Le changement climatique et la variabilité ont des répercussions graves dans le secteur agricole des régions tropicales. Le secteur du café est sensible au changement climatique car il nécessite une température relativement froide et une plus grande durée des pluies. L'adaptation au changement climatique dans l'agroforesterie du café est donc importante pour traiter les impacts, mais il existe des obstacles et des limites. Le but de cette thèse était d'analyser les stratégies d'adaptation au changement climatique au centre du Kenya. Nous avons étudié différentes étapes de l'adaptation qui incluent (1) les connaissances sur le changement climatique et l'adaptation, la motivation à l'adaptation, (2) le choix actuel des stratégies d'adaptation et leurs déterminants, (3) les rôles du système d'innovation et du contexte institutionnel. Cette étude repose sur quatre sources d'information: - (1) groupes de discussion sur des questionnaires pré-définis, (2) enquêtes auprès des ménages, (3) entrevues auprès des intervenants et (4) données climatiques historiques sur le contexte de quatre types de systèmes de productions dans l’agriculture : les cultures vivrières, le café spécialisé, les systèmes diversifiés café-laiterie et les systèmes laitiers spécialisés, dans les zones caféières et vivrières. L'analyse des tendances de Mann-Kendal et l'estimateur de la pente de Sen ont été utilisées pour comparer les connaissances des agriculteurs sur les changements climatiques et l’historique des données climatiques, tandis que le modèle de Heckman a été utilisé pour analyser les stratégies d'adaptation et leurs déterminants. Les résultats soulignent des cohérences entre les connaissances des agriculteurs et l'analyse historique des données pour la température mais des incohérences avec le changement des précipitations. L'analyse de la perception par les agriculteurs révèle que les précipitations diminuent radicalement au fil du temps, alors qu'aucun élément de preuve concernant les précipitations ne permet d'appuyer la perception des agriculteurs. L'incohérence est donc corroborée par l'analyse des modèles. Les agriculteurs du secteur du café et des cultures vivrières se sont adaptés différemment aux changements climatiques. Les agriculteurs qui sont conscients des changements sont plus disposés à explorer les stratégies d'adaptation. Une partie des agriculteurs qui ne perçoivent pas le changement climatique adoptent des stratégies d’adaptation à des facteurs autres. L'adaptation au changement climatique est également déterminée par la performance institutionnelle et les différences de systèmes sectoriels d'innovation. La comparaison entre les secteurs du café et des produits laitiers révèle ainsi que les stratégies des acteurs du café sont limitées. En ce qui concerne l’élaboration des politiques, cette thèse contribue aux politiques d’accompagnement de l’adaptation au niveau des ménages, aux politiques de recherche agronomique et de négociation des accords internationaux. Les recommandations politiques au niveau des ménages se différentient selon trois scénarios. En premier lieu de l’intensification dans le café par l’innovation technologique. Les deux autres options politiques sont dans la diversification sectorielle dans la production laitière qui dépend de leur niveau de rentabilité. Les résultats de cette étude sont issus d’enquêtes sur l’analyse des systèmes d’innovation. D’autres options politiques sont proposées dans le développement de nouvelles infrastructures, des subventions pour accroitre les potentiels d’adaptation. Nous recommandons enfin de nouveaux sujets de recherche pour le futur. / Climate change and variability is the most widespread anthropogenic challenge affecting agricultural production and productivity particularly in the tropics. Coffee sector is sensitive to climate change as it requires relatively cold temperature and higher rainfall duration. Adaptation to climate change in the coffee agroforestry is, therefore, important to address the impacts, but there are barriers, and limits. The aim of this Thesis was to analyze the adaptation strategies to climate change in Central Kenya. We studied the steps in adaptation, which includes (1) the knowledge on climate change and adaptation, the motivation towards adaptation, (2) current choices of households’ adaptation strategies, and their determinants, (3) the roles of innovation system and institutional context to support adaptation. This study was based on four sources of information: - (1) Focus Group Discussions to predefine the questionnaires, (2) household surveys, (3) stakeholders interview, and, (4) historical climate data. The data collection considered four farming typologies; - food crops, specialized coffee, diversified coffee-dairy and specialized dairy farming systems in the coffee and food crops zones. Mann-Kendal trend analysis and Sen’s slope estimator were used to compare the farmers’ knowledge of climate change with the historical climate data, while Heckman model was used to analyze adaptation strategies and their determinants. The findings explore consistent results between farmers’ knowledge and historical data analysis for temperature, while inconsistency is observed in rainfall change. Analysis of farmers’ perception revealed rainfall is radically declining over time, while no evidence in rainfall record is found to support the farmers’ perception. The inconsistency is therefore, substantiated with analysis of patterns. Coffee and food crop farmers are found to adapt to climate change differently. Farmers who are aware of the changes are found more willing to explore adaptation strategies although some of the farmers who do not perceive the climate is changing are also adopting strategies for factors other than perception. The comparison between coffee and dairy sectors found that actors in the coffee are limited, the system is highly centralized with limited options for farmers to process and market their products, while the dairy sector is informally controlled by demand based business and comparatively, numerous actors. We conclude in this study that the patterns in rainfall affects the farming activities of the study area higher than the annual changes. Consequently, farmers