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

Silvopastoral systems are a kind of agroforestry system in which trees or shrubs are combined with animals and pastures. Silvopastoral systems are important to intensify pasture production and mitigate climate change effects. However, very few studies have been performed to adapt crop models to simulate these systems. The aim of this study was to parameterize and test the mechanistic crop models APSIM and CROPGRO for estimating Urochloa brizantha cv. BRS Piatã productivity under full sun and in a silvopastoral system, to evaluate the models\' performance to simulate tree-crop interactions, and to develop tools to improve these simulations. For this purpose, four field experiments were conducted under full sun to investigate cutting management under irrigated and rainfed conditions and grazing management under rainfed conditions with high and low N supply. Another experiment was carried out in a silvopastoral system with the trees arranged in simple rows, in East-West orientation, with 15 m between rows and 2 m between plants in the rows. This experiment was conducted under grazing management and rainfed conditions with the pasture variables, microclimate and soil water content being assessed at four distances from the North row (0.00 m, 3.75 m, 7.50 m and 11.25 m). The forage mass simulations for the pasture at full sun, performed using the APSIM-Tropical Pasture model, showed good agreement between observed and estimated data (R2 between 0.82 and 0.97, d between 0.92 and 0.98, and NSE ranging from 0.72 to 0.92), while the simulations with the CROPGRO-Perennial Forage model achieved good precision (R2 between 0.65 and 0.93) and good accuracy (d from 0.86 to 0.97, and NSE from 0.60 to 0.90), for the various managements and environmental conditions. Even considering the promising performance of both models for pastures under full sun, they already needs to be tested in other locations, climate conditions, soils, and grazing or cutting intensities, to prove its accuracy and reach enough confidence. The pasture growth simulations at the silvopastoral system indicated that the APSIM-Tropical Pasture was efficient when only competition by solar radiation was considered (R2 from 0.69 to 0.88, d from 0.90 to 0.96, and NSE between 0.51 and 0.85), but inefficient when considering only competition by soil water (R2 between 0.58 and 0.85, d between 0.58 and 0.82, and NSE from -4.07 to -0.14). The CROPGRO-Perennial Forage achieved good performance on pasture growth simulation at the distances 0.00 m, 3.75 m, and 7.50 m from the trees (R2 from 0.75 to 0.90, d from 0.93 to 0.96, NSE between 0.74 and 0.85). Despite the good results, improvements should be performed in both models for simulating all factors that affect forage growth in silvopastoral systems. / Os sistemas silvipastoris são um tipo de sistema agroflorestal em que árvores ou arbustos são combinados com animais e pastagens. Os sistemas silvipastoris são importantes para a intensificação de pastagens e para a mitigação dos efeitos das mudanças climáticas. Entretanto, poucos estudos vêm sendo realizados visando à adaptação de modelos para a simulação desses sistemas. O objetivo desse estudo foi parametrizar e testar os modelos mecanísticos APSIM e CROPGRO para estimar a produtividade de Urochloa brizantha cv. BRS Piatã a pleno sol e em um sistema silvipastoril, avaliar o desempenho dos modelos para simular as interações árvore-pastagem e desenvolver ferramentas para aprimorar tais simulações. Para isso, foram conduzidos quatro experimentos de campo, a pleno sol, para avaliar diferentes manejos da pastagem: corte, em irrigado e sequeiro; e pastejo, em sequeiro e com alto ou baixo suprimento de nitrogênio. Outro experimento foi conduzido em um sistema silvipastoril com as árvores arranjadas em renques simples, com orientação Leste-Oeste, com espaçamento de 15 m entre renques e 2 m entre plantas nos renques. Esse experimento foi conduzido sob pastejo e em sequeiro, com avaliações das variáveis da pastagem, microclima e água no solo em quatro distâncias em relação ao renque Norte (0,00 m; 3,75 m; 7,50 m and 11,25 m). As estimativas de massa de forragem a pleno sol, realizadas com o modelo APSIM-Tropical Pasture, apresentaram boa concordância entre os dados observados e os estimados (R2 entre 0,82 e 0,97, d entre 0,92 e 0,98 e NSE de 0,72 a 0,92), enquanto que, as estimativas geradas pelo modelo CROPGRO-Perennial Forage alcançaram boa precisão (R2 entre 0,65 e 0,93) e boa exatidão (d entre 0,86 e 0,97 e NSE de 0,60 a 0,90), para os diferentes manejos e condições ambientais. Mesmo considerando o desempenho promissor de ambos os modelos para simular pastagens a pleno sol, para confirmar a acurácia e a eficiência destes, são necessários testes em outros locais, condições climáticas, tipos de solo e intensidades de corte ou pastejo. As simulações do crescimento da pastagem no sistema silvipastoril indicaram que o modelo APSIM-Tropical Pasture, foi eficiente quando somente a competição por radiação solar foi considerada (R2 de 0,69 a 0,88, d entre 0,90 e 0,96 e NSE de 0,51 a 0,85), mas ineficiente quando somente a competição por água no solo foi considerada (R2 entre 0,58 e 0,85, d entre 0,58 e 0,82 e NSE de -4,07 a -0,14). O modelo CROPGRO-Perennial Forage atingiu bom desempenho na simulação do crescimento da pastagem para as distâncias 0,00 m, 3,75 m e 7,50 m em relação às árvores (R2 de 0,75 a 0,90, d entre 0,93 e 0,96, NSE de 0,74 a 0,85). Apesar dos bons resultados, ambos os modelos devem ser melhorados para simular todos os fatores que afetam o crescimento de pastagens em sistemas silvipastoris.

