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Five experiments agronomically managed differently investigated yield/density relationships in wheat/faba bean (bean) intercrop system. Mostly wheat seed yields (SY) responses were asymptotic to increase in wheat seed rate (wsr). For the wheat sole crop (WSC), SY ranged from 102 g/m2-734 g/m2. Intercropping reduced wheat SY but this did not always depend on wsr. The maximum bean sole crop SY was 392g/m2: bean SY declined as wsr increased. In most cases biomass yield (BY) responses followed similar pattern as the SY. The total intercrops (TI) SY were greater than the sole crops (SC) mostly where wheat intercrop BY were not substantially reduced. Also, mostly the TI accumulated more photosynthetically active radiation (PAR) whilst WSC was better at radiation use efficiency (RUE) as wsr increased. Intercrop performance (IP) were assessed from results and fitted values (FV) after yield/density equations (YDE) were applied (for the SY) using land equivalent ratio (LER), crop performance ratio (CPR) and another index. For the SY, a maximum LER of 2.20, and a maximum CPR of 1.61 were obtained. In two experiments LER > 1.0 but CPR < 1.0 were obtained, indicating that the TI were less efficient than Se. Estimates of IP using FV, did not consistently agreed with estimates of IP using results. In one experiment, sulphur application increased bean but reduced wheat SY. The effects of sulphur on SY were mainly determined by the BY and the PAR. In another experiment, delaying bean sowing reduced bean and increased wheat SY. Effects of different bean sowing dates on SY were determined by variables similar to the effect of sulphur above. Moreover, across the experiments, wsr and intercropping reduced weed biomass substantially, and weeds biomass inclusions had effects on the estimate of RUE. In conclusion, wheat/bean intercrop system is beneficial, and YDE can quantify the intercrop yields well.

Thesis (M.Sc. (Agronomy )) --University of Limpopo, 2007 / Intercropping is the growing of two or more crops simultaneously on the same field, and it is a common traditional practice among resource-poor farmers throughout the Limpopo Province of South Africa. Field studies were conducted at two locations in the province namely, the University of Limpopo experimental farm at Syferkuil, and a farmer’s field at Dalmada during the 2002/2003 growing season, to determine patterns of nodulation in cowpea and lablab varieties under sole culture and in an intercropping system with maize, variety SNK2147 and also to assess biomass accumulation and grain yielding abilities of the component crops in the system. The experiments were established as a randomized complete block design with three replications at each location. Treatments examined were sole maize, two cowpea cultivars: Bechuana white and Glenda; two lablab cultivars, Rongai and Common. The legumes were intercropped alternately within 90 cm inter-row spacing of maize, thus creating a distance of 45 cm between the maize and the legume rows. Cropping system had no effect on cowpea grain yield at Syferkuil, but at Dalmada cowpea yield was reduced. Maize grain yield was significantly affected by the cropping system at both Syferkuil and Dalmada. At both locations, the yields of all the intercropped maize were lower than those of the sole crop maize. The dry matter production of different cropping systems was generally similar during the different sampling dates. / the National Research Foundation,and the Gauteng Department of Agriculture Conservation and Environment

Continued increase in population and escalating environmental degradation have changed the priorities of agricultural development projects in developing and emerging countries towards both increasing production or productivity and improving sustainability. The long-term success of these development projects, especially in terms of improving sustainability, depends on how widely those improved practices which are shown to be effective in achieving the technical objectives, are adopted/adapted by farmers in the targeted region. In these terms, many projects in recent years may be considered to be relatively unsuccessful. This study aimed to investigate the factors contributing to the effectiveness of agricultural technology research and development projects in improving the sustainability of cropping systems in upland areas of China, together with the factors that might limit their effectiveness. This has involved both a review of recent projects carried out in the region and detailed monitoring and evaluation of one such project carried out in South West China – the SHASEA project. The SHASEA Project was implemented in Wang Jia catchment in Yunnan Province using holistic and multi-disciplinary approaches to address the twin objectives of increasing productivity of maize, wheat and soybean in a more sustainable and environmentally-friendly way. It introduced into the catchment a range of novel or modified cropping practices, which had been evaluated in plot studies over the preceding six years, together with biological