Un OAD pour la gestion agroécologique des adventices

De FlorSys à FLO2, ou comment passer d'un modèle de recherche, complet mais compliqué à utiliser, à un outil d'aide à la décision fonctionnel.

Le projet CoSAC (ANR-14-CE18-0007) a pour objectif de développer des outils d'aide à la décision (OAD) prédisant les effets des pratiques agricoles et du pédoclimat sur la flore adventice, et d'utiliser ces outils pour concevoir des stratégies de gestion durable des adventices.

Gestion agroécologique de la flore adventice

Respecter une certaine dualité

Reconcevoir des stratégies de gestion de la flore adventice est essentiel afin de suivre les réglementations françaises et européennes. L'emploi d'herbicides, solution curative à ce jour la plus efficace, simple et rapide à mettre en oeuvre, est aussi la cause de problèmes sanitaires et environnementaux. Les autres techniques curatives (mécaniques ou thermiques) sont moins efficaces ou plus difficiles à mettre en oeuvre. Elles doivent être combinées avec des méthodes préventives telles que :

- la diversification de la rotation ;

- le travail du sol pour vider le stock semencier ;

- le retard de semis en automne pour éviter le pic de germination des adventices ;

- des espèces et variétés de culture compétitives pour occuper l'espace.

L'ensemble doit être raisonné sur le long terme. La gestion de la flore adventice est d'autant plus complexe que ces végétaux ont leur rôle dans l'agroécosystème en rendant des services écosystémiques, notamment en tant que ressources alimentaires pour les abeilles de la parcelle ou composante de la biodiversité végétale propre aux champs cultivés.

Concevoir un système de culture respectant cette dualité de gestion est complexe, d'autant qu'un tel système se réfléchit sur le long terme. Nous avons donc besoin d'outils pour aider les agriculteurs et les cconseillers agricoles confrontés directement à la conception de systèmes de culture.

Codévelopper avec des métiers de terrain

Notre objectif a donc été de codévelopper, avec des conseillers agricoles et des agriculteurs, un outil d'aide à la décision pour la gestion agroécologique des adventices à l'échelle du système de culture qui soit adapté à leurs besoins.

Il existe des OAD pour la gestion des adventices répondant à des besoins spécifiques : reconnaître les espèces adventices (InfloWeb), guider les traitements herbicides (DECID'herb), guider la conception de systèmes de culture économes en herbicides (Ecoherbi ou OdERA-Systèmes). Mais le GIS GC HP2E a identifié le besoin d'un outil, à l'échelle du système de culture, permettant de prendre des décisions stratégiques sur le long terme (Journée de réflexion sur la création d'OAD pour la profession agricole, 2011).

Allier implication des utilisateurs et méthodes statistiques complexes

Implication des utilisateurs

Afin de concevoir un OAD permettant d'aider à la gestion agroécologique des adventices en réduisant l'usage des herbicides, nous avions besoin d'un outil :

- qui raisonne et évalue la gestion sur le long terme et combine les pratiques culturales pour gérer la flore adventice ;

- qui prenne en compte les techniques curatives alternatives et la prévention des adventices ;

- avec, en sortie, des indicateurs proches des problèmes liés aux adventices des agriculteurs, ainsi que des indicateurs pour le compromis de gestion durable des systèmes de culture.

Pour cela, il faut que cet outil représente la complexité des interactions entre le système de culture et les adventices, mais aussi qu'il soit utile et utilisé.

C'est pourquoi la démarche adoptée ici fait intervenir les futurs utilisateurs dès le début du développement, tout en utilisant au mieux un modèle complexe existant en le simplifiant (Figure 1). Les interventions avec les utilisateurs nous donnent le type d'OAD à produire ainsi que sa structure et sa forme. La simplification du modèle nous fournit le contenu de l'OAD.

C'est en avançant en parallèle avec les utilisateurs et avec la simplification du modèle qu'on peut obtenir le meilleur compromis entre demandes des utilisateurs et possibilités du modèle. Via un questionnaire en ligne, quarante conseillers agricoles et six agriculteurs ont été consultés pour définir l'utilisation qu'ils pourraient avoir d'un OAD au niveau de gestion stratégique des adventices.

