Agrosystème, agroécosystème

Auteur : François Papy, Gilles Lemaire et Éric Malézieux

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Article accepté le 20 février 2023
Article mis en ligne le 21 février 2023

Agrosystème et agroécosystème sont deux concepts caractéristiques de l’évolution de l’agronomie au cours des dernières décennies. Nous présenterons ici leur genèse et les voies de leur développement dans la littérature scientifique, soulignant l’importance de la transition entre ces termes.

Agrosystème

La compréhension de la nutrition carbonée, hydrique et minérale des plantes, entrevue par de Saussure au début du XIX^e siècle (Robin, 2007) et clairement établie par Liebig (1841), a mis du temps à être acceptée par les agronomes (Legros, 1996). En effet les agronomes pensaient jusqu’alors que les plantes s’alimentaient directement d’humus (Pedro, 2007). Mais, une fois acceptée, la théorie de l’alimentation minérale des plantes a bouleversé la conception qu’avaient les agronomes de leur nutrition. Cette découverte a conduit à l’idée centrale que c’est par des apports d’engrais minéraux au sol que l’on pouvait augmenter la production des végétaux cultivés. Ainsi, au début du XX^e siècle, l’agronomie a connu, selon une expression de Pedro, le règne sans partage de la chimie. Mais, à partir des cours qu’il dispense à Paris au Conservatoire des Arts et Métiers, Demolon publie en 1932, le premier de deux tomes des Principes d’agronomie qui seront édités de nombreuses fois, enrichies des nouvelles connaissances (Demolon, 1952, 1956). Pour Demolon, dans toutes les éditions successives, le sol est dès lors considéré comme un « milieu cultural » sur lequel il est possible d’agir par des techniques pour améliorer les facteurs et conditions de la croissance et du développement des plantes. Azzi (1954), qui définit l’écologie agricole comme l’étude du milieu physique (climat, sol) dans ses rapports avec le développement des plantes cultivées et leurs rendements, développe une conception similaire à celle de Demolon, qui n’est plus une simple application de la chimie. Et quand plus tard, en 1967, Hénin écrit : « L’agronomie est une écologie appliquée à la production des peuplements des plantes cultivées et à l’aménagement des terrains agricoles », il se situe à la fois dans la continuité des conceptions précédentes, mais exprime aussi une vision audacieuse de ce que deviendront, plus tard, les relations entre écologie et agronomie.

Au tournant des années 1970, les agronomes ont encore une conception linéaire des effets des actions que l’agriculteur exerce sur le milieu pour obtenir une production végétale. Le rendement à l’hectare, dont l’augmentation est l’objectif premier des agronomes depuis la Seconde Guerre mondiale, est alors perçu comme plafonné par un potentiel génétique propre à la plante cultivée. Ce potentiel s’exprime sous l’effet de variables du milieu, souvent non modifiables par l’agriculteur (la température, le rayonnement solaire…) et de facteurs limitants pouvant être levés un à un par des techniques culturales appropriées (manque d’éléments nutritifs, excès ou manque d’eau, contraintes physiques du sol, maladies, ravageurs, concurrence d’adventices, etc…). Cette conception, où les éléments s’enchaînent sans rétroaction les uns sur les autres, ne peut être considérée véritablement comme un système, mais seulement comme un ensemble de relations de cause à effet, plus ou moins normées empiriquement et que traduisent bien les schémas d’élaboration du rendement conçus à cette époque (Boiffin et al., 1981).

