzen, P.J. and Andreae, M.O. 1990. Biomass burning in the tropics: impact on atmospheric and biochemical cycles. Science 250: 1669-1678.

Dowlatabadi, H. and Morgan, M.G. 1993. Integrated assessment of climate change. Science 259: 1813 and 1932. Drake, B.G. 1992. The impact of rising CO₂ on ecosystem production. Water Air Soil Pol. 64: 25-44.

Edmonds, J., Wise, M. and MacCracken, C. 1994. Advanced energy technologies and climate change: an analysis using the global change assessment model (GCAM). Report PNL-22. Pacific Northwest Laboratory, Washington DC.

FAO. 1987. Report on the agro-ecological zones project. Vol. 3. Methodology and results for South and Central America. World Soil Resources Report 48/3. FAO, Rome.

FAO. 1991. Agostat PC. Land Use. Computerized Information Series 1/7. FAO, Rome.

FAO. 1993a. Agriculture: Towards 2010. Conference Report C93/24. FAO, Rome.

FAO. 1993b. Summary of the final report of the forest resources assessment 1990 project for the tropical world, 11th session of the Committee on Forestry. Report D1/U9798. FAO, Rome.

Fischer, G., Froberg, K., Keyzer, M.A. and Pahrik, K.S. 1988. Linked National Models: A Tool for International Food Food Policy Analysis. Kluwer, Dordrecht.

Fisher, M.J., Rao, I.M., Ayarza, M.A., Lascano, C.E., Sanz, J.I., Thomas, R.J. and Vera, R.R. 1994. Carbon storage by introduced deep-rooted grasses in the South American savannas. Nature 371: 236-238.

Gibbs, M.J. and Woodbury, J.W. 1993. Methane emissions from livestock manure. In: Proceedings of the International Workshop on Methane and Nitrous Oxide. Methods for National Inventories and Options for Control. A. Van Amstel (ed.). National Institute of Public Health and Environmental Protection, Bilthoven. pp. 81-91.

Houghton, J.T., Jenkins, G.J. and Ephraums, J.J. (eds.). 1990. Climate Change: The IPCC Scientific Assessment. Cambridge University Press, Cambridge.

Houghton, J.T., Callander, B.A. and Varney, S.K. (eds.). 1992. Climate Change 1992: The Supplementary Report to the IPCC Scientific Assessment. Cambridge University Press, Cambridge.

Hulme, M., Raper, S.C.B. and Wigley, T.M.L. 1994. An integrated framework to address climate change (ESCAPE) and further developments of the global and regional climate modules (MAGICC). In: Integrative Assessment of Mitigation, Impacts and Adaptation to Climate Change. N. Nakicenovic (ed.). IIASA, Laxenburg. pp. 112-134.

IGBP. 1994. Global modelling and data activities 1994-1998. 1GBP Report 30. International Geosphere-Biosphere Programme, Stockholm.

Johansson, T.B., Kelly, H., Reddy, A.K.N. and Williams, R.H. (eds.). 1993. Renewable Energy: Sources for Fuels and Electricity. Island Press, Washington DC.

Kassler, P. 1994. Energy for Development. Shell Selected Paper, Shell, London.

Kauppi, P., Mielikäinen, K. and Kuusela, K. 1992. Biomass and carbon budget of European forests, 1971 to 1990. Science 256: 70-74.

Khalil, M.A.K. and Rasmussen, R.A. 1992. The global sources of nitrous oxide. J. Geophys. Res. 97: 14651-14660.

Klein Goldewijk, K., van Minnen, J.G., Kreileman, G.J.J., Vloedbeld, M. and Leemans, R. 1994. Simulating the carbon flux between the terrestrial environment and the atmosphere. Wat. Air Soil Pollut. 76: 199-230.

Kreileman, G.J.J. and Bouwman, A.F. 1994. Computing land use emissions of greenhouse gases. Wat. Air Soil Pollut. 76: 231-258.

Kwadijk, J. 1993. The impact of climate change on the discharge of the River Rhine. Nederl. Geogr. Stud. 171: 1-201.

Larcher, W. 1980. Physiological Plant Ecology. Springer-Verlag, Berlin. Lashof, D.A. 1989. The dynamics greenhouse: Feedback proceses that may influence future concentrations of atmospheric trace gases and climatic change. Clim. Change 14: 213-214.

Leemans, R. 1996. Incorporating land-use change in Earth system models illustrated by IMAGE 2. In: Global Change and Terrestrial Ecosystems. B. Walker and W. Steffen (eds.). Cambridge University Press, Cambridge (in press).

Leemans, R. and Cramer, W. 1991. The IIASA database for mean monthly values of temperature, precipitation and cloudiness on a global terrestrial grid. Research Report RR-91-18. International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg.

Leemans, R. and Solomon, A.M. 1993. The potential response and redistribution of crops under a doubled CO₂ climate. dim. Res. 3: 79-96.

Leemans, R. and van den Born, G.J. 994. Determining the potential global distribution of natural vegetation, crops and agricultural productivity. Wat. Air Soil Pollut. 76: 133-161.

Leemans, R., Cramer, W. and van Minnen, J.G. 1996. Prediction of global biome distribution using bioclimatic equilibrium models. In: Effects of Global Change on Coniferous Forests and Grassland. J.M. Melillo and A. Breymeyer (eds.). John Wiley, New York (in press).

Leggett, J., Pepper, W.J. and Swart, R.J. 1992. Emissions scenarios for the IPCC: an update. In: Climate Change 1992. The Supplementary Report to the IPCC Scientific Assessment. J.T. Houghton, B.A. Callander and S.K. Varney (eds.). Cambridge University Press, Cambridge. pp. 71-95.

