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Agroforestry systems (AFS) are multi-species systems comprising cropped and associated spontaneous species, including trees. The species in AFS provide different levels of regulating, supporting and provisioning ecosystems services (ES). We assume that the provision of ES depends on the functional characteristics of all associated species and their spatial layout in the AFS, which we call here the “functional motif”. We propose the concept of Ecosystem Service Functional Motif (ESFM) defined as the smallest spatial unit that is relevant to understand the provision of all the targeted ES, at a given time. This ESFM is useful to determine the smallest scale at which data should be collected for relevant upscaling of AFS functioning. As a proof of the ESFM concept, we use it to describe existing AFS covering a wide range of species richness X spatial organisation. We show, for each AFS, the ESFM for various types of targeted (multiple) ES at various stages in the development of the system. We finally discuss the strengths and weaknesses of the ESFM concept for (i) analysing the AFS functioning, (ii) designing improved AFS according to ES targeted, and (iii) modelling such AFS.

Les systèmes viticoles font face à des enjeux environnementaux liés à l'érosion des sols, la perte de matière organique des sols, la pression phytosanitaire et ses effets sur la santé et la biodiversité, dans un contexte de changement climatique. L'utilisation d'enherbements dans les vignobles représente un ensemble de pratiques agroécologiques crédibles permettant à la fois de satisfaire les objectifs de production et de ré- pondre aux différents enjeux environnementaux en viticulture. L'atteinte de ces objectifs et la réponse aux enjeux dépendent des fonctions des espèces dans les systèmes viticoles, de leur diversité dans les enherbements, et des relations entre cette diversité et les services écosystémiques. Comment décrire la diversité des communautés végétales dans les enherbements viticoles ? Comment évaluer le lien entre cette diversité végétale et les services écosystémiques fournis par les communautés ? Peut-on piloter la fourniture de services écosystémiques dans les agrosystèmes ? Pour répondre à ces questions, deux expérimentations au champ ont été réalisées dans une vigne expérimentale entre 2015 et 2018 : i ) une expérimentation permettant de tester la pertinence de l'approche fonctionnelle pour la description de la diversité des enherbements viticoles et l'évaluation des services écosystémiques fournis par les communautés végétales, mesurés par des indicateurs, et ii ) une expérimentation destinée à évaluer l'effet de la date de tonte d'un engrais vert sur la fourniture de services en viticulture. Les résultats obtenus ont confirmé la pertinence et la généricité de l'approche fonctionnelle pour décrire la diversité des espèces végétales composant les enherbements en lien avec la fourniture de services, sur la base de marqueurs fonctionnels de communautés composées d'espèces semées et spontanées. Les résultats présentés dans cette thèse ont ainsi confirmé l'existence de relations entre les propriétés fonctionnelles des communautés végétales et les services écosystémiques qu'elles fournissent dans un système viticole enherbé. La qualité des relations mises en évidence a montré la capacité des marqueurs fonctionnels à décrire les fonctions des espèces à l'échelle des communautés, et à expliquer des parts de variation importantes des indicateurs de services. Cette thèse a également confirmé l'importance du pilotage des cultures de services par des interventions techniques (e.g. date de tonte) afin d'optimiser la fourniture de services écosystémiques et éviter les dysservices. La mise en oeuvre de l'approche fonctionnelle dans des contextes pédoclimatiques variés pourrait conduire à l'élaboration de règles générales de fonctionnement des communautés végétales pour la fourniture de services écosystémiques dans les agrosystèmes.

Introduction Our objective was to assess the impacts of climate change and crop intensification on yields for a typical case of semi arid Africa. Methods Future climate scenarios derived from the CMIP5 ensemble of climate models were built by applying projected changes in temperature and rainfall to the observed local weather data in Senegal. All climate models predict temperature increase in the future, whereas rainfall is predicted as increasing or decreasing depending on the model. To span uncertainty in climate projections we combined different rainfall projections with the time horizon (1985, 2050 or 2080) and with the radiative forcing hypothesis (RCP8.5 or RCP2.6). A crop model, CELSIUS, was specifically built to simulate a millet crop grown under severe and moderate nutrient limitations. CELSIUS was calibrated against observed data from 150 situations of varying weather, soil, and nutrient management, in Senegal. Millet crop was then simulated under present and future climate of the several scenarios, under severe and moderate nutrient limitations. Results Under a given nutrient limiting level and whatever the climate scenario, yield interannual variability increases in the future, and yield increases or decreases in scenarios with rainfall increase or decrease respectively. These differences, in yield, however, are of the same order of magnitude as the error of CELSIUS (35%). Much more substantial is the increase in yield, of 200 to 300%, simulated when shifting from severe to moderate nutrient limitation whatever the climate scenario. Discussion Millet is currently grown under severe nutrient limitations, due to continuous cropping with insufficient recycling and external supply. Our simulations suggest that current scenarios of climate translate into changes in millet yield (positive or negative) of less amplitude than the marked yield increase expected from increasing organic or inorganic fertilization.