Mais en étudiant, à partir des années 1970, les pratiques des agriculteurs vues comme résultant d’un apprentissage itératif fondé sur l’expérience, les agronomes se sont donnés comme objet d’étude « l’action de cultiver ». Deux investigations complémentaires vont constituer la base du corpus théorique des agronomes : la démarche clinique et le concept d’itinéraire technique. Tout d’abord, en perfectionnant l’interprétation des analyses de sol et de végétation, mais surtout en généralisant la pratique du profil cultural, titre d’un ouvrage de Hénin et al. (1960), les agronomes ont développé une démarche clinique. Cet ouvrage, sous-titré « principes de physique du sol » a été testé sur le terrain auprès de praticiens (agriculteurs, ingénieurs des services agricoles) et a donné lieu en 1969 à une seconde édition complètement refondue pour permettre aux lecteurs « de raisonner l’application des techniques et non pas de les utiliser comme des recettes » (Hénin et al., 1969). Ainsi s’est développée une agronomie clinique qui a consisté à identifier les facteurs et conditions affectant le rendement des cultures, tant à l’échelle des parcelles que d’une région agricole (Boiffin et al., 1981 ; Doré et al., 1997).

Puis, dans un article fondateur de 1974, Sebillotte définit le concept d’itinéraire technique. Tenant compte des multiples interactions entre techniques clairement décrites par Monnier (1969), ce concept établit des principes de conduite des cultures en fonction d’objectifs stratégiques et d’adaptations tactiques aux aléas.

Ce corpus théorique, fait à la fois de méthodes de diagnostic et de modélisation du processus décisionnel, permet aux agronomes de formaliser les décisions des agriculteurs vis-à-vis de leurs cultures, dans la démarche d’apprentissage empirique de ces derniers, comme résultant de boucles de rétroaction qu’ils cherchent à accompagner en les formalisant. Les connaissances scientifiques sur les relations de cause à effet au sein de l’ensemble climat – sol – plantes – techniques, améliorent progressivement les diagnostics réalisés par les agronomes, et il devient possible, pour atteindre des objectifs donnés, de concevoir des itinéraires techniques (Meynard, 1985) et même des successions de cultures adaptées (Colbach et al., 1997) par des combinaisons d’actions techniques qui tiennent compte de leurs interactions. C’est ce processus de rétroaction adaptative, appliqué à un espace donné, que Meynard (1998) qualifie d’agrosystème (figure 1), soulignant que ce concept est un pivot de la démarche d’innovation en matière de conduite des systèmes de culture.

Figure 1 : Représentation de l’agrosystème à l’échelle de la parcelle cultivée. A partir de diagnostics des rétro-actions modifient en retour le système de décision. C’est ce qui donne à l’agro-système son caractère systémique et ses propriétés auto-adaptatives. (tiré de Papy et al., 2022)

Ainsi l’agrosystème, tel que pensé dans ce cadre épistémologique, peut-il être défini comme la représentation systémique de la façon dont, sur une portion d’espace conduite de façon homogène (parcelle ou groupe de parcelles), un acteur (agriculteur ou agronome), tenant compte des interactions entre techniques, (1) met en œuvre des règles d’action pour atteindre un objectif de production donné et (2) utilise ses connaissances sur les relations de cause à effet au sein du processus d’élaboration du rendement pour analyser les écarts entre résultats et objectifs, et concevoir d’autres systèmes techniques permettant une meilleure adéquation.

Les agronomes ont alors cherché à améliorer la qualité des indicateurs pour affiner leur diagnostic sur le fonctionnement de la parcelle cultivée, à modéliser les interactions entre techniques culturales pour concevoir de nouveaux itinéraires techniques, et à mettre au point des méthodes d’évaluation des innovations. La fabrication de modèles (comme DéciBlé – Chatelin et al., 2005) articulant des modules qui simulent des processus de décision, à d’autres qui représentent le fonctionnement biophysique, illustre ce concept d’agrosystème, en ce qu’il permet de reproduire des boucles de rétroaction sur des règles de décision.

Il a fallu, par exemple, concevoir des itinéraires techniques adaptés au fonctionnement des exploitations. C’est ainsi que, dans les exploitations pratiquant des cultures de blé et de betterave, Meynard (1985) a recherché des itinéraires techniques du blé s’adaptant aux exigences de préparation du sol pour la betterave. A condition de ne pas viser le potentiel de rendement, ces itinéraires consistaient à choisir de façon cohérente les variétés, les dates et densités de semis, ce qui permettait de réduire les intrants (fertilisation azotée, {{régulateur de croissance|régulateurs de croissance]], pesticides) et d’obtenir ainsi de bonnes marges. Ces résultats ont été à la base d’une longue série de travaux d’agronomes sur des innovations permettant de réduire l’usage des intrants (engrais minéraux et pesticides) qui ont été ensuite perfectionnés par des apports venant de l’écologie.

