L'activité agricole peut entraîner un déséquilibre des cycles du carbone (C) et de l'azote (N) dans les écosystèmes terrestres naturels et entrainer une diminution des stocks de C et N dans le sol, une augmentation de la lixiviation du nitrate et des pertes d'azote par voie gazeuse. Pour réduire ces impacts environnementaux, la mise en place de systèmes agricoles innovants et durables est encouragée, tels que les systèmes à bas niveau intrants, l'agriculture de conservation ou l'agriculture biologique. Les objectifs de cette thèse sont i) de quantifier l'impact à long terme des différents systèmes de culture sur le devenir du carbone et de l'azote dans le système sol-plante-atmosphère et ii) de simuler la dynamique de ces éléments avec le modèle agro-environnemental STICS. À cette fin, nous avons étudié trois essais de longue durée : l'essai de La Cage (France) établi en 1998, l'essai DOK (Suisse) débuté en 1978 et l'essai Foulum (Danemark) créé en 1998. Alors que l'essai de La Cage a permis une quantification in situ du stockage du carbone et de l'azote organiques du sol, de la lixiviation de l'azote, des émissions de protoxyde d’azote (N2O) et de la balance des gaz à effet de serre pour des systèmes de culture alternatifs, les essais danois et suisses ont permis l'estimation in silico du devenir du C et N en agriculture biologique, après adaptation du modèle STICS pour simuler de nouvelles pratiques culturales. Après 16 années d’expérimentation, une accumulation annuelle significative de SOC et de SON a été observée en agriculture et en agriculture biologique à La Cage, alors qu'aucun changement significatif n'a été observé dans les systèmes conventionnels et bas intrants. La minéralisation spécifique de SOC et SON des quatre systèmes, simulée sur AMG et mesurée lors d’incubation des sols pendant quatre mois, s’est montrée équivalente entre systèmes. Le stockage de C et N observé dans les systèmes de conservation et biologiques s’explique principalement par l'augmentation des résidus de cultures plutôt que par l'effet du non-labour en agriculture de conservation. De plus, le surplus azoté (différence entre apports et exportations d’azote) a été calculé pour chaque système de culture. Le devenir de l’excédent d’azote a été estimé entre stockage de N dans le sol, pertes gazeuses et lixiviation de l'azote. Les émissions cumulatives de N2O mesurées en continu pendant plus de trois ans sont fortement corrélées avec les pertes totales calculées de N par voix gazeuse (volatilisation et dénitrification), ces pertes étant les plus importantes dans le système de conservation. Enfin, la réalisation d’un bilan complet des émissions de GES a montré de fortes différences entre système et des phénomènes de compensation entre stockage et perte de C et N. Le modèle sol-culture STICS a ensuite été utilisé pour simuler le devenir de l’azote dans les essais DOK et Foulum. Après une adaptation du modèle, sa calibration et son évaluation ont été réalisées permettant de simuler de façon satisfaisante les rendements, l'absorption de N, le surplus de N et l’évolution des stocks de SON dans les systèmes conventionnels et biologiques. Les simulations suggèrent que le devenir de l’azote dans ces systèmes peut être contrasté en fonction de la fertilisation et de la gestion des cultures et que les pertes d'azote ne sont pas systématiquement réduites en agriculture biologique par rapport au conventionnel. Cette thèse remet en question les appréciations simplistes qui associent systématiquement systèmes de culture alternatifs et diminution des impacts environnementaux liés aux cycles de C et N / Agricultural activities can lead to imbalanced carbon (C) and nitrogen (N) dynamics compared to natural terrestrial eco-systems, causing potential damages for soil, water and air quality. Among these prejudices, decreased soil C and N stocks, increased nitrate leaching in waters and gaseous N emissions towards the atmosphere are of a major concern. To reduce these environmental impacts, innovative and sustainable farming systems are promoted, such as low inputs cropping systems, “conservation” agriculture or organic farming. The objectives of this work were i) to quantify the long term impact of different alternative cropping systems on the fate of C and N in the soil-plantatmosphere system and ii) to simulate C and N dynamics with the agro-environmental model STICS. For this purpose, we studied three long-term field trials: the experiment of La Cage (France) established in 1998, the DOK (Switzerland) started in 1978 and the Foulum Organic (Denmark) established in 1998. The methodological approach combined experimentation and modelling. While La Cage trial enabled an in situ quantification of soil organic C and N storage, N leaching, nitrous oxide (N2O) emissions and greenhouse gas (GHG) balance in alternative cropping systems compared to conventional, the Swiss and Danish experiments were used for in silico estimation of the C and N fates in organic cropping systems, after adaptation of the STICS model, followed by calibration and evaluation of the model. Significant annual SOC and SON accumulation was found under conservation agriculture and organic farming at La Cage, whereas no significant change was observed in the low input and the conventional systems. No difference of specific SOC and SON mineralization rates was found between systems in vitro or in silico : we conclude that the higher C and N storage in soil observed in the conservation and organic systems was mainly driven by increased crop residues, rather than by the effect of no tillage practiced in conservation agriculture. The N surplus, i.e. the difference between N inputs and N exports at the field scale, varied widely between treatments. The fate of this N surplus also varied between systems with wide variations in SON storage and gaseous losses but no differences in N leaching. The cumulative N2O emissions measured continuously for three years were highly correlated with the calculated gaseous N losses (volatilization and denitrification), with higher losses in the conservation system. These calculations allowed establishing a full GHG balance. Therefore the four agricultural systems dissimilarly impacted the N fate, which could not be predicted by the N surplus alone. The GHG balance is a much better indicator of the environmental impact of cropping systems relative to C and N fluxes. In the Danish and Swiss experiments, the soil-crop model STICS was used to mimic crop production, N uptake and N surplus. The model was first adapted and evaluated to simulate organic farming systems. The model could satisfactorily simulate crop production, N uptake, N surplus and SON storage in the organic and conventional systems of these two longterm experiments. Model outputs suggested that the N fate could be contrasted according to fertilization and crop management, and that N losses were not systematically reduced in organic compared to conventional cropping systems. This study challenges the frequent belief that alternative cropping systems systematically improve the global C and N environmental impacts of agriculture.

