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Respectueux de l’environnement et garantissant une sécurité alimentaire soutenue par la diversification des productions et des revenus qu’ils procurent, les systèmes agroforestiers apparaissent comme un modèle prometteur d’agriculture durable dans les pays du Sud les plus vulnérables aux changements globaux. Cependant, ces systèmes agroforestiers ne peuvent être optimisés qu’à condition de mieux comprendre et de mieux maîtriser les facteurs de leurs productions. L’ouvrage présente un ensemble de connaissances récentes sur les mécanismes biophysiques et socio-économiques qui sous-tendent le fonctionnement et la dynamique des systèmes agroforestiers. Il concerne, d’une part les systèmes agroforestiers à base de cultures pérennes, telles que cacaoyers et caféiers, de régions tropicales humides en Amérique du Sud, en Afrique de l’Est et du Centre, d’autre part les parcs arborés et arbustifs à base de cultures vivrières, principalement de céréales, de la région semi-aride subsaharienne d’Afrique de l’Ouest. Il synthétise les dernières avancées acquises grâce à plusieurs projets associant le Cirad, l’IRD et leurs partenaires du Sud qui ont été conduits entre 2012 et 2016 dans ces régions. L’ensemble de ces projets s’articulent autour des dynamiques des systèmes agroforestiers et des compromis entre les services de production et les autres services socio-écosystémiques que ces systèmes fournissent.

Huit ans de travaux de recherche sur les services écosystémiques dans une grande ferme caféière du Costa Rica (observatoire collaboratif Coffee-Flux, en système agroforestier à base de caféiers sous de grands arbres d’Erythrina poeppigiana, surface projetée de couronne de l’ordre de 16 %) ont suggéré plusieurs applications pour les agriculteurs et les décideurs. Il est apparu que de nombreux services écosystémiques dépendaient des propriétés du sol (ici des Andisols), en particulier de l’érosion, de l’infiltration, de la capacité de stockage de l’eau et des éléments nutritifs. Nous confirmons qu’il est essentiel de lier les services hydrologiques et de conservation au type de sol en présence. Une densité adéquate d’arbres d’ombrage (plutôt faible ici) permet de réduire la sévérité des maladies foliaires avec, en perspective, une réduction de l’usage de pesticides-fongicides. Un simple inventaire de la surface basale au collet des caféiers permet d’estimer la biomasse souterraine et la moyenne d’âge d’une plantation de caféiers, ce qui permet d’évaluer sa valeur marchande ou de planifier son remplacement. Le protocole de calcul actuel pour la neutralité carbone des systèmes agroforestiers ne prend en compte que les arbres d’ombrage, pas la culture intercalaire. Dans la réalité, si on inclut les caféiers, on se rapproche très probablement de la neutralité. Des évaluations plus complètes, incluant les arbres, les caféiers, la litière, le sol et les racines dans le bilan en carbone du système agroforestier sont proposées. Les arbres d’ombrage offrent de nombreux servies écosystémiques s’ils sont gérés de manière adéquate dans le contexte local. Par rapport aux parcelles en plein soleil, nous montrons qu’ils réduisent l’érosion laminaire d’un facteur 2, augmentent la fixation de l’azote (N2) atmosphérique et le pourcentage d’azote recyclé dans le système, réduisant ainsi les besoins en engrais. Ils réduisent aussi la sévérité des maladies foliaires, augmentent la séquestration de carbone, améliorent le microclimat et atténuent substantiellement les effets des changements climatiques. Dans notre étude de cas, aucun effet négatif sur le rendement n’a été enregistré. Eight years of studying coffee ecophysiology and monitoring ecosystem services (ES) in a large coffee farm in Costa Rica revealed several practical recommendations for farmers and policy makers. The cropping system studied within our collaborative observatory (Coffee-Flux) corresponds to a coffee-based agroforestry system (AFS) under the shade of large trees of Erythrina poeppigiana (16 % of canopy cover). A lot of ES and disservices depend on local soil properties (here Andisols), especially erosion/infiltration, water/carbon and nutrient storage capacity. Therefore, for ES assessment, the type of soil is crucial. An adequate density of shade trees (rather low here) reduced the severity of leaf diseases with the prospect of reducing pesticide-fungicide use. A simple inventory of the basal area at collar of the coffee plants allowed estimating the belowground biomass and the average age of the plantation, to judge of its market value and to decide when to replace it. Coffee farms are probably much closer to C neutrality than predicted by the current C-Neutral protocol, which only considers shade trees. More comprehensive assessments, including trees, coffee, litter, soil, and roots in the C balance of the AFS are proposed. Shade trees offer many ES if they are adequately managed in the local context. As compared to full sun conditions, shade trees may (i) reduce laminar erosion by a factor of 2, (ii) increase N2 fixation and the % of N recycled into the system, thus reducing fertilizer requirements, (iii) reduce the severity of leaf diseases, (iv) increase C sequestration, (v) improve the microclimate, and (vi) substantially reduce the effects of climate change. In our case study, no negative effect on coffee yield was found.