Besoins des conseillers et agriculteurs

Deux types de besoins sont ressortis (Figure 1) :

- pour gérer la conception d'un nouveau système de culture, un outil qui le décrit à une échelle synthétique de type méta-règle de décision (ex. : fréquence du travail du sol, taux de culture de printemps dans la rotation, etc.) ;

- pour améliorer un système de culture existant en l'ajustant, un outil qui le décrit de façon complète, via une liste d'opérations détaillée.

Les praticiens consultés ont donné leur avis sur ce que devait estimer l'OAD, notamment les indicateurs qu'il permet de calculer (Figure 2 page suivante).

Les conseillers agricoles et agriculteurs sont d'abord intéressés par les indicateurs qui évaluent la nuisibilité des adventices pour la production, en termes de quantité et de qualité, aspect indispensable pour un système de production rentable. Mais ils sont nombreux à vouloir inclure dans les critères d'évaluation des impacts environnementaux (ex. : contribution des adventices à réduire le lessivage de l'azote dans le sol) ou liés à la biodiversité (ex. : ressources alimentaires pour les carabes ou les abeilles).

Cette première interaction avec les utilisateurs révèle que nous disposions déjà d'un outil répondant au second besoin : le modèle de recherche FlorSys. En revanche, l'enquête a montré l'intérêt de développer un nouvel outil répondant au premier besoin, que nous nommerons FLO2 par la suite.

Combiner les pratiques et la science

Pour éviter de repartir de zéro dans la construction de FLO2, nous avons utilisé le modèle FlorSys comme réseau de parcelles virtuelles, en simulant de nombreux systèmes de culture pour ensuite modéliser plus simplement la relation entre système de culture et impacts des adventices. Les systèmes utilisés sont issus d'enquêtes en exploitation agricole, du réseau Biovigilance-Flore, du réseau Dephy-Ferme, d'essais systèmes de culture et d'experts. Ils ont été complétés par des situations extrêmes, sans herbicide ou sans travail du sol, et des systèmes aléatoires pour traquer l'innovation inattendue.

En tout, 4 102 systèmes ont été simulés sur trente ans afin de capter les effets à long terme, avec dix séries climatiques différentes afin d'évaluer leur robustesse face aux aléas climatiques. Le résultat combinait la pratique agricole existante et les systèmes innovants, avec la connaissance scientifique synthétisée dans FlorSys. Pour transformer ces données en OAD, des méthodes de fouille de données ont été utilisées :

- des arbres de régression permettent de constituer des typologies de systèmes de culture, identifiant des combinaisons de techniques culturales permettant d'atteindre divers niveaux d'impact de la flore adventice et d'usage herbicides ;

- la forêt aléatoire, qui s'appuie sur le même principe en multipliant les arbres, permet de prédire des impacts de façon rapide et assez précise, et de classer les techniques selon leur impact sur les adventices.

Comment rendre un outil ergonomique ?

Les agriculteurs et conseillers ont aussi été mobilisés à d'autres étapes de la conception. Ils ont testé différents prototypes d'OAD dans des ateliers de coconception de systèmes de culture. Notamment, les formats de sortie et d'entrée étaient présentés pour avoir leurs retours et améliorations à apporter. Cela a conforté certains de nos choix, tel que l'arbre de décision lisible par une majorité d'utilisateurs (Figure 3).

La description des méta-règles et systèmes de culture a aussi été travaillée pour les rendre plus accessibles. Par exemple, la « proportion de cultures fauchées » est plus compréhensible que la « proportion de cultures pluriannuelles » initialement utilisée.

Les utilisateurs ont proposé des descripteurs, comme la fréquence de passage de herse étrille pour évaluer la pertinence d'un achat de matériel.

FLO2 complémentaire de FlorSys

À la suite des interactions avec les futurs utilisateurs, nous proposons donc deux outils complémentaires :

- l'OAD FLO² pour concevoir les grandes lignes d'un nouveau système de culture ;

- la parcelle virtuelle FlorSys pour améliorer un système existant en ajustant finement ses détails.