Le quinoa est une pseudocéréale d'Amérique du Sud, cultivé essentiellement en région andine sur les Altiplanos boliviens et péruviens. Aujourd'hui, environ 25 000 tonnes sont produites annuellement en Bolivie, qui est devenu le premier exportateur mondial. Toutefois, l'Altiplano bolivien, d'altitude moyenne 3800m, est un milieu difficile, où les risques élevés de sécheresse et de gel pendant le cycle de culture sont à l'origine de rendements agricoles faibles et très variables. Ces conditions climatiques limitantes font de la germination et de la levée la principale phase critique de la culture du quinoa. Ce travail a eu comme objectif l'analyse de ces questions par modélisation, par le biais de l'adaptation d'un modèle générique de fonctionnement des cultures, STICS, au quinoa dans les conditions climatiques et culturales de l'Altiplano bolivien. Pour cela, des jeux de données ont été constitués grâce à des expérimentations en trois sites répartis du Nord au Sud de l'Altiplano. Dans un premier temps, l'implantation de la culture a été étudiée seule, par expérimentation numérique en testant différents itinéraires techniques. Le deuxième temps a consisté en la calibration du modèle pour le quinoa. Après analyse des formalismes existants et détermination du besoin d'ajouts ou de modifications de formalismes, les paramètres ont été déterminés. Les résultats obtenus s'avèrent assez satisfaisants. Enfin, dans un troisième temps, l'impact des techniques d'implantation sur le rendement a été testé. Différentes successions culturales ont également été simulées, afin de voir leur influence sur l'état hydrique et azoté du sol et sur l'implantation et le rendement de la culture.

Intensive farming often leads environmental consequences. This is the case of the study area of this thesis: the Empordà, a region with a variety of intensive crops (fruits, cereals, forage,...) and manifest problems of groundwater pollution by nitrates whose origin points also to agricultural practices in the area. The work has focusen on monoculture production of corn for grain with furrow irrigation and mineral nitrogen fertilization. Within this framework, objectives has been defined as: (1) to evaluate the influence that irrigation and nitrogen fertilization have on production and environmental impacts (groundwater pollution by nitrates), and (2) to evaluate an implement simulation codes to deepen in knowledge of irrigation and crop management in the area. It has been defined an experimental test of two years on the same plot where five modules -with eight furrows each- of surface irrigation has been set for evaluating performance irrigation. On these modules has been sown corn and defined five different treatments -with three replicates each- resulting from the interaction of three doses of mineral nitrogen fertilizer (0, 210, and 500 kg N/ha) and two types of fertilizer: conventional (with two applications) an low release (with one application). The corn crop management was carried out according to standard practices in the study area. The experimental plot has been intensively monitored and sampled for monitoring and for quantifying all the variables that have influenced the behavior of irrigation and crop response to the treatments done. This information has also been used for to calibrate and/or to validate the RAIEOPT, EVASUP2, SIMRAIE, SIRMOD, HYDRUS, and STICS codes. The conclusions drawn from the results obtained on the irrigation system are: (1) first irrigation behaves very differently from other irrigations of the campaign, (2) the environment conditions where irrigation is developed are variable (furrow cross section, infiltration, soil compactation, and surface roughness) and influence on the behavior of irrigation, (3) the total dose of applied water did not exceed in any case 75% of the theoretical needs of the crop, (4) the simulation codes that best reflect observed irrigation behavior are RAIEOPT for calculating the average infiltration function and SIMRAIE for estimating doses of water infiltrated along the furrow, and (5) in the conditions experienced, the dose profiles of the infiltrated water along the furrows are practically flat. In terms of crop response to experimental scenarios tested is concluded that: (1) treatment with no application of nitrogen fertilizer has a grain yield