Apports de la modélisation structure-fonction des transferts d'azote à différentes échelles pour raisonner la gestion de l'azote et de l'espace dans les agro-écosystèmes.

Facing the food needs of a growing population, global agriculture faces multiple challenges (economic, agro-ecological, environmental, social and societal). According to estimates, it would be necessary for meeting these needs that global agriculture increases its production by 70% by 2050, while continuing to provide essential services such as the preservation of air, soil and water quality, landscape maintenance or life quality in rural areas. Agriculture contributes to 10% of the greenhouse gas emissions from human activities and represents the main source of emissions into the environment from agricultural inputs. Better management of resources, inputs and territories, including landscapes, requires a better understanding and assessment of flows especially nitrogen in territories. The general hypothesis underlying the work presented in this report is that mitigation of environmental losses and sustainability of agriculture and agro-ecosystems (economic, agroecological, environmental, social, societal) requires rethinking their structure and thus their functionalities in the context of global change. This general hypothesis was tested in several cases corresponding to different geographical (thus political and socio-economic), scientific and thematic (thus disciplines and teams) contexts and to multiple spatial and temporal scales (from the organ or soil aggregate up to the region through the plant, the stand or the plot, the farm and the landscape scales). My researches therefore focused on complex systems for which modelling is an essential tool in addition to data collected from field experiments or under controlled conditions, farm surveys or landscape inventories. My first experiences in Aquitaine and in Sahelian Africa helped me discover how research can contribute to better management of resources (forestry, agriculture, agro-pastoralism...) at regional scales, using various methods of representation of the structures (remote sensing and satellite data, geographic information systems) and analysis (modelling, statistical analysis of data) of the production functions within territories. The results obtained in my subsequent researches in several INRA teams and in interdisciplinary collaboration showed, using models and scenarios at different scales, the role of spatial interactions between the structures of the studied systems (plants and stands explicitly described in 3D in a first phase, landscapes spatially described in a second phase) and their functions (acquisition and distribution of nitrogen and carbon assimilates in the first phase, biomass production, environmental losses and indirect emissions of nitrogen in the second phase). These studies showed the importance of taking account such interactions to improve the plant and stand management on one hand and the landscape and territoriy management on the other hand, in relation to the management of agriculural inputs and soil and climate forcings. My perspectives are to continue to contribute to researches aiming at better assessing the environmental impacts of agricultural activities, including the understanding and quantification of nitrogen flows and balances and structure-function relationships in agro-ecosystems at different scales. This work will be carried out at least initially on nitrogen flows in relation to carbon and water flows. They may be extended to other inputs (eg pesticides, organic waste products) or other major elements (eg phosphorus). My researches should lead to the production of tools and references (models, databases, agro-environmental scenarios) to test quantitatively (ie from mechanistic, process-based and integrated approaches), various changes in agro-ecosystems. The produced models will be tools to contribute towards proposing insights and recommendations to mitigate environmental losses of nitrogen and/or adapt production systems and territories to global change. My researches have also an applied objective, in the sense that the tools developed may become operational tools for managing nitrogen and space in agro-ecosystems.Confrontée aux besoins alimentaires d’une population croissante, l’agriculture mondiale doit faire face à de multiples enjeux (économiques, agro-écologiques, environnementaux, sociaux et sociétaux). Selon les estimations, il faudrait, pour répondre à ces besoins, que l’agriculture mondiale parvienne d’ici à 2050 à augmenter sa production de 70%, tout en continuant à fournir des services essentiels tels que la préservation de la qualité de l’air, des sols et des eaux, l’entretien du paysage ou le maintien de la qualité de vie en milieu rural. L’agriculture contribue à hauteur de 10 % aux émissions de gaz à effet de serre d’origine anthropique et est la première source d’intrants émis dans l’environnement. Une meilleure gestion des ressources, des intrants et des territoires, notamment les paysages, nécessite de mieux comprendre et évaluer les flux de matières, notamment l’azote, dans les territoires. L’hypothèse générale sous-jacente aux travaux présentés dans ce mémoire est que l’atténuation des pertes environnementales et la durabilité de l’agriculture et des agro-écosystèmes (économique, agro-écologique, environnementale, sociale, sociétale) nécessite de repenser leur structure, et ainsi leurs fonctionnalités, dans un contexte de changements globaux. Cette hypothèse générale a été testée dans plusieurs cas particuliers, mettant en œuvre différents contextes géographiques (donc politiques et socio-économiques), scientifiques et thématiques (donc disciplinaires et d’équipes) et à plusieurs échelles spatio-temporelles (de l’organe ou agrégat de sol jusqu’à la région en passant par la plante, le peuplement ou la parcelle, l’exploitation agricole, le paysage). Les recherches ont ainsi porté sur des systèmes complexes pour lesquels la modélisation est un outil d’investigation incontournable en complément des données issues d’expérimentations au champ ou en conditions contrôlées, d’inventaires ou d’enquêtes auprès des agriculteurs. Mes premières expériences en Aquitaine puis en Afrique sahélienne m’ont fait découvrir comment la recherche pouvait contribuer à une meilleure gestion des ressources (sylviculture, agriculture, agro-pastoralisme…) à des échelles régionales, en utilisant diverses méthodes de représentation des structures (télédétection et données satellitaires, systèmes d’information géographique) et d’analyse (modélisation, analyses statistiques de données) des fonctions de production de ces territoires. Les résultats de recherche obtenus ensuite dans plusieurs équipes de l’INRA et en collaboration inter-disciplinaire ont montré, à partir de modèles et de scénarios à différentes échelles, le rôle des interactions spatiales entre les structures des systèmes étudiés (plantes et peuplements décrits spatialement en trois dimensions dans une première phase, exploitations agricoles et paysages décrits spatialement dans une deuxième phase) et leurs fonctions (acquisition et répartition des assimilats azotés et carbonés dans la première phase, production de biomasse, pertes environnementales et émissions indirectes d’azote dans la deuxième phase). Ces travaux ont montré l’intérêt de tenir compte de ces interactions pour améliorer la gestion des plantes et des peuplements d’une part et des paysages et des territoires d’autre part, en relation avec la gestion des intrants et les forçages pédo-climatiques. Mes perspectives sont de continuer à contribuer aux recherches visant à mieux évaluer les impacts environnementaux des activités agricoles, notamment par la compréhension et la quantification des flux et bilans d’azote ainsi que des relations structures-fonctions dans les agro-écosystèmes à différentes échelles. Ces travaux seront principalement menés, au moins dans un premier temps, sur les flux d’azote, en lien avec les flux de carbone et d’eau. Ils pourront ensuite être étendus à d’autres intrants (e.g. pesticides, produits résiduaires organiques) ou d’autres éléments majeurs (e.g. phosphore). Ces recherches devraient aboutir à la production d’outils et de références (modèles, bases de données, scénarios agro-environnementaux) pour tester, de manière quantitative (i.e. à partir d’approches mécanistes, basées sur les processus, et intégrées), différentes évolutions des agro-écosystèmes. Ces modèles seront des outils pour aider à proposer des pistes et des recommandations pour atténuer les pertes environnementales d’azote et/ou adapter les systèmes de production et l’organisation des territoires aux changements globaux. Ces recherches ont aussi une finalité appliquée, dans le sens où les outils développés pourront aussi devenir à terme des outils opérationnels de raisonnement de la gestion de l’azote et de l’espace dans les agro-écosystème