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Changement climatique et agriculture américaine : pourquoi irriguer davantage de cultures est vital pour les rendements futurs

U.S. Map of Projected Change in Crop Irrigation Value for Corn and Soybeans by the Middle of the 21st Century

Carte américaine des changements prévus dans la valeur de l’irrigation des cultures de maïs et de soja d’ici le milieu du 21e siècle, avec les zones actuellement irriguées encadrées en noir. Crédit : Trevor Partridge et coll.

Les chercheurs effectuent une analyse coûts-avantages d’une irrigation accrue du maïs et du soja dans le contexte climatique futur.

Avec le changement climatique, l’irrigation de davantage de cultures aux États-Unis sera essentielle pour maintenir les rendements futurs, car les conditions de sécheresse sont susceptibles d’augmenter en raison des températures plus chaudes et de la modification des régimes de précipitations. Pourtant, moins de 20 % des terres cultivées sont équipées pour l’irrigation.

Les avantages de l’irrigation étendue

Une étude menée par Dartmouth révèle que d’ici le milieu du 21e siècle, dans un scénario d’émissions modérées de gaz à effet de serre, les avantages d’une irrigation élargie dépasseront les coûts d’installation et d’exploitation sur une partie élargie des terres cultivées actuelles aux États-Unis. Les résultats montrent que d’ici le milieu du siècle, le maïs et le soja actuellement cultivés en culture pluviale bénéficieraient de l’irrigation dans la majeure partie du Dakota du Nord, de l’est du Dakota du Sud, de l’ouest du Minnesota, du Wisconsin et du Michigan. Les terres agricoles de soja qui dépendent de la pluie dans certaines parties de l’Indiana, de l’Illinois, de l’Ohio, du Kentucky, du Kansas et de l’Oklahoma bénéficieraient également de l’irrigation. Les résultats seront publiés aujourd’hui (14 août) dans Communications Terre & Environnementune revue en libre accès de Nature Portfolio.

Coûts et analyse économique

L’installation, l’entretien et le fonctionnement du matériel d’irrigation entraînent un coût important pour les agriculteurs, pouvant atteindre 160 dollars par acre et par an. « Notre travail crée essentiellement une carte américaine indiquant les endroits où il sera le plus judicieux d’installer et d’utiliser des équipements d’irrigation pour les cultures de maïs et de soja à l’avenir », explique le premier auteur Trevor Partridge, chercheur postdoctoral Mendenhall et hydrologue de recherche au US Geological Survey. Water Resources Mission Area, qui a mené l’étude alors qu’il préparait son doctorat à Dartmouth.

Carte américaine du déficit prévu des eaux souterraines d’irrigation au milieu du siècle

Carte américaine du déficit prévu des eaux souterraines d’irrigation au milieu du siècle (la différence volumétrique entre l’eau irriguée et l’eau disponible) avec les zones de maïs et de soja actuellement irriguées encadrées en noir. Crédit : T.Partridge et al.

La région des Hautes Plaines, qui comprend le Nebraska, le Kansas et le nord du Texas, a toujours été l’une des zones les plus irriguées et s’est avérée avoir les rendements économiques actuels les plus élevés pour l’irrigation. Cependant, les coûts croissants de la sécheresse poussent les agriculteurs à investir dans l’irrigation dans toutes les régions de la Corn Belt et du sud-est des États-Unis, et le retour économique à long terme de ces investissements est difficile à prévoir.

Méthodologie et scénarios climatiques

Pour effectuer l’analyse coûts-avantages de l’irrigation du maïs et du soja, les chercheurs ont effectué une série de simulations de modèles de culture. Ils ont appliqué plusieurs projections climatiques mondiales qui couvrent toute la gamme des climats futurs potentiels – chauds et secs, chauds et humides, frais et secs, frais et humides, chacun par rapport à la projection climatique moyenne – pour simuler la croissance future des cultures dans des conditions entièrement irriguées ou pluviales. .

Pour chaque scénario climatique, le modèle de culture a été exécuté pour le maïs et le soja dans toutes les zones cultivées aux États-Unis. Les simulations du modèle de culture ont examiné trois périodes : historique (1981-2010), milieu du siècle (2036-2065) et fin du siècle. siècle (2071-2100) dans des scénarios d’émissions de gaz à effet de serre modérées et élevées. Les simulations ont pris en compte les données sur la gestion des cultures et la croissance au niveau des comtés du Service national de statistiques agricoles du département américain de l’Agriculture, y compris les dates de plantation, de maturité et de récolte.

