La durabilité du fonctionnement des agro-écosystèmes et la gestion des services écosystémiques associés représente un des enjeux majeurs des sciences agronomiques et environnementales. Les systèmes agro-sylvo-pastoraux d’Afrique de l’Ouest (SASP-AO), étudiés depuis longtemps par la communauté scientifique, offrent un cas d’étude pertinent. La fertilité de ces agro-écosystèmes repose traditionnellement sur un taux de recyclage des nutriments très élevé au sein de l’agro-écosystème via la pratique de la jachère et des transferts de nutriments par les mouvements du bétail. Les SASP-AO sont soumis à des pressions socioéconomiques et démographiques importantes qui entrainent une modification de leur organisation spatiotem- porelle et des pratiques agricoles, notamment celles relatives à l’élevage. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’impact de ces modifications sur la production végétale et animale à l’échelle de l’agro-écosystème. Nous avons choisi d’étudier les SASP en développant et analysant des modèles mathématiques de type méta-écosystème. Dans chacun des trois modèles proposés, nous avons cherché à représenter un SASP le plus simplement possible, en incluant les mécanismes biogéochimiques les plus importants (croissance des plantes, minéralisation, lessivage, dépositions. . . ) et les pratiques agri- coles d’intérêt. L’objectif était à la fois de comprendre comment ces mécanismes interagissent en fonction des pratiques et d’identifier des propriétés émergentes à l’échelle de l’agro-écosystème. Chacun des modèles a été développé pour étudier l’effet d’un nombre limité de pratiques agricoles portant sur l’organisation des composantes spatiales ou sur la connectivité entre les composantes spatiales. Dans la première partie de cette thèse, nous avons étudié l’influence de la structure des SASP-AO sur la production agricole de ces systèmes. Dans le modèle, quatre sous-systèmes interconnectés sont représentés : l’auréole de case, l’auréole de brousse, la savane et le village. Le modèle est de plus saisonnalisé, la dynamique de la saison sèche étant différente de celle de la saison humide. Avec ce modèle, nous avons étudié l’influence de trois leviers : (1) la durée de rotation et la durée des jachères dans les rotations, (2) la proportion de surface allouée aux différentes zones cultivées (case/brousse) de l’agro-écosystème et (3) la présence/absence du bétail dans l’agro-écosystème. Les résultats issus de ces travaux ont mis en évidence les services écosystémiques fournis par la savane, le rôle de du bétail comme « pompe à nutriments » des zones de pâturage vers les zones cultivées et les interactions entre les effets du bétail et les effets de la jachère sur les flux de nutriments. Dans la seconde partie, nous avons utilisé des outils fournis par la théorie du contrôle afin de tenir compte de la variabilité dans le temps des pratiques agricoles. Nous avons ainsi montré qu’en faisant varier la pression d’herbivorie dans le temps de manière adéquate, un gain supplémentaire de production est possible (par rapport à une pression d’herbivorie constante) pour une même quantité de nutriments transférée des pâturages vers les cultures. Dans la dernière partie de ce travail, l’optimisation multicritère du fonctionnement de l’agro-écosystème permet d’aborder la complexité des objectifs des SASP-AO comme système de production et de prendre en compte la gestion des risques dans ces systèmes. Nos résultats mettent en avant que les compromis entre production végétale et animale peuvent être intiment liés au choix des plantes cultivées. Nos résultats montrent également que les sources extérieures de nutriments peuvent permettre d’augmenter les productions, mais que leur efficience diminue quand leur quantité augmente À l’interface entre écologie et agronomie, et grâce à l’utilisation conjointe d’outils issus d’autres disciplines, ces travaux de modélisation offrent de nouvelles perspectives pour l’optimisation de la production végétale et la gestion de la fertilité dans les SASP.