and engineering measures designed to stabilise large scale soil movements in lateral gullies and the main stream. The SHASEA Project was successful in achieving its short-term scientific and technical objectives, but was too short to determine the level of adoption by farmers in the locality. The present study has used a range of approaches to evaluate the effectiveness of this Project, to monitor the biological, environmental and socio-economic impacts and investigate the perceptions of the farmers about the Project and the likelihood of their adoption of the recommended practices. Participatory approaches were used wherever possible, including detailed household surveys, PRA workshops and discussions with Key Informants. Field surveys and direct observations were also made, together with a limited economic analysis of the modified cropping practices introduced into the catchment. It was found that the farmers had different perceptions about the range of practices introduced into the catchment. Some were clearly preferred, such as contour cultivation and were likely to be adopted, while others were seen as inappropriate, such as straw mulching and intercropping, and were unlikely to be adopted. The benefits of an innovative, integrated cropping system, INCOPLAST, were not fully appreciated by the farmers. Other practices would only be adopted if the financial returns were favourable, such as the use of polythene mulch. Longer-term measures, such as tree planting schemes, were regarded favourably, but adoption would still depend on economic returns and related issues such as land security. An irrigation scheme was suggested by the farmers, but after installation it was not used extensively for the staple crops in the catchment. It was found that farmers planned to use the irrigation for higher value crops such as tobacco, after the end of the Project. It has been concluded that, despite the technical and scientific success of the Project, long-term adoption of many of the practices introduced into the catchment will be low, unless considerable incentives are used or much more effective dissemination techniques employed. It is considered that the outcomes would have improved considerably if participatory approaches had been used from the outset, to engage farmers more fully with the project, to ensure that the practices introduced were as appropriate as possible, to achieve greater ownership of the objectives and outcomes, leading to higher adoption rates. More emphasis should have been given to the dissemination of the outcomes at farmer level outside the catchment of study and there should have been more involvement with the regional policy makers and extension officials throughout the programme. Longer-term improvements in sustainability at the catchment level have not yet been demonstrated. These outcomes are discussed within the context of other agricultural projects carried out in South East Asia and other developing regions. Based on the outcomes and conclusions from this study, a series of recommendations are made which are presented as good practices for future agricultural development projects in South East Asia.

L'intensification et l'homogénéisation des paysages agricoles a rendu les agrosystèmes plus sensibles aux bioagresseurs. Pour limiter les impacts de ces bioagresseurs sans recourir de manière intensive aux pesticides, une solution efficace est l'utilisation de variétés résistantes. La durabilité de ces résistances peut être faible, en lien avec l'adaptation des populations pathogènes. Il est donc nécessaire de concevoir des systèmes de culture permettant le contrôle des bioagresseurs et la préservation des ressources variétales. Ces stratégies de gestion peuvent reposer sur la combinaison de pratiques agricoles et d'organisation spatiale de ces pratiques, pour des pathosystèmes dont les agents sont dispersés par le vent. D'une part, la conception de ces stratégies peut bénéficier d'une approche participative, prenant en compte les conditions de culture et l'organisation des acteurs locaux. D'autre part, l'évaluation de ces stratégies, dont l'expérimentation est délicate du fait des échelles spatiale et temporelle requises, peut bénéficier d'une approche modélisatrice. Dans ce cadre, ce travail de thèse a mis au point et testé, sur deux régions d'étude, une méthode participative de construction de scénarios d'organisation spatiale des systèmes de culture, évalués vis-à-vis du contrôle du phoma du colza et de la gestion des résistances. Les scénarios co-construits explorent les futurs agricoles possibles en identifiant les tendances possibles d'évolution du contexte (économique, politique, règlementaire, épidémique), de manière prédictive ou plus exploratoire. Ils ont ensuite été évalués numériquement à l'aide d'un modèle préexistant, vis-à-vis de trois critères pertinents pour les acteurs : les pertes de rendement, la taille de la population pathogène et sa structure. Ces scénarios ont ensuite été évalués à l'aide de régressions linéaires, de manière à identifier les pratiques agricoles les plus influentes sur les trois critères