Co-design of a decision support system for integrated weed management. Meta-modelling and sensitivity analysis of a complex mechanistic model (FLORSYS) of cropping system effects on ecosystem services and disservices of weeds | Co-développement d'un modèle d'aide à la décision pour la gestion intégrée de la flore adventice. Méta-modélisation et analyse de sensibilité d'un modèle mécaniste complexe (FLORSYS) des effets des systèmes de culture sur les services et disservices écosystémiques de la flore adventice

Inglés. The main threat to agricultural crops are weeds with herbicides being the primary cropping management practice. Due to the negative impact of herbicides on health and environment, their use must be reduced. To replace herbicides, numerous cropping practices need to be implemented. This makes weed management more complicated and, together with necessity of scheduling operations at long-term and the multiplicity of cropping system impacts, explains why models are so useful for designing innovative cropping systems. The aim of this thesis was to develop a Decision Support System (DSS) intended for crop advisors to help design cropping systems that are less dependent on herbicides. Our approach consisted in identifying the structure of the DSS in interaction with future users while using an existing research model for the biophysical content of the tool. The research model, FLORSYS, is a mechanistic model of a “virtual field” simulating the weed flora dynamics from both cropping systems and pedoclimatic conditions. As output, it provides weed impact indicators, both for crop production and ecosystem services. This work was achieved via three steps: (1) increasing the speed of FLORSYS simulations by metamodelling, via polynomial chaos extension, the slowest submodel, i.e. the radiation interception. This submodel is based on a 3D representation of each plant of the crop:weed canopy where the transfer and interception of the radiation is computed at a voxel (3D pixel) scale. (2) The identification of the most influential cropping practices on weed impacts indicators via datamining on a wide range of simulated cropping systems with FLORSYS. To widen the range of cropping systems, random cropping systems were added to the study. Random forest allowed the construction of charts of the most important cropping practices contingent on different objectives; classification and regression trees gave the optimal combinations of practices leading to those objectives. (3) Simultaneously, the co-development of the structure of the DSS with future users was done via surveys and workshops to design cropping systems. These interactions aimed at defining which questions should be answered with the DSS, which inputs and outputs, and with which format, should be used. In step (1), the simulation time of the voxelised FLORSYS and the FLORSYS metamodelled at the scale of the plant highlighted the precision/speed trade-off of the model. The metamodel is faster for agricultural practices requiring precise knowledge of the position and volume of plants. In other cases, decreasing the precision by using the voxelized FLORSYS with an increased voxel size is much faster. Step (2) shows no general conflict between crop protection and ecosystem service indicators. The conservation of both crop protection and ecosystem services is thus possible, except for bee food offer. To reduce weed impacts on production, tillage, especially in summer, and herbicide use are the main cropping techniques. In step (3) two use cases were identified: (1st) the redesign of a cropping system requires a synthetic tool, based on meta-decision rules (e.g. rotating winter and spring crops, ploughing once every three years); (2nd) adjusting cropping practices requires a detailed tool, with detailed inputs on the cropping system. The synthetic DSS is composed of charts of the most important cropping system practices, of decision trees, and an emulator of FLORSYS based on random forests. Its capacity to predict known facts makes it an essential discussion medium for cropping system design workshops, particularly to suggest the outlines of multi-performant cropping systems. The detailed DSS consists of a pre-parameterized version of FLORSYS for different regions, to allow the fine tuning of cropping systems to constraints and objectives of farmers.

Francés. Les adventices sont la principale menace pour les cultures, pour les gérer le moyen le plus utilisé est l’application d’herbicides. Leur emploi doit être réduit en raison de problèmes de santé et d'environnement. Pour les remplacer, il faut mettre en place des combinaisons de pratiques culturales. Cette complexification de la gestion des adventices, la nécessité de la raisonner sur le long terme et la multiplicité des impacts du système de culture font que les outils de modélisation sont d'une grande aide pour concevoir des systèmes de culture innovants. L'objectif de la thèse est de développer un outil d'aide à la décision (OAD) pour des conseillers agricoles afin d'assister la reconception de systèmes de culture moins consommateurs en herbicides. Notre approche consiste à déterminer la structure de ce nouvel OAD en interaction avec les futurs utilisateurs et son contenu biophysique à partir du fonctionnement de l'agroécosystème d'un modèle de recherche. Ce modèle est FLORSYS, un modèle mécaniste de « parcelle virtuelle » qui simule la dynamique de la flore adventice et du couvert cultivé en fonction des systèmes de culture et du pédoclimat et qui en déduit des indicateurs d'impact de la flore adventice sur la production agricole et les services écosystémiques. La thèse comprend trois étapes : (1) accélération de FLORSYS en méta-modélisant, par polynômes du chaos, son module le plus lent, le module d'interception du rayonnement lumineux individu-centrée du couvert culture:adventices avec transfert et interception de la lumière simulée au niveau du voxel (pixel 3D); (2) identification des pratiques culturales ayant le plus d'effet sur les indicateurs d'impact de la flore adventice, par fouille de données sur un très grand nombre de systèmes de culture réels simulés avec FLORSYS. Pour élargir la gamme des combinaisons d'entrées explorées, des systèmes de culture aléatoires ont été ajoutés à l'analyse. Des forêts aléatoires ont permis d'établir des grilles des techniques culturales les plus influentes en fonction des objectifs visés ; les arbres de régression identifient les combinaisons de pratiques culturales permettant d'atteindre ces mêmes objectifs; (3) en parallèle, le co-développement de la structure de l'OAD avec les futurs utilisateurs s’est fait via enquêtes et ateliers de co-conception de systèmes de culture, en termes de questions traitées, choix et formats des entrées et sorties etc. Dans l'étape (1), la comparaison entre la version voxelisée et la version méta-modélisée au niveau de la plante entière a mis en lumière le compromis précision/rapidité du modèle. Le métamodèle est plus rapide pour tester des stratégies d'agriculture de précision nécessitant de connaître précisément la position et le volume des plantes. Dans les autres cas, diminuer la précision en utilisant la version voxelisée avec un grand voxel est plus rapide. L'étape (2) montre que pour réduire l'impact des adventices sur la production, le travail du sol, principalement en été, et l’utilisation d’herbicides sont les pratiques les plus influentes. L'étape (3) a identifié deux cas d'utilisation pour le futur OAD : la reconception de systèmes de culture nécessite un OAD synthétique basé sur des méta-règles de décision; le réajustement de système de culture nécessite un OAD plus détaillé en termes de description du système de culture et des effets de la flore. L'OAD synthétique est composé de grilles de conseil, d'arbres de décision et d’un simulateur rapide basé sur des forêts aléatoires; sa facilité et sa capacité à prédire à la fois des éléments connus mais aussi surprenants pour les conseillers, en font un intéressant support lors d'ateliers de conception de systèmes de culture pour proposer les grandes lignes de reconception des systèmes de culture multiperformants. L’OAD détaillé sera une version de FLORSYS pré-paramétrée pour différentes régions pour ajuster finement des systèmes de culture candidats à chaque type de situation d'agriculteur.