Multi-agent and multi-level modelling of the nitrogen cycle reorganisation in agro-sylvo-pastoral systems in transition : the case of the groundnut basin in Senegal

Les systèmes agro-sylvo-pastoraux (SASP) d’Afrique de l’Ouest sont des agro-écosystèmes limités en biomasses et en nutriments. Le recyclage des nutriments et les transferts de fertilité sont traditionnellement rythmés par la mobilité des troupeaux de ruminants conduits en extensif. Les agro-éleveurs pratiquent le parcage nocturne de leurs troupeaux pour concentrer la matière organique, dans les champs à proximité des habitations afin de sécuriser une production vivrière suffisante à leurs besoins. Dans un contexte de croissance démographique et de réduction des parcours naturels au profit des zones cultivées, le système d’élevage « traditionnel », basé sur une forte mobilité intra-terroir villageois, est remis en cause. Les stratégies adoptées par les agro-éleveurs sont, soit (i) l’éloignement des troupeaux du terroir villageois pendant des périodes plus ou moins longues par des pratiques de transhumance saisonnière vers des régions moins peuplées et disposant de davantage de ressources fourragères ; soit (ii) plus récemment, des pratiques d’intensification avec des animaux gardés à l’étable au sein du terroir villageois et nourris avec des aliments concentrés, achetés sur le marché local. Ces changements de systèmes d’élevage ont possiblement des conséquences importantes sur les flux de biomasses et les cycles des nutriments au niveau du ménage et du territoire. Il convenait de les évaluer en termes d’impacts sur le fonctionnement et la durabilité des SASP. A cet effet, le modèle multi-agents TERROIR a été développé et implémenté sur la plateforme de modélisation GAMA. Il simule l’effet de changements dans l’organisation du paysage et des systèmes d’élevage sur les flux de biomasse et d’azote aux différents niveaux d’organisation du territoire : la parcelle, le troupeau, le ménage et le terroir villageois. Le modèle simule les échanges de biomasses entre une centaine de ménages comportant des stratégies et des pratiques différentes. Cela inclut les transferts spatiaux de biomasses orchestrés par plusieurs centaines de troupeaux se déplaçant de façon indépendante sur un millier de parcelles. Le modèle synthétise ces flux par un ensemble d’indicateurs issus de deux méthodes d’analyse (« Ecological Network Analysis » et « System Gate Balance ») pour décrire la structure, le fonctionnement et la durabilité de l’agroécosystème, en termes de productivité, d’efficience, d’autonomie, de recyclage, de transferts spatiaux et de bilan de nutriments. Le modèle a été conçu et paramétré à partir des données disponibles sur les agroécosystèmes de savane en Afrique de l’Ouest et il a été évalué à partir des données observées dans deux terroirs villageois du bassin Arachidier au Sénégal où les pratiques des agro-éleveurs sont particulièrement contrastées.Le modèle TERROIR a été utilisé pour explorer les impacts des dynamiques territoriales observées sur la période 1920-2015 dans le bassin Arachidier au Sénégal, une zone agricole à transition agraire rapide et avancée. Les résultats soulignent une réorganisation du cycle de l’azote et une tendance générale à l’intensification des flux et à l’augmentation de la dépendance des agroécosystèmes vis-à-vis de sources extérieures de nutriments. Cependant, le recyclage et les transferts spatiaux de nutriments internes aux agrosystèmes restent à des niveaux élevés. L’intégration sol-plantes-animaux-hommes et l’hétérogénéité spatiale de la répartition des ressources fertilisantes apparaissent comme deux propriétés persistantes des agro-écosystèmes étudiés. Consolider cette intégration et cette organisation spatiale seraient ainsi un gage pour la durabilité des futurs systèmes agricoles qui émergeront dans un contexte de poursuite de la forte croissance démographique et de changement climatique.Agro-sylvo-pastoral systems (systèmes agro-sylvo-pastoraux - SASP) of West Africa are agroecosystems limited in biomass and nutrients. Nutrient recycling and fertility transfer are traditionally driven by the mobility of ruminant herds led in extensive practices. Agro-pastoralists practice night corralling of their herds to concentrate the organic matter in the fields near the houses, in order to secure a sufficient food production for their needs. In a context of demographic growth and the reduction of natural rangelands in favor of cultivated areas, the "traditional" mobile livestock system, based on high mobility within the village is being called into question. The strategies adopted by the agro-pastoralists are: (i) keeping the herds away from the village for periods of varying lengths, by seasonal transhumance in less populated regions where forage resources are more important, or (ii) more recently, intensified practices with animals kept in the barn within the village and fed with concentrate feeds, bought on the local markets. These changes in livestock systems may have important consequences for biomass flows and nutrient cycling at the household and village landscape level. There was a need to assess their impact on the functioning and sustainability of SASP.To this end, the TERROIR multi-agent model has been developed and implemented on the GAMA modeling platform. It simulates the effect of changes in the organization of the landscape and livestock systems on biomass and nitrogen flows at different levels of organization in the village: plot, herd, household, village landscape. The model simulates the exchanges of biomasses between dozens of households with different strategies and practices. It includes the spatial transfers of biomasses between several hundred plots orchestrated by dozens of herds moving independently. The model synthesizes these flows with a set of indicators from two methods of analysis (Ecological Network Analysis and System Gate Balance) to describe the structure, functioning and sustainability of the agroecosystem, in terms of productivity, efficiency, autonomy, recycling, spatial transfers and nutrient balance. The model was designed and configured with available data on savannah agroecosystems in West Africa. It was evaluated from data observed in two villages of the Groundnut Basin in Senegal where the practices of agro-pastoralists are particularly contrasted. The TERROIR model was developed and implemented to explore the impacts of the village dynamics observed over the period 1920-2015 in the Groundnut Basin in Senegal, an agricultural zone in fast and advanced agrarian transition. The results highlight a reorganization of the nitrogen cycle and a general trend towards increased flows and increased dependence of agroecosystems on external sources of nutrients. However, the recycling and spatial transfers of nutrients internal to agroecosystems remain at high levels. The soil-plant-animal-human integration and the spatial heterogeneity of the distribution of fertilizing resources appear as two persistent properties of the studied agro-ecosystems. Consolidating this integration and spatial organization could guarantee for the sustainability of future farming systems that will emerge in a context of continued high-population growth and climate change