Malgré l'impact économique et les enjeux environnementaux liés à la production d'énergie renouvelable par combustion de la biomasse de canne à sucre, les systèmes de culture canniers ne sont optimisés que pour maximiser la production de sucre. Ce travail contribue à l'élaboration d'un module de simulation de l'évolution des composantes du rendement énergétique (CRE) de la biomasse de canne à sucre qui à terme servira à la conception et l'optimisation de systèmes de culture innovants visant une production multi-usages. Les deux critères retenus dans le cadre de ces systèmes de culture sont les rendements énergétique (MJ m-2) et sucrier (kg m-2). En préalable à la formalisation des dynamiques d'évolution des CRE(fractions anatomiques, structures et lignocelluloses) dans la biomasse de canne à sucre, l'influence de facteurs de variations agro-climatiques sur ces dynamiques d'évolution a du être testé. La vérification de cette hypothèse supposant la collecte massive de données au champ, un modèle proche infrarouge de prédiction des CRE dans la biomasse de canne à sucre a été développé. Ce modèle a permis de quantifier les CRE et de suivre leurs évolutions pour 3 cultivars de canne à sucre (R570, R579 et R585) cultivés dans des environnements contrastés (4 sites) durant deux cycles de culture (vierge et première repousse). Cette étude a révélé des différences significatives entre cycles de culture, sites, cultivars, méthodes coupe et composantes anatomiques pour les CRE et le rendement énergétique. Cependant, lerendement en biomasse aérienne de canne à sucre explique 97% de la variabilité du rendement énergétique à la récolte. La maximisation du rendement en biomasse aérienne s'avère être le principal paramètre à optimiser pour maximiser le rendement énergétique de la production. Toutefois, ces nouveaux objectifs de production peuvent être à l'origine de diminution importantes des rendements en sucre par pertes lors du procédé d'extraction. Ces antagonismes doivent être quantifiés et pris en compte dans l'évaluation de performances de système de culture tant que le sucre sera la principale source de rémunération.

Les distributions spatiales des racines fines de Quercus rubra L. (CHR), Populus deltoides x nigra (DN3570) (PEH) et d’une culture fourragère (FOUR) ont été étudiées dans un système agroforestier de culture intercalaire (SCI) du sud du Québec (Canada). L’étude ne révèle pas d’enracinement plus profond des arbres en SCI, mais des profils superficiels à l’instar de nombreuses espèces d’arbres en plantations ou en milieu naturel. Une séparation spatiale existe entre les systèmes racinaires du FOUR et des CHR dont la densité relative selon la profondeur est plus faible que celle de la culture de 0 à 10 cm, mais plus élevée de 10 à 30 cm. Les PEH ne présentent pas d’adaptation racinaire et les hautes valeurs de densités de longueur racinaires (FRLD) de surface près du tronc entraînent une diminution de 45 % de la densité racinaire de surface du fourrage, suggérant une forte compétition pour les ressources du sol. L’étude du rendement agricole a d’ailleurs révélé des réductions de biomasse fourragère particulièrement près des PEH. Cependant, les résultats d’une analyse à composantes principales suggèrent un impact secondaire de la compétition racinaire sur le rendement agricole, et une plus grande importance de la compétition pour la lumière. L’impact des PEH à croissance rapide sur la culture est plus grand que celui du CHR. Cependant, ils seront récoltés plus rapidement et l’espace libéré favorisera la croissance de la culture intercalaire. Cet aspect dynamique des SCI les rapproche des écosystèmes naturels et devrait être réfléchi et approfondi pour leur succès futur. / Spatial distributions of fine roots were studied in a tree-based intercrop system (TBI) with Quercus rubra L. (CHR), Populus deltoides x nigra (DN3570) (PEH) and pasture species (FOUR) in southern Québec (Canada). Results didn’t show deeper root profiles for trees in TBI. Profiles were superficial as commonly found for tree species grown in conventional plantations or in natural ecosystems. More than 95 % of fine roots were found in 25 cm and 45 cm depth for CHR and PEH, and in 35 cm for pasture. However, spatial separation exists between CHR and pasture fine roots systems as CHR allocate less fine roots in the top 10 cm of soil, and more between 10 cm et 30 cm. PEH fine roots didn’t show any adaption when intercropped with pasture and a high value fine root length density (FRLD) in top soil layer near tree trunk reduces pasture FRLD by 45 %, suggesting strong competition interaction for resources. Pasture yield analysis revealed biomass reduction near trees, particularly near PEH. However results of a principal component analysis indicates stronger negative effect of light reduction on pasture yield than the presence of tree fines roots. PEH, a fast growing species, have stronger impact than CHR on pasture yield but they will be harvested sooner and larger alleys should benefit the intercrop. This dynamic aspect of TBI systems is close to natural ecosystems and should be further investigated for future success.

Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’influence des conditions locales et paysagères sur la structuration des communautés d’arthropodes en agroécosystèmes, ceci grâce à un dispositif de suivi situé en Ille-et-Vilaine (Bretagne, France), et comprenant des parcelles conduites en agriculture biologique et conventionnelle spatialement appariées. Notre première étude a mis en évidence que l’hétérogénéité paysagère, parfois en interaction avec le système local de culture, conditionne la diversité et l’abondance des groupes trophiques, à la fois pour les arthropodes au sol comme pour ceux de la végétation. Dans un second temps, nous avons pu montrer l’importance du contexte paysager dans la structuration des assemblages d’arthropodes prédateurs, et émis l’hypothèse que les mécanismes déterminant la distribution des espèces diffèrent fortement entre araignées et carabiques. Enfin, il est apparu la nécessité de distinguer les individus résidents (émergeants) des individus mobiles (circulants) lorsque l’on s’intéresse au rôle différentiel des facteurs locaux vs. paysagers dans la structuration des communautés de carabiques. D’une façon générale, nos résultats montrent donc une influence importante et positive de l’agriculture biologique sur les populations, assemblages d’espèces et communautés d’arthropodes, que ce soit à des échelles locales et paysagères comme en interaction avec d’autres variables paysagères. Nous avons également montré la pertinence de l’utilisation de différents niveaux d’organisation et variables réponses associées pour évaluer finement la structure et le fonctionnement de communautés d’Arthropodes en agroécosystèmes. / In this study, we got interested in quantifying how local and landscape metrics structure arthropod communities in agro-ecosystems. For that, we used a long-term monitoring design located in ‘Ille-Et-Vilaine’ (Brittany, France), composed by spatially pair-matched fields under organic vs. conventional farming systems. First, we found that landscape heterogeneity, also interacting with farming systems, drives the diversity and abundance of trophic groups for both ground- and vegetation-dwelling arthropods. In a second chapter, we showed the importance of landscape context in shaping assemblages of predatory arthropods, and suggested that mechanisms behind the distribution of individual species strongly differ between spiders and carabids. Lastly, we highlighted the importance of distinguishing between resident (emergent) and mobile (circulating) individuals when assessing the differential role of local vs. landscape factors in community assembly. Overall, our results show a strong and positive effect of organic farming on arthropod populations, assemblages and communities, both at local and landscape scales, as well as in interaction with other landscape metrics. We also highlighted the relevance of using different levels of biological organization, and related response variables, when assessing the structure and functioning of arthropod communities in agroecosystems

L’agriculture française est soumise à de fortes pressions. Elle subit une injonction forte à évoluer vers l’agroécologie, à adopter les principes de la production intégrée, à réduire l’usage de pesticides. Dans ces conditions, une transition vers des systèmes agricoles plus respectueux de l’environnement ne doit pas dégrader la compétitivité des exploitations et le revenu des agriculteurs.Le travail présenté ici a pour ambition de contribuer à la réflexion sur les possibilités de changer les modèles d’agriculture. L’objectif est d’évaluer les conséquences économiques et environnementales d’une adoption généralisée des principes de protection intégrée sur une région agricole en fonction de la diversité des situations de production. La Région Bourgogne est retenue dans le cadre de ce travail. Elle dispose de ressources expérimentales en production intégrée grâce à l’investissement historique de la recherche, du développement et de l’enseignement agricole dans cette région. Par ailleurs, la Bourgogne présente un bon compromis entre la diversité de ses situations de production en grandes cultures et le nombre de situations contrastées à considérer pour rendre compte de l’ensemble du territoire. