Resilience of agroforestry systems in the face of climate change: an analysis of drought response of annual crops in a walnut-based alley cropping system under Mediterranean climate
La résilience des systèmes agroforestiers face au changement climatique: analyse de la réponse de cultures annuelles face à la sécheresse dans un système à base de noyer sous climat méditerranéen
Résumé
In Europe, and more particularly in the Mediterranean basin, the frequency of droughts and heat waves is increasing due to climate change and threatens the productivity of agricultural systems. Agroforestry, and more particularly one of its variations combining tree rows and annual crops, is proving to be particularly productive and is of increasing interest to farmers. But are such systems effective in limiting the impact of increasingly intense climatic hazards? The scientific knowledge available on the subject is very limited. We studied the effects of drought on annual crops in an alley cropping system using rainout shelters.
In the first chapter, we discuss the scientific issues and methodological challenges of studying drought effects with rainfall manipulation experiments in agroforestry systems. This discussion combines a literature review and feedback on two different types of rainout shelter that we have implemented on one of the agroforestry plots of the Restinclières farm estate (Hérault, France). In the following chapters, we analyze the results obtained on a winter pea crop during the 2018-2019 season. In the second chapter, we test the hypothesis of protection of the annual crop against spring drought by agroforestry trees, by comparing crops in full sun and under trees, with and without rain exclusion. Through the analysis of 1) soil water dynamics and 2) pea yield components, we show that 1) there is little competition between the tree and the crop for soil water resources and 2) that there are compensatory mechanisms at the plant level that limit grain yield losses under tree shade after a spring drought event. In the third chapter, we seek to understand why the overall biomass production is maintained under shade conditions. The analysis of light processes at the canopy level shows that three processes are involved, namely the senescence, the leaf dynamics and the light use efficiency. The microclimate modification under the trees also significantly reduces evaporative demand and growing temperatures, which contribute to reduce water stress.
This thesis highlights a relative lack of knowledge of drought-shade interactions for annual crops grown in agroforestry. This opens perspectives for interdisciplinary research, between agronomy, ecology, ecophysiology and modelling for a better understanding of the functioning of agroforestry systems in the Mediterranean area.
En Europe, et plus particulièrement dans le bassin Méditerranéen, la fréquence des épisodes de sécheresse et de canicule augmente sous l'effet du changement climatique et menace la productivité des systèmes agricoles. L'agroforesterie, et plus particulièrement une de ses déclinaisons combinant des alignements d'arbres et des cultures intercalaires, s'avère particulièrement productive et intéresse de plus en plus les agriculteurs. Mais de tels systèmes sont-ils efficaces pour limiter l'impact d'aléas climatiques de plus en plus intenses? Les connaissances scientifiques disponibles sur le sujet sont très limitées. Nous avons étudié les effets de la sécheresse sur des cultures annuelles en contexte agroforestier à l'aide de dispositifs d'exclusion de pluie.
Dans le premier chapitre, nous discutons les enjeux scientifiques et les défis méthodologiques liés à l'étude des effets de la sécheresse avec des dispositifs de manipulation du régime des pluies en contexte agroforestier. Cette discussion combine une revue bibliographique et un retour d'expérience sur deux dispositifs différents d'exclusion de pluie que nous avons mis en place sur une des parcelles agroforestières du domaine de Restinclières (Hérault, France). Dans les chapitres suivants, nous analysons les résultats obtenus sur une culture de pois d'hiver au cours de la saison 2018-2019. Dans le second chapitre, nous testons l'hypothèse d'une protection de la culture annuelle contre la sécheresse de printemps par les arbres agroforestiers, en comparant des cultures en plein soleil et sous les arbres, avec et sans exclusion de pluie. A travers l'analyse de 1) la dynamique de l'eau dans le sol et 2) les composantes de rendements du pois, nous montrons que 1) la compétition entre l'arbre et la culture est faible pour la ressource en eau et 2) qu'il existe des mécanismes de compensation au niveau de la plante qui limitent les pertes de rendement en grains en contexte agroforestier lors d’une sécheresse. Dans le troisième chapitre, nous cherchons à comprendre pourquoi la production globale de biomasse est maintenue en conditions ombragées. L'analyse des processus lumineux à l'échelle du couvert montre que trois processus sont impliqués, à savoir la sénescence, la dynamique foliaire et l'efficience d'utilisation lumineuse. La modification du microclimat sous les arbres réduit aussi sensiblement la demande évaporative et les températures de culture, ce qui contribue à réduire le stress hydrique.
Ce travail de thèse met en évidence une méconnaissance relative des interactions sécheresse-ombrage pour les cultures annuelles en agroforesterie. Cela ouvre des perspectives de recherches interdisciplinaires, entre agronomie, écologie, écophysiologie et modélisation pour une meilleure compréhension du fonctionnement des systèmes agroforestiers en zone méditerranéenne.
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