Characterization of agriculture models and evaluation of their resilience to disturbances | Caractérisation des formes d’agriculture et évaluation de leur résilience aux perturbations

English. In response to the issues of environmental impact and dependence on fossil resources of modern agriculture, new agriculture models have emerged: regenerative, integrated agriculture, agroforestry, for example. They aim to use ecosystem services provided to farmer (ESF) as a support for agricultural production to replace anthropogenic inputs. Their resilience to climate change and economic market fluctuations, i.e. their capacity to cope with these disturbances, is the subject of intense debate. Yet, knowledge of their resilience would be key to accelerating their adoption by the agricultural community and achieving sustainability goals. In response to this challenge, my PhD thesis aimed to produce knowledge on the resilience of different agriculture cropping models. To achieve this objective, first, I synthesized the literature on the quantitative assessment of resilience, and related concepts such as vulnerability and robustness (V, R, R). A first publication shows that intensification and diversification of production are not systematic factors of VRR and that it is necessary to consider functional, rather than taxonomic, diversity and to adapt agricultural practices, to the pedoclimate and to the availability of local resources, to ensure VRR in the short and long term. A second publication describes the diversity of methods and criteria for analyzing the dynamics used so far and points out the need to develop multi-criteria and multi-performance approaches that go beyond yield analysis alone. Then, I developed and applied a method for assessing the level of ESF to characterize agroecosystems and identify agriculture models. ESF levels were differentiated according to the potential capacity of ESF, the real capacity of ESF, the actual use of ESF for production, and the long-term dynamics of natural capital, which underlies ESF. The potential and real levels of ESF are assessed indirectly with indicators of the quality of the spatial and temporal configuration of the agroecosystem and the impact of cropping practices. The level of ESF used is estimated by the technology implemented to assess ESF real capacity. The dynamics of natural capital is estimated by the aggregation of indicators of erosion sensitivity, soil carbon and phosphorus dynamics and biodiversity. Applied to a case study in Grand Est region in France of 34 agroecosystems contrasted in terms of crop rotation and cropping practices, I identified with a clustering method five agriculture models. Finally, I developed a method to assess the resilience of these agroecosystems and associated agriculture models in the face of disturbances. I analyzed the dynamics of the yield, gross margin and workload considering their average level, variability, trend and/or resistance over the last eight years. I thus showed that models with a high level of ESF and biodiversity, and which increase their natural capital, present a better stability of yield and gross margin but a generally lower level of production. In contrast, intensive systems have higher levels and greater resistance of yields and gross margins but require a greater amount of labor. I have also observed that the systems that use ESF the most have good agronomic and economic performances, resistant to disturbances. Thus, I hypothesize that the combination of a high level of ESF and the optimization of their use would avoid the use of inputs while achieving high, resistant yields. However, to achieve this goal, it would be necessary to increase the levels of potential and used ESF, which are still insufficient in the agroecosystems studied.In summary, this work has produced knowledge on the nature of agriculture models and resilience factors and original methods to assess the levels of ESF and their resilience. Its results show the interest, with a view to resilience, of developing and mobilizing ESF and alert on the importance of restoring natural capital, often degraded by decades of intensive agriculture.

French. Pour répondre aux enjeux d’impacts environnementaux de l’agriculture moderne, de nouvelles formes d’agriculture ont émergé : agriculture régénérative, agroforesterie... Elles visent à utiliser les services écosystémiques comme support de la production agricole (SEP) en remplacement des intrants anthropiques. Leur résilience aux changements climatiques et aux fluctuations des marchés économiques, c.-à-d. leur capacité à faire face à ces perturbations, fait l’objet d’intenses débats. Aussi, ma thèse visait à produire des connaissances sur la résilience des formes d’agriculture de grandes cultures et des méthodes opérationnelles pour le conseil agricole. J’ai ainsi d’abord réalisé une synthèse de la littérature traitant de l’évaluation quantitative de la résilience, et des concepts proches de vulnérabilité et de robustesse (V,R,R). Une 1ère publication montre que l’intensification et la diversification de la production ne sont pas systématiquement des facteurs de VRR et qu’il est nécessaire de considérer la diversité fonctionnelle, plus que taxonomique, et d’adapter les pratiques agricoles au pédoclimat et à la disponibilité des ressources locales, pour assurer une VRR à court et long terme. Une 2ème publication décrit la diversité de méthodes et critères d’analyse de la dynamique utilisés et pointe la nécessité de développer des approches multicritère et multi-performances dépassant la seule analyse du rendement. J’ai ensuite développé et appliqué une méthode d’évaluation du niveau de SEP pour caractériser les agroécosystèmes et identifier des formes d’agriculture associées. L’évaluation distingue le niveau potentiel de SEP, réellement fourni, utilisé pour la production et la dynamique à long-terme du capital naturel, qui sous-tend les SEP. Les niveaux potentiel et réel de SEP sont évalués indirectement par des indicateurs de la qualité de la configuration spatiotemporelle de l’agroécosystème et de l’impact des pratiques culturales. Le niveau de SEP utilisé est estimé par la technologie mise en œuvre par l’agriculteur·rice pour évaluer la fourniture réelle de SEP. La dynamique du capital naturel est estimée par des indicateurs de sensibilité à l’érosion, de dynamique du carbone et du phosphore du sol et de la biodiversité. En appliquant cette méthode à un cas d’étude de 34 agroécosystèmes de la région Grand Est représentant une diversité de rotations de culture et de pratiques agricoles, j’ai identifié cinq grandes formes d’agriculture. Enfin, j’ai développé une méthode d’évaluation de la résilience de ces agroécosystèmes et des formes d’agriculture associées. J’ai analysé la dynamique du rendement, de la marge brute et du temps de travail considérant leur niveau moyen, variabilité, tendance et/ou résistance sur huit ans. Je montre que les formes d’agriculture disposant d’un haut niveau de SEP, basées sur la biodiversité et qui augmentent leur capital naturel, présentent une meilleure stabilité du rendement et de la marge brute. En revanche, les systèmes intensifs, mais aussi ceux utilisant le plus les SEP, présentent de plus hauts niveaux et une meilleure résistance des rendements et marges brutes mais nécessitent plus de temps de travail. Aussi, j’émets l’hypothèse que la combinaison d’un haut niveau de SEP et l’optimisation de leur usage permettrait d’éviter l’usage d’intrants tout en permettant d’atteindre de hauts rendements, résistants. Cependant, pour atteindre cet objectif, il faudrait augmenter les niveaux de SEP potentiels et utilisés, encore insuffisants dans les agroécosystèmes étudiés. En résumé, ce travail de thèse a produit des connaissances sur la nature des formes d’agriculture et des facteurs de résilience et des méthodes originales pour évaluer les niveaux de SEP et leur résilience. Ses résultats montrent l’intérêt, dans un objectif de résilience, de développer et mobiliser les SEP et alertent sur l’importance de restaurer le capital naturel, souvent dégradés par des décennies d’agriculture intensive.