Impacts of agroforestry on microclimate for grape and wine production: assessment in Southern France | Impacts microclimatiques de l'agroforesterie en viticulture : étude de cas dans le sud de la France

anglais. Agroforestry practices may be a sound strategy towards agroecological and climate-resilient strategies for grape and wine production but have almost never been referenced. The thesis work participated in the project Vitiforest and focused on the positive interactions/competitions between grapevine and trees through the local impacts of trees on the energy, air and water fluxes. In this context, three objectives were targeted: (i) documenting the microclimatic impacts from trees in vineyards, (ii) assessing their consequences on grape production, and (iii) discussing the impacts according to the morphological characteristics of the vegetation.Three study sites where grapevine is intercropped with trees were selected in Southern France in order to sample diverse contexts of “terroir” and vegetation structure. Experimental data were collected in 2015 from vine veraison to harvest and in 2016 from a few weeks before budburst until harvest. The collected data set gathers meteorological records, microclimatic records distributed within the vineyards together with measurements of yield and grape quality for wine making, and a set of UAV images which covers the visible, near infrared and thermal infrared spectral domains. In order to characterize the morphology and the arrangement of the vegetation, an image analysis approach was tested. It notably consisted in mapping the land cover, the top canopy heights (internal metrics) and the landscape grain of the vegetation (landscape metrics).The temperatures measured in the bunch zone of grapevines were analyzed in the young and NE/SW oriented study vineyard. It showed that the trees from forested borders and the topography together contribute the most to the spatial variability of temperatures. In this context, no assumed effect from the shade of the trees was observed on the northern side of the alleys of trees which are planted within vine rows. Unexpectedly, specifically at the first vine rows located on the southern side of these tree rows, a significantly cool pattern was observed and was the most pronounced on days of summer with high evaporative demand. This cold pattern coincided with the highest yields measured. In addition, the overall spatial variability of temperatures explained 30 to 50 % of the variability of some of the qualitative variables, namely the pH, the concentrations of malic acid and polyphenols.In order to further investigate the magnitude of competition for light between trees and grapevine, three- dimension mock-ups of vineyards were built. They were used together with a meteorological time series running from budburst until harvest for simulating the 3D radiative budget using the model DART developed at CESBIO. Thanks to the advanced functionalities of this model for representing heterogeneous vegetated landscapes and for accurately simulating the state of the atmosphere, current and future shading patterns were addressed. The total quantity of energy absorbed by grapevine was cumulated in time over the whole season and was mapped in 2D. The results obtained showed that the potential impact from trees on the photosynthesis of grapevine is negligible for all the tested arrangements, while the architecture of grapevine itself greatly contributes to its light interception regime. This thesis provides first references and opens many further perspectives of research. Improvements in the modeling of cloud cover during radiative budget simulations are proposed and could lead to higher estimations of light interception. Also an analysis of the thermal infrared imagery for assessing patterns of grapevine water stress has been initiated. Finally, the collected data set and the tested methodology will allow widening the scope of references to other contexts of agroforestry vineyards.

français. Bien que prometteuse face au double défi agro-écologique et climatique, la pratique de l’agroforesterie en viticulture n’a fait l’objet que de très peu d’études. Adossée au projet Vitiforest, la thèse présentée dans ce manuscrit vise à documenter les avantages et limites de l’arbre à travers ses effets sur les flux d’énergie, d’air et d’eau. Dans ce cadre, trois objectifs ont été plus spécifiquement ciblés : (i) caractériser l’effet des arbres sur le microclimat d’un vignoble ; (ii) évaluer les répercussions en termes de rendement et de qualité des raisins ; (iii) comparer les résultats selon la nature et l’agencement des arbres.Trois vignobles associant vignes et arbres ont été sélectionnés dans le sud de la France de manière à couvrir différents terroirs et structures de végétation. Une campagne expérimentale a été menée de la véraison aux vendanges en 2015 puis du débourrement de la vigne jusqu’aux vendanges en 2016. Le jeu de données acquis regroupe des suivis météorologiques, des suivis microclimatiques, des mesures de rendement et de qualité des baies distribués spatialement au sein des vignobles, et un jeu d’images de très haute résolution (< 10 cm), couvrant les domaines du visible, proche infrarouge et infrarouge thermique acquis par drone. Afin de caractériser la morphologie et l’agencement de la végétation en lien avec ses effets climatiques potentiels, une méthode basée sur l’analyse d’image a été testée. Elle inclut notamment la cartographie de l’occupation du sol, des hauteurs de végétations (métrique interne) et du gradient d’ouverture du paysage (métrique paysagère).L’analyse des températures en zone des grappes a révélé que, dans le cas d’un vignoble jeune, orienté NE/SO et à larges espacements, les arbres de bordure se combinent à la topographie et contribuent le plus à la variabilité des températures. A ce stade du développement des rangs d’arbres qui sont intercalés entre les rangs de vigne, aucun effet n’a été observé sur les vignes localisées au Nord des arbres et pouvant être attribué à l’ombrage par les arbres. De manière inattendue, spécifiquement sur le premier rang au sud des arbres, un patron significativement plus frais a été observé, d’autant plus marqué les journées estivales à forte demande évapotranspiratoire. Ce patron coïncide spatialement avec les plus forts rendements mesurés au sein du vignoble. Aussi, la variabilité générale des températures explique autour de 30 à 50 % de la variabilité de certains critères qualitatifs notamment le pH, la concentration en acide malique et celle en polyphénols. Afin d’évaluer plus spécifiquement l’ombrage des arbres sur la vigne, la carte de végétation de l’un des trois vignobles étudiés a été utilisée pour construire différentes maquettes de vignobles en agroforesterie. Celles-ci ont été implémentées dans le modèle 3D de bilan radiatif DART développé au CESBIO, accompagnée d’une série météorologique annuelle. Grace aux fonctionnalités avancées de ce modèle, notamment pour représenter des paysages hétérogènes et l’état de l’atmosphère, l’ombrage présent et futur a été simulé et l’énergie résultante absorbée par la vigne a été cumulée sur l’ensemble d’une saison végétative. Les résultats de cette approche méthodologique inédite montrent que l’influence des arbres sur la photosynthèse de la vigne est très faible dans les configurations testées, tandis que l’architecture de la vigne elle-même a naturellement une influence forte sur son interception lumineuse et sur le microclimat au sein de sa canopée. Le travail mené apporte des premières références et ouvre de nombreuses perspectives. L’amélioration de la représentation des nuages lors des simulations d’ombrage et l’utilisation de l’imagerie infrarouge thermique pour documenter l’effet des arbres sur le stress hydrique de la vigne sont notamment en cours de test. Aussi le jeu de données collecté et l’approche méthodologique développée permettront d’élargir les références à d’autres contextes.