Agroécosystème

A partir du milieu des années 1980, une autre représentation des processus biophysiques qui se déroulent dans un champ cultivé émerge, se combine avec la précédente et, progressivement, s’impose. Le développement important des sous-disciplines de l’écologie (écologie fonctionnelle d’abord, puis écologie des populations et des communautés, enfin écologie du paysage) modifie profondément, grâce à des démarches interdisciplinaires, la vision des agronomes sur le fonctionnement du peuplement cultivé (Gillet et al., 1984). Les interactions entre les plantes cultivées et le milieu (avec ses composantes vivante et inerte) deviennent un objet d’étude plus complexe. Il s’agit non seulement d’analyser les effets des facteurs du milieu sur les plantes, ainsi que leurs interactions, mais aussi les effets des plantes elles-mêmes, isolées ou en peuplement, sur leur milieu, comme l’effet de la transpiration sur la couche limite (collectif, 1964). Le système est constitué à la fois par le milieu (biotope) et les organismes qui y vivent, ce qui est la définition même d’un écosystème. Les agronomes passent alors d’une conception où les techniques de culture agissent sur le milieu pour satisfaire les besoins des plantes cultivées, à une conception où les techniques agissent sur des écosystèmes cultivés comme une « perturbation » (terme d’écologie), modifiant de façon continue dans le temps une dynamique de fonctionnement.

L’écophysiologie végétale et la bioclimatologie apportent d’abord une vision dynamique de la captation de ressources (énergie lumineuse à travers la couche limite ; éléments minéraux et eau à travers la rhizosphère - figure 2), ce qui permet d’associer étroitement dans un même cadre conceptuel les nutritions en azote, carbone et eau (Gillet et al., 1984 ; Gosse et al., 1986 ; Lemaire & Denoix, 1987) Ces apports permettent de distinguer l’efficience de la captation des ressources de l’efficience de leur conversion en biomasse. La microbiologie du sol dont les apports à l’agronomie sont déjà importants dès 1970 (Dommergues & Mangenot, 1970) prend de l’essor à partir des années 1990 grâce aux méthodes d’analyse de l’ADN. Elle permet d’approfondir les processus de captation des éléments minéraux dans le sol qui, dans la rhizosphère, sont souvent favorisés par des mycorhizes qui connectent les racines aux mycéliums de champignons, dans des relations symbiotiques, tout comme celles qui existent entre les légumineuses et des bactéries fixatrices d’azote (Selosse, 2021). Les concepts de couche limite et de rhizosphère traduisent l’idée que les plantes cultivées agissent sur leur propre milieu.

Que ce soit dans le sol ou au-dessus, l’écologie fonctionnelle rend compte des interactions entre les organismes vivants de l’écosystème. Les agronomes cherchent aussi à comprendre comment les régulations biologiques entre plantes cultivées, bioagresseurs et auxiliaires peuvent être pilotées au profit des premières. Résultant de recherches interdisciplinaires entre agronomes et écologues du paysage (Burel & Baudry, 1999), le champ d’étude s’élargit de la parcelle, unité de base de la production agricole, à l’unité paysagère agroécologique constituée de parcelles voisines portant des cultures différentes et des infrastructures paysagères (bords de champs, haies, bosquets) variées qui servent de ressources et d’habitats pour les populations d’auxiliaires – les bioagresseurs ayant en grande partie le leur dans les parcelles (Lavigne et al., 2011 ; Médiène et al., 2011). Ainsi c’est à l’échelon de ces unités paysagères qu’il est possible de concevoir des systèmes techniques mettant à profit les services de la biodiversité pour produire dans les parcelles.