Silvopastoral systems are a kind of agroforestry system in which trees or shrubs are combined with animals and pastures. Silvopastoral systems are important to intensify pasture production and mitigate climate change effects. However, very few studies have been performed to adapt crop models to simulate these systems. The aim of this study was to parameterize and test the mechanistic crop models APSIM and CROPGRO for estimating Urochloa brizantha cv. BRS Piatã productivity under full sun and in a silvopastoral system, to evaluate the models\' performance to simulate tree-crop interactions, and to develop tools to improve these simulations. For this purpose, four field experiments were conducted under full sun to investigate cutting management under irrigated and rainfed conditions and grazing management under rainfed conditions with high and low N supply. Another experiment was carried out in a silvopastoral system with the trees arranged in simple rows, in East-West orientation, with 15 m between rows and 2 m between plants in the rows. This experiment was conducted under grazing management and rainfed conditions with the pasture variables, microclimate and soil water content being assessed at four distances from the North row (0.00 m, 3.75 m, 7.50 m and 11.25 m). The forage mass simulations for the pasture at full sun, performed using the APSIM-Tropical Pasture model, showed good agreement between observed and estimated data (R2 between 0.82 and 0.97, d between 0.92 and 0.98, and NSE ranging from 0.72 to 0.92), while the simulations with the CROPGRO-Perennial Forage model achieved good precision (R2 between 0.65 and 0.93) and good accuracy (d from 0.86 to 0.97, and NSE from 0.60 to 0.90), for the various managements and environmental conditions. Even considering the promising performance of both models for pastures under full sun, they already needs to be tested in other locations, climate conditions, soils, and grazing or cutting intensities, to prove its accuracy and reach enough confidence. The pasture growth simulations at the silvopastoral system indicated that the APSIM-Tropical Pasture was efficient when only competition by solar radiation was considered (R2 from 0.69 to 0.88, d from 0.90 to 0.96, and NSE between 0.51 and 0.85), but inefficient when considering only competition by soil water (R2 between 0.58 and 0.85, d between 0.58 and 0.82, and NSE from -4.07 to -0.14). The CROPGRO-Perennial Forage achieved good performance on pasture growth simulation at the distances 0.00 m, 3.75 m, and 7.50 m from the trees (R2 from 0.75 to 0.90, d from 0.93 to 0.96, NSE between 0.74 and 0.85). Despite the good results, improvements should be performed in both models for simulating all factors that affect forage growth in silvopastoral systems. / Os sistemas silvipastoris são um tipo de sistema agroflorestal em que árvores ou arbustos são combinados com animais e pastagens. Os sistemas silvipastoris são importantes para a intensificação de pastagens e para a mitigação dos efeitos das mudanças climáticas. Entretanto, poucos estudos vêm sendo realizados visando à adaptação de modelos para a simulação desses sistemas. O objetivo desse estudo foi parametrizar e testar os modelos mecanísticos APSIM e CROPGRO para estimar a produtividade de Urochloa brizantha cv. BRS Piatã a pleno sol e em um sistema silvipastoril, avaliar o desempenho dos modelos para simular as interações árvore-pastagem e desenvolver ferramentas para aprimorar tais simulações. Para isso, foram conduzidos quatro experimentos de campo, a pleno sol, para avaliar diferentes manejos da pastagem: corte, em irrigado e sequeiro; e pastejo, em sequeiro e com alto ou baixo suprimento de nitrogênio. Outro experimento foi conduzido em um sistema silvipastoril com as árvores arranjadas em renques simples, com orientação Leste-Oeste, com espaçamento de 15 m entre renques e 2 m entre plantas nos renques. Esse experimento foi conduzido sob pastejo e em sequeiro, com avaliações das variáveis da pastagem, microclima e água no solo em quatro distâncias em relação ao renque Norte (0,00 m; 3,75 m; 7,50 m and 11,25 m). As estimativas de massa de forragem a pleno sol, realizadas com o modelo APSIM-Tropical Pasture, apresentaram boa concordância entre os dados observados e os estimados (R2 entre 0,82 e 0,97, d entre 0,92 e 0,98 e NSE de 0,72 a 0,92), enquanto que, as estimativas geradas pelo modelo CROPGRO-Perennial Forage alcançaram boa precisão (R2 entre 0,65 e 0,93) e boa exatidão (d entre 0,86 e 0,97 e NSE de 0,60 a 0,90), para os diferentes manejos e condições ambientais. Mesmo considerando o desempenho promissor de ambos os modelos para simular pastagens a pleno sol, para confirmar a acurácia e a eficiência destes, são necessários testes em outros locais, condições climáticas, tipos de solo e intensidades de corte ou pastejo. As simulações do crescimento da pastagem no sistema silvipastoril indicaram que o modelo APSIM-Tropical Pasture, foi eficiente quando somente a competição por radiação solar foi considerada (R2 de 0,69 a 0,88, d entre 0,90 e 0,96 e NSE de 0,51 a 0,85), mas ineficiente quando somente a competição por água no solo foi considerada (R2 entre 0,58 e 0,85, d entre 0,58 e 0,82 e NSE de -4,07 a -0,14). O modelo CROPGRO-Perennial Forage atingiu bom desempenho na simulação do crescimento da pastagem para as distâncias 0,00 m, 3,75 m e 7,50 m em relação às árvores (R2 de 0,75 a 0,90, d entre 0,93 e 0,96, NSE de 0,74 a 0,85). Apesar dos bons resultados, ambos os modelos devem ser melhorados para simular todos os fatores que afetam o crescimento de pastagens em sistemas silvipastoris.