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la diversité des situations de production de la Bourgogne et la diversité des systèmes de culture, et nous avons étudié comment les systèmes de culture sont déterminés par les situations de production. Puis nous avons mis en place une méthode pour générer des systèmes de culture optimisés sur le plan économique dans le cadre des contraintes locales et des principes de protection intégrée. Cette méthode mobilise la programmation linéaire sous contrainte, mise en œuvre avec le logiciel GAMS. Elle a été testée pour deux situations de production contrastées de la Bourgogne, correspondant aux zones de plaines sans élevage et aux plateaux argilo-calcaires superficiels. Nous avons évalué les systèmes de culture simulés pour un ensemble de critères de la durabilité économique, sociale et environnementale. Nous les avons comparés aux performances des systèmes actuels dans ces milieux.Les résultats confirment que les systèmes de culture optimisés avec les principes de la protection intégrée sont différents en fonction du contexte de production. La performance économique est plutôt améliorée par rapport aux systèmes actuels dans la situation à fort potentiel, alors qu’elle est dégradée sur les sols de plateaux. Tous les indicateurs environnementaux considérés sont améliorés dans les deux types de milieu. Le travail permet d’identifier certains inconvénients de la protection intégrée, liés à l’augmentation de la charge de travail et à la complexité de gestion des systèmes.Avec les résultats obtenus et les méthodes proposées, le travail alimente les débats sur la durabilité des systèmes agricoles dans le domaine des grandes cultures. / The agriculture in France is under intense pressure. Farmers are asked to change their crop management, to evolve toward agroecology, to follow the principles of Integrated Pest Management (IPM) and to reduce pesticide use. However such an evolution toward an alternative agricultural model will be possible only if innovative cropping systems are able to maintain competitive and profitable farms.The aim of our work is to contribute to the debates about this issue, by evaluating ex ante the potential consequences of adopting the principles of IPM over one whole agricultural region, taking into account the diversity of production situations within this region. We considered the Burgundy region for several reasons. This region has many experimental resources and available expertise on IPM. This agricultural area also has few but contrasted production situations. Both economic and environmental issues were considered.First, we studied the diversity of production situations and of cropping systems in the area, based on agricultural data sets, and we showed to what extent cropping systems are determined by the context. Then we developed a method to design fictive cropping systems, based on the optimisation of profitability while fulfilling the principles of IPM, and considering the constraints of the production situation. We used the GAMS software to implement this method based on linear programming. The method was tested on two contrasted production situations, namely the lowlands with high agricultural potential and no livestock, and the shallow soils of the plateau. We evaluated the generated cropping systems for a range of criteria covering different issues of sustainability, and we compared the performances to those of current cropping systems in these areas.Results corroborated that IPM-based cropping systems would be different in contrasted production situations. Profitability would be improved in the lowlands with high agricultural potential, whereas it would be negatively affected in the shallow soils of the uplands. All the environmental indicators that we used would be improved in both situations. Our work identified hindrances for the development of IPM, related for example to the increase in the workload at the farm level, and the increase in the system complexity.Both methods that we developed and the results we obtained should contribute to the current debates about the possible transition of arable cropping toward sustainability.