of about 40% lower than the other treatments, (2) there are no differences in crop yield rates on treatments with some application of mineral fertilizer nitrogen, (3) the nitrogen leaching losses are associated with periods of drainage and are proportional to soil nitrogen content at the beginning of these periods, and (4) there has been no drainage during the two irrigation periods tested. Finally, on the simulation of soil-plant-atmosphere with STICS code is concluded that: (1) STICS is a useful tool for simulating the agricultural system in scenarios with and without crops, and (2) STICS tends to overestimate the risk of nitrate leaching observed in plot. / L’agricultura intensiva normalment porta associades conseqüències sobre el medi ambient. Aquest és el cas de l’àrea d’estudi de la present tesi doctoral: l’Empordà, una regió amb gran varietat de cultius intensius (fruiters, cereals, farratges,...) i amb problemes manifestos de contaminació d’aigües subterrànies per nitrats l’origen dels quals apunta, també, a les pràctiques agrícoles de la zona.El treball realitzat s’ha centrat en el monocultiu de blat de moro per a producció de gra amb reg per superfície en solcs i amb fertilització nitrogenada mineral. En aquest marc, s’han definit com a objectius (1) avaluar la influència que el reg i la fertilització nitrogenada tenen sobre la producció i l’impacte ambiental (contaminació subterrània per nitrats) i (2) avaluar i aplicar codis de simulació que permetin aprofundir en el coneixement del sistema de reg i el maneig del cultiu a la zona.S’ha plantejat un assaig experimental de dos anys de durada sobre la mateixa parcel•la experimental. En ella s’han configurat cinc mòduls de reg de 8 solcs cadascun per a l’avaluació del comportament del reg. Sobre aquests mòduls s’ha sembrat blat de moro i s’han definit cinc tractaments diferents (amb tres repeticions cadascun) fruit de la interacció de tres dosis de fertilitzant mineral nitrogenat (0, 210 i 500 kg N/ha) i dos tipus de fertilitzant: convencional (amb aplicacions de fons i de cobertora) i d’alliberació gradual (amb una aplicació de fons). El maneig del cultiu s’ha realitzat segons les pràctiques habituals de la regió.La parcel•la experimental s’ha monitoritzat i s’han pres mostres intensivament per a fer un seguiment i quantificar totes les variables que han influït en el comportament del reg i en la resposta agronòmica del cultiu als tractaments realitzats. Amb aquesta informació s’han calibrat i/o validat els codis de simulació RAIEOPT, EVASUP2, SIMRAIE, SIRMOD, LIXIM, HYDRUS i STICS.De l’anàlisi dels resultats obtinguts, sobre el sistema de reg per superfície es conclou que: (1) que el primer reg es comporta de forma molt diferent a la resta de regs de la campanya; (2) que les condicions del medi on es desenvolupa el reg són variables (secció transversal del solc, infiltració, compactació i rugositat del sòl) i influeixen en el comportament del reg; (3) que les dosis totals d’aigua aplicades no han superat en cap cas el 75% de les necessitats teòriques del cultiu; (4) que els codis de simulació que millor reflecteixen el comportament del reg observat són el RAIEOPT pel càlcul de la funció mitjana d’infiltració en solcs i el SIMRAIE per preveure les dosis d’aigua infiltrades al llarg del solc de reg; i (5) que, en les condicions experimentades, els perfils de les dosis d’aigua infiltrades al llarg dels solcs són pràcticament horitzontals.En quant a la resposta del cultiu als escenaris experimentals realitzats es conclou que: (1) el tractament sense aportació de fertilitzant nitrogenat té un rendiment en producció de gra de prop del 40% menor que la resta de tractaments; (2) no s’observen diferències en els índexs de rendiment del cultiu entre els tractaments amb alguna aportació de fertilitzant mineral nitrogenat; (3) les pèrdues de nitrogen per lixiviació van associades a períodes dedrenatge i són proporcionals al nitrogen present en el sòl a l’inici d’aquests períodes; i (4) no s’ha produït drenatge durant els períodes de reg assajats.Finalment, sobre la simulació del sistema sòl-planta-atmosfera amb el codi STICS es conclou que: (1) STICS és una eina útil de simulació del sistema agrícola en escenaris amb i sense cultiu; i (2) STICS tendeix a sobreestimar els risc de lixiviació de nitrats observat en parcel•la.