adopt a series of adaptation strategies in response to their perception of changes in climate and economic pressure in the farm. This adaptation to climate change also depends on the nature of actors’ interaction and institutional context. In relation to policy development, this Thesis contributes to household level adaptation policies, research policies and international agreements and negotiations. The household level policy recommendations consists of three scenarios. Farmers’ intensification in coffee applying the right technological innovations. The second and third policy options are the diversification to dairy and complete sectoral transformation to dairy depending on the profitability and adaptation level of the sectors. The results in this study are derived from surveys and analysis of innovation systems. Other strategies such as new infrastructural development and institutional subsidies could be potential for adaptation. We therefore, recommend, these could be potential future research topics.

Les pertes de récolte dues aux ravageurs et aux maladies constituent une menace sérieuse pour les revenus et la sécurité alimentaire de milliers de familles rurales dans le monde entier. L'évaluation de ces pertes de récolte (baisse de rendement et préjudice économique) et de leurs causes est nécessaire pour améliorer la mise au point d'agroécosystèmes capables d'offrir de bons rendements de culture, une régulation des ravageurs et des maladies et d'autres services écosystémiques. Ce mémoire de doctorat vise à contribuer à la recherche dans le domaine des pertes de récolte en proposant des approches expérimentales et de modélisation susceptibles d'être utilisées pour estimer les pertes primaires et secondaires subies dans les cultures pérennes, et analyser leurs causes. La culture pérenne étudiée est celle du caféier à Turrialba au Costa Rica, où la culture du café se pratique dans des plantations qui vont de la monoculture à pleine exposition solaire à des systèmes agroforestiers hautement diversifiés, et qui sont soumises à une gamme de situations de production (topolimat, fertilité du sol, types d'ombrage) et de stratégies de gestion (pratiques culturales et intrants). Les trois questions de recherche principales ont été les suivantes : Quel est l'impact des stratégies de gestion et des situations de production sur les ravageurs et les maladies et les rendements en café ? Comment les pertes de rendement en café associées à des profils de dégâts donnés varient-elles en fonction des stratégies de gestion et des situations de production ? Quels types d'agro-écosystèmes à base de caféiers permettent de minimiser les pertes en café (baisse de rendement et préjudice économique) et de maximiser les avantages globaux retirés (services écosystémiques) ? / Crop losses due to pests and diseases are a major threat to incomes and food security of thousands of rural families worldwide. The assessment of crop losses (yield and economic losses) and their causes is needed to improve the development of agroecosystems capable to offer good crop yields, regulation of pests and diseases, and other ecosystem services. This doctoral research aimed to contribute to the research field of crop losses, by providing experimental and modeling approaches that could be used in perennial crops to estimate primary and secondary losses and analyze their causes. We worked in a perennial crop such as coffee, in Turrialba, Costa Rica, where coffee is grown in plantations from monocultures at full sun exposure to highly diversified agroforestry systems, and under a range of production situations (topoclimate, soil fertility, types of shade) and management strategies (agricultural practices and inputs). The three main research questions were: What is the impact of management strategies and production situations on pests and diseases and coffee yields? How do coffee yield losses caused by injury profiles vary in function of management strategies and production situations? Which types of coffee agroecosystems are capable to obtain the lowest coffee losses (yield and economic) and highest overall benefits (ecosystem services)? This research was developed through two experimental designs. The first was an experimental coffee parcel under controlled conditions (three-year experiment) to quantify primary and secondary yield losses by comparison of treatments, and to identify the main predictors of yield losses by structural equation modeling. The second experimental design was based on surveys in a coffee research plot network (coffee plots of smallholder farmers), where, during two years, we measured indicators of yields and indicators of four ecosystem services: regulation of pests and diseases, provisioning of agroforestry products, maintenance of soil fertility, and carbon sequestration. Yield losses in this network were estimated through modeling using the predictors identified in the experimental coffee parcel. Analyses of data included several statistical techniques, from analysis of variances, linear regressions to multivariate techniques. The results were organized in four manuscripts, and then discussed integrally. The main findings were: i) Both production situations and management strategies determine coffee yield and pest and disease injuries, effects of interactions altitude x management x types of shade must be considered; ii) Injury profiles depend on particular combinations of production situations and management strategies, with impacts on yield losses especially in a year of high coffee production (primary yield losses), but compromising also the yields of the next year (secondary yield losses); iii) Diversified agroforestry systems have better chances to regulate pests and diseases (reduce yield and economic losses), and simultaneously provide goods for family benefits, maintain soil fertility, and increase carbon sequestration, without implying trade-offs among these ecosystem services. The main prospects of this research are related to perform similar studies in coffee and other perennials at regional levels, develop an injury profile simulator for coffee, and prototyping of coffee agroforestry systems to optimize the provision of multiple ecosystem services.

