Vers une agroforesterie Européenne… Approche agronomique de l’agroforesterie moderne Christian Dupraz, INRA, France Bruxelles, 19 Octobre 2007.

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1 Vers une agroforesterie Européenne… Approche agronomique de l’agroforesterie moderne Christian Dupraz, INRA, France Bruxelles, 19 Octobre 2007

2 Should trees be maintained out of productive agricultural plots?
Y a-t-il encore une place pour les arbres dans les systèmes cultivés tempérés?

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6 Ceci n’est pas de l’agroforesterie
Les taillis à courte révolution pour la production de biomasse Les forêts paysannes

7 Ceci est de l’agroforesterie
L’agroforesterie est le mélange délibéré d’une strate arborée et d’une strate herbacée (cultures, pâtures)

8 L’agroforesterie se caractérise par des interactions entre arbres et plantes herbacées…

9 Peut-on bousculer les paradigmes de l’intensification, qui ont conduit à supprimer les arbres des champs ?

10 Des arbres dans mes champs? C’est une plaisanterie
Est ce bien sérieux? Des arbres dans mes champs? C’est une plaisanterie

11 Vous n’y pensez pas… Pauvres cultures… Ca ne poussera pas…
Trop compliqué Comment travailler avec les machines? Oiseaux, limaces, mulots vont proliférer.. Bonjour les dégâts Les mauvaises herbes vont envahir les cultures Près des haies, rien ne pousse Ca va réduire la surface cultivée Ca va ralentir le travail Avec les frais fixes, pas question de réduire les rendements La PAC est si incertaine…

12 Vraiment, vous êtes sérieux?
Pauvres arbres… Ca ne poussera pas… Trop compliqué Les pesticides vont tuer les arbres Les jeunes arbres ne supportent pas le plein soleil Leur bois ne vaudra rien (si ça pousse trop vite) Leur bois ne vaudra rien (si ça pousse trop lentement) Leur bois ne vaudra rien (ils seront blessés par les machines) Leur bois ne vaudra rien (si on en produit trop) Leur bois ne vaudra rien (y’aura pas de bois de cœur) Les tempêtes les casseront

13 Vraiment, vous êtes sérieux?
Vous n’y pensez pas… Impossible de revenir en arrière, de s’adapter… s’il faut remettre en culture.. Vous croyez que mon propriétaire / locataire va vouloir? Mes parcelles sont trop petites Et avec l’irrigation, on fait comment? Je suis trop vieux Je suis trop jeune

14 Vraiment, vous êtes sérieux?
Avec le changement climatique, la diminution des pluies, la concurrence entre les arbres et les cultures va être de plus en plus forte… Avec les besoins de surfaces pour les cultures énergétiques (agrocarburants), pas de place pour les arbres…

15 D’ailleurs, c’est interdit!
Si vous plantez des arbres dans vos champs, vous n’aurez plus les primes PAC! Et puisque vous avez des arbres dans vos champs, nous allons retirer forfaitairement de votre surface primable par arbre 10 m² 50 m² 100m² 250 m² (Espagne)

16 Le contexte scientifique de nos travaux

17 Commission d'évaluation - 30 janvier 2006
Axe 2 : Rôle de la diversité biologique cultivée dans la productivité et la durabilité des Systèmes de Culture. Thème I: Partage des ressources et performances agroécologiques des systèmes plurispécifiques Commission d'évaluation - 30 janvier 2006

18 Un système plurispécifique est un système … délibérément hétérogène…
donc compliqué. Est-il complexe? Un système complexe peut être simple : il est caractérisé par des propriétés émergentes difficiles à prévoir… Un système compliqué peut ne pas avoir de propriétés émergentes…

19 Une approche holistique des systèmes cultivés pluri-spécifiques permettra t-elle de faire apparaître des propriétés émergentes intéressantes ?