Les changements de contexte économique, réglementaire et environnementaux auxquels la production agricole doit faire face nécessitent d'évaluer de nouvelles stratégies de gestion conjointe de l'irrigation et de la fertilisation pour blé dur. Le travail de thèse a suivi un double objectif : i) adapter le modèle de culture STICS à différents cultivars de blé dur, et ii) concevoir un modèle de décision des pratiques de fertilisation azotée et d'irrigation. Une base de données comportant 373 traitements expérimentaux issus de douze années climatiques a été constituée à partir d'expérimentations réalisées avant la thèse à l'INRA et ARVALIS puis mobilisée pour conduire le travail d'adaptation et d'évaluation du modèle de culture. L'adaptation du modèle de culture a consisté dans un premier temps en un travail d'estimation de paramètres par optimisation mathématique pour sept cultivars de blé dur. Une analyse comparative de trois démarches a permis de sélectionner la démarche pertinente pour obtenir un modèle précis et robuste pour la simulation du rendement, de la teneur en azote des grains et des variables intermédiaires (Biomasse aérienne, surface foliaire, quantité d'azote absorbée) dans différents contextes pédo-climatiques (large gamme de niveaux de nutrition hydrique et azotée). Cette étude fournit un cadre méthodologique pour l'estimation des paramètres des modèles de culture. Les résultats de ce travail ont de plus démontré que le modèle de culture, avec son formalisme initial, n'était pas sensible à l'effet du fractionnement de la fertilisation sur la quantité d'azote et la teneur en azote des grains. L'adaptation est appréhendée dans un deuxième temps par la modification du formalisme d'accumulation de l'azote dans les grains par l'introduction d'un formalisme inspiré du modèle AZODYN. La modification n'a pas amélioré suffisamment la sensibilité du modèle à l'effet du fractionnement sur la teneur en azote des grains. Le manque de données expérimentales en phase post-floraison et notamment la dynamique de la sénescence foliaire n'a pas permis d'améliorer la capacité du modèle de culture à simuler les processus d'absorption d'azote du sol après la floraison. A partir d'une enquête auprès de 29 irrigants de blé dur, les pratiques et les stratégies de fertilisation azotée et d'irrigation, ainsi que les décisions stratégiques et tactiques ont été identifiées et formalisées dans un modèle de décision. Une évaluation de stratégies conçues sur la base des résultats d'enquêtes est proposée comme illustration de l'utilisation du modèle STICS adapté au blé dur et du modèle de décision formalisé. Le couplage informatique du modèle de culture STICS au modèle de décision permettra de disposer d'un modèle bio-décisionnel et ainsi pourra être utilisé pour concevoir et évaluer des stratégies de gestion conjointe de l'irrigation et de la fertilisation azotée du blé dur adaptées au contexte des exploitations agricoles / Changes in economic, regulatory and environmental context of agricultural production raise the need for research to evaluate and propose new strategies for joint management of irrigation and fertilization for durum wheat. The thesis had two objectives: i) adapting the simulation crop model STICS to different durum wheat cultivars, and ii) designing a decision model for nitrogen fertilization and irrigation practices. A database containing 373 experimental treatments carried out by INRA and ARVALIS before this PhD work was established and mobilized to conduct the adaptation and the evaluation of crop model. The adaptation of the crop model was first conducted through durum wheat parameter estimation by mathematical optimization. A comparative analysis of three approaches was conducted to select an appropriate approach to obtain an accurate and robust crop model for the simulation of grain yield, grain nitrogen content and intermediate variables (biomass, leaf area, amount of nitrogen absorbed) in different soil and climatic conditions. This study provided a methodological framework for crop models parameters estimation. The results of this study showed that the crop model, with its original formalism, was not sensitive to the effect of splitting of fertilization on the grain nitrogen content and protein concentration. The adaptation was then conducted through the modification of the formalism of nitrogen accumulation in grains by introducing a formalism inspired the AZODYN crop model. The modification did not significantly improve the model's sensitivity to the effect of N splitting on the nitrogen content of grain. The results of this study call into question the ability of crop model to simulate the absorption process of nitrogen after flowering. Unfortunately the lack of data concerning post-flowering leaf area dynmaics did not allow improving the model. From a survey of 29 irrigators, practices and strategies of nitrogen fertilization and irrigation, as well as strategic and tactical decisions have been identified and formalized in a decision model. An evaluation of strategies based on survey results is given as an illustration of the potential use of the STICS soil-crop model and the decision rules identified and formalised. The coupling of the crop model to the model decision will allow proposing and evaluating strategies adapted to the farm context for joint management of irrigation and nitrogen fertilization of durum wheat