Des mesures sur parcelles agroforestières (mélanges d'arbres et de cultures) expérimentales mettent en évidence des productivités exceptionnelles, avec des gains de plus de 30% par rapport à l'assolement de cultures pures. Nous avons mis au point et utilisé un modèle numérique dynamique en 3-D (Hi-sAFe) pour (1) tester si l'intégration spatio-temporelle du partage des ressources (lumière, eau, azote) entre espèces suffit à expliquer cette productivité et (2) évaluer l'impact de différents choix de conception ou de gestion sur cette productivité, à partir d'une compréhension des processus impliqués.Nous avons développé une méthode originale d'analyse des données simulées pour identifier et hiérarchiser les processus déterminant le rendement. Le modèle a été paramétré et calibré sur un système noyer hybride / blé dur situé sur le domaine de Restinclières (Hérault, France). Après une analyse détaillée du fonctionnement de ce système, nous avons exploré par expérimentation virtuelle sa réponse à des choix de conception: (1) traits phénologiques des espèces associées, et (2) densité et disposition des arbres sur la parcelle. Par la richesse de son comportement, Hi-sAFe permet un regard nouveau sur le fonctionnement des systèmes agroforestiers. Il éclaire la complexité du système réel. Nos résultats permettent de proposer une interprétation déterministe du rendement de chaque espèce et de la productivité totale de l'association (Land Equivalent Ratio). L'analyse des expérimentations virtuelles permet de proposer des pistes concrètes pour l'optimisation des systèmes agroforestiers. / Measurements on experimental silvoarable agroforestry plots (mixed tree-crop) showed exceptionally high productivity, with yields more than 30% higher compared to the separate crop and tree systems. We developed a 3-D process-based model (Hi-sAFe) and used it to (1) test if the spatiotemporal integration of resources sharing (light, water, nitrogen) between species could explain this productivity and (2) assess how agroforestry design or management may affect this productivity. We developed a novel method for the analysis of simulated data to identify and sort the processes determining yield by order of importance. The model was parameterized and calibrated on a hybrid walnut / durum wheat located on the Restinclières field (Hérault, France). After a detailed analysis of the functioning of this system, we explored by virtual experiments its response to design choices: (1) phenological traits of associated species, and (2) density and location of trees on the plot. The comprehensiveness of the Hi-sAFe model provides a new insight into the functioning of agroforestry systems. It clarifies the complexity of the real system. Our results put forward a deterministic interpretation of the performance of each species and of the total productivity of the crop-tree association (Land Equivalent Ratio). The analysis of virtual experiments offers practical ways for optimizing agroforestry systems.