20 Modéliser l’hétérogénéité : intégrer (espace et temps) des processus distribués
La nature est fondamentalement hétérogène à l’échelle des organismes végétaux L’hétérogénéité est autant aérienne que souterraine 2D 3D

21 Hypothèse agronomique classique
Un mélange exploite mieux les ressources du milieu que l’assolement des peuplements monospécifiques

22 Les relations entre plantes
Compétition = partage d’une ressource Obligatoire Facilitation = augmentation de la ressource Facultative Par augmentation directe de la ressource à partager (N fixé, eau infiltrée, prélèvement de C ou N par les prédateurs réduit …) Par amélioration du fonctionnement des capteurs Plasticité architecturale, adaptation écophysiologique approfondissement racinaire optimisation des processus d’acquisition du carbone (brise-vent, espèces sciaphiles…)

23 Indicateurs de productivité des mélanges agronomiques
Les indicateurs synthétiques de la productivité des systèmes pluri-spécifiques simples Coefficients de rendement équivalents CRE (Mead and Willey, 1980) Nombreuses formulations secondaires SEA (Surface Equivalente Assolée) Valeurs observées classiques : 0.9 à 1.1 pour les mélanges d’annuelles 1.0 à 1.2 pour les mélanges légumineuses / non légumineuses Et les mélanges pluri-annuels?

24 Que nous dit la théorie écologique?
Sans facilitation, pas d’avantage aux mélanges La facilitation est facultative, et dépend de l’environnement Un environnement compétitif est tel que les mécanismes de la compétition sont dominants Un environnement facilitatif est tel que les mécanismes de la facilitation sont dominants L’environnement est fondamentalement instable, l’approche est nécessairement probabiliste

25 Culture intercalaire = sainfoin

26 p = 4/5 D = 60 ans Fonction de production con,jointe convexe Extrapolation à d’autres conditions pédoclimatiques possible

27 Prévoir la forme de la fonction de production conjointe
Comprendre les mécanismes de la facilitation Quantifier les probabilités d’environnement facilitatif Rechercher les conditions de la stabilisation de l’environnement en faveur de la facilitation Optimiser les associations Eviter les redondances fonctionnelles Rechercher des mélanges efficaces décalages phénologiques plasticité architecturale adaptabilité écophysiologique dynamique des populations de ravageurs/maladies

28 Association peupliers-céréales

29 Prédiction de la topologie et de la dynamique de l’enracinement de l’arbre en fonction de l’hétérogénéité du sol induite par la culture intercalaire Modèle Hi-sAFe, automate racinaire voxellaire (Thèse Mulia, 2005) FORESTIER AGROFORESTIER

30 14/03/1996 FORESTIER AGROFORESTIER

31 15/08/1996 FORESTIER AGROFORESTIER

32 FORESTIER AGROFORESTIER

33 FORESTIER AGROFORESTIER

34 FORESTIER AGROFORESTIER

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36 FORESTIER AGROFORESTIER

37 FORESTIER AGROFORESTIER

38 FORESTIER AGROFORESTIER

39 FORESTIER AGROFORESTIER

40 Répartition des racines fines modifiée
16/06/2000 Topologie modifiée Répartition des racines fines modifiée Accélération de la prospection vers la nappe alluviale FORESTIER AGROFORESTIER Sous réserve que le modèle soit valide… en cours…

41 Agroforestier Forestier 5 ans

42 Agroforestier Forestier 10 ans

43 Interpréter les résultats de productivité ?
Nécessité d’une modélisation mécaniste du fonctionnement des associations Identification de propriétés émergentes Contradictions avec la théorie écologique Ecologie : Facilitations en milieu contraint… Agronomie : Facilitations en milieu favorable …

44 Qu’avons nous finalement appris?

45 L’agroforesterie est un concept : ce n’est pas un mélange d’agriculture et de foresterie

46 Les pratiques traditionnelles sont éclairantes mais souvent inadaptées au contexte actuel
Des systèmes modernisés adaptés aux conditions actuelles sont possibles

47 L’Europe avait une forte tradition agroforestière
Et c’est en méditerranée qu’elle s’est (un peu) maintenue

48 L’agroforesterie est une alternative de développement rural en phase avec la demande sociale actuelle Biodiversité, protection des sols, protection des eaux, séquestration du C