Ces apports fondamentaux de l’écologie à l’agronomie sont concomitants de la critique que les agronomes font à l’usage intensif des intrants (engrais et pesticides), tout particulièrement à partir du rapport Hénin (1980) sur les activités agricoles et la qualité des eaux. Le rendement des principales espèces cultivées a augmenté dans le monde d’un facteur 2 à 3 entre les années 1950 et 2000 grâce à l’aide du progrès génétique, et d’une utilisation accrue d’un facteur 4 à 7 d’engrais minéraux (Tilman et al., 2002). La perte d’efficacité de ces intrants, de même que celle des pesticides, s’accompagnent d’énormes dégâts sur l’environnement, en même temps qu’une perte des services que la biodiversité peut rendre à la production. La montée en puissance de l’agroécologie place la biodiversité au cœur du processus de production, et considère qu’au sein des unités paysagères agroécologiques, cette biodiversité (tant dans le sol et les couverts végétaux des parcelles que dans les structures paysagères) rend des services directs à la production agricole (Hainzelin, 2013). Considérer l’espace cultivé comme un écosystème ouvre la voie à de nouveaux outils pour les agronomes (Reboud & Malézieux, 2015), ainsi qu’à l’appropriation de nouveaux concepts (Tixier et al., 2013). La biodiversité agricole ou agrobiodiversité devient même un objet central de la productivité et de la résilience des systèmes agricoles (Malézieux et al., 2009) ; et les interactions biologiques observées dans la Nature deviennent des modèles pour la production agricole (Malézieux, 2012).

C’est pourquoi il est possible de définir un agroécosystème de premier ordre comme une représentation systémique de la façon dont, sur une unité paysagère, constituée de parcelles voisines et de structures paysagères, un acteur (agriculteur ou agronome) pilote à des fins essentiellement productives les autorégulations écosystémiques qui s’y développent et analyse les perturbations qu’il a introduites, pour concevoir d’autres systèmes techniques.

La figure 2 schématise les interactions entre les autorégulations naturelles et les actions humaines internes à un tel agroécosystème, qui utilise ainsi les services écologiques à des fins essentiellement productives.

Figure 2. Représentation des interactions entre actions culturales et autorégulations naturelles au sein d’un agroécosystème de premier ordre, conçu avant tout dans un objectif de production. Toutefois si cet objectif est privilégié, l’agroécosystème a aussi des effets environnementaux pris en compte pour modifier les décisions. (tiré de Papy et al., 2022).
La couche limite est la portion de l’atmosphère dont la composition chimique et les flux (direction et vitesse) sont modifiés par la végétation qui ainsi transforme le milieu où elle vit.
La rhizosphère est la portion de sol soumise à l’action des racines et des organismes vivants qui y sont associés, modifiant ainsi les échanges de nutriments et d’eau entre le peuplement végétal, le sol sous-jacent et les hydrosystèmes associés.

Ces apports de l’écologie arrivent également à un moment où, sous l’appellation de multifonctionnalité, l’agriculture s’est déjà vu enjoindre de rendre des services environnementaux en même temps que de produire des denrées alimentaires. Les agronomes doivent désormais accompagner « l’écologisation » de l’agriculture, entendant par là non seulement utiliser les services écosystémiques pour produire, mais aussi promouvoir des agricultures qui rendent des services environnementaux (Gaba et al., 2015). Ces nouveaux objectifs obligent encore à changer d’échelle spatiale, mais aussi de niveau d’organisation sociale. Bien sûr, certains services environnementaux comme la séquestration du carbone, la préservation d’une diversité dans des populations peu mobiles, sont réalisables au sein des unités paysagères des agroécosystèmes de premier ordre. Mais la qualité de l’eau, la régulation de certains systèmes érosifs, la préservation des populations qui exigent de grands espaces, ne sont concevables que sur de grands territoires (bassins versants, aquifères, petites régions agricoles) qui dépassent ces agroécosystèmes de premier ordre et leur gestion dans les exploitations agricoles. Ces différentes questions impliquent des collectifs d’acteurs (Papy & Baudry, 2019). Aussi, les agroécosystèmes répondant à la multifonctionnalité de l’agriculture ne peuvent-ils pas se définir par des limites spatiales à priori, mais doivent plutôt l’être sur les entités spatiales pertinentes selon la hiérarchie que des acteurs territoriaux font, en un lieu, entre les différentes fonctions environnementales et la fonction productive (figure 3).

