Looking for facilitation in agroforestry˸ can trees reduce terminal water and heat stress in winter cereals in the Mediterranean climate? An experimental and modeling approach | À la recherche de la facilitation en agroforesterie ˸ la présence des arbres réduit-elle les stress hydrique et thermique dans les dernières phases de croissance des céréales d'hiver en climat méditerranéen ? Une approche expérimentale et de modélisation

Inglés. Winter cereals in the northern part of the Mediterranean face ‘terminal' (i.e. during the last growth stages) heat and water stress. This can reduce yield, mainly through the decrease of the weight of grains. Alley cropping systems (ACS), a widely spaced lines of trees or shrubs with agricultural crops grown in the intervening alleys, create microclimatic conditions that could avoid these abiotic stress for crops. However, ACS can negatively impact the crop yield due to competition for resources with the trees. For this reason, it is necessary to generate information from both field and in silico experiments that allow selecting the better conditions to avoid crop yield reduction. The objective of this Ph.D. research was to assess the effect of ACS on winter cereals yield, considering the effects on yield components and on phenology. Another objective was to analyze the effects of tree branch and root pruning on the microclimate and soil moisture, and on crop yield. A two-fold approach was used: field experiments and modeling. Experiments were carried out in three consecutive years (2015, 2015-2016 and 2016-2017), in the Restinclières Agroforestry Platform (RAP; 43° 42'N, 3° 51'E) with winter cereals in different ACS. The modeling part was conducted using the Hi-sAFe model. Despite the favorable environmental conditions (less heat and more soil water), there was no positive effect of ACS on the weight of grains. The ACS steadily reduced the number of tillers per plant and the number of grains per spike with respect to monoculture conditions. The ACS slowed down the crop's phenology compared to monoculture conditions. The tree root pruning significantly increased soil water content with no constant effects on any yield components. In the in silico experiment, tree branch pruning increased cereal yield, probably due to a lower shade effect on the understory. The Hi-sAFe model, in its current state, can be a valuable asset in understanding the functioning of agroforestry systems. However, there is still room for improvement of the model in the calculation of the water balance, the phenology of the crop and the formation of grain yield.Finally, on the basis of our results, we discuss the interest certain more global variables, insufficiently studied to date in the design of these agroforestry systems in terms of spatial and temporal organization (cardinal orientation of the trees lines, size of the tree, phenology of the trees and crop, date of sowing) and genetic (selection of suitable varieties for shade conditions or whose periods of grain filling are longer and use for this purpose remobilized carbohydrates). These different elements can be critical at crucial phenological stages such as tillering, and fertilization and grain filling.

Francés. En zone méditerranéenne sub-humide les céréales d'hiver sont sujettes à des stress hydrique et thermique en fin de printemps et début d'été lors de dernières phases de croissance. Ceci réduit la récolte principalement à cause de la diminution du poids individuel des grains. Les systèmes agroforestiers en allées (anglais : ‘Alley cropping systems', ACS), constituées de rangs d'arbres largement espacés entre lesquels des plantes annuelles sont cultivées sont susceptibles de générer des microclimats évitant les stress estivaux sur la culture. Mais les ACS peuvent également réduire la récolte à cause de phénomènes de compétition entre arbres et cultures. Nous avons donc besoin de davantage de mieux connaitre le fonctionnement de ces systèmes tant sur le plan expérimental que via la modélisation. Il s'agit en effet de mieux définir les règles de conception et de gestion de ces systèmes afin de réduire les pertes de récolte. Un premier objectif de cette thèse a donc été d'analyser les effets des ACS sur le rendement de céréales d'hiver, considérant à la fois les composantes du rendement et la phénologie. Un second objectif a été d'analyser les effets de deux opérations culturales, taille des branches et taille des racines (cernage racinaire), sur le microclimat aérien et l'humidité du sol et au final sur le rendement des céréales. Des expérimentations ainsi qu'une démarche de modélisation ont été développées. Les expérimentations ont été réalisées au cours de trois cycles consécutifs (2015, 2015-2016, 2016-2017) sur la plateforme agroforestière de Restinclières (RAP ; 43° 42'N, 3° 51'E). Elles ont porté sur des ACS combinant différentes espèces d'arbres et de céréales d'hiver. Le volet modélisation a été développé avec le modèle Hi-sAFe.Sur les trois années d'expérimentation et en comparaison avec les modalités témoins de céréales cultivées en culture pure en plein soleil, la culture en ACS n'a pas augmenté et a même parfois diminué le poids individuels des grains, et ceci en dépit des microclimats a priori plus favorables à la culture (diminution des excès de température et augmentation de l'humidité du sol) en ACS. De plus, l'ACS a systématiquement réduit le nombre de talles par plant et le nombre de grains par épi. Un retard de phénologie a été également systématiquement noté sur les modalités en ACS par rapport aux modalités témoins. Par ailleurs, la taille des racines a augmenté significativement la teneur en eau dans le sol mais sans que cela affecte significativement les composantes du rendement. L'expérimentation in silico a montré que l'élagage des branches est susceptible d'augmenter le rendement probablement au travers d'une réduction de l'ombre portée sur la culture. Dans son état actuel de développement, le modèle Hi-sAFe constitue probablement un outil pertinent pour analyser le fonctionnement des systèmes agroforestiers complexes. Ce travail de thèse propose quelques pistes d'amélioration du modèle, notamment une meilleure prise en compte des transferts hydriques entre arbre et culture, de la phénologie de la culture et des différentes composantes du rendement. Enfin, sur la base de nos résultats nous discutons de l'intérêt de certaines variables ou leviers plus globaux insuffisamment étudié à ce jour dans la conception de ces systèmes agroforestiers tant au plan de l'organisation spatiale et temporelle (orientation cardinale des rangs d'arbres, hauteur des arbres, décalages phénologiques entre arbres et culture, date de semis) que génétique (choix de variétés plus adaptées à l'ombre ou ayant des périodes de remplissage des grains étalées dans le temps et/ou avec une forte capacité de mobilisation des réserves carbonées). Ces différents éléments peuvent s'avérer déterminants à des stades phénologiques cruciaux tels que le tallage, et la fertilisation et le remplissage des grains.