Manabe, S. and Wetherald, R.T. 1987. Large-scale changes in soil wetness induced by an increase in carbon dioxide. J. Atmosph. Sci. 44: 1211-1235.

Morison, J.I.L. 1985. Sensitivity of stomata and water use efficiency to high CO₂. Plant Cell Environ. 8: 467-474.

Morita, T., Matsuoka, Y., Kainuma, M., Kai, K., Harasawa, H. and Dong-Kun, L. 1994. Asian-Pacific Integrated Model to assess policy options for stabilizing global climate. AIM Report 1.0. National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Japan.

Nakícenovíc, N., Nordhaus, W.D., Richels, R. and Toth, F.L. (eds.). 1994. Integrative Assessment of Mitigation, Impact, and Adaptation to Climate Change. International Institute for Applied System Analysis, Laxenburg.

Neilson, R.P. 1993. Vegetation redistribution: a possible biosphere source of CO₂ during climatic change. Wat. Air Soil Pollut. 70: 659-673.

Olson, J., Watts, J.A. and Allison, L.J. 1985. Major World Ecosystem Complexes Ranked by Carbon in Live Vegetation: A Database. Report NDP-017. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee.

Parry, M.L., Porter, J.H. and Carter, T.M. 1990. Climatic change and its implications for agriculture. Outlook on Agriculture 19: 9-15.

Pepper, W., Leggett, J., Swart, R., Watson, J., Edmonds, J. and Mintzer, I. 1992. Emission scenarios for the IPCC: an update. Assumptions, methodology and results. Report IPCC Working Group I. Geneva.

Plucknett, D.L. 1994. Science and agricultural transformation. IFPRI Lecture Series. International Food Policy Research Institute, Washington DC.

Prentice, I.C., Cramer, W., Harrison, S.P., Leemans, R., Monserud, R.A. and Solomon, A.M. 1992. A global biome model based on plant physiology and dominance, soil properties and climate. J. Biogeogr. 19: 117-134.

Prinn, R.G. 1994. The interactive atmosphere: global atmospheric-biospheric chemistry. Ambio 23: 50-61.

Raich, J.W. and Schlesinger, W.H. 1992. The global carbon dioxide flux in soil respiration and its relationship to vegetation and climate. Tellus 44B: 81-99.

Rosenzweig, C. and Parry, M.L. 1994. Potential impact of climate change on world food supply. Nature 367: 133-138.

Rotmans, J., de Boois, H. and Swart, R.J. 1990. An integrated model for the assessment of the greenhouse effect: the Dutch approach. dim. Change 16: 331-356.

Rotmans, J., Hulme, M. and Downing, T.E. 1994. Climate change implications for Europe: An application of the ESCAPE model. Glob. Env. Change 4: 97'-124.

Sarmiento, J.L. and Bender, M. 1994. Carbon biogeochemistry and climate change. Photosynth. Res. 39: 209-234.

Sedjo, R.A. and Solomon, A.M. 1989. Climate and forests. In: Greenhouse Warming: Abatement and Adaptation. N.J. Rosenberg, W.E. Easterling III, P.R. Crosson and J. Darmstadter (eds.). Resources for the Future, Washington DC. pp 105-119.

Skole, D. and Tucker, C. 1993. Tropical deforestation and habitat fragmentation in the Amazon: Satellite data from 1978 to 1988. Science 260: 1905-1910.

h mith, T.M. and Shugart, H.H. 1993. The transient response of terrestrial carbon storage to a perturbed climate. Nature 361: 523-526.

Smith, T.M., Leemans, R. and Shugart, H.H. 1992. Sensitivity of terrestrial carbon storage to CO₂ induced climate change: Comparison of four scenarios based on general circulation models. dim. Change 21: 367-384.

Strain, B.R. and Cure, J.D. 1985. Direct Effects of Increasing Carbon Dioxide on Vegetation. Report DOE/ER-0238. US Department of Energy, Washinghton DC.

Taylor, K.E. and Penner, J.E. 1994. Response of the climate system to atmospheric aerosols and greenhouse gases. Nature 369: 734-737.

Turner, B.L. II, dark, W.C., Kates, R.W., Richards, J.F., Mathews, J.T. and Meyer, W.B. (eds.). 1990. The Earth as Transformed by Human Action: Global and Regional Changes in the Biosphere over the Past 300 Years. Cambridge University Press, Cambridge.

Turner, B.L., Moss, R.H. and Skole, D.L. 1993. Relating Land Use and Global Change: A Proposal for an IGBP-HDP Core Project. IGBP Report No.24 and HDP Report No. 5. International Geosphere-Biosphere Programme and the Human Dimensions of Global Environmental Change Programme, Stockholm.

Watson, R.T., Meira Filho, L.G., Sanheuza, E. and Janetos, A. 1992. Greenhouse gases: sources and sinks. In: Climate Change 1992. The Supplementary Report to the IPCC Scientific Assessment. J.T. Houghton, B.A. Callander and S.K. Varney (eds.). Cambridge University Press, Cambridge. pp. 27-46.

Wofsy, S.C., Goulden, M.L., Munger, J.W., Fan, S.M., Bakwin, P.S., Daube, B.C., Bassow, S.L. and Bazzaz, F.A. 1993. Net exchange of CO₂ in a mid-latitude forest. Science 260: 1314-1317.

Woods, J. and Barkmann, W. 1993. The plankton multiplier - positive feedback in the greenhouse. J. Plankton Res. 15: 1053-1074.

Zobler, L. 1986. A World Soil File for Global Climate Modeling. Technical Memorandum. NASA, New York.