L’objectif principal de cette thèse est d’instruire l’organisation des successions culturales, à l’échelle de la France et sur un recul décennal, tant en terme de cinétiques localisées qu’en terme de dynamiques liées à des variables explicatives du milieu physique et socio-technico-économiques. Ce travail de « fouille de données » est appliqué en France métropolitaine, en utilisant les bases de données publiques disponibles. Notre étude couvre la période 1992-2003 où s’implémenta la réforme de 1992 de la Politique Agricole Commune européenne et l’agenda 2000 en France. A partir d’une fouille de données sur l’ensemble des points Terruti sur cette période, 2549 successions culturales de trois ans furent identifiées. Ensuite, 21 clusters de l’ensemble des 430 régions agricoles (RA) françaises, quatre systèmes de culture, 90 RA, parangons des 430 RA, et trois régions principales appartenant à cinq des 21 clusters, regroupant les cultures de céréales, oléagineux et protéagineux, ont été définis. Deux approches de cinétiques des successions ont été réalisées : Une étude envisageant les successions de culture qui suivent les retournements de prairies permanentes. Une recherche des dynamiques d’évolution de successions culturales en lien avec des conditions externes. Nous proposons une utilisation ultérieure des méthodes mobilisées qui ont montré leur capacité à cartographier les grandes tendances d’évolution en France et à identifier les principales variables explicatives de ces évolutions. Les apports de cette thèse contribuent à améliorer notre compréhension des processus qui organisent les successions culturales en France et construisent par ces pratiques agricoles très dynamiques des impacts forts sur le territoire agricole français / In the context of changing agricultural policy, the development of agricultural production systems, increasing concern for agricultural sustainability and shifts in agricultural land management practice-related land-use change, the main objective of this thesis was to mine crop sequence patterns (CSP) and the relationships between CSP and the biophysical and socio-technical-economic conditions in mainland France from historical census data (e.g. land-cover survey, agricultural censuses, population census). Our study period 1992-2003 covers the implementation period of the 1992 European Union Common Agricultural Policy reform and Agenda 2000 in France. Both the classical statistical and data mining technique were applied in alone or combined ways in this thesis. First, we proposed an innovative approach to representing CSP within a given area and period at a large regional scale in a stationary way. The 2549 3-year crop sequences (CSs) were first identified as major CSs within all 430 agricultural districts (ADs) in mainland France during this period. Next, 21 clusters of ADs , four types of cropping systems, 90 representative ADs and three principal planting zones of cereals, oilseeds, and protein crops belonging to five clusters identified previously were further defined. We then explored CSP in a dynamic way by investigating CSP after grassland-to-cropland conversion, the temporal variability of CSP, and the evolution of the relationships between CSP and the external conditions over the study period. We conclude that the approaches developed here permit the representation of CSP at the large regional scale in both stationary and dynamic ways using time series land-cover data denoting specific agricultural cover types. The findings of this thesis contribute to improving the understanding of the process and pattern of human land management practices by agriculture affecting the terrestrial biosphere

Cette étude s'inscrit dans cette analyse des mécanismes naturels et sociaux dans la Basse Vallée du Ferlo ; qui ont été qualifiés souvent par beaucoup de chercheurs et d'experts du fléau naturel ou de crise écologique profonde. Certes des mutations ont été observées dans le paysage rural du Bas-Ferlo. D'une part, celles-ci s'expliquent essentiellement par l'ampleur de la dégradation des terres agricoles due à des pratiques culturales intenses favorisées par l'arrivée de colons mourides et de nouveaux paysans grâce à la remise en eau d'une partie du Bas-Ferlo. Et d'autre part, elles sont la résultante d'une concentration excessive du bétail dans un espace de plus en plus réduit autour des forages et de certaines mares, entraînant ainsi des auréoles de dégradation tout autour et des conflits exacerbés entre les différents usagers. L'ambiguïté des règles de tenure foncière demeure sans nul doute la véritable cause des conflits dans la Basse Vallée du Ferlo. Les difficultés d'accès à l'eau par le manque de couloirs de passage et la viabilité des parcours obligent à une plus grande mobilité pastorale pour minimiser les risques. Mais en définitive, malgré les discours alarmistes sur le Ferlo, l'analyse des paysages agraires nous révèle des zones agricoles se reproduisant quasiment à l'identique, en terme de superficie, de 1954 à nous jours : la Basse Vallée du Ferlo reste un espace essentiellement pastoral. Donc, le caractère apparemment alarmant du milieu, n'est qu'une forme d'adaptation des paysages ruraux à un espace fragile.