49 Mais la conclusion essentielle de nos travaux est la suivante :

50 L’agroforesterie est rentable…
Mais les règles du jeu empêchent souvent les agriculteurs Européens de l’adopter

51 Coefficient de rendement équivalent mesuré : 1.29 à 1.40
Dupraz et al, The Land Equivalent Ratio of a temperate silvoarable agroforestry system. En préparation

52 Coefficient de rendement équivalent prédit : 1.60
Dupraz et al, The Land Equivalent Ratio of a temperate silvoarable agroforestry system. En préparation

53 Les arbres ruraux hors forêt : un siècle de déclin

54 Arisdorf 1999 Arisdorf 1941 (Tanner, 1993)

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56 Une tendance toujours d’actualité en zones méditerranéennes, et qui devient forte en zones tropicales Mindanao, Philippines, 2003 Askio, Grèce, 2004

57 Renouveler le regard sur l’agroforesterie
Valoriser à la fois les pratiques d’agriculteurs pionniers, et d’expériences en milieu contrôlé ou en exploitation

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76 Agroforesterie et environnement

77 Paysage

78 Gestion de peuplements arborés multispécifiques

79 Protection des arbres contre le risque d’incendie

80 Protection des sols

81 Protection microclimatique

82 Biodiversité

83 Biodiversité : l’essentiel est peu visible

84 Ressources cynégétiques

85 Contrôle biologique des ravageurs

86 Contrôle biologique des pucerons des céréales en agroforesterie
In a walnut-wheat agroforestry system, natural enemies of wheat aphids (ladybirds, hoverflies, parasitoid wasps) may be favoured by the habitats secured by the trees and the grassed row. This hypothesis is investigated at the Restinclières agroforestry farm in Southern France. Sarthou et al, en cours

87 Contrôle biologique des acariens de la vigne en agroforesterie
Le ravageur : Eotetranychus carpini Un auxiliaire Kampimodromus aberrans Kreiter et al, en cours

88 Amélioration de l’infiltration de l’eau
Augmentation de la porosité du sol, terrassement naturel, augmentation de la teneur en matière organique des sols

89 Réduction des pics de crue

90 Ralentissement des courants d’inondation dans les lits majeurs
Lit majeur cultivé Lors des évènements pluviométriques extrêmes Stockage temporaire d’eau Ralentissement des courants Alluvionnement de particules fines

91 Fixation du C Le protocole de Kyoto reconnaît les parcelles agroforestières pour la séquestration de C Un exemple de séquestration : 1 T/ha/yan pour une prairie 2.7 T/ha/an pour une prairie agroforestière (avec 100 arbres/ha) Les arbres injectent du C en profondeur dans le sol (turn over racinaire) La destruction des systèmes agroforestiers traditionnels provoque un départ de C vers l’atmosphère La transformation de forêts en systèmes agroforestiers limite la libération de C (zones tropicales)

92 Protection des aquifères contre la pollution diffuse par les engrais azotés

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94 Productivité des systèmes arbres-cultures

95 Mélanger ou ne pas mélanger, telle est la question

96 Tout est affaire de compromis
Plantez plus d’arbres, parole de forestier Plantez moins d’arbres, parole d’agriculteur Pour tirer parti des interactions… Il faut les deux

97 Les questions des utilisateurs
Quelle structure adopter? (par exemple, densité d’arbres, orientation des lignes d’arbres…) Combien d’années la culture sera t-elle possible et rentable? Que peut on espérer, pour la croissance des arbres? Au quotidien, fait il favoriser les arbres, les cultures, ou comment trouver un compromis? Quelle culture marier avec quel arbres? Faut-il modifier l’itinéraire technique de la culture associé (fertilisation…) Aucun modèle de simulation disponible pour les systèmes tempérés agroforestiers…

98 La famille des modèles SAFE
Hi-SAFE : modèle biophysique 3D détaillé des interactions arbres-cultures Yield-SAFE : modèle biophysique simple (1D) d’interaction arbre-culture Farm-SAFE : modèle micro-économique simulant l’introduction de l’agroforesterie dans une exploitation agricole

99 Hi-SAFE A modèle biophysique de la productivité de peuplements hétérogènes en 3D

100 Hi-sAFe : pourquoi ce modèle?
Modèle cognitif : explorer le comportement de systèmes complexes (identification de propriétés émergentes) Modèle prédictif : tester l’impact de règles de décision difficiles à étudier expérimentalement