C’est pourquoi il est possible de définir un agroécosystème de second ordre comme une représentation systémique de la façon dont, sur une portion d’espace à définir en fonction d’une hiérarchisation entre objectifs environnementaux et productifs, les acteurs d’un territoire mettent en œuvre des règles d’action pour atteindre ces objectifs et utilisent leurs connaissances sur les processus pour analyser l’effet des perturbations introduites et concevoir d’autres systèmes techniques.

Figure 3. Illustration de la diversité des processus en jeu dans les services environnementaux attendus de l’agriculture permettant de considérer des agroécosystèmes de second ordre comme des assemblages d’agroécosystèmes de premier ordre.

Qu’il s’agisse d’agroécosystèmes de premier ordre, dont l’objectif premier est d’utiliser les autorégulations naturelles à des fins de production, ou d’agroécosystèmes de second ordre, qui consistent à organiser les premiers dans l’espace afin de répondre au mieux à la multifonctionnalité de l’agriculture, tous utilisent les capacités auto-adaptatives et auto-évolutives des écosystèmes. A défaut d’être une écologie appliquée, l’agronomie étudie la mise en œuvre des connaissances apportées par cette discipline. Par rapport à la représentation des processus contenus dans les agrosystèmes, le saut conceptuel est si grand que les modèles décisionnels de conduite de ces écosystèmes cultivés s’en trouvent fortement modifiés. Il s’agit d’une part d’aménager le terrain (taille des parcelles, nature des bords de champs, haies, agroforesterie,…) de façon à préserver la biodiversité et réguler les flux d’eau, de particules et de gaz, et d’autre part de reconsidérer la façon de concevoir les itinéraires techniques et les systèmes de culture.

C’est ainsi que les méthodes de diagnostic utilisent des indicateurs qui tiennent compte du caractère à la fois dynamique et aléatoire des processus. La vitesse de croissance des plantes, celle des populations de prédateurs et parasites et des auxiliaires qui les régulent, leur vitesse de déplacement, sont à la fois des variables à expliquer et des indicateurs de fonctionnement. Par exemple, dans le diagnostic de nutrition des plantes, l’approche de type bilan et stock de nutriments dans le sol est remplacée par une approche reliant disponibilité instantanée des éléments minéraux et vitesse de croissance. Les courbes de dilution des minéraux dans la plante sont indicatrices de ses besoins (Lemaire & Salette, 1984 ; Lemaire et al., 2008). Dans la lutte contre les ennemis des cultures, sont mis au point des indicateurs de dynamique des populations et de structures paysagères qui les influencent (Lavigne et al., 2011).

Il s’ensuit que les itinéraires techniques changent quelque peu de nature, la planification y perdant du poids au profit d’un pilotage de processus. Par ailleurs, les connaissances scientifiques ne suffisant pas à connaître les régulations biologiques dans chaque contexte local, savoirs scientifique et empirique sont associés dans des expérimentations système, des ateliers de conception participative ou des « jeux sérieux » (Meynard et al., 2022). La conception d’agroécosystèmes s’enrichit de l’étude des pratiques innovantes des agriculteurs (Semblier, 2019). Si l’on rajoute que bien souvent les arbitrages entre objectifs multiples concernent de nombreux acteurs, on comprend que la participation des agronomes à la conception, la mise à l’épreuve et l’évaluation des agroécosystèmes se pratique de plus en plus au sein de collectifs d’acteurs. Pour les agronomes au Nord comme au Sud (Côte et al., 2020), la transition agroécologique des agricultures repose sur un élargissement de leur collaboration avec des acteurs et d’autres disciplines.

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