La majorité des espèces cultivées en Europe (environ 84 %) nécessitent le service de pollinisation pour produire. Depuis plusieurs années, un important déclin des pollinisateurs est observé. Les populations d’abeilles domestiques, partie intégrante de l’agrobiodiversité, sont des bio-indicateurs sensibles de l’état de l’environnement agricole. Celles-ci sont aujourd’hui affectées par des mortalités importantes. Les interactions entre pesticides et pathogènes sont habituellement évoquées comme causes principales de ces mortalités. Cependant au sein de ces agropaysages, la perte de ressources trophiques en quantité et en diversité contribue également à l’affaiblissement des colonies. La qualité et les quantités de ressources trophiques disponibles dans le paysage influencent également leur activité de ponte et leur dynamique de développement. Au regard de ce contexte, cette thèse vise à analyser les interactions entre différents types de structures paysagères situées dans le département du Gers (32, France) et l’évolution des traits d’histoire de vie des colonies d’abeilles domestiques du genre Apis mellifera L. Elle questionne notamment le rôle de la composante ligneuse dans l’apport de ressources trophiques et ses repercussions sur l’évolution des traits d’histoire de vie. L’approche méthodologique développée consiste (i) en une analyse de l’organisation spatiale des six mosaïques paysagères différenciées par un gradient de présence de ligneux, (ii) en un suivi phénologique des ressources floristiques d’intérêt nectarifère et pollinifère, (iii) en un suivi de la dynamique de développement de 43 colonies observées durant deux ans (2010 et 2011) et (iv) en une analyse des strategies de butinage. Les résultats montrent la présence d’une grande diversité d’espèces floristiques d’intérêt nectarifère et pollinifère en contexte agricole gersois (200). Les ligneux constituent la seule sous-unité fonctionnelle permettant un apport conséquent et pérenne de ressources floristiques, tout au long de la saison en complément des cultures. La composante ligneuse et les surfaces cultivées (Brassica napus et Helianthus annuus) constituent les deux sous-unités les plus mobilisées pour la collecte de nectar. Les ligneux sont particulièrement recherchés au cours des périodes prévernale et vernale (première période) notamment au sein des structures paysagères fermées. La fluctuation des ressources floristiques disponibles impacte plus fortement le développement des colonies au sein des structures paysagères ouvertes que fermées. En effet, sur ces derniers, les ligneux permettent d’atténuer ces impacts notamment en période de disette, rendant les colonies plus résilientes. / Most of the cultivated plants in Europe (84% overall) need pollinators to produce. For several decades, a significant decline in pollinating insects is observed. Honeybees belong to associated agrobiodiversity and are sensitive bio-indicators in agricultural landscapes. They are particularly affected by these losses. Usually, interactions between pesticides and pathogens are seen as the main causes of pollinator populations’ collapse. However, the qualitative and quantitative depletion of food resources in such agricultural landscapes also contribute to the high mortality rates. The spawning activity of the colony’s queen and the metabolic balance of the colony are influenced by the quantity and the quality of plant resources in the landscape. This PhD thesis focuses on the interactions between landscapes structures and honeybees life traits’ evolution in the Gers agricultural department (France). It aims to assess the woody component’s role in supplying trophic resources and its repercussions on the evolution of life traits. The methodology consists (i) in a spatial organization analysis of six landscape mosaics, differentiated by an openess gradient based on the percentage of the woody component cover, (ii) a phenological monitoring of plant resources with pollen and nectar interests, (iii) a monitoring of 43 colonies’ life history traits during two years (2010 and 2011) and (iv) in an analysis of foraging strategies. Results reveal a wide diversity of plant species with nectar and pollen interest in the Gers agricultural context (200). Woody component is the only functional sub-unity which enables a significant and lasting supply of plant resources, during the all season, as additional resources to those of crops. Woody component and cultivated lands (Brassica napus and Helianthus annuus) are the most mobilized sub-unities for nectar gathering. Woody component is particularly looked for in prevernal and vernal periods (first period), above all in closed landscape structures. Variations of available plant resources impact colonies’ development more in open landscape structures than in closed ones. Indeed, in closed landscape structures, woody component enables to reduce consequences, especially in scarcity period, and make colonies more resilient.