d'évaluation considérés. Cette analyse a été réalisée à deux échelles spatiales complémentaires : l'échelle d'une petite région agricole et l'échelle locale, considérant plusieurs centaines de mètres autour des parcelles de colza pouvant être infectées. Ces analyses ont permis de mettre en évidence la prépondérance des rotations, des variétés et de la gestion des résidus de colza dans l'évolution de la maladie et sur la durabilité des résistances. Elles ont également montré la nécessité de prendre en compte plusieurs échelles pour la gestion de la maladie : si la taille de la population pathogène et les pertes de rendement peuvent être déterminées à partir de la composition en termes de systèmes de culture à l'échelle du paysage, une échelle plus locale est nécessaire pour évaluer l'évolution de la structure génétique de la population. Cet indicateur est en effet très lié aux variétés et aux pratiques présentes dans les 500 mètres autour des parcelles porteuses de la résistance considérée. Finalement, l'exploration de règles spatiales (isolement) et temporelles (maximisation des surfaces un an sur deux) des parcelles de colza ou des types variétaux a mis en exergue le fort potentiel de stratégies basées sur ces règles pour la gestion des résistances. La mise en place de ces stratégies nécessiterait une coordination entre les différents acteurs, à l'échelle du territoire agricole, qui pourrait s'avérer nécessaire en cas d'épidémie importante de phoma. La méthode mise en place pourrait être utilisée pour explorer la gestion d'autres thématiques à composante spatiale, comme par exemple l'érosion ou la gestion d'autres bioagresseurs. Ceci pourrait permettre une évaluation multicritère, prenant par exemple en compte les bioagresseurs de différentes cultures composant une même rotation, identifiant ainsi les pratiques les plus à mêmes de gérer simultanément les différentes thématiques locales. / The intensification and the homogenization of agricultural systems led to agrosystèmes that are more sensible to pests and diseases. To limit the impacts of these pests and diseases without increasing pesticides use, an efficient solution is the use of resistant cultivars. Sustainability of these resistances can be low, in link with the adaptation of pathogen populations. It is thus necessary to design cropping systems allowing both the control of pests and diseases and preservation of cultivar resistances. Such management strategies can combine cropping practices and their spatial organization, for pathosystems whose agents are wind-dispersed. The design of these strategies can benefit from participatory approaches, taking into account the local cropping systems and stakeholders' organizations. The evaluation of these strategies, hardly testable in reality due to the spatial and temporal scales involved, can benefit from a modeling approach. Within this scope, this PhD thesis designed and tested, in two study regions, a participatory method of scenarios design, aiming at building with local stakeholders scenarios of spatial organization of cropping systems and to assess them with regards to their performances on phoma stem canker of winter oilseed rape and resistance durability management. Participatory designed scenarios explore agricultural futures that may happen by identifying the possible evolutions of the context (economic, political, regulatory or epidemic), in a predictive or more exploratory way. Scenarios are then evaluated numerically with a pre-existing model, for three criteria relevant for the stakeholders: yield losses, structure and size of the pathogen population. This analysis has been performed at two complementary spatial scales: the regional and the local scale, considering hundreds of meters around fields cropped with sensitive cultivars. These analyses showed the importance of crop rotations, cultivars and tillage for the evolution of the disease and resistance sustainability. These analyses also showed the necessity of taking into account different scales for disease management. Indeed, size of the pathogen population and yield losses are well related to the landscape composition in terms of cropping practices, but a more local scale is necessary for the assessment of the genetic structure of the pathogen population. This indicator is thus significantly linked with the cultivars and cropping practices in the 500 meters around fields cropped with the considered resistance. Finally, we explored spatial (isolation) and temporal rules for rapeseed spatial and temporal allocations that could be used to manage resistance. For these strategies to be applied, coordination between stakeholders at the agricultural territory would be necessary, which could be necessary in case of strong phoma stem canker epidemics. The method we applied could be used to explore other thematic with a spatial component, as for instance pests or erosion. This could allow a multi-criteria analysis, for instance taking into account pathogens of different crops included in a rotation, thus identifying the cropping practices that could promote management of these local problems.

