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

The intensification of biofuel production causes negative impacts on soil quality, thus the soil requires adequate assessment to ascertain its quality status, however site-specific nature of results in literature requires independent soil property measurement and assessment depending on specific agroecosystem and management goals. Therefore, the main objective of this study was to investigate seasonal pattern of soil quality, soil water and thermal regimes and performance of sugarcane and tung crops at the experimental station of Soils Department, Federal University of Santa Maria, Santa Maria, RS, Brazil. The sugarcane experiment (three seasons) was established in 2010 under no-tillage; no-tillage + compaction; conventional tillage and chiseling treatments in a randomized complete block design with three replications. In years 2011 and 2012, there was no soil disturbance; however residue mulching was imposed, giving split-plot design. The tung-based cropping system (two seasons, 2012-2014) was a randomized complete block design experiment with four replications. The treatments were: tung-crambe-sunflower/soybean + inorganic fertilizer; tung-crambe-sunflower/soybean + organic manure; tung-oats-peanut; and sole tung (control). Crambe and oats were planted in winter while sunflower (1st year)/soybean (2nd year) and peanut were planted in summer. Disturbed and undisturbed (using cores of known volume) soil samples were collected from soil layers 0-10, 10-20, 20-40 and 40-60 cm in sugarcane, and 0-10, 10-20, 20-40, 40-60 and 60-80 cm in tung for the laboratory determination of soil quality indicators. There was field monitoring of soil water retention, matric potential and soil temperature and agronomic parameters measured include sugarcane yield and tung plant height. Minimum data set for soil quality assessment was made using principal component analysis and soil quality index was obtained using weighted additive method. The temporal patterns of soil water storage and temperature were evaluated using algorithms for time series data. Except for Ma in 0-10 cm layer of tillage plots, both tillage and residue mulching did not significantly affect (p<0.05) the soil quality indicators, overall soil quality, water retention and sugarcane yield. The degree of compaction was not enough to limit sugarcane growth. Residue retention significantly influenced temporal processes of soil temperature and state-time analysis was better than classical regression of time series analysis of soil water storage and temperature. Cropping system did not significantly influence (p<0.05) soil quality indicators, overall SQI and tung plant height, but significant influenced soil water retention. For the two experiments, there was no discernible trend in the seasonal values of soil hydro-physical variables and crop response. / A intensificação da produção de biocombustíveis pode prejudicar a qualidade do solo. Portanto, para evitar a degradação do solo é necessário monitorar periodicamente os atributos mais afetados pela atividade agrícola. Assim, o objetivo deste estudo foi investigar o padrão sazonal da qualidade, da água e regimes térmicos do solo, bem como o desempenho das culturas da cana-de-açúcar e do tungue na estação experimental do Departamento de Solos da Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil. Para isso foram avaliados dois experimentos. O experimento de cana-de-açúcar (três anos de cultivo) foi implantado em 2010 e os tratamentos foram: plantio direto; plantio direto com compactação adicional; preparo convencional e; escarificado, distribuídos em um delineamento de blocos casualizados com três repetições. Nos anos de 2011 e 2012, não houve revolvimento do solo, mas foi adicionada cobertura vegetal morta, designando um esquema de parcelas subdivididas. Para o sistema de cultivo do tungue (dois anos de cultivo, 2012-2014) foi utilizado um experimento de blocos ao acaso com quatro repetições. Os tratamentos foram: tungue-crambe-girassol / soja com fertilizantes inorgânicos; tungue-crambe-girassol / soja com adubação orgânica; tungue-aveia-amendoim; e tungue (controle). Crambe e aveia foram plantadas no inverno, enquanto girassol (1° ano) / soja (2º ano) e amendoim foram plantados no verão. Amostras de solo com estrutura alterada e preservada foram coletadas (usando cilindros com 57 mm de diâmetro e 40 mm de altura) nas camadas de 0-10, 10-20, 20-40 e 40-60 cm na cana-de-açúcar, e de 0-10, 10-20, 20-40, 40-60 e 60-80 cm no tungue para a determinação laboratorial dos indicadores de qualidade do solo. Houve o monitoramento á campo da temperatura, umidade potencial matricial da água no solo e parâmetros agronômicos incluindo a produtividade da cana-de-açúcar e altura da planta de tungue. Um conjunto mínimo de dados para a avaliação da qualidade do solo foi obtido através da análise de componentes principais e o índice de qualidade do solo foi obtido pelo método aditivo ponderado. Os padrões temporais de armazenamento de água do solo e a temperatura do solo foram avaliados utilizando algoritmos para dados de séries temporais. Exceto para a macroporosidade, na camada de 0-10 cm dos tratamentos com preparo do solo, o preparo e a cobertura de palha não afetaram significativamente (p <0,05) os indicadores de qualidade do solo, o índice de qualidade do solo, a retenção de água ou a produtividade de cana-de-açúcar. O grau de compactação não foi suficiente para limitar o crescimento da cana-de-açúcar. A permanência da palha na superfície influenciou significativamente os processos temporais de temperatura do solo e a análise temporal foi melhor do que a análise de regressão clássica para a análise das séries temporais de armazenamento de água e temperatura do solo. O sistema de cultivo não influenciou significativamente (p<0,05) os indicadores de qualidade do solo, o índice de qualidade do solo e a altura da planta, mas influenciou significativamente a retenção de água do solo. Nos dois experimentos, não houve nenhuma tendência clara nos valores sazonais de variáveis físico-hídricas do solo e na resposta da cultura.

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.

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