Les systèmes agroforestiers stockent du carbone dans la biomasse des arbres. Cependant leur intérêt ne se limite pas à ce carbone stocké sous forme de bois. En effet, les arbres produisent de grandes quantités de litières, et apportent également du carbone dans les horizons profonds du sol par la mortalité et l’exsudation racinaire. Or, les sols agricoles, ayant de très faibles teneurs en matière organique, ont un potentiel de stockage en carbone bien plus important que les sols forestiers. A ce jour, il n’existe pratiquement pas de travaux permettant d’avoir une estimation de l’impact des arbres agroforestiers sur le carbone du sol. La plupart des études sont en effet menées sur le stockage de carbone dans la biomasse aérienne des arbres. Une étude a ainsi estimé qu’en climat tempéré et pour des densités comprises entre 50 et 100 arbres/ha, le stockage de carbone serait compris entre 1.5 et 4 tC/ha/an, ce qui est très important comparé au potentiel de stockage d’autres systèmes de culture. On se propose donc dans ce travail de contribuer significativement à la connaissance sur les possibilités de stockage de C dans les sols en agroforesterie. Tout d’abord, nous quantifierons les stocks de C dans les parcelles agroforestières et les comparerons aux témoins agricoles. Nous étudierons également l’hétérogénéité spatiale de ces stocks, sous la ligne d’arbres ou sous la culture intercalaire, et ce à différentes profondeurs. Dans un deuxième temps, nous étudierons les entrées de carbone au sol, notamment via la mortalité racinaire des arbres. Puis, nous étudierons les processus liés à la stabilisation de ce carbone dans les horizons profonds du sol. Enfin, nous chercherons à savoir si l’apport de carbone frais dans les horizons du sol ne pourrait pas entraîner une minéralisation d’une partie du carbone stable du sol, phénomène connu sous le nom du priming effect, et qui pourrait jouer un rôle non négligeable dans le bilan de carbone de ces systèmes. La modélisation sera utilisée afin d’estimer le stockage de carbone sur le long terme. L’étude sera menée dans un contexte de système de culture méditerranéen, sur un site expérimental d’exception. L’analyse mécaniste fournira le cadre conceptuel pour la compréhension de la dynamique du C dans d’autres systèmes agroforestiers à l’avenir. / Agroforestry is a land use type where trees are associated with crops and/or animals within the same field. This agroecosystem could help mitigating climate change, and also contribute to its adaptation. The goal of this thesis was to evaluate the potential of soil organic carbon storage under agroforestry systems. This study was performped at the oldest experimental site in France, a trial supervised by INRA since 1995, but also at farmers' fields. Soil organic carbon stocks were compared between agroforestry and agricultural plots, down to 2 m soil depth. All organic inputs to the soil were quantified (tree roots, leaf litter, crop roots and residues). The stability of additionnal stored carbon was caracterised with soil organic matter fractionation, and soil incubations. A model of soil organic carbon dynamic was described in order to better undrestand this dynamic in agroforestry, especially in deep soil layers. This study revealed the interest and the potential of agroforestry systems in increasing soil organic carbon stocks, with accumulation rates of 0.09 to 0.46 t C ha -1 yr -1. It also reveals the role of tree rows in this storage, and the importance of carbon inputs from root mortality. However, it raises concerns about the stability of this storage.

Le henné (Lawsonia inermis) est cultivé dans la région de Koulikoro au Mali. La vente de ses feuilles constitue une source de revenu pour les producteurs. L’utilisation du henné comme produit cosmétique est répandue dans tout le pays. Malgré l’importance de la plante sur les plans économique et social, très peu d’études ont été réalisées sur son potentiel. Cette étude avait pour but, d’une part, de comprendre les éventuels obstacles à une future introduction du henné dans la commune du Méguétan et d’autre part, de réaliser une première évaluation de sa rentabilité financière. Il ressort de l’enquête réalisée auprès de 135 agriculteurs, que le henné est une culture rentable et que les agriculteurs de la commune du Méguétan sont favorables à son introduction dans leur système de production. Mais certaines contraintes existent, notamment le manque de débouchés commerciaux et la faiblesse du prix payé aux producteurs. / Henné (Lawsonia inermis) is cultivated in the area of Koulikoro in Mali. The sale of the plant’s leaves constitutes a source of income for the producers. The use of henné as cosmetic products is widespread in all the country. Despite its economic and social importance for the population, very few studies were carried out on this plant. The purpose of this study was on the one hand to understand the possible obstacles for a future introduction of henné’s plant into the Méguétan commune, and on the other hand to carry out a first assessment of its financial profitability. It arises that henné is a profitable crop and that farmers of Méguétan commune are favorable to its introduction into their production system. But some constraints exist, particularly the lack of outlets for trade and the low price paid to the producers.

La région de Man connait une déforestation avancée et cette situation s’est aggravée avec la surexploitation des flancs de montagne pendant la crise militaire qu’a connue le pays entre 2002 et 2011. Pour contrer le déséquilibre écologique causé par ces agressions et pour assurer l’exploitation durable de ces flancs, l’État a initié en 2015 le projet de « reboisement des flancs de montagne dans l’ouest de la Côte d’Ivoire ». C’est donc le volet de «la sensibilisation aux pratiques de l’agroforesterie » de ce projet qui fait l’objet de cette étude. Nous avons adopté une méthode de recherche monographique et ethnobotanique basée sur des observations directes des savoir-faire et pratiques, et du milieu de travail des agriculteurs. Nous avons réalisé des entretiens individuels auprès de 41 agriculteurs et de trois experts ainsi que six focus groupes dans six villages situés à proximité de montagnes de Man. L’analyse des données s’est faite selon une approche qualitative et le logiciel Sonal nous a permis d’encoder et de retranscrire nos entretiens. Les résultats de notre étude montrent que les agriculteurs dont l’âge moyen et le niveau de scolarité sont respectivement de 43 ans et six années scolaires, utilisent plusieurs techniques et savoir-faire traditionnels. Ces derniers ont une perception positive pour les arbres et l’agroforesterie. Cependant, ils ont des craintes pour le régime foncier et certains aspects d’innovations agroforestières tels que les coûts de mise en place des systèmes agroforestiers. Les agriculteurs préfèrent tout de même les systèmes agroforestiers associant des espèces d’arbres locales à leurs cultures.