Sur la région de la Crau, le système l’irrigation gravitaire appliqué aux prairies de foin joue un rôle important dans le maintien du cycle hydrologique en étant le principal contributeur à la recharge de la nappe souterraine de la Crau (70 à 80% de la recharge). Dans le futur, des pressions sur la ressource en eau alimentée ce système d’irrigation risquent de s’accroître du fait des changements climatiques et de l’augmentation des autres usages de l’eau (domestiques,industriels, ..) et induisent la nécessité de l’optimisation de ce système afin de maintenir l’état des ressources en eau souterraines. Cette optimisation nécessite la connaissance des vrais quantités d’eau apportées à la parcelle qui sont mal connues, et de spatialiser ces quantités à l’échelle du territoire. Ainsi, l’objectif de ce travail est de développer une méthodologie permettant d’améliorer la quantification de ces volumes à deux échelle (parcellaire et régionale). Un système numérique incluant un modèle d’irrigation gravitaire dénommé ‘Calhy’ a été développé au cours de ce travail. Ce système permet de caractériser le fonctionnement des principaux processus intervenant dans ce système d’irrigation (infiltration de l’eau dans le sol et la propagation à la surface de la parcelle). Mais l’estimation de ces processus est limité par la connaissance de certains paramètres non mesurables, tels que la conductivité hydraulique à saturation du sol et la rugosité hydraulique de la surface parcellaire. Une analyse de sensibilité AS a été menée dans un premier temps au cours de ce travail afin de définir la contribution de la variation de chaque paramètre non mesurable sur la variance des variables de sortie. Les résultats montrent la possibilité d’estimation ces paramètres à partir des accessibles variables auxquels ils sont sensibles. Ainsi, une méthode d’inversion s’est basé sur les résultats d’AS, combine le modèle Calhy et un dispositif expérimental a été appliqué dans un second temps pour l’estimation paramètres et valider l’approche proposée. Les résultats montrent que cette approche est robuste et efficace pour estimer ces paramètres. A la fois les paramètres ont été issus pour démarrer le système (estimés ou mesurés), nous avons étudié différentes modifications du système d’irrigation actuel (changement de la pente de la parcelle, du sens d’irrigation, l’apport de l’eau en différents points de la parcelle, ….), et leurs impacts sur l’homogénéité de l’infiltration et la durée de l’irrigation.296En parallèle, Nous avons établi un modèle empirique de dose d’irrigation basé sur l’analyse des pratiques d’irrigation investigués auprès des enquêtes procédés chez les agriculteurs. Différents modèles empiriques ont été développés en basant sur des régressions calculant la dose d’irrigation et la durée en fonction du débit disponible et des paramètres parcellaires caractérisant les conditions d’irrigation tels que la géométrie de la parcelle (longueur, largeur et surface). Le modèle de dose empirique investigué au cours de ce travail permet de fournir une estimation de la dose distribué sur tout le territoire de la Crau en intégrant ce modèle dans le simulateur de laCrau. / Worldwide, the irrigation accounts for 70% of all water consumption: understanding therelationship between irrigation and ecosystems and optimizing the irrigation practices cancontribute to the sustainability management of water resources. In the Crau region (southern ofFrance), the flooding irrigation system used for irrigating the hay fields plays an important role inwater cycle: in this system, considerable amounts of water are brought to the hay fields (about 20000 m3/ha/year i.e. 2 000 mm), which participate strongly to the recharge of the Crau aquifer(between 66% and 80% of the recharge). In the future, the pressures on the availability of waterresources that feed this irrigation system (the reservoir of Serre Ponçon) may increase because ofthe climate change and the increase in the another water uses. Thus, it becomes necessary tooptimize the irrigation practices in order to conserve the water and ensure a sufficient rechargefor aquifer of the Crau. This optimization requires i) the knowledge of the amount of waterbrought to the plot that are not currently known, ii) spatialize these amounts over the regionalscale. This work aims to develop a methodology to improve the quantification of these volumesat the field and regional scales. A numerical system that includes a flooding irrigation modelcalled 'Calhy' was developed, takes into account the main processes involved in this irrigationsystem (water infiltration into the soil and the runoff of water slide over the plot surface). Firstly,a sensitivity analysis was conducted in order to classify the Calhy’s parameters according to theirimportance and define an optimal experimental apparatus allowing to estimate them using aninverse approach. Secondly, an inversion procedure based on the proposed experimental297apparatus and the previous model was implemented on several plots in the study area. The resultsshow that the important parameters can be estimated and then Calhy can be used to analyse andoptimize irrigation practices. Then, different optimization scenarios were identified. In parallel,we developed an empirical model of irrigation dose based on the analysis of irrigation practicesin a group of exploitations in the study region. Different empirical models were developed;regressions were used to compute the irrigation dose and duration from geometricalcharacteristics of the borders (length, width and surface) and available water inflow rate. Theempirical model of irrigation dose developed in this work would provide a spatial estimation ofirrigation doses overall plots in the study region, and would contribute to a better quantificationof water recharge of the Crau aquifer and its locations.