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The managedment of the pig manure, in the slurry or solid form (deep bedding), and how it is applied to the soil, in the surface or incorporated, must affect the dynamics of the C and the N in the soil. The objectives of this work were: 1) to evaluate the dynamics of the C and the N in soil and to evaluate the N supply to maize which were applied pig manure in the slurry and solid form, in no-tillage and minimum tillage system; and 2) to use the STICS model (BRISSON et al., 1998) to simulate the dynamics of N and water in the soil-plant system with the use of pig slurry in maize under no-tillage system. To reach the first objective, three experiments were realized. Two of them in the field conditions, during the period of 2002/03 in the Experimental Area of the UFSM/RS Soil Department in a typic Hapludult and one of them in laboratory conditions. The treatments consisted in the application or no application of pig manure in the slurry and solid form (deep bedding) on the crop oats residues with and without incorporation to the soil in the maize. Aiming to reach the second objective, a data set generated in the Experimental Area of the UFSM Soil Department during the period of 1998 to 2002, involving the N dynamics in the soil-plant system, with the use of pig slurry in notillage system was used. The gotten results had indicated that the N losses by NH3 volatilization were higher with the application of pig slurry than with the application of solid manure and that these losses decrease with the incorporation of the manure to the soil. The amounts of mineral N in the soil layer of 0-90 cm did not differ between the treatments with and without incorporation of the manure in spite of the lost N amount by volatilization has been higher in the treatment without incorporation. The incorporation of the manure to the soil did not increase the straw C decomposition and nor the N immobilization. The presence of the oats straw stimulated the immobilization of the ammoniacal N applied with the pig slurry. The solid manure presented low nitrogenous fertilizing otential to the maize when compared to the pig slurry in terms of the low mineralization rate of the organic N, present in the deep bedding. The N-N2O emission increased with the application of the pig slurry on the oats straw in relation to the system with straw and without pig slurry. The pig slurry ammoniacal 15N recovery by the maize in physiological maturation stage was only 14.9%. In the same period, only 49.2% of the ammoniacal 15N applied with the slurry pig slurry were recuperated in the soil and the plant (aerial part + roots), indicating that more than a half of the ammoniacal N applied with the pig slurry was lost through the volatilization, lixiviation and denitrification processes. The STICS model underestimates the amount of N lost by ammonia volatilization after the pig slurry application. The use of a factor in STICS to express the N losses by ammonia volatilization provided an improvement in the simulations of the N dynamics in the soil. The water dynamics in the soil layer of 0 - 60 cm was simulated by STICS with an error lower than 13.5%. These work results showed that the STICS reparametred model presents potential to be used in subtropical weather conditions in the simulation of the N and water dynamics in no-tillage system with the use of pig manure. / A forma como os dejetos de suínos são manejados, se na forma líquida ou sólida (cama sobreposta), e o modo de aplicação dos mesmos no solo, se na superfície ou incorporados, devem afetar a dinâmica do C e do N no solo. Os objetivos deste trabalho foram: 1) avaliar a dinâmica do C e do N no solo e o fornecimento de N ao milho com uso de dejetos de suínos na forma líquida e sólida, em sistema plantio direto e preparo reduzido do solo; e 2) utilizar o modelo STICS (BRISSON et al., 1998) para simular a dinâmica do N e da água no sistema solo-planta com o uso de dejetos líquidos de suínos em sistema plantio direto de milho. Para atingir o primeiro objetivo, foram realizados três experimentos, sendo dois em condições de campo, no período de 2002/03 na área Experimental do Departamento de Solos da UFSM/RS, em solo Argissolo Vermelho distrófico arênico, e um em condições de laboratório. Os tratamentos consistiram da aplicação ou não de dejetos de suínos na forma líquida e sólida (cama sobreposta), sobre os resíduos culturais de aveia com e sem incorporação ao solo, na cultura do milho. Com vistas ao alcance do segundo objetivo, foi utilizado um conjunto de dados gerados na área Experimental do Departamento de Solos da UFSM no período de 1998 a 2002 envolvendo a dinâmica do N no sistema solo-planta com o uso de dejetos líquidos de suínos em sistema plantio direto. Os resultados obtidos indicaram que as perdas de N por volatilização de NH3 foram maiores com a aplicação de dejetos líquidos de suínos do que com a aplicação de dejetos sólidos e que essas perdas diminuíram com a incorporação dos dejetos ao solo. As quantidades de N mineral na camada de 0-90 cm do solo não diferiram entre os tratamentos com e sem incorporação dos dejetos apesar da quantidade de N perdida por volatilização ter sido maior no tratamento sem incorporação. A incorporação dos dejetos ao solo não aumentou a decomposição do C da palha e nem a imobilização de N. A presença da palha de aveia estimulou a imobilização do N amoniacal aplicado com os dejetos de suínos. Os dejetos sólidos apresentaram baixo potencial fertilizante nitrogenado ao milho, comparado aos dejetos líquidos, em função da baixa taxa de mineralização do N orgânico presente na cama sobreposta. A emissão de N-N2O aumentou com a aplicação dos dejetos líquidos sobre a palha de aveia em relação ao sistema com palha e sem dejetos. A recuperação do 15N amonical dos dejetos líquidos pelo milho no estádio de maturação fisiológica foi de apenas 14,9%. Nesse mesmo período, apenas 49,2% do 15N amoniacal aplicado com os dejetos líquidos de suínos foram recuperados no solo e na planta (parte aérea + raízes), indicando que mais da metade do N amoniacal aplicado com os dejetos foi perdido através dos processos de volatilização, lixiviação e desnitrificação. O modelo STICS subestimou a quantidade de N perdida por volatilização de amônia, após a aplicação dos dejetos de suínos. O uso de um fator em STICS para expressar a perdas de N por volatilização de amônia proporcionou uma melhora nas simulações da dinâmica do N no solo. A dinâmica da água na camada 0 60 cm do solo foi simulada por STICS com um erro inferior a 13,5%. Os resultados desse estudo evidenciaram que o modelo STICS reparametrado apresenta potencial para ser utilizado em condições de clima subtropical na simulação da dinâmica do N e da água em sistema plantio direto com o uso de dejetos de suínos.