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105 Hi-sAFe : prise en compte des compétitions pour la lumière, l’eau et l’azote

106 Hi-sAFe : les arbitrages
Choix de modélisation simples et robustes Interception de la lumière Acquisition du carbone par l’arbre Bilan hydrique tel que implémenté dans STICS (+ nappe alluviale) Choix de modélisation plus subtils et novateurs : Plasticité des systèmes racinaires (automate voxellaire) Equilibre fonctionnel et réaction de l’arbre aux perturbations (élagage, cernage racinaire) Innovation algorithmique sur des processus bien décrits : Génération de la topologie du système racinaire Extraction de l’eau et de l’azote en couplage général de tous les voxels racinés et intégration du potentiel de flux matriciel Symétrie torique

107 La compétition pour la lumière : algorithme de lancers de rayons
La version actuelle du modèle ne permet pas de prendre en compte l’ombrage entre culture. De plus, les rayons sont lancé pour arriver au niveau du sol au entre des cellules. Si la culture est relativement haute, il est possible que le sol soit à l’ombre de l’arbre alors que la culture est au soleil. J’ai écrit un algorithme qui permet de calculer la longueur du trajet d’un rayon à l’intérieur de chaque culture traversée. Il reste à trouver une loi d’atténuation cohérente avec les formalismes de Stics L3

108 Au delà de la scène simulée : les possibilités de la symétrie torique
La symétrie torique permet la simulation d’un couvert infini, ce qui évite les effets de bordure. On voudrait simuler un couvert fini sans effets de ordure. Symétrie torique optionnelle. x y Scène simulée

109 Au delà de la scène simulée : les possibilités de la symétrie torique
Scènes virtuelles entourant la scène calculée Symétrie complète Scène calculée Peuplement La symétrie torique permet la simulation d’un couvert infini, ce qui évite les effets de bordure. On voudrait simuler un couvert fini sans effets de ordure. Symétrie torique optionnelle. x y

110 x y Pas de symétrie Arbre isolé

111 x y Symétrie selon y Haie, alignement

112 Symétrie selon y et demi symétrie selon x
Bordure forestière

113 Utilisation de maquettes détaillées pour valider le modèle simplifié

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115 Effet de l’orientation des lignes d’arbres en zone tempérée (43° N)
Avec des lignes d’arbres NS, éclairage homogène de la culture intercalaire

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117 Effet de la forme des houppiers en zone tempérée
Ligne d’arbres Est-Ouest Ombre moins dense, mieux répartie Concentration de l’ombre au nord des arbres Faible effet de la forme du houppier….

118 Le module de compétition pour l’eau
Prise en compte de la nappe alluviale Ressource en eau illimitée, potentiel hydrostatique, remontées capillaires, mortalités racinaires par anoxie Modélisation de la compétition pour l’eau par intégration des potentiels de flux matriciels Intégrale sur la conductivité hydraulique insaturée De Willigen et al, 2000 De Willigen P, NE Nielsen, N Claassen and AM…Castrignano Modelling water and nutrient uptake. In: Smit, A.L., Bengough, A.G., Engels, C., Van Noordwijk, M., Pellerin, S. and Van der Geijn (Eds.) Root Methods, a Handbook. Springer Verlag, Berlin. pp

119 Le module de croissance des arbres
Guidé par trois allométries de référence établies sur des arbres en milieu ouvert Réservoir de carbone labile permettant de simuler les démarrages de végétation Simule la réaction de l’arbre aux perturbations aériennes et souterraines (équilibre fonctionnel) Eclaircies, élagages Cernages racinaires Grégoire Vincent, IRD

120 Règles de décision qui peuvent être testées
Options stratégiques (à la conception) Densité des arbres, disposition orientation des lignes d’arbres,distance arbre-culture, rotation (culture d’hiver/cultures d’été) Options tactiques (annuelles) Éclaircie ou élagage des arbres, cernages racinaires, réduction de la surface cultivée Ce qui n’est pas accessible au modèle : les évolutions spontanées de structure des couverts (mortalité, régénération)