La productivité et la qualité des céréales biologiques sont soumises à deux principaux facteurs limitants dans les systèmes sans élevage : des déficits chroniques en azote (N) du sol et des infestations par les adventices. Des légumineuses telles que les trèfles ou les luzernes peuvent servir à la fois de plantes de couverture et d'engrais verts grâce à leur fixation symbiotique d'N atmosphérique. Cependant, leur substitution aux céréales présente un moindre intérêt économique dans les systèmes de grandes cultures en l'absence d'animaux pour les valoriser. L'association relais de couverts de légumineuses dans un blé d'hiver nous a semblé être une option intéressante pour à la fois enrichir le système sol-plante en N, couvrir le sol dès la récolte du blé associé et limiter le risque de compétition avec le blé en décalant au printemps la date de semis des légumineuses sous couvert de blé. Pour évaluer l'efficacité de ces associations, quatre espèces de légumineuses (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. et T. repens L.) ont été semées au tallage du blé d'hiver sur huit parcelles réparties dans la région Rhône-Alpes. Leurs effets sur la maîtrise des adventices, l'enrichissement, la préservation et la restitution d'N au système sol-plante et les performances des cultures ont été observés, durant une succession blé d'hiver-culture de printemps. Les résidus des couverts ont été enfouis à la fin de l'hiver, 9 à 12 semaines avant le semis d'une culture de printemps. Nos travaux ont montré l'absence d'effet des couverts associés sur le rendement en grains du blé d'hiver. Mais des diminutions du taux protéique des grains sont apparues dans un tiers des situations d'association notamment avec M. lupulina et T. pratense, les espèces les plus développées à la récolte du blé. Notre suivi de la disponibilité des ressources trophiques principales (eau, N, lumière) nous a permis d'identifier une compétition pour l'eau et l'N du sol. Nous avons également noté l'efficacité des couverts de légumineuses dans le contrôle de la densité des adventices dès le stade de floraison du blé et de leur biomasse durant l'interculture. Le meilleur contrôle des adventices a été permis par M. lupulina et T. pratense, à la récolte du blé, et T. pratense et T. repens, à la fin de l'automne, associé aux biomasses aériennes observées les plus importantes. Enfin, nous avons observé une forte proportion d'N issu de la fixation symbiotique dans la biomasse aérienne des légumineuses à la fin de l'automne (80 à 94%), représentant un apport d'N exogène au système sol-plante évalué entre 37 et 77 kg N ha-1. Cet enrichissement en N n'a pas entrainé d'aggravation de la lixiviation d'N durant l'hiver. Les couverts de légumineuses n'ont pas non plus diminué la lixiviation comparativement à l'absence de couvert. Après leur destruction, les résidus des couverts ont restitué une partie de l'N accumulé (+28 à +42 kg ha-1 d'N minéral sur les 90 premiers centimètres de sol par rapport au témoin à l'émergence de la culture de printemps, 12 semaines après leur destruction). Cette restitution a permis un enrichissement en N des pailles et grains de la culture de printemps et une augmentation de 30% du rendement lorsqu'il s'agissait de maïs. Finalement nous concluons sur l'intérêt des couverts de légumineuses associés en relais dans un blé d'hiver pour apporter une réponse positive aux problèmes principaux des rotations de grandes cultures biologiques (adventices, déficits d'N et diminutions des performances des cultures). Nous terminons en proposant des voies d'évolution