Comparés aux monocultures, les systèmes agroforestiers (SAF) sont censés permettre une meilleure efficience d'utilisation de la ressource et améliorer les services écosystémiques. Cependant, la complexité des interactions se produisant dans les SAF rend délicate la quantification et la décomposition des effets des arbres d'ombrage sur la productivité primaire nette (NPP) de la culture principale. Peu de modèles sont capables d'analyser les effets des interactions entre culture principale et arbres d'ombrage sur les échanges de CO2 et d'eau. En effet, les interactions pour la lumière, l'eau et la chaleur se produisant entre culture et arbres d'ombrage peuvent produire des effets contre-intuitifs sur la photosynthèse, l'efficience d'utilisation de la lumière (LUE), l'efficience de transpiration et le microclimat. Nous montrons que MAESPA, un modèle 3D mécaniste, peut-être utilisé pour étudier la variabilité de ces processus à des échelles allant de la plante à la parcelle, et de la demi-heure à l'année entière. MAESPA a simulé de manière satisfaisante l'interception de la lumière dans un SAF à base de caféier composé de 2 couches hétérogènes. Des variables modélisées par MAESPA ont été utilisées pour produire de puissantes variables explicatives dans un dispositif expérimental étudiant les déterminants de la NPP aérienne (ANPP) du caféier. Il a été démontré que LUE était deux fois plus élevée pour les caféiers poussant à l'ombre ce qui compensait totalement la diminution de leurs budgets lumineux, résultant en une absence de différence de ANPP entre caféiers de plein soleil et caféiers d'ombrage. MAESPA a aussi simulé de manière satisfaisante les échanges de CO2 à l'échelle du caféier et à l'échelle de la parcelle, lorsque comparés à des mesures d'échanges gazeux dans des chambres plantes entières ou à des enregistrements de flux turbulents au-dessus de la canopée, respectivement. Nous avons utilisé MAESPA pour simuler la variabilité spatiale de la photosynthèse et de LUE. MAESPA a démontré être un modèle robuste pour quantifier les interactions spatiales dans un SAF. Le prochain développement pertinent de cette approche serait de coupler MAESPA avec un modèle d'allocation du carbone dans les organes des plants de caféiers / Compared to monocultures, agroforestry systems (AFS) are expected to provide enhanced resource-use efficiency and larger ecosystem services. However, due to the complexity of the interactions occurring in AFS, it is challenging to quantify and decompose the effects of shade trees on the main crop net primary productivity (NPP). Few process-based models are able to analyze the interactions between crop and shade trees for carbon and water. Interactions for light, water and energy occurring between tree and crops might have counterintuitive effects on photosynthesis, light use efficiency (LUE), transpiration efficiency and microclimate. We showed that a 3D process-based model, MAESPA, was able to quantitatively describe the spatial variability of those processes from the plant to the plot, and from hourly to yearly timescales. MAESPA simulated satisfactorily light interception in a 2-layer heterogeneous coffee AFS. It was used to produce powerful explanatory variables in AFS experiments and to analyze the determinants of coffee plant NPP. LUE displayed a 2-fold increase for shaded coffee plants totally compensating the expected decrease of local irradiance interception, and coffee plant ANPP was the same below shade trees or in the open. MAESPA also simulated satisfactorily carbon exchange at whole plant and plot scales, when compared to gas exchange records in a whole-plant chamber, or with eddy-covariance records above the canopy. We used MAESPA to simulate the spatial variability of photosynthesis and LUE. Overall, MAESPA proved to be a relevant model to quantify spatial interactions. The next very relevant development would be to couple it to a model of carbon allocation among organs in the coffee plants