Le concept de « service écosystémique », en plein essor depuis la publication du Millenium Ecosystem Assessment en 2005, a permis de souligner l'importance des performances non-marchandes des écosystèmes. En arboriculture, assurer une bonne productivité tout en préservant les ressources naturelles et la santé humaine est aujourd’hui un défi majeur, qui peut être analysé sous l’angle des services écosystémiques. Quels sont ces services au sein d’un verger de pommiers ? Comment les analyser ? Quels sont les liens - conflits et synergies - entre services écosystémiques multiples et comment les systèmes de culture modifient-ils les profils de services multiples? Ce travail de thèse vise à répondre à ces questions avec une démarche novatrice combinant mesures expérimentales, modélisation et analyse statistique. Suite à une analyse bibliographique des services écosystémiques pouvant être délivrés dans des vergers, cinq services ont été sélectionnés. Il s’agit de la production de fruits, de la disponibilité de l’azote dans le sol, de la régulation du climat reposant sur la prévention de la dénitrification de l’azote et sur la séquestration du carbone, de la maintenance et de la régulation du cycle de l’eau y compris de sa qualité, et de la régulation des bioagresseurs. Conjointement à ces services nous avons considéré les nuisances environnementales dues aux pesticides. Pour chaque service nous avons identifié les fonctions écosystémiques sous-jacentes ainsi que les pratiques agricoles et les conditions pédoclimatiques ayant un impact sur ces fonctions. Les services et fonctions ont été décrits par un ou plusieurs indicateurs et quantifiés à l’aide de modèles dans les cas suivants : (i) neuf systèmes de culture réels sur deux dispositifs expérimentaux dans le sud-est de la France et (ii) 150 systèmes de culture fictifs conçus à partir de la combinaison de cinq leviers de pratiques et de leurs modalités, dans des conditions pédoclimatiques identiques. Les deux modèles utilisés ont été STICS, un modèle générique de simulation du fonctionnement du sol et des cultures sous l’influence des pratiques, qui a nécessité une paramétrisation et une évaluation sur pommier à partir de mesures expérimentales, et IPSIM, une plateforme de modélisation simulant les effets des pratiques et des conditions du milieu sur les dégâts aux cultures causés par les bioagresseurs. IPSIM a été paramétré sur pommier, sur la base d’une importante étude bibliographique et à dires d’experts. Les simulations des modèles ont fait l’objet d’analyses statistiques simples dans le cas des systèmes de culture réels, et d’analyses multivariées à deux tableaux (analyse en composantes principales avec variables instrumentales) pour les systèmes de culture fictifs. Pour les neufs systèmes de culture réels, 14 liens importants entre services écosystémiques ont été identifiés, notamment des conflits comme celui entre la prévention de la dénitrification ou de la lixiviation de l’azote et la disponibilité de l’azote dans le sol à court terme, et des synergies, comme celle entre l’humidité du sol ou la séquestration du carbone et la disponibilité de l’azote dans le sol à court terme. Ces liens entre services sont expliqués par les fonctions écosystémiques sous-jacentes. La comparaison de profils de services entre systèmes a mis en évidence l’impact de pratiques agricoles sur certains services. Ainsi, sur un même site, une forte densité de plantation augmente la production de fruits et la séquestration du carbone. La fertilisation exclusivement sous une forme organique diminue la production de fruits via un stress azoté mais diminue également la lixiviation. Par ailleurs, les profils de services sont fortement influencés par les caractéristiques pédoclimatiques de chaque site. Ces résultats confortent la nécessité d’une prise en compte explicite de l’interdépendance ‘pratiques x conditions du milieu’ pour analyser les services. / The concept of « ecosystem service », which has been used increasingly since the publication of the Millennium Ecosystem Assessment in 2005, has highlighted the importance of ecosystem’s non-marketed performances. In orchards, ensuring high productivity while preserving natural resources and human health has become a real challenge that could be analyzed with the concept of ecosystem service. Which ecosystem services are delivered in an apple orchard? How to analyze them? What are the relationships - conflicts or synergies – among multiple ecosystem services and how do cropping systems change multiple ecosystem service profiles? This PhD work aims at answering those questions with an innovative approach combining experimental measures, modeling and statistical analysis.Based on a literature review of ecosystem services in orchards, five services were selected: fruit production, nitrogen availability in soil, climate regulation based on the prevention of nitrogen denitrification and on carbon sequestration, maintenance and regulation of water cycle, including water quality, and pest control. We also considered the environmental disturbances caused by the use of pesticides. For each service, we identified the underlying ecosystem functions as well as the agricultural practices and soil and climate conditions affecting these functions. Services and functions were described by one or multiple indicators and quantified using models in the case of (i) nine existing cropping systems on two experimental sites in southeastern France differing in terms of soil and climate conditions, and (ii) 150 virtual cropping systems designed out of the combination of five major agricultural practice levers and their modalities, in identical soil and climate conditions. The two models used were STICS, a generic soil-crop simulation model under the influence of practices which required a parameterization and an evaluation on apple orchards based on experimental measures, and IPSIM, a generic modeling framework simulating the impacts of agricultural practices and local conditions on crop injuries caused by pests. IPSIM was parameterized on apple orchards, based on an important literature review and expert opinions. Model simulations were analyzed with simple statistics in the case of the nine existing cropping systems and with two-table multivariate analyses (principal component analysis with instrumental variables) for virtual cropping systems.Concerning the existing cropping systems, 14 important relationships were identified among ecosystem services, especially conflicts, like the one between nitrogen denitrification or leaching prevention and soil nitrogen availability on the short term, and synergies such as the one between soil humidity or carbon sequestration and nitrogen availability on the short term. These relationships are explained by the underlying ecosystem functions. Comparing service profiles among cropping systems highlighted the impacts of agricultural practices on some services. That way, on a same site, a high planting density increases fruit production and carbon sequestration. An exclusively organic fertilization decreases fruit production through nitrogen stress but also nitrogen leaching in drained water. Furthermore, service profiles are strongly influenced by the soil and climate conditions of each site. These results strengthen the need to explicitly consider the ‘agricultural practices x soil and climate conditions’ interdependence in order to analyze ecosystem services. The results obtained with the virtual cropping systems simulations confirmed those of the existing ones and gave precision on the impacts of fertilization, irrigation and pest control for codling moth, rosy apple aphid and apple scab on ecosystem functions and services.