des associations testées, notamment pour limiter les risques de compétition durant l'association. Nous évoquons également les implications scientifiques et pratiques de ce travail pour de futures études sur ce sujet. / Cereal productivity and quality are subject to two main problems in organic stockless systems: chronic soil nitrogen (N) deficiencies and weed infestation. Legume species as clovers or alfalfas can be used as cover crops and green manures due to their natural ability to fix atmospheric N. Nevertheless, their substitution to cereals in crop rotations is less economically viable without animals to use it. Relay intercropping of legume cover crops (RIL) in winter wheat was expected to simultaneously enrich the soil-plant system in N, cover the soil from the wheat harvest onwards and limit the risk of competition with wheat by delaying the undersowing of legumes in spring. To evaluate the efficiency of RIL, four legume species (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. and T. repens L.) were undersown at wheat tillering stage, in eight fields organically managed in the Rhône-Alpes region, France. Their effects on weed control, on N enrichment, preservation and restitution in the soil-plant system and on crop performance were observed during the succession of the winter wheat and a spring crop. RIL residues were incorporated in soil in late winter, 9 to 12 weeks before the sowing of spring crops. Our work illustrated the absence of detrimental effect of RIL on wheat grain yield despite the decrease of the grain protein content in one third of the situations. This decrease was mainly observed with M. lupulina and T. pratense as they were the most developed legume species at wheat harvest. Our monitoring of trophic resources (water, N and light) enlightened the competition for soil water and N during the intercropping period. We also showed the efficiency of RIL in the control of weed density from wheat flowering stage onwards and of weed aerial biomass in late autumn. The best weed control was observed with M. lupulina and T. pratense, at wheat harvest, and with T. pratense and T. repens in late autumn, in relation to the highest aerial biomasses observed with these species. Finally, we noted an important proportion of N derived from atmosphere (Ndfa) in legumes' shoots in late autumn (80 to 94%), representing an input of exogenous N in the soil-plant system ranging from 37 to 77 kg Ndfa ha-1. The N enrichment of the system did not increase mineral N lixiviation during winter. However, legume cover crops did not significantly prevent any lixiviation of mineral N relative to the control without cover crop. After their ploughing in, legumes residues returned a part of the accumulated N (+28 to +42 kg ha-1 of mineral N in the first 90 cm of soil compared to the control at the emergence of the spring crop, 12 weeks after ploughing). This restitution of mineral N allowed a significant N enrichment of straw and grains of the spring crop with all previous legumes cover crop species. With maize as spring crop, the grain yield increased by 30%, on average, compared to the control treatment. We finally conclude on the interest of RIL in winter wheat to bring a positive response to the problems of weed control, N deficiency and crop performances in organic crop rotations. We then suggest possible improvements of the RIL system, especially against the competition for trophic resources during the relay intercropping period. We also mention scientific and practical implications of this work for future studies on this subject.

