Influence of spatial organization and herbivory pressure on fertility and productivity transfers agro-sylvo-pastoral systems | Influence de l'organisation spatiale et de la pression d'herbivorie sur les transferts de fertilité et la productivité des systèmes agro-sylvo-pastoraux - approche écologique de questions agronomiques par l'utilisation de modèles mathématiques

英语. The sustainability of agro-ecosystem functioning and the management of the associated ecosystem services is one of themajor challenges of agronomic and environmental sciences. West African agro-sylvo-pastoral systems (WA-ASPS), whichhave been studied by the scientific community for a long time, offer an interesting case study. Traditionally, the fertility ofthese agro-ecosystems relies on a very high rate of nutrient recycling within the agro-ecosystem maintained by both fallowingand livestock induced nutrient transfers.Socio-economic and demographic pressures lead to major changes in the spatial and temporal organization of WA-ASPSand in the associated agricultural practices, including those related to livestock. In this thesis, we are interested in theimpact of these changes on crop and meat production at the scale of the agro-ecosystem. We chose to study ASPS bydeveloping and analysing mathematical models using the ecological concept of meta-ecosystems. In each of the three modelsproposed, we tried to represent the ASPS as simply as possible, by including the key biogeochemical mechanisms (plantgrowth, mineralization, leaching, deposition...) and the agricultural practices of interest. The aim was both to understandhow mechanisms interact according to the practices and to identify emerging properties at the scale of the agro-ecosystem.Each model was developed to study the effect of a limited number of agricultural practices on the organization of spatialcomponents or on the connectivity between spatial components.In the first part of this work, we studied the influence of the structure of the WA-ASPS on the agricultural production ofthese systems. In the model, four interconnected subsystems are represented: the compound ring, the bush ring, the savannaand the dwellings. The year is decomposed in two seasons: the dry and the rain seasons, the dynamic of the system beingdifferent for each season. With this model, we studied the influence of three driving-forces on the crop production: (1) therotation duration and duration of fallows within rotations, (2) the proportion of the agro-ecosystem surface allocated to thedifferent cropland areas (compound/bush) and (3) the presence/absence of livestock in the agro-ecosystem. The results ofthis work highlight the ecosystem services provided by the savanna, the role of livestock as a “nutrient pump” from rangelandto cropland and the interactions between livestock effects and fallow effects on nutrient fluxes. In the second part, we usedtools provided by control theory to take into account the variability over time of agricultural practices. We showed thatby varying the herbivory pressure over time in an appropriate way, an additional gain in production is possible (comparedto the one obtained with a constant herbivory pressure) for the same amount of nutrients transferred from rangelands tocroplands. In the last part of this work, the multi-criteria optimization of the functioning of the agro-ecosystem makes itpossible to address the complexity of the objectives of WA-ASPS as a production system and to take into account risksmanagement in these systems. Our results highlight that trade-offs between crop and animal production may be linked tothe choice of crops. Our results also show that external sources of nutrients can lead to an increase of productions, but thattheir efficiency decreases as their quantity increases.At the interface between ecology and agronomy, and by using tools from other fields, this modelling work offers newperspectives for optimizing crop production and fertility management in ASPS.

法语. La durabilité du fonctionnement des agro-écosystèmes et la gestion des services écosystémiques associés représente undes enjeux majeurs des sciences agronomiques et environnementales. Les systèmes agro-sylvo-pastoraux d’Afrique de l’Ouest(SASP-AO), étudiés depuis longtemps par la communauté scientifique, offrent un cas d’étude pertinent. La fertilité de cesagro-écosystèmes repose traditionnellement sur un taux de recyclage des nutriments très élevé au sein de l’agro-écosystèmevia la pratique de la jachère et des transferts de nutriments par les mouvements du bétail. Les SASP-AO sont soumis à despressions socioéconomiques et démographiques importantes qui entrainent une modification de leur organisation spatiotem-porelle et des pratiques agricoles, notamment celles relatives à l’élevage. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressésà l’impact de ces modifications sur la production végétale et animale à l’échelle de l’agro-écosystème. Nous avons choisid’étudier les SASP en développant et analysant des modèles mathématiques de type méta-écosystème. Dans chacun destrois modèles proposés, nous avons cherché à représenter un SASP le plus simplement possible, en incluant les mécanismesbiogéochimiques les plus importants (croissance des plantes, minéralisation, lessivage, dépositions. . . ) et les pratiques agri-coles d’intérêt. L’objectif était à la fois de comprendre comment ces mécanismes interagissent en fonction des pratiques etd’identifier des propriétés émergentes à l’échelle de l’agro-écosystème. Chacun des modèles a été développé pour étudierl’effet d’un nombre limité de pratiques agricoles portant sur l’organisation des composantes spatiales ou sur la connectivitéentre les composantes spatiales.Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l’influence de la structure des SASP-AO sur la productionagricole de ces systèmes. Dans le modèle, quatre sous-systèmes interconnectés sont représentés : l’auréole de case, l’auréolede brousse, la savane et le village. Le modèle est de plus saisonnalisé, la dynamique de la saison sèche étant différente decelle de la saison humide. Avec ce modèle, nous avons étudié l’influence de trois leviers : (1) la durée de rotation et ladurée des jachères dans les rotations, (2) la proportion de surface allouée aux différentes zones cultivées (case/brousse) del’agro-écosystème et (3) la présence/absence du bétail dans l’agro-écosystème. Les résultats issus de ces travaux ont mis enévidence les services écosystémiques fournis par la savane, le rôle de du bétail comme « pompe à nutriments » des zonesde pâturage vers les zones cultivées et les interactions entre les effets du bétail et les effets de la jachère sur les flux denutriments. Dans la seconde partie, nous avons utilisé des outils fournis par la théorie du contrôle afin de tenir compte de lavariabilité dans le temps des pratiques agricoles. Nous avons ainsi montré qu’en faisant varier la pression d’herbivorie dansle temps de manière adéquate, un gain supplémentaire de production est possible (par rapport à une pression d’herbivorieconstante) pour une même quantité de nutriments transférée des pâturages vers les cultures. Dans la dernière partie de cetravail, l’optimisation multicritère du fonctionnement de l’agro-écosystème permet d’aborder la complexité des objectifs desSASP-AO comme système de production et de prendre en compte la gestion des risques dans ces systèmes. Nos résultatsmettent en avant que les compromis entre production végétale et animale peuvent être intiment liés au choix des plantescultivées. Nos résultats montrent également que les sources extérieures de nutriments peuvent permettre d’augmenter lesproductions, mais que leur efficience diminue quand leur quantité augmenteÀ l’interface entre écologie et agronomie, et grâce à l’utilisation conjointe d’outils issus d’autres disciplines, ces travauxde modélisation offrent de nouvelles perspectives pour l’optimisation de la production végétale et la gestion de la fertilitédans les SASP.