Cette thèse visait à caractériser et à modéliser la dynamique des trois ressources principales que sont l'eau, l'azote et le rayonnement dans une association en relais maïs-plante de couverture en semis direct en région tropicale subhumide et ses conséquences sur la productivité de la culture principale et de l'ensemble du système et sur les flux d'eau et d'azote dans le sol. Le travail repose sur un dispositif expérimental mis en place dans les Cerrados, à Unaí (Minas Géras, Brésil) en 2007 pour deux années agricoles, d'une part en station expérimentale permettant un effort de mesure intense et d'autre part dans un réseau de parcelles d'agriculteurs offrant une large gamme de situations pédoclimatiques et de modalités de mise en œuvre des systèmes de culture étudiés. Dans ces derniers, la culture principale était un maïs, et la plante de couverture associée en relais était une culture fourragère tropicale, soit la légumineuse, Cajanus cajan soit la poacée, Brachiaria ruziziensis. Deux dates de semis, précoce et tardive étaient considérées pour le semis de la plante de couverture au sein du maïs, dans le cas de l'essai en station. Ce travail montre que rendement du maïs n'a pas été significativement affecté par la présence de la plante de couverture semée précocement au sein du maïs, en comparaison avec le rendement du maïs en culture pure. En revanche, la production en biomasse de la plante de couverture a été significativement réduite dans l'association. Le semis précoce de la plante de couverture au sein du maïs permet une production en biomasse significativement plus importante qu'un semis tardif (20 jours après floraison du maïs), et une production totale en biomasse de l'ensemble de l'association significativement plus importante par rapport aux cultures pures. Cette production totale a été plus du double comparée à celle de la culture pure de maïs dans le cas de l'association maïs-Cajanus. Les valeurs du Land Equivalent Ratio (LER) du rendement en grain de maïs et de la production de biomasse ont été supérieures à 1, atteignant jusqu'à 2.03 témoignant d'une meilleure valorisation des ressources par les espèces associées et l'avantage de tels systèmes pour produire à la fois du grain et du fourrage. La thèse montre aussi la forte variabilité du potentiel de production de ces systèmes en parcelles de producteurs et suggère que lorsque les ressources en eau et en azote sont moins disponibles que dans l'essai de station, des compétitions entre maïs et plantes de couverture peuvent réduire les performances agronomiques du maïs et/ou de la plante de couverture comparativement par rapport à la culture pure équivalente. La biomasse totale produite reste cependant supérieure à celle de la culture pure de maïs, sauf pour de rares exceptions où de plus faibles disponibilités en ressources, parfois accentué par des difficultés de gestion technique, le maïs semble souffrir de compétition plus forte et/ou la plante de couverture ne produit que très peu de biomasse. La thèse évalue la capacité d'un modèle de simulation de culture associées, STICS-CA, à fournir une analyse plus fine de la dynamique du partage des ressources dans ces systèmes et à en estimer les performances agronomiques et certains impacts environnementaux en fonction de conditions techniques et édapho-climatiques différentes de celles de notre dispositif. Des modifications mineures et le calage du modèle ont conduit à une simulation satisfaisante des cultures pures de maïs et Brachiaria et de l'association maïs-Brachiaria en semis direct sur mulch pailleux. En revanche il n'a pas été possible d'obtenir une simulation satisfaisante du maïs en semis conventionnel sur sol labouré, ni du Cajanus en culture pure et de l'association maïs-Cajanus en semis direct. . La thèse fournit des informations sur les imperfections du modèle et propose des améliorations aussi bien en termes de formalismes pour la prise en compte de la minéralisation du mulch, qu'en termes de dispo exp / This thesis dealt with characterizing and modeling the dynamics of the three principal resources which are water, nitrogen and radiation in a no-tillage relay intercropping maize-cover crop systems, under sub-humid tropical area climate. Moreover, productivity of the main crop and of the whole system and nitrogen and water flows in the soil are assessed.The study was based on an on-field approach/experimental design carried out during two crop growing seasons in Cerrados region, in Unaí (Minas Géras, Brazil) since 2007. Firstly, an experimental station was used allowing an intense effort of measurement and secondly, a whole of several farmer's fields offering a wide range of soil and climate conditions and modalities of implementation of the studied cropping systems. In the latter, main crop was maize, and intercropped cover crop was a tropical fodder crop, either leguminous, Cajanus cajan or gramineous, Brachiaria ruziziensis. Two dates of sowing, early and late were considered for the sowing of the cover crop in established maize, in the case of the experimental station. This study showed that maize yield was not significantly affected by the presence of the relay cover crops in comparison with maize as the sole crop, even when the cover crop was sown soon after maize emergence in comparison with maize sole crop. In contrast, the production of biomass by the cover crop was significantly lower when grown with maize than when it was grown as a sole crop. In the intercropped systems, when sown early, the cover crop produced higher total biomass than when sown late (20 days after maize flowering). Moreover, total aboveground biomass production of maize intercropped with a cover crop was much higher than that of any of the crops sown alone. Total biomass produced by maize and pigeon pea (Cajanus cajan) was more than double that maize grown alone. The Land Equivalent Ratio (LER) values of both maize grain yield and biomass production were higher than one, whatever the intercrop system, reaching up to 2.03 providing better available resources use efficiency by the intercropped plants. Thus, such systems permit to produce both maize grains and forage.The thesis shows also the strong variability of the production potential of these systems in farmer's fields and suggests that when water and nitrogen resources are less available than in the experimental station, competitions between maize and cover crops can reduce the agronomic performances of maize and/or the cover crop when compared to the equivalent pure sole crop. Total biomass produced by intercropping remained however higher than that of maize sole crop, except for rare exceptions where lower resources availability, sometimes accentuated by difficulties of technical practice, maize seems to suffer from stronger competition and/or the cover crop produced only very little biomass. The thesis evaluates the capacity of the STICS intercrop model, STICS-CA, to provide a finer analysis of the dynamics of the resource sharing in these systems and to estimate their agronomic performances and certain environmental impacts according to technical practices and soil and climate conditions that were different from those of our experimental station. Minor modifications and model calibration led to obtain satisfying simulations of the sole crops maize and Brachiaria and intercrop maize-Brachiaria in no-tillage under mulch. On the other hand, it was not possible to obtain satisfying simulations of sole crop maize in conventional tillage, nor of sole crop pigeon pea and intercrop maize-pigeon pea in no-tillage under mulch. The thesis provides information on the model imperfections and as well proposes improvements in terms of formalisms to take into account the mineralization of the mulch, as in terms of experimental design.