Le cacaoyer (Theobroma cacao, L.) est cultivé dans les tropiques humides d'Amérique latine, d'Afrique et d'Asie. Principale source de revenus d'une agriculture essentiellement familiale, les systèmes agroforestiers à base de cacaoyers fournissent de nombreux services écologiques et contribuent à la conservation de la biodiversité. Ces systèmes associent plantes ligneuses et cultures de manière simultanée, dans une gamme importante et peu décrite de richesses et de structures botaniques. Les connaissances actuelles sur leur productivité se limitent à des essais en milieu contrôlé associant un petit nombre d'espèces. Nos travaux testent l'hypothèse d'une relation de compromis entre le niveau de productivité des cacaoyers et le niveau de biodiversité hébergée par les agroforêts à base de cacaoyers. Nous caractérisons ces compromis sur un gradient de situations de production paysannes, reposant sur la structure verticale, l'intensité de gestion de la composante végétale et le contexte bio-physique des agro-systèmes étudiés. Sur un dispositif de 36 cacaoyères paysannes situées dans la région de Talamanca, Costa Rica, nous montrons que des variations significatives de la structure végétale reflètent les modes de gestion de la parcelle et affectent le rendement par cacaoyer (295 à 667g/arbre/an) mais pas le rendement en cacao (136 kg/ha/an), ni le volume végétal global (400 m3/ha). Ces variations de la structure végétale affectent peu la diversité α des peuplements de plantes associées, d'épiphytes, d'amphibiens, de reptiles, de mamifères, d'invertébrés du sol et de la litière, mais leur diversité β répond de manière contrastée à ces variations d'habitat. Les relations de compromis que nous mettons finalement en évidence entre la productivité en cacao marchand à l'hectare ou à l'arbre et les niveaux de biodiversité atteints sont de nature (linéaire, cubique, quadratique) et de tendances (négative, postive) contrastées selon le taxon considéré et remettent en cause les résultats de certains travaux récents. Nos travaux dévoilent également des situations de compromis optimales, offrant des perspectives positives pour l'intensification écologique des systèmes agroforestiers tropicaux. / Cacao (Theobroma cacao, L.) is cultivated in the humid tropics of Latin America, Africa and Asia. Cocoa-based agroforestry systems are the main source of income for smallholders' families and provide numerous ecological services and contribute to biodiversity conservation. These systems associate trees with crops simultaneously, in a wide and poorly described range of botanical and structural plant diversity. The current knowledge about their productivity is restricted to controlled trials with a low numer of associated plant species. Our work tests the hypothesis of a trade-off relationship between the level of cocoa productivity and the level of biodiversity hosted in cocoa-based agroforests. We characterize these trade-offs on a gradient of production situations, based on the vertical structure, the management intensity of the vegetal component and the bio-physical context of cocoa-based agroforests. On the base of a 36 on farm cocoa plots network located in Talamanca, Costa Rica, we show that significant variations in the vegetation vertical structure reflect farmer's management strategies and affect the cocoa yield per tree (295 to 667g/tree/year) but neither the cocoa yield per plot (136 kg/ha/year), nor the global plant volume (400 m3/ha). The variations in vegetation structure poorly affected the α-diversity of 7 plant and animal taxa, but their β-diversity gave contrasted and significant responses to habitat variations. Finally, the trade-offs relationships we display between dry cocoa productivity per hectare or per tree and the observed biodiversity levels showed contrasted forms (cubic, quadratic, linear) and tendances (positive, negative) according to the taxa considered and question results from recent publications. Our work also revealed optimal trade-off situations which offer positive prospects for the ecological intensification of tropical agroforestry systems.