Les villes ne cessent de se densifier au détriment des espaces de nature qui corrélativement se réduisent, tout comme les services écosystémiques qui leur sont associés. Face à ce constat, la végétalisation du bâti apparaît comme une alternative indispensable. Dans ce cadre, les toitures végétalisées font partie des outils d'aménagement des villes qui sont en pleine expansion. Ces toitures revêtent différentes formes, s'adaptant aux contraintes et enjeux urbains. Depuis quelques années, une nouvelle forme de toiture végétalisée a émergé : les toitures végétalisées productives (e.g. de biomasse alimentaire). Encore peu développée et mal connue, l'intérêt concernant cette forme de toiture ne cesse de croître. Leur conception, leur aménagement et surtout les services écosystémiques quelles peuvent rendre sont aujourd’hui encore mal connus et nécessitent d’être mieux appréhendés. Clé de voûte des toitures végétalisées, le sol en place influence directement et indirectement les services écosystémiques rendus par celles-ci. En dépit du rôle majeur de ces sols, peu d'études leur sont consacrés. Par ailleurs, des produits non renouvelables tels que la pouzzolane, l’argile expansée ou la tourbe sont aujourd’hui très majoritairement utilisés dans leur composition. Nous avons étudié des Technosols, c’est à dire des sols reconstitués, de toitures productives composés uniquement de produits issus de résidus du milieu urbain. Ce travail a eu une double ambition : (i) évaluer quantitativement les services écosystémiques rendus et (ii) comprendre les premières phases d’évolution des Technosols. Pour cela, trois dispositifs expérimentaux, installés sur la toiture « Bertrand Ney » de l’école AgroParisTech ont été utilisés. Il s’agit de bacs de cultures dans lesquels des sols sont construits, avec des agencements divers de cinq résidus urbains: un compost de déchet vert, du bois broyé, de la brique et de la tuile concassée, un résidu de champignonnière et un compost de biodéchet. Nous avons étudié l’effet des différents types de Technosols construits sur (i) les services écosystémiques rendus, (ii) la production alimentaire (quantitative et qualitative), (iii) la fertilité physico-chimique et (iv) leur évolution temporelle. Les Technosols construits sont fertiles et permettent une production alimentaire conséquente sur une à cinq années, caractérisée par de faibles teneurs en éléments traces métalliques équivalentes à celles de la moyenne des productions maraichères. L’évaluation quantitative de services écosystémiques (production alimentaire, recyclage de résidus urbain, rétention des eaux de pluies et qualité des eaux de percolations (C et N), a souligné le caractère multifonctionnel des systèmes étudiés et met en évidence un disservice, qui est une altération de la qualité des eaux de percolation par lixiviation du carbone, pouvant être liée à celle d’autres éléments. Une première phase de pédogénèse rapide et intense est observée, marquée par une forte biodégradation des matériaux et une forte lixiviation. Nos travaux ont mis en évidence l’existence d’un double compromis dans la conception d’un Technosol productif, entre (1) la biodégradation des matériaux (assurant la fourniture des nutriments minéraux aux plantes) et le maintien de la structure et porosité du matériau, donc de sa fertilité physique d’une part et entre (2) la fourniture d’élément nutritifs par biodégradation et la lixiviation, se traduisant par une perte de ces éléments et une altération de la qualité des eaux de percolation d’autre part. La connaissance des propriétés des matériaux utilisés et de ses liens avec les services écosystémiques attendus permet déjà de concevoir des toitures productives multifonctionnelles à partir de résidus urbains et de les gérer de manière durable. / Cities are becoming denser at the expense of nature spaces that are correspondingly decreasing, as are the ecosystem services associated with them. Faced with this observation, the greening of buildings appears as a valuable alternative. Nowadays, green roofs have become a planning tool in urban planning. These roofs take different forms, adapting to urban constraints and challenges. In recent years, a new form of green roof has emerged: productive green roofs (i.e. of edible biomass). Despite a growing interest, rooftop farming is still poorly developed and known. Their design, their development and especially, the ecosystem services they could deliver are still poorly understood and need to be known. Keystone to green roofs, the soil in place directly and indirectly influences the provided ecosystem services. Despite, it’s key role, soil is still poorly studied. Furthermore, non-renewable products such as pozzolan or expanded clay or peat are today mostly used in their composition. In this work we have studied constructed soils, named Technosols, for productive roofs made only of urban wastes. The objectives of this thesis were: (i) to achieve a quantitative assessment of delivered ecosystem services (ii) analyze the first stages of Technosol pedogenesis. In order to do so, three experimental devices were implemented on the “Bertrand Ney” rooftop of the technical University AgroParisTech in Paris. The experimental devices consist of multiple plots filled with different disposal of five urban wastes: green waste compost, shredded woods, crushed tiles and bricks, spent coffee grounds used to grow mushroom and a biowaste compost. The impact of the different Technosols on (i) ecosystem services, (ii) food production (quality and quantity), (iii) fertility) and (iv) temporal evolution, were assessed. Constructed Technosol are fertile and allow a consistent food production over one to five years. The level of food production was equivalent to that of a professional producer and food quality regarding trace metal element was below existing norms. The quantitative assessment of ecosystem services (food production, urban waste recycling, rainwater retention and overflow quality (C and N)), highlighted the multifunctional nature of productive green roofs. However, we identified an ecosystem disservice which is an alteration in the quality of the leachates due to carbon leaching and presumably other elements. A first phase of rapid and strong pedogenesis was observed marked by an intense biodegradation and lixiviation of the Technosols. Our works identified two trade-offs in the design of a productive Technosol: between (i) the biodegradation or organic materials (ensuring the supply of mineral nutrient to plants) and the maintenance of the structure and porosity of the Technosol (i.e. its physical fertility) and (ii) the supply of nutrients by biodegradation and leaching, resulting in a loss of these elements and an alteration of the quality of percolation waters on the other hand. Knowledge of the properties of the materials used to build Technosols and on their link with the expected ecosystem services already makes it possible to design multifunctional productive rooftop based on urban waste and manage them sustainably.