Avantages économiques et déficit hydrique

Pour déterminer les avantages économiques de l’irrigation (l’équipe a calculé le rendement supplémentaire simulé de l’irrigation et l’augmentation correspondante de la valeur marchande à laquelle on pouvait s’attendre) par rapport aux coûts d’irrigation, qui comprenaient l’électricité nécessaire pour pomper l’eau souterraine et la distribuer sur le champ. et les dépenses associées par acre pour posséder et exploiter le système d’irrigation.

L’équipe a étudié non seulement où et quand il serait judicieux d’installer l’irrigation du maïs et du soja, mais aussi s’il y aurait suffisamment d’eau pour le faire. Ils ont calculé le « déficit en eau d’irrigation », qui est la simple différence entre la quantité d’eau appliquée au champ et la quantité d’eau qui devrait être disponible pour l’irrigation.

Résultats et disponibilité de l’eau

Les résultats montrent que d’ici le milieu du siècle, il y aura probablement suffisamment d’eau pour irriguer le soja dans l’Iowa, le Wisconsin, l’Ohio et le nord de l’Illinois et de l’Indiana, mais pas le maïs. L’Iowa est le plus grand producteur de maïs aux États-Unis. Les ressources en eaux souterraines destinées à l’irrigation se révèlent être les plus abondantes dans le sud-est des États-Unis, en particulier dans la basse vallée du Mississippi, où l’agriculture est moins intensive. Cependant, dans cette région, les bénéfices de l’irrigation sont minimes.

« Nos résultats suggèrent qu’il y a relativement peu de chevauchement entre les endroits où il y a suffisamment d’eau pour irriguer complètement les cultures sans exercer de pression supplémentaire sur les ressources en eau et les endroits où les agriculteurs peuvent s’attendre à ce que l’investissement dans l’irrigation soit rentabilisé sur le long terme », explique Partridge.

Défis et stress environnemental

Par exemple, l’aquifère d’Ogallala dans les Grandes Plaines est le plus grand aquifère des États-Unis, fournissant de l’eau à huit États et abritant l’une des zones les plus irriguées pour le maïs et le soja.

« Les avantages croissants de l’irrigation pourraient inciter les agriculteurs à utiliser plus d’eau, ce qui exercerait une pression supplémentaire sur les aquifères clés, y compris l’Ogallala », explique l’auteur principal Jonathan Winter, professeur agrégé de géographie et responsable du groupe d’hydroclimatologie appliquée à Dartmouth. Des recherches antérieures ont montré que l’eau est extraite de l’aquifère d’Ogallala plus rapidement qu’elle ne peut être reconstituée. « Il n’y a tout simplement pas assez d’eau pour continuer à irriguer au rythme actuel depuis l’Ogallala, en particulier dans la partie sud, où le niveau des eaux souterraines baisse rapidement », explique Winter.

Conséquences futures

Avec un réchauffement plus important, comme à la fin du siècle dans un scénario d’émissions de gaz à effet de serre élevées, le stress thermique dominera les impacts sur les rendements des cultures et réduira l’efficacité de l’irrigation en tant que stratégie d’adaptation dans la majeure partie des États-Unis, en particulier pour le maïs. Le maïs a généralement un rendement plus élevé que le soja, mais le soja est plus tolérant à la chaleur, ne nécessite pas autant d’eau et a une saison de croissance légèrement plus courte.

« D’ici la fin du siècle, nos simulations suggèrent qu’il sera économiquement plus avantageux d’irriguer le soja que le maïs », explique Winter. « Une fois l’irrigation installée, nous pourrions voir certains endroits où l’on cultivait historiquement du maïs passer au soja, car il s’agit d’une adaptation peu coûteuse. »

Lorsqu’il s’agit d’irrigation, les agriculteurs doivent prendre en compte une série de facteurs complexes et concurrents : les rendements antérieurs, la valeur marchande des cultures, les coûts énergétiques, les incitations économiques et les prévisions météorologiques saisonnières. Les chercheurs espèrent que leur analyse pourra être utilisée pour aider les politiques de gestion des ressources agricoles et hydriques à s’adapter à un climat plus chaud.

Anthony Kendall et Bruno Basso de la Michigan State University, Lisi Pei de la Michigan State University et du Georgia Institute of Technology, et David Hyndman de l’Université du Texas à Dallas ont également contribué à l’étude.

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