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

La durabilite du fonctionnement des agro-ecosystemes et la gestion des services ecosystemiques associes represente un des enjeux majeurs des sciences agronomiques et environnementales. Les systemes agro-sylvo-pastoraux d'Afrique de l'Ouest (SASP-AO), etudies depuis longtemps par la communaute scientifique, offrent un cas d'etude pertinent. La fertilite de ces agro-ecosystemes repose traditionnellement sur un taux de recyclage des nutriments tres eleve au sein de l'agro-ecosysteme via la pratique de la jachere et des transferts de nutriments par les mouvements du betail. Les SASP-AO sont soumis a des pressions socioeconomiques et demographiques fortes qui entrainent des modifications de leur organisation spatiotemporelle et des pratiques agricoles, notamment celles relatives a l'elevage. Dans cette these, nous nous sommes interesses a l'impact de ces modifications sur la production vegetale et animale a l'echelle de l'agro-ecosysteme. Nous avons choisi d'etudier les SASP en developpant et analysant des modeles mathematiques de type meta-ecosysteme. Dans chacun des trois modeles proposes, nous avons cherche a representer un SASP le plus simplement possible, en incluant les mecanismes biogeochimiques les plus importants (croissance des plantes, mineralisation, lessivage, depositions…) et les pratiques agricoles d'interet. L'objectif etait a la fois de comprendre comment ces mecanismes interagissent en fonction des pratiques et d'identifier des proprietes emergentes a l'echelle de l'agro-ecosysteme. Chacun des modeles a ete developpe pour etudier l'effet d'un nombre limite de pratiques agricoles portant sur l'organisation des composantes spatiales ou sur la connectivite entre les composantes spatiales. Dans la premiere partie de cette these, nous avons etudie l'influence de la structure des SASP-AO sur la production agricole de ces systemes. Dans le modele, quatre sous-systemes interconnectes sont representes : l'aureole de case, l'aureole de brousse, la savane et le village. Le modele est de plus saisonnalise, la dynamique de la saison seche etant differente de celle de la saison humide. Avec ce modele, nous avons etudie l'influence de trois leviers : (1) la duree de rotation et la duree des jacheres dans les rotations, (2) la proportion de surface allouee aux differentes zones cultivees (case/brousse) de l'agro-ecosysteme et (3) la presence/absence du betail dans l'agro-ecosysteme. Les resultats issus de ces travaux ont mis en evidence les services ecosystemiques fournis par la savane, le role de du betail comme « pompe a nutriments » des zones de pâturage vers les zones cultivees et les interactions entre les effets du betail et les effets de la jachere sur les flux de nutriments. Dans la seconde partie, nous avons utilise des outils issus de la theorie du controle afin de tenir compte de la variabilite dans le temps des pratiques agricoles. Nous avons ainsi montre qu'en faisant varier la pression d'herbivorie de maniere adequate, un gain supplementaire de production est possible par rapport a une pression d'herbivorie constante pour une meme quantite de nutriments transferee des pâturages vers les cultures. Dans la derniere partie de ce travail, l'optimisation multicritere du fonctionnement de l'agro-ecosysteme permet d'aborder la complexite des objectifs des SASP-AO comme systeme de production et de prendre en compte la gestion des risques dans ces systemes. Nos resultats mettent en avant que les compromis entre production vegetale et animale sont lies au choix des plantes cultivees. Nos resultats montrent egalement que les sources exterieures de nutriments permettent d'augmenter les productions, mais que leur efficience diminue quand leur quantite augmente. A l'interface entre ecologie et agronomie, et grâce a l'utilisation conjointe d'outils issus d'autres disciplines, ces travaux de modelisation offrent de nouvelles perspectives pour l'optimisation de la production vegetale et la gestion de la fertilite dans les SASP.