Un dispositif agronomique pérennisé entre 1995 et 1999 avec des systèmes de culture de maïs à couvertures végétales a été installé dans la zone écologique à forêt semi-décidue de Côte d'Ivoire. L'offre en N d'origine organique est étudiée dans le cadre de systèmes de culture de maïs, avec une durée de jachère de 6 mois (SC6MJ) et 18 mois (SC18MJ). Les jachères sont occupées soit par Chromolaena odorata (subspontanée), soit par Pueraria phaseoloides (introduite). Ces quatre systèmes sont comparés à deux témoins, un sans Chromolaena pour les SC6MJ et un avec brûlis de Chromolaena pour les SC18MJ. Les systèmes à couvertures végétales sont gérés en couvertures vivantes avec des herbicides et leur pérennité est assurée par une reprise de croissance des espèces avant la récolte de la céréale. Les systèmes à SC6MJ bénéficient d'une fertilisation modérée en phosphore. L'étude réalisée pose comme hypothèses de départ que (i) les déterminants de l'offre à court terme (cycle cultural) et à moyen terme (effets cumulés) dépendront principalement des quantités et de la qualité des litières de surface d'origine des jachères (ii) ces effets se concentreront à la surface du sol. Le potentiel de minéralisation des litières au laboratoire est corrélé avec leur rapport C/N, plus faible pour Pueraria (C/N entre 20 à 23) que pour Chromolaena (C/N entre 25 à 43). En 1998 la vitesse de disparition des litières suivie avec des " sacs de décomposition " est beaucoup plus rapide qu'en 1999 en relation au début du cycle de décomposition avec le régime pluviométrique. Les deux années la quantité de litières présentes après la coupe détermine le taux de décomposition à moyen terme des litières. Ces dynamiques, modélisées sur deux années, permettent de distinguer un compartiment de litières à disparition rapide et un compartiment à disparition lente. La comparaison des pertes en C dans des " sacs de décomposition " à maille différente montre que l'activité de la mésofaune et de la macrofaune du sol pourrait être responsable de la disparition de 50 % des litières au début du processus de décomposition et de 35% à la fin du processus de décomposition. Leur action de fragmentation et d'incorporation au sol des litières (meules des termites champignonnistes situées à la surface du sol) permet une disparition comparativement plus rapide des litières de Chromolaena que celles de Pueraria. L'application des modèles aux données obtenues sur les mobilisations en N des jachères en relation avec les besoins de la culture en N indique (i) un risque " d'asynchronie " en début de cycle (ii) une offre insuffisante en fin de cycle pour les SC6MJ (iii) peu de différenciation entre l'offre de Chromolaena et celle de Pueraria. L'offre en N in situ du sol en surface (0-10 cm) en 1998 et 1999, estimée pendant des périodes de 90 jours durant le cycle du maïs par des mesures et des incubations de sol, est corrélée pour les SC6MJ avec les mobilisations en N du maïs dans les parties aériennes. C'est le traitement avec Pueraria qui les deux années satisfait le mieux les besoins en N de la culture et cette offre est comparable à celle des SC18MJ. L'offre en N varie peu selon les traitements des SC18MJ. Le régime pluviométrique intervient (i) à une échelle pluriannuelle, en déterminant, l'intensité du pic de minéralisation en N minéral du sol et les accumulations en N dans les parties aériennes des jachères (ii) à l'échelle de la campagne en interaction avec les litières en surface et l'activité des systèmes racinaires des couvertures végétales. La litière de Pueraria semble mieux conserver l'humidité du sol et le système racinaire de Chromolaena mobiliser de plus fortes quantités d'eau. En situations hydriques limitantes, la minéralisation nette est corrélée aux humidités de sol. Les litières semblent être à l'origine en 1998 de l'augmentation de la biomasse microbienne du sol en surface créant ainsi une source potentielle d'immobilisation temporaire de N. En 1998 l'offre en N estimée par minéralisation nette indique une meilleure synchronie avec les besoins de la culture malgré une pluviométrie plus abondante en début de cycle par rapport en 1999. Une étude utilisant l'abondance naturelle 15N permet d'estimer que la litière de Pueraria peut contribuer fortement à la nutrition azotée de la culture, de 30 à 41% en 1998 et de 64 à 87% en 1999 dans le cadre du système de culture à jachère de 6 mois. Les différenciations sur les matières organiques du sol (MOS) indiquent un début d'effet sur les stocks évalués sur 0-10 cm