Les modèles de culture constituent des outils indispensables pour comprendre l’influence des conditions agropédoclimatiques sur le système sol-plante à différentes échelles spatiales et temporelles. A l’échelle locale de la parcelle agricole, le modèle peut être utilisé dans le cadre de l’agriculture de précision pour optimiser les pratiques de fertilisation azotée de façon à maximiser le rendement ou le revenu tout en minimisant le lessivage des nitrates vers la nappe. Cependant, la pertinence de l’utilisation du modèle repose sur la qualité des prédictions réalisées, basée entre autres sur une bonne détermination des paramètres d’entrée du modèle. Dans le cadre de l’agriculture de précision, les paramètres concernant les propriétés des sols sont les plus délicates à connaître en tout point de la parcelle et il existe très peu de cartes de sols permettant de les déterminer de manière précise. Néanmoins, dans ce contexte, on peut disposer d’observations acquises automatiquement sur l’état du système sol-plante, telles que des images de télédétection, les cartes de rendement ou les mesures de résistivité électrique du sol. Il existe alors une alternative intéressante pour estimer les propriétés des sols à l’échelle de la parcelle qui consiste à inverser le modèle de culture à partir de ces observations pour retrouver les valeurs des propriétés des sols. L’objectif de cette thèse consiste (i) dans un premier temps à analyser les performances d’estimation des propriétés des sols par inversion du modèle STICS à partir de différents jeux d’observations sur des cultures de blé et de betterave sucrière, en mettant en oeuvre une méthode bayésienne de type Importance Sampling, (ii) dans un second temps à mesurer l’amélioration des prédictions de variables agro-environnementales réalisées par le modèle à partir des valeurs estimées des paramètres. Nous montrons que l’analyse de sensibilité globale permet de quantifier la quantité d’information contenue dans les jeux d’observations et les performances réalisées en matière d’estimation des paramètres. Ce sont les propriétés liées au fonctionnement hydrique du sol (humidité à la capacité au champ, profondeur de sol, conditions initiales) qui bénéficient globalement de la meilleure performance d’estimation par inversion. La performance d’estimation, évaluée par comparaison avec l’estimation fournie par l’information a priori, dépend fortement du jeu d’observation et est significativement améliorée lorsque les observations sont faites sur une culture de betterave, les conditions climatiques sont sèches ou la profondeur de sol est faible. Les prédictions agro-environnementales, notamment la quantité et la qualité du rendement, peuvent être grandement améliorées lorsque les propriétés du sol sont estimées par inversion, car les variables prédites par le modèle sont également sensibles aux propriétés liées à l’état hydrique du sol. Pour finir, nous montrons dans un travail exploratoire que la prise en compte d’une information sur la structure spatiale des propriétés du sol fournie par les mesures de résistivité électrique, peut permettre d’améliorer l’estimation spatialisée des propriétés du sol. Les observations acquises automatiquement sur le couvert végétal et la résistivité électrique du sol se révèlent être pertinentes pour estimer les propriétés du sol par inversion du modèle et améliorer les prédictions des variables agro-environnementales sur lesquelles reposent les règles de choix des pratiques agricoles / Dynamic crop models are very useful to predict the behavior of crops in their environment and are widely used in a lot of agro-environmental work. These models have many parameters and their spatial application require a good knowledge of these parameters,especially of the soil parameters. These parameters can be estimated from soil analysis at different points but this is very costly and requires a lot of experimental work. Nevertheless,observations on crops provided by new techniques like remote sensing or yield monitoring, is a possibility for estimating soil parameters through the inversion of crop models. In my work, the STICS crop model is studied for the wheat and the sugar beet and it includes more than 200 parameters. After a previous work based on a large experimental database for calibrate parameters related to the characteristics of the crop, I started my study with a global sensitivity analysis of the observed variables (leaf area index LAI and absorbed nitrogen QN provided by remote sensing data, and yield at harvest provided by yield monitoring) to the soil parameters, in order to determine which of them have to be estimated. This study was made in different climatic and agronomic conditions and it reveals that 7 soil parameters (4 related to the water and 3 related to the nitrogen) have a clearly influence on the variance of the observed variables and have to be therefore estimated. For estimating these 7 soil parameters, I chose a Bayesian data assimilation method (because I have prior information on these parameters) named Importance Sampling by using observations, on wheat and sugar beet crop, of LAI and QN at various dates and yield at harvest acquired on