Au Sénégal, l'agriculture est caractérisée par des cultures pluviales, de faibles revenus agricoles et des moyens de production (intrants, mécanisation) très limités par la faible accessibilité du marché des produits, intrants agricoles et instruments financiers pour les paysans. D'autre part, la durée de la saison des pluies (3-4 mois par an) est courte, ces caractéristiques rendent ainsi l'agriculture du Sénégal très vulnérable aux aléas climatiques, et particulièrement à la variabilité de la ressource en eau. La caractérisation du changement climatique et l'adaptation de l'agriculture aux changements futurs sont des problématiques importantes pour ce pays. Le travail présenté dans ce mémoire propose d'évaluer l'impact du changement climatique sur les rendements de deux cultures du Sénégal, le mil et l'arachide, par modélisation. L'utilisation de données météorologiques issues des projections des modèles de climat CMIP5 a permis de construire cinq scénarios d'évolution du climat sénégalais selon deux sous-ensembles de modèles climatiques sélectionnés parmi l'ensemble CMIP5, et de proposer une méthode pour la construction de ces scénarios. En parallèle, un modèle de culture (CELSIUS) a été paramétré afin de simuler les rendements limités par l'eau et l'azote des deux espèces étudiées, à l'aide de données de suivis agronomiques réalisés au Sénégal entre 1989 et 1999. Enfin, une expérimentation virtuelle a été réalisée afin d'étudier l'impact des scénarios climatiques sur les rendements des cultures et leur variabilité interannuelle, sous 4 niveaux de fertilisation azotée. Les données disponibles pour la culture de l'arachide n'ont pas permis de réaliser un calage suffisant du modèle CELSIUS pour cette espèce : la RRMSE pour les rendements biomasse et grain est de 25 % et 57 % respectivement, et l'efficience du modèle atteint 23 % et 8 % respectivement. Les indicateurs de performance sont meilleurs pour le mil, avec une RRMSE (rendements biomasse et grain) de 23 % et 34 % respectivement, et une efficience de 71 % et 60 % respectivement. Seul le mil a été simulé pour l'analyse d'impact du changement climatique sur les rendements. Les principaux résultats semblent montrer que l'augmentation du niveau de fertilisation augmente les rendements simulés et leur variabilité interannuelle, pour chaque scénario climatique (futur et historique). La baisse des précipitations combinée à l'augmentation des températures dans les scénarios futurs provoque une baisse des rendements simulés de 5 % à 25 % selon les scénarios et niveaux de fertilisation, une augmentation de leur variabilité interannuelle et de l'occurrence de rendements nuls. En revanche, lorsque les précipitations augmentent conjointement à la température, les rendements simulés et leur variabilité interannuelle augmentent également. Cependant, les valeurs des écarts de rendement simulés sont presque systématiquement inférieures à la RRMSE du modèle. Lorsque le niveau de fertilisation augmente dans le(s) scénario(s) futur(s) par rapport au scénario historique, les écarts de rendements simulés sont systématiquement positifs, et supérieurs à la RRMSE du modèle. En conclusion, les variations de rendement simulé résultant du changement climatique, positives ou négatives, sont très inférieures aux variations positives de rendement qui pourraient résulter du recours à la fertilisation. Le risque économique encouru par les paysans à l'intensification des systèmes de culture par la fertilisation devrait être analysé afin de proposer des politiques offrant aux agriculteurs les moyens de s'adapter au changement climatique, notamment via la facilitation de l'accès aux intrants, dont le coût rend leur utilisation impossible pour certains aujourd'hui.