La cacaoculture est aujourd'hui considérée comme un des principaux facteurs de déforestation en milieu tropical. Dans de nombreux pays, elle repose en effet sur un modèle technique peu durable de monoculture intensive impliquant le déplacement des zones de production. Souvent délaissés par la recherche en raison de leurs faibles rendements en cacao marchand, les systèmes agroforestiers à base de cacaoyer apparaissent aujourd'hui comme une alternative crédible pour faire face aux nouveaux enjeux de la cacaoculture mondiale. Au Centre-Sud du Cameroun, la cacaoculture repose en grande partie sur des cacaoyères agroforestières anciennes, ce qui pose l'hypothèse qu'un modèle de cacaoculture durable basé sur des systèmes de culture agroforestiers est possible. Notre objectif est de mieux comprendre le fonctionnement de ces systèmes agroforestiers à base de cacaoyer, à travers leurs caractéristiques, leurs évolutions et leurs déterminants, ainsi que les conditions de leur production en cacao marchand sur le long terme. Notre démarche articule à la fois une évaluation des systèmes agroforestiers complexes à l'échelle de la parcelle et une analyse compréhensive des pratiques techniques sur le temps long. La thèse repose sur un dispositif de recherche mis en place dans la région du Centre, dans trois zones de culture différenciables par leurs conditions pédo-climatiques (Bokito, Zima et Ngomedzap). Une enquête d'agriculteurs a été réalisée à grande échelle (1 171 exploitations regroupant 1 638 cacaoyères), complétée par des observations spécifiques réalisées dans un réseau de 61 cacaoyères exploitées par 40 agriculteurs. Résultats. (1) Nos résultats d'enquête, complétés par des observations spécifiques, ont confirmé la durabilité des systèmes agroforestiers à base de cacaoyer aux plans agro-écologique et socio-économique. (2) Dans la zone de transition forêt-savane, considérée comme sub-optimale pour la cacaoculture, nous avons montré que le modèle technique adopté par les agriculteurs leur permet d'installer sur savane des cacaoyères viables sur le long terme. (3) Une méthode participative de quantification de la valeur d'usage des espèces par les agriculteurs, appliquée sur le réseau d'observation, a confirmé la multifonctionnalité des systèmes agroforestiers et mesuré la place qu'y occupe la composante cacaoyère. (4) L'évaluation des peuplements cacaoyers, réalisée en adaptant la méthode de diagnostic agronomique régional aux systèmes complexes, a permis d'identifier les facteurs limitant le rendement en cacao marchand. Celui-ci s'avère étroitement lié à la structure des peuplements cacaoyers et à celle des peuplements associés. (5) Enfin, l'analyse compréhensive des pratiques des agriculteurs sur le long terme, en lien avec l'évolution technique des peuplements cacaoyers a confirmé la flexibilité des systèmes agroforestiers à base de cacaoyer. Cette flexibilité peut être traduite par des trajectoires d'évolution des pratiques et des trajectoires de structures spécifiques. Ce travail fournit une nouvelle base méthodologique pour l'analyse et l'évaluation des systèmes agroforestiers complexes. L'ensemble des résultats et des connaissances produites dans ce travail permet de formuler des propositions pour la mise au point d'un nouveau modèle technique en cacaoculture. / Cocoa cultivation is generally considered as one of the main deforestation factors in the Tropics. Indeed, in many countries it is based on a low-sustainability technical model of intensive monocrops with shifting production zones. Cocoa agroforests, which are often neglected by research due to their low fermented dried cocoa yields, now appear to be a credible alternative for taking up the new challenges facing world cocoa production. In Centre-South Cameroon, cocoa cultivation is largely based on old cocoa agroforests, which suggests that a sustainable cocoa growing model based on agroforestry systems is possible. Our aim was to more effectively understand how these cocoa agroforests function, through their characteristics, their evolution and their determinants, along with the conditions for their long-term fermented dried cocoa production. Our approach consisted of an evaluation of cocoa agroforests on a plot scale and a comprehensive analysis of technical practices over the long term. The thesis is based on an experimental design set up in the Centre region, in three growing zones that could be differentiated through their pedo climatic conditions (Bokito, Zima and Ngomedzap). A large-scale survey was undertaken (1,171 farms grouping 1,638 cocoa plantations) completed by specific observations collected in a network of 61 cocoa agroforests managed by 40 farmers. Results. (1) Our survey results, completed by specific observations, confirmed the sustainability of the cocoa agroforestry systems from an agro ecological and socio-economic viewpoint. (2) In the forest-savannah transition zone, which is considered sub-optimum for cocoa cultivation, we confirmed that the technical model adopted by the farmers enabled them to set up cocoa agroforests on savannah that were viable over the long term. (3) In the network, a participatory method applied to quantify the use value given to the species by the farmers confirmed the multi-functionality of cocoa agroforests and measured the place occupied in it by cocoa. (4) The evaluation of the cocoa tree stands, achieved by adapting the regional agronomic diagnosis method to complex systems, revealed the factors limiting cocoa yield. It was proved that cocoa yield is closely linked to the structure of the cocoa tree stand and that of the intercropped stands. (5) Lastly, a comprehensive analysis of farmer practices over the long term, in association with the evolution of the technical management of the cocoa tree stands, confirmed the flexibility of cocoa agroforestry systems. This flexibility was reflected in the evolution pathways for specific practices and structures. This work provides a new methodological basis to assess the performance of complex agroforestry systems. All the results and knowledge produced by this work make it possible to draw up proposals for developing a new technical model for cocoa growing.