121 Prédiction de la productivité relative des arbres et des cultures
Merisier 80 arbres/ha (LER pessimiste = 1.1)

122 Prédiction de la productivité relative des arbres et des cultures
Merisier 80 arbres/ha (LER optimiste = 1.3) Wild Cherry 80 trees/ha

123 Prédiction de la productivité relative des arbres et des cultures
Merisier 80 arbres/ha

124 Evolution de la transpiration des arbres

125 Biomasse culture pure T/ha

126 Biomasse culture intercalaire T/ha

127 Hi-sAFe prédit bien l’hétérogénéité de la culture intercalaire
Blé dur, Parcelle de Restinclières, noyers de 9 ans (2004) Blé dur, Parcelle de Vézénobres, peupliers de 8 ans (2004)

128 Fraction de biomasse aérienne d’un noyer agroforestier

129 Longueur totale des racines fines d’un noyer agroforestier

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138 Prédiction d’indicateurs environnementaux
Lame d’eau drainée cumulée : mécanismes, probabilités?

139 Simulation de scènes types avec Hi-sAFe
Structure linéaire Structure mosaïque 2 composants n composants

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141 En quelques mots… notre approche de l’agroforesterie a fortement évolué en 10 ans..

142 L’agroforesterie n’est pas un reboisement

143 Ceci n’est pas de l’agroforesterie !
La faible densité n’est pas un critère suffisant

144 L’AGROFORESTERIE N’EST PAS UN BOISEMENT DES TERRES AGRICOLES
Ceci n’est pas de l’agroforesterie

145 La densité optimale d’arbres adultes a été fortement revue à la baisse
La densité optimale d’arbres adultes a été fortement revue à la baisse.. (30 à 100 arbres/ha) Elle permet une culture intercalaire rentable même avec des arbres adultes.

146 Compromis…! Trop d’arbres tuent la culture
Trop peu d’arbres ne permettent pas de tirer tous les bénéfices du système La plupart de nos parcelles expérimentales sont à des densités d’arbres trop fortes (>100 arbres/ha)

147 S’adapter au parcellaire
100 m Quand les parcelles sont petites, (< 0.5 ha), laissons les arbres sur les limites

148 S’adapter au parcellaire
100 m Quand les parcelles sont grandes (>1 ha), les arbres peuvent trouver leur place au sein de la parcelle

149 Droit de propriété ? Contraintes de gestion? Impact sur les cultures?
Des arbres aux limites : éviter les conflits, préciser le propriétaire, préciser le gestionnaire Droit de propriété ? Contraintes de gestion? Impact sur les cultures?

150 Disposition source de conflits avec le voisin

151 Partager la propriété et l’impact sur les cultures

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153 En agroforesterie, tous les arbres doivent avoir de la valeur
(éclaircie très précoce et définitive, pas d’éclaircie tardive, aspect de parc arboré) CRE (Produits) > CRE (Biomasse)

154 Les arbres poussent plus vite en agroforesterie…
(à conditions pédoclimatiques égales) Mais se méfier des cultures pérennes telles que les graminées fourragères

155 6 recommandations techniques
1. Préférer des alignements nord-sud (cultures homogènes)

156 2. Espacer largement les arbres pour garantir une productivité à long terme des cultures (15 à 40 m). Laisser les arbres sur les limites pour les petites parcelles

157 3. Eviter les conditions pédoclimatiques qui s’opposent à la complémentarité des arbres et des cultures (Eviter les sols trop superficiels, penser au sous solage, gérer les systèmes racinaires)

158 4. Ne jamais brutaliser les arbres… tout doit être progressif.
(distance arbre-culture, type de culture intercalaire, travail du sol, cernage racinaire, élagage)

159 5. Soigner l’alignement des arbres à la plantation, et protéger les jeunes arbres, qui doivent être visibles depuis la cabine du tracteur

160 6. Investir dans la formation des arbres (peu de temps par ha, mais chaque année pendant les 10 à 15 premières années)

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164 Uniformité…

165 diversité…

166 Une pensée pour les pionniers…

167 Pour conclure… Merci