Basé sur des cas d’étude au Sénégal, ce chapitre dresse le bilan de 15 années de recherches sur le fonctionnement des sols d’agrosystèmes associant plantes cultivées (mil-arachide) et arbustes natifs au Sahel. Les travaux, publiés pour la plupart, ont montré que Guiera senegalensis et Piliostigma reticulatum redistribuent l’eau dans le sol, stimulent les microorganismes du sol et génèrent des îlots de fertilité au bénéfice de la culture associée. Ainsi, les rendements des cultures sont augmentés, y compris en absence de fertilisants : jusqu’à +137 % pour le mil en présence de P. reticulatum à Nioro-du-Rip. Cela justifie l’intérêt de maintenir ces arbustes dans les champs en appliquant une gestion agroécologique. Based on Senegalese case-studies, this chapter synthetized 15-years of research on the soil functioning of native shurb intercropping systems in the Sahel. Scientifically validated results showed that Guiera senegalensis and Piliostigma reticulatum perform water redistribution within soil profile, affect soil microbial communities and their activities and act as resource islands. Intercropping with woody shrubs resulted in a significant increase in crop yield: up to +137 % yields for millet associated with P. reticulatum at Nioro-du-Rip. The beneficial effects for the associated crops raise interest for developing shrub-based agro-ecological systems.

Soil bacterivorous nematodes are key plant mutualists that increase nutrient availability for plants either by enhancing the mineralization of organic compounds (the "mineralization pathway") or by increasing plant lateral root branching following shifts in internal plant metabolism, and subsequently leading to a higher volume of soil prospected by the roots (the "hormonal pathway"). The effects of these organisms on the nutrition of plants growing in strongly nutrient-deficient ferrallitic soils, especially in soils with limited available inorganic phosphorus (P), are poorly known, as are the pathways involved. In our study, using Oryza saliva (Poaceae) and Acrobeloides sp. (Cephalobidae), we tested the "mineralization" and "hormonal" hypotheses in an acidic P-depleted Ferralsol from the Madagascar highlands. We assessed the effect of nematode inoculation on (i) inorganic P flow from soil to plant using the P-32 labelling technique and (ii) plant root architecture using a rhizobox device. We showed that the ability of Acrobeloides sp. to enhance P uptake in plants is strongly limited in Ferralsols. However, when the soil pH was corrected with dolomite, Acrobeloides sp. increased plant P uptake probably through the "mineralization" pathway (higher microbial turnover). Indeed, the L-value increased by 49% in the presence of nematodes and dolomite, suggesting the production of unlabelled plant-available P, probably through a higher net P mineralization when the nematodes were inoculated. Using the rhizobox technique, we also observed increased root length in the presence of nematodes but the specific root length, the tip number and the root branching density did not increase in the presence of nematodes, suggesting that nematodes did not increase plant P uptake and growth in this soil as proposed by the "hormonal" hypothesis. From an ecological intensification perspective, to promote agro-ecological development in tropical regions, our results suggest that amending ferrallitic soils with P-rich organic matter and correcting soil pH with an appropriate amount of dolomite may constitute suitable agronomic actionable triggers to drive the mutualistic activity of bacterivorous nematodes.