different climatic and agronomic conditions. The quality of parameter estimation is then determined by comparing the result of parameter estimation with only prio rinformation and the result with the posterior information provided by the Bayesian data assimilation method. The result of the parameter estimation show that the whole set of parameter has a better quality of estimation when observations on sugar beet are assimilated. At the same time, global sensitivity analysis of the observed variables to the 7 soil parameters have been performed, allowing me to build a criterion based on sensitivity indices (provided by the global sensitivity analysis) able to rank the parameters with respect to their quality of estimate. This criterion constitutes an interesting tool for determining which parameters it is possible to estimate to reduce probably the uncertainties on the predictions. The prediction of the crop behaviour when estimating the soil parameters is then studied. Indeed, the quality of prediction of agro-environmental variables of the STICS crop model (yield, protein of the grain and nitrogen balance at harvest) is determined by comparing the result of the prediction using the prior information on the parameters and the result using the posterior information. As for the estimation of soil parameters, the prediction of the variable is made on different climatic and agronomic conditions. According to the result of parameter estimation, assimilating observations on sugar beet lead to a better quality ofprediction of the variables than observations on wheat. It was also shown that the number ofcrop seasons observed and the number of observations improve the quality of the prediction

Les modèles de culture constituent des outils indispensables pour comprendre l'influence des conditions agropédoclimatiques sur le système sol-plante à différentes échelles spatiales et temporelles. A l'échelle locale de la parcelle agricole, le modèle peut être utilisé dans le cadre de l'agriculture de précision pour optimiser les pratiques de fertilisation azotée de façon à maximiser le rendement ou le revenu tout en minimisant le lessivage des nitrates vers la nappe. Cependant, la pertinence de l'utilisation du modèle repose sur la qualité des prédictions réalisées, basée entre autres sur une bonne détermination des paramètres d'entrée du modèle. Dans le cadre de l'agriculture de précision, les paramètres concernant les propriétés des sols sont les plus délicates à connaître en tout point de la parcelle et il existe très peu de cartes de sols permettant de les déterminer de manière précise. Néanmoins, dans ce contexte, on peut disposer d'observations acquises automatiquement sur l'état du système sol-plante, telles que des images de télédétection, les cartes de rendement ou les mesures de résistivité électrique du sol. Il existe alors une alternative intéressante pour estimer les propriétés des sols à l'échelle de la parcelle qui consiste à inverser le modèle de culture à partir de ces observations pour retrouver les valeurs des propriétés des sols. L'objectif de cette thèse consiste (i) dans un premier temps à analyser les performances d'estimation des propriétés des sols par inversion du modèle STICS à partir de différents jeux d'observations sur des cultures de blé et de betterave sucrière, en mettant en oeuvre une méthode bayésienne de type Importance Sampling, (ii) dans un second temps à mesurer l'amélioration des prédictions de variables agro-environnementales réalisées par le modèle à partir des valeurs estimées des paramètres. Nous montrons que l'analyse de sensibilité globale permet de quantifier la quantité d'information contenue dans les jeux d'observations et les performances réalisées en matière d'estimation des paramètres. Ce sont les propriétés liées au fonctionnement hydrique du sol (humidité à la capacité au champ, profondeur de sol, conditions initiales) qui bénéficient globalement de la meilleure performance d'estimation par inversion. La performance d'estimation, évaluée par comparaison avec l'estimation fournie par l'information a priori, dépend fortement du jeu d'observation et est significativement améliorée lorsque les observations sont faites sur une culture de betterave, les conditions climatiques sont sèches ou la profondeur de sol est faible. Les prédictions agro-environnementales, notamment la quantité et la qualité du rendement, peuvent être grandement améliorées lorsque les propriétés du sol sont estimées par inversion, car les variables prédites par le modèle sont également sensibles aux propriétés liées à l'état hydrique du sol. Pour finir, nous montrons dans un travail exploratoire que la prise en compte d'une information sur la structure spatiale des propriétés du sol fournie par les mesures de résistivité électrique, peut permettre d'améliorer l'estimation spatialisée des propriétés du sol. Les observations acquises automatiquement sur le couvert végétal et la résistivité électrique du sol se révèlent être pertinentes pour estimer les propriétés du sol par inversion du modèle et améliorer les prédictions des variables agro-environnementales sur lesquelles reposent les règles de choix des pratiques agricoles