In Mediterranean region, summer droughts are getting more intense with climate change, and water management is essential to avoid grapevine water and nitrogen (N) stress in order to maintain berry production (Celette and Gary 2013). Numerous studies have shown the potential of service crops for providing services in vineyards, eventually in relation to water and N supply (Garcia et al. 2018). Functional characterization is increasingly employed for cultivated ecosystems (Martin and Isaac 2015; Wood et al. 2015), with the hypothesis that functional markers could help us to predict the ecosystem services provided by cash crops and service crops (Damour et al. 2015). However, there is a lack of studies that assess the relations between functional markers and ecosystem services in field conditions. The aim of this study was to test the relations between functional markers of service crops in vineyards, and water and N stocks in soils. The experiment was carried out from 2016 to 2017 on a vineyard located in the South of France. Treatments consisted in 13 different service crop species and spontaneous vegetation in the inter-rows. Species were chosen to diversify botanical families, life cycles and growing behaviour. Service crops were sown on plots of 30m length in inter-rows. We studied plant communities of sown species and neighbouring weeds in three quadrats per treatment. At budburst, cover rate and aboveground biomass were recorded in all quadrats, and species were sort out to calculate their relative abundance. After biomass collection, soil cores were collected to measure soil water and N contents. Aboveground functional markers were measured on sown species and most frequent weeds (39 species in total) according to standardized protocols (Pérez-Harguindeguy et al. 2013). We recorded plant height, leaf area, leaf dry matter content, plant dry matter content, specific leaf area (SLA), carbon, N content and C/N ratio. Community weighted means (Garnier et al. 2004) were calculated for each marker to take into account species diversity in each quadrat. Cover rate and aboveground biomass were also included in the data analysis we performed to explain soil water and N stocks. Our results show that soil water and N stocks were related to the aboveground functional markers of the service crops and associated weeds. Different sets of markers were involved in water or N stocks relations, respectively. Among them, plant N content and C/N ratio best explained N stocks variations (28% and 19%, respectively), while most of water stock variability was explained by cover rate and total biomass (28% and 29%, respectively). These results suggest that functional characterization of service crops at plant scale is relevant to understand and predict some ecosystem services provided by service crops; however, simple indicators measured at plant community scale (e.g. cover rate and aboveground biomass) sufficiently accounts for differences in water provision at budburst.

In Mediterranean region, the climate is known for its heavy storms during spring and autumn, reaching high levels of rainfall intensity. Viticulture is one of the most erosion-prone land uses as the soils often present poor organic carbon levels, and tillage may be frequent to avoid competition between weeds and grapevines (Salomé et al., 2016). Moreover, this crop is often located on steep slopes, shallow soils, where rainfall generates runoff and soil losses. Numerous studies have shown that cover cropping is a relevant solution to limit runoff and increase soil aggregate stability and thus limit soil erosion (Garcia et al., 2018). The role of root traits to increase aggregate stability has been studied in grasslands or natural ecosystems, but few studies have explored the impact of plant traits in tilled agrosystems (Le Bissonnais et al., 2017). The aim of this study was to assess the respective role of root traits and soil characteristics in driving soil aggregate stability in Mediterranean vineyards. The experiment was carried out from 2016 to 2017 during one growing season, on a vineyard located in the South of France. Treatments consisted in 13 different service crop species and spontaneous vegetation in the inter-rows. Sown species were chosen to have a diversity of botanical families, life cycles, and growing behavior. Service crops were sown on plots of 30m length upon one row and the two adjacent inter-rows, under three contrasted soil management strategies since 2012: permanent vegetation, permanent tillage, and permanent vegetation tilled at n-1. At budburst, aboveground biomass was recorded in quadrats displayed in each treatment (38 quadrats in total). After biomass collection, two soil cores per quadrat were collected to measure root traits, inorganic nitrogen (N) content, soil organic carbon (SOC) and microbial biomass (MB). In each quadrat, soil sample in the 0-10 cm layer was collected to measure aggregates stability (3 repetitions per quadrat) and calculate mean weight diameter (MWD) of aggregates (Le Bissonnais, 1996). MWD values ranged from 0.31 mm (very unstable) to 1.19 mm (medium stable). Soil structural stability depended on previous soil management, and tillage strongly affected structural stability even after permanent vegetation and high SOC content. Overall, soil components and root traits equally contributed to soil structural stability. Root mean diameter and root mass density were positively correlated with MWD values, specific root length was negatively correlated with MWD values. Moreover, MWD values were higher under legumes species compared to graminoids species. These results suggest that in heavydisturbed ecosystems such as tilled vineyards, root traits are major factors explaining aggregates stability. Moreover, legumes species seemed more effective to increase aggregate stability. This could help vinegrowers for the choice of suited service crops to improve soil stability and resistance to erosion in vineyards.