en moyenne à 2.34 t ha-1 N pour les SC6MJ et en moyenne à 2.83 t ha-1 N pour les SC18MJ. Pour les SC6MJ la différence obtenue entre les apports et les pertes sur quatre années suggère que Chromolaena conserve mieux les stocks en C et N que Pueraria. La comparaison avec une jachère forestière située hors dispositif indique que la disponibilité en matériaux facilement minéralisables dans nos agrosystèmes est (i) réduite en fin de saison des pluies (ii) diminuée par la pratique du brûlis (iii) peu augmentée par la pratique de la jachère. Les études sur des incubations de longue durée (106 et 85 jours) montrent des effets significatifs sur les modélisations faites par ajustement aux points expérimentaux sur les cinétiques de respiration et de minéralisation nette cumulées (exprimées en proportion par rapport au C et N total du sol). Elles permettent d'identifier d'importants facteurs de différenciation au niveau du compartiment des MOS à taux de renouvellement élevé. Pour les SC6JM ce compartiment représente une part plus importante avec Pueraria, certainement en relation directe avec des apports cumulés de plus grande qualité biochimique (rapport lignine / N). La durée de la jachère n'améliore pas la disponibilité en N facilement minéralisable indiquant ainsi un blocage de C et N au niveau du sol de nature physique et/ou biochimique.

Les objectifs de développement de systèmes de culture durables imposent aux acteurs du développement rural une conception (ou reconception) et une évaluation de ces systèmes. Le prototypage peut être une méthodologie efficace de conception. Cependant, cette méthode conduit souvent les chercheurs à être seuls concepteurs alors que parallèlement l'appropriation des innovations dépend fortement de l'implication des autres acteurs dans les différentes étapes de conception et d'évaluation des nouveaux systèmes. En réponse, des approches participatives sont de plus en plus fréquentes pour pallier à cette difficulté d'appropriation tandis qu'une évaluation multicritère apporte une réponse aux objectifs d'évaluation de la durabilité des systèmes. La méthode développée dans cette thèse -nommée DISCS pour 're-Design and assessment of Innovative Sustainable Cropping Systems' - met en œuvre un processus de reconception des systèmes de culture par une approche participative tout en développant des outils d'évaluation multicritère spécifiques à chaque catégorie d'acteurs impliqués. La méthode DISCS s'inscrit tout de même dans la lignée de la méthodologie du prototypage mais se différencie par une démarche itérative à trois échelles d'étude (parcelle expérimentale, exploitation agricole et territoire) afin de s'assurer que les innovations et les critères d'évaluation répondent bien aux attentes des acteurs. A chaque étape du processus de reconception une évaluation est réalisée à l'aide d'un jeu d'indicateurs et ce aux trois échelles d'étude. DISCS a été testée sur le système de culture agrumicole en Guadeloupe (Antilles Françaises) dans un but de réduire l'utilisation des pesticides. Cinq prototypes de gestion de l'enherbement ont été conçus collectivement puis testés sur une station expérimentale selon les principes d'une approche systémique et évalués à l'aide d'indicateurs. Nous montrons dans ce travail que des systèmes de culture innovants peuvent être les produits d'une co-conception entre les producteurs et les chercheurs. DISCS permet aussi de définir explicitement le rôle de tous les différents acteurs impliqués dans le processus de reconception du système de culture. DISCS est particulièrement adaptée à la reconception des systèmes de culture pérenne notamment grâce à son processus d'amélioration pas à pas et itératif. Les outils d'évaluation multicritère développés, et notamment les indicateurs, permettent quant à eux de fournir des outils d'aide à la décision directement utilisables par les acteurs assurant ainsi un lien étroit entre la recherche et le développement. Dans cette thèse, nous présentons les premières étapes de reconception du système agrumicole guadeloupéen basée sur la méthode DISCS, à savoir du diagnostic initial pour identifier les objectifs d'amélioration du système en collaboration avec les acteurs, jusqu'à l'évaluation multicritère des prototypes de gestion de l'enherbement basée sur un jeu d'indicateurs approprié. Notre travail nous permet aujourd'hui de recommander des techniques de gestion de l'enherbement en jeunes vergers d'agrumes répondant aux contraintes actuelles de développement de systèmes de culture durable.