La France est l’un des premiers producteurs européens d’orge brassicole (Hordeum vulgare L.) et le premier exportateur mondial de malt. La production d’orge brassicole repose actuellement sur une utilisation massive d’intrants de synthèse et entraîne comme d’autres grandes cultures des impacts négatifs sur l’environnement et la santé des consommateurs. Ce travail a pour objectif de concevoir et d’évaluer des variétés et des itinéraires techniques pour cette espèce permettant une production quantitative et qualitative élevée avec un moindre recours aux intrants de synthèse. À partir d’un réseau d’essai multilocal, nous montrons que la teneur en protéines et le rendement calibré (poids des grains >2.5 mm) des orges brassicoles doivent être spécifiquement améliorés pour les conduites techniques en bas niveau d’intrants. Sur cette base, nous avons identifié les caractéristiques variétales favorables à une faible perte de teneur en protéines et de rendement calibré en situation de stress azoté.Puis, après avoir développé un modèle de culture adapté à cette espèce, nous avons identifié des stratégies de fertilisation azotées offrant les meilleurs compromis entre production quantitative et qualitative, tout en minimisant les pertes en azote vers l’environnement. Grâce à une caractérisation précise des environnements de production français, les meilleures stratégies de fertilisation azotée ont été identifiées localement. Enfin, nous avons identifié de nouvelles combinaisons de caractéristiques variétales permettant d’optimiser la production d’orge dans des situations d’intrants réduits. Nous montrons in silico, qu’adapter simultanément les caractéristiques variétales et de l’itinéraire technique permet d’atteindre des performances comparables aux variétés actuelles dans des itinéraires techniques avec recours intensif aux intrants. Nous discutons des méthodes de sélection adaptées pour identifier les variétés les plus performantes dans des situations d’intrant réduit. Enfin, nous revenons sur la démarche de conception mobilisée. / France is the largest European producer of malting barley (Hordeum vulgare L.) and the leading exporter of malt worldwide, accounting for 20% of world trade. French barley production has relied heavily on the use of synthetic inputs and has led, as other arable crops, to considerable environmental damage. The aim of this study is to design and evaluate crop and management ideotype adapted to a lower use of synthetic fertilizer. From a multi-environment trial, we conclude that the grain protein content and the calibrated yield (weight of grains >2.5 mm) have to be specifically improved in low-input management systems. We experimentally identified genotypic characteristics adapted to a low grain protein content loss and calibrated yield loss under N stress. With a crop model we adapted to malting barley, we also identified optimal N fertilization strategies allowing to reach high quantitative and qualitative performances whilst minimizing N losses toward the environment. Based on a precise characterization of environments the French barley belt, the best N fertilization strategies were identified for different regions. Finally, we identified new combinations of genotypic characteristics optimizing quantitative and qualitative performances in low management system. We showed that, in silico, a simultaneous adaptation of genotypic characteristics and optimization of N fertilization management allowed to reach similar performances as current genotypes in high-input management systems. We discuss methods to breed genotypes with high performances in low-input systems and the method used for innovative design of new management and barley malting cultivars adapted to low-input systems.