L'agriculture est l'activité humaine qui utilise et transforme la plus grande partie de la surface terrestre. Son intensification et son uniformisation ont engendré plusieurs problèmes écologiques et environnementaux. Comprendre les dynamiques passées et actuelles des territoires agricoles à des échelles régionales, compatibles avec les échelles où s'expriment les services environnementaux et écologiques, est nécessaire pour mieux gérer l'évolution future des territoires agricoles. Pourtant, la plupart des travaux qui ont étudié les dynamiques agricoles à des échelles régionales ne distinguent pas les dynamiques liées au fonctionnement régulier de l'activité agricole de celles liées à des changements dans son fonctionnement. Les autres travaux rapportés dans la littérature qui font cette distinction présentent toutefois l'inconvénient d'être difficilement reproductibles. Cette thèse vise ainsi à développer une méthode générique de modélisation des dynamiques passées et actuelles de l'organisation territoriale de l'activité agricole (OTAA). Nous avons développé une méthode de modélisation stochastique fondée sur des modèles de Markov cachés qui permet de fouiller un corpus de données spatio-temporelles d'occupations du sol (OCS) en vue de le segmenter et de révéler des dynamiques agricoles cachées. Nous avons testé cette méthode sur des corpus d'OCS issus de sources variées (relevés de terrain, télédétection) et appartenant à deux territoires agricoles de dimensions régionales : le site d'étude de Chizé (430 km², Poitou-Charentes) et le bassin versant du Yar (60 km², Bretagne). Cette méthode apporte 3 contributions à la modélisation de l'OTAA : (i) la description de l'OTAA suivant une approche temporo-spatiale qui identifie des régularités temporelles, puis les localise en segmentant le territoire agricole en zones compactes de régularités temporelles similaires; (ii) la fouille des voisinages des successions d'OCS et de leurs dynamiques; (iii) l'articulation des régularités révélées par notre approche de fouille de données à l'échelle régionale avec des règles identifiées par des experts en agronomie et en écologie à des échelles plus locales en vue d'expliquer les régularités et de valider les hypothèses des experts. Nous avons testé la généricité de la première contribution sur les deux territoires d'études. Les deux dernières contributions ont été développées et testées sur le site d'étude de Chizé. Nos résultats valident l'hypothèse que l'OTAA se prête bien à la représentation par un champs de Markov de successions. Cette thèse ouvre la voie à une nouvelle approche de modélisation de l'OTAA explorant le couplage entre régularités et règles, et exploitant davantage les outils d'intelligence artificielle. Elle constituerait les prémices de ce qui pourrait devenir une agronomie numérique des territoires.

Les systèmes de culture en Protection Intégrée de Cultures contre les adventices (systèmes PIC-adventices) sont d’un grand intérêt pour réduire significativement l’utilisation des herbicides en les substituant par une combinaison complexe de différentes techniques culturales. L’objectif principal de notre travail a été de contribuer au volet environnemental de l’évaluation multicritère des systèmes PIC-adventices mis en place depuis 2000 sur le domaine expérimental de l’INRA à Bretenière (21). La variabilité des propriétés physiques et hydrodynamiques qui interviennent dans le transfert de l’eau dans le sol a été étudiée dans les 5 systèmes de culture présents sur le site (1 système de référence et 4 systèmes PIC-adventices). Le premier volet du travail a consisté à étudier la rétention de l’eau dans la couche du sol travaillée dans les 5 systèmes de culture. La rétention de l’eau a été comparée dans des échantillons de sol dont la structure a été soit « conservée », soit « remaniée » afin d’identifier la part de la variabilité liée aux caractéristiques physiques intrinsèques du sol de celle induite par les pratiques culturales. Les résultats ont montré que le sol du système de culture avec suppression totale des herbicides, associant une teneur élevée en argile, une teneur moyenne en C organique et un travail superficiel intensif, présentait les valeurs les plus élevées de rétention de l’eau dans la couche de sol travaillée. Le second volet a porté sur l’étude de la variabilité de la conductivité hydraulique proche de la saturation, K(h), aux échelles de l’année culturale et du profil du sol. Pour cette étude, 3 systèmes PIC-adventices (système de culture en semis direct