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

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

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

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

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

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

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

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…

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

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

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…

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)

Le contexte scientifique de nos travaux

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

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…

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

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

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

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…)

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?

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

Culture intercalaire = sainfoin

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

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

Association peupliers-céréales

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

14/03/1996 FORESTIER AGROFORESTIER

15/08/1996 FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

FORESTIER AGROFORESTIER

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…

Agroforestier Forestier 5 ans

Agroforestier Forestier 10 ans

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 …

Qu’avons nous finalement appris?

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

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

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

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

Mais la conclusion essentielle de nos travaux est la suivante :

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

Coefficient de rendement équivalent mesuré : 1.29 à 1.40 Dupraz et al, 2008. The Land Equivalent Ratio of a temperate silvoarable agroforestry system. En préparation

Coefficient de rendement équivalent prédit : 1.60 Dupraz et al, 2007. The Land Equivalent Ratio of a temperate silvoarable agroforestry system. En préparation

Les arbres ruraux hors forêt : un siècle de déclin

Arisdorf 1999 Arisdorf 1941 (Tanner, 1993)

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

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

Agroforesterie et environnement

Paysage

Gestion de peuplements arborés multispécifiques

Protection des arbres contre le risque d’incendie

Protection des sols

Protection microclimatique

Biodiversité

Biodiversité : l’essentiel est peu visible

Ressources cynégétiques

Contrôle biologique des ravageurs

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

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

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

Réduction des pics de crue

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

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)

Protection des aquifères contre la pollution diffuse par les engrais azotés

Productivité des systèmes arbres-cultures

Mélanger ou ne pas mélanger, telle est la question

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

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…

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

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

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

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

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

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

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

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

x y Pas de symétrie Arbre isolé

x y Symétrie selon y Haie, alignement

Symétrie selon y et demi symétrie selon x Bordure forestière

Utilisation de maquettes détaillées pour valider le modèle simplifié

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

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….

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. 2000. Modelling water and nutrient uptake. In: Smit, A.L., Bengough, A.G., Engels, C., Van Noordwijk, M., Pellerin, S. and Van der Geijn (Eds.) 2000. Root Methods, a Handbook. Springer Verlag, Berlin. pp 509-544.

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

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)

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

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

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

Evolution de la transpiration des arbres

Biomasse culture pure T/ha

Biomasse culture intercalaire T/ha

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)

Fraction de biomasse aérienne d’un noyer agroforestier

Longueur totale des racines fines d’un noyer agroforestier

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

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

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

L’agroforesterie n’est pas un reboisement

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

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

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.

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)

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

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

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?

Disposition source de conflits avec le voisin

Partager la propriété et l’impact sur les cultures

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)

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

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

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

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)

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

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

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

http://www.montpellier.inra.fr/safe/

Uniformité…

diversité…

Une pensée pour les pionniers…

Pour conclure… Merci