Influence de l'organisation spatiale et de la pression d'herbivorie sur les transferts de fertilité et la productivité des systèmes agro-sylvo-pastoraux : approche écologique de questions agronomiques par l'utilisation de modèles mathématiques

The sustainability of agro-ecosystem functioning and the management of the associated ecosystem services is one of the major challenges of agronomic and environmental sciences. West African agro-sylvo-pastoral systems (WA-ASPS), which have been studied by the scientific community for a long time, offer an interesting case study. Traditionally, the fertility of these agro-ecosystems relies on a very high rate of nutrient recycling within the agro-ecosystem maintained by both fallowing and livestock induced nutrient transfers.Socio-economic and demographic pressures lead to major changes in the spatial and temporal organization of WA-ASPS and in the associated agricultural practices, including those related to livestock. In this thesis, we are interested in the impact of these changes on crop and meat production at the scale of the agro-ecosystem.We chose to study ASPS by developing and analyzing mathematical models using the ecological concept of meta-ecosystems. In each of the three models proposed, we tried to represent the ASPS as simply as possible, by including the key biogeochemical mechanisms (plant growth, mineralization, leaching, deposition...) and the agricultural practices of interest. The aim was both to understand how mechanisms interact according to the practices and to identify emerging properties at the scale of the agro-ecosystem.Each model was developed to study the effect of a limited number of agricultural practices on the organization of spatial components or on the connectivity between spatial components.In the first part of this work, we studied the influence of the structure of the WA-ASPS on the agricultural production of these systems. In the model, four interconnected subsystems are represented: the compound ring, the bush ring, the savanna and the dwellings. The year is decomposed in two seasons: the dry and the rainy seasons, the dynamic of the system being different for each season. With this model, we studied the influence of three driving-forces on the crop production: (1) the rotation duration and duration of fallows within rotations, (2) the proportion of the agro-ecosystem surface allocated to the different cropland areas (compound/bush) and (3) the presence/absence of livestock in the agro-ecosystem. The results of this work highlight the ecosystem services provided by the savanna, the role of livestock as a "nutrient pump" from rangeland to cropland and the interactions between livestock effects and fallow effects on nutrient fluxes. In the second part, we used tools provided by control theory to take into account the variability over time of agricultural practices. We showed that by varying the herbivory pressure over time in an appropriate way, an additional gain in production is possible (compared to the one obtained with a constant herbivory pressure) for the same amount of nutrients transferred from rangelands to croplands.In the last part of this work, the multi-criteria optimization of the functioning of the agro-ecosystem makes it possible to address the complexity of the objectives of WA-ASPS as a production system and to take into account risks management in these systems. Our results highlight that trade-offs between crop and animal production may be linked to the choice of crops. Our results also show that external sources of nutrients can lead to an increase in productions, but that their efficiency decreases as their quantity increases. At the interface between ecology and agronomy, and by using tools from other fields, this modeling work offers new perspectives for optimizing crop production and fertility management in ASPS.La durabilité du fonctionnement des agro-écosystèmes et la gestion des services écosystémiques associés représente un des enjeux majeurs des sciences agronomiques et environnementales.Les systèmes agro-sylvo-pastoraux d'Afrique de l'Ouest (SASP-AO), étudiés depuis longtemps par la communauté scientifique, offrent un cas d’étude pertinent. La fertilité de ces agro-écosystèmes repose traditionnellement sur un taux de recyclage des nutriments très élevé au sein de l'agro-écosystème via la pratique de la jachère et des transferts de nutriments par les mouvements du bétail.Les SASP-AO sont soumis à des pressions socioéconomiques et démographiques fortes qui entrainent des modifications de leur organisation spatiotemporelle et des pratiques agricoles, notamment celles relatives à l'élevage.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'impact de ces modifications sur la production végétale et animale à l'échelle de l'agro-écosystème.Nous avons choisi d’étudier les SASP en développant et analysant des modèles mathématiques de type méta-écosystème. Dans chacun des trois modèles proposés, nous avons cherché à représenter un SASP le plus simplement possible, en incluant les mécanismes biogéochimiques les plus importants (croissance des plantes, minéralisation, lessivage, dépositions…) et les pratiques agricoles d’intérêt. L’objectif était à la fois de comprendre comment ces mécanismes interagissent en fonction des pratiques et d’identifier des propriétés émergentes à l'échelle de l'agro-écosystème.Chacun des modèles a été développé pour étudier l'effet d'un nombre limité de pratiques agricoles portant sur l'organisation des composantes spatiales ou sur la connectivité entre les composantes spatiales.Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l'influence de la structure des SASP-AO sur la production agricole de ces systèmes. Dans le modèle, quatre sous-systèmes interconnectés sont représentés : l’auréole de case, l’auréole de brousse, la savane et le village. Le modèle est de plus saisonnalisé, la dynamique de la saison sèche étant différente de celle de la saison humide. Avec ce modèle, nous avons étudié l’influence de trois leviers : (1) la durée de rotation et la durée des jachères dans les rotations, (2) la proportion de surface allouée aux différentes zones cultivées (case/brousse) de l'agro-écosystème et (3) la présence/absence du bétail dans l'agro-écosystème. Les résultats issus de ces travaux ont mis en évidence les services écosystémiques fournis par la savane, le rôle de du bétail comme « pompe à nutriments » des zones de pâturage vers les zones cultivées et les interactions entre les effets du bétail et les effets de la jachère sur les flux de nutriments. Dans la seconde partie, nous avons utilisé des outils issus de la théorie du contrôle afin de tenir compte de la variabilité dans le temps des pratiques agricoles. Nous avons ainsi montré qu'en faisant varier la pression d'herbivorie de manière adéquate, un gain supplémentaire de production est possible par rapport à une pression d'herbivorie constante pour une même quantité de nutriments transférée des pâturages vers les cultures.Dans la dernière partie de ce travail, l’optimisation multicritère du fonctionnement de l’agro-écosystème permet d’aborder la complexité des objectifs des SASP-AO comme système de production et de prendre en compte la gestion des risques dans ces systèmes. Nos résultats mettent en avant que les compromis entre production végétale et animale sont liés au choix des plantes cultivées. Nos résultats montrent également que les sources extérieures de nutriments permettent d’augmenter les productions, mais que leur efficience diminue quand leur quantité augmente.À l’interface entre écologie et agronomie, et grâce à l’utilisation conjointe d'outils issus d'autres disciplines, ces travaux de modélisation offrent de nouvelles perspectives pour l'optimisation de la production végétale et la gestion de la fertilité dans les SASP