et systèmes de culture avec travail du sol modéré à intensif) ont été caractérisés pendant 2 ou 3 années culturales consécutives, en considérant 3 profondeurs de sol incluant la couche du sol travaillée et l’horizon sous-jacent. Les résultats n’ont montré aucune variabilité de K(h) à l’échelle verticale. Par contre, ils ont mis en évidence les effets à long terme des systèmes PIC-adventices sur les valeurs de K(h). Enfin, le dernier volet a étudié la dynamique de l’eau dans le sol de 2 systèmes PIC-adventices contrastés (système avec conduite du sol en semis direct et système sans herbicide avec travail du sol intensif) en suivant une approche d’hydraulique agricole et par le biais de la caractérisation in situ du potentiel matriciel de l’eau dans le sol et de la mesure des quantités d’eau collectée au moyen de lysimètres à mèche. L’approche utilisée a permis la description de la dynamique de l’eau du sol pendant la période de drainage, la validation du fonctionnement des lysimètres à mèche et le calcul de la surface de sol équivalente qui contribuait au transfert de l’eau dans ces dispositifs. Ces premiers résultats prometteurs nécessiteront néanmoins d’être validés au cours de prochaines campagnes de mesure. L’ensemble des résultats recueillis constituent une première évaluation du fonctionnement physique et hydrodynamique du sol des systèmes PIC-adventices présents sur le dispositif expérimental. La base de données constituée permettra ultérieurement la poursuite du travail engagé en modélisant le transfert de l’eau, de solutés, de pesticides ou d’autres polluants dans le sol de ces systèmes PIC-adventices. / Integrated weed management (IWM)-based cropping systems are of great interest due to their significant reduction of herbicide inputs by using a complex combination of agricultural techniques. The main objective of our work was to contribute to the environmental dimension of the multi-criteria evaluation of IWM-based cropping systems which were set up since 2000 on the experimental domain of the National Institute for Agronomical Research (INRA) to Bretenière (France). The variability of physical and hydrodynamic soil properties involved in the transfer of water through the vadose zone was studied for the 5 cropping systems present on the experimental site (1 reference cropping system and 4 IWM-based cropping systems). The first section of our study consisted in studying the water retention of the tilled soil layers for the 5 cropping systems. Water retention values were compared between undisturbed and repacked soil samples in order to distinguish the part of the variability due to the intrinsic soil properties from the one induced by the agricultural practices. Our results show that the soil from cropping system without any herbicides, associating high clay content, average organic C content and intensive superficial tillage, may increase soil water retention in the tilled soil layer. The second section carried on the study of the annual and vertical variability of the near-saturated hydraulic conductivity, K(h). For this study, 3 IWM-based cropping systems (no-tilled cropping system and moderate to intensive tilled cropping systems) were characterized during 2 or 3 consecutive years and considering 3 depths including the soil tilled layer and the underlying no-tilled layer. The results showed no vertical variability of K(h). However, they highlighted the long-term effect of IWM-based cropping systems on K(h). Finally, the third section studied the soil water dynamics of 2 contrasted IWM-based cropping systems (no-tilled and zero herbicide cropping systems with intensive tillage) by using ,a hydraulic agricultural approach and by the means of the in situ characterization of soil matric potential and the measure of the amounts of water collected with wick lysimeters. This approach allowed the description of the water dynamics during the drainage season, the validation of the wick lysimeters functioning and the calculation of the surface contributing to water flows collected by the wick lysimeters. These promising results will need to be validated during forthcoming campaigns of measurement. All data collected provided constitute a first evaluation of the soil physical and hydraulic functioning of IWM-based cropping systems present on the experimental site. The established database will allow later the pursuit of work by modeling the water transfer and the transport of solutes, pesticides or other pollutants through the vadose zone of these IWM-based cropping systems.