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.