FLO2 pour jeter les grandes lignes

Classement des techniques par leurs effets

Le nouvel OAD FLO² se compose de trois parties. D'abord, un classement des techniques culturales ayant le plus d'effet sur la flore adventice et les conséquences pour la production agricole et la biodiversité, afin de guider l'utilisateur dans le choix des techniques à modifier en vue d'améliorer ou concevoir un système de culture (Figure 4).

Ce classement dépend de la combinaison des critères d'évaluation de la flore adventice retenue par l'utilisateur. Dans l'exemple de la Figure 4, l'objectif est de réconcilier production agricole, faible usage d'herbicide et biodiversité. Dans ce cas, le choix des opérations estivales détruisant la flore adventice (herbicides, fauches, travail du sol) est crucial, suivi du nombre d'applications herbicides, surtout en culture.

Arbres de décision

Le deuxième élément de FLO² est constitué par une série d'arbres de décision, pour chaque situation de production et en fonction de la combinaison de critères d'évaluation de la flore adventice retenue par l'utilisateur. Les entrées de chaque arbre sont des méta-règles de décision correspondant à une description synthétique du type de système de culture (par exemple fréquence moyenne de travail du sol, proportion de culture de printemps, fréquence de travail du sol avant le colza). Les sorties d'arbres sont les indicateurs d'impact de la flore adventice (Colbach et al., 2017 ; Mézière et al., 2015b), dont la plupart ont été développées avec des agriculteurs (Mézière et al., 2015a). L'arbre de la Figure 3 correspond ainsi à la Champagne humide pour trois indicateurs de nuisibilité des adventices (perte de rendement, pollution des récoltes, salissement du champ), deux indicateurs de biodiversité (ressources trophiques pour abeilles et carabes) et l'usage herbicide (IFT herbicides). La combinaison avait été choisie par un groupe d'agriculteurs lors d'un atelier de prototypage dans cette région.

Ces arbres peuvent s'utiliser dans les deux sens. Pour une conception de novo, l'utilisateur identifie la « feuille » de l'arbre qui correspond le mieux à ses objectifs (par exemple, faible perte de rendement, usage d'herbicides intermédiaire, biodiversité médiocre : première « feuille » à gauche, celle des rotations avec plus de deux tiers de cultures de printemps).

Dans une optique d'amélioration d'un système existant, l'arbre s'utilise dans l'autre sens, en partant du haut, puis en dessinant le chemin correspondant aux pratiques du système existant. Ensuite, les embranchements alternatifs à ce chemin permettent d'identifier des améliorations possibles du système. Par exemple, le chemin orange de la Figure 3 montre qu'augmenter le nombre de passages avec un cover-crop à rouleau peut réduire la perte de rendement.

Calculateur de valeur

Le troisième composant de FLO², issu de la forêt aléatoire, est un calculateur qui prédit en quelques secondes les valeurs des indicateurs d'impact de la flore adventice à partir des méta-règles de décision et descripteurs synthétiques des systèmes de culture. En renseignant les différentes méta-règles de décision (par exemple, labour un an sur trois et 20 % de cultures de printemps dans la rotation), on obtient en quelques secondes l'estimation des impacts des adventices sur la production agricole et la biodiversité. Si le résultat n'est pas satisfaisant, l'utilisateur modifie les valeurs des méta-règles pour relancer le calcul afin de trouver les valeurs de méta-règles de décision qui permettent de faire bouger les impacts des adventices dans le sens espéré.

Ces trois éléments sont réunis dans une application en ligne librement accessible aux groupes participant au développement de l'outil. Ce prototype continue à être amélioré dans le cadre d'ateliers de coconception de système de culture avec des agriculteurs. La prochaine étape sera l'ajout d'une interface graphique ergonomique facilitant son utilisation.

FlorSys, l'outil du diagnostic

FlorSys est une « parcelle virtuelle » où sont simulés les impacts du système de culture sur la dynamique adventice à l'échelle de la parcelle et en fonction du pédoclimat à un pas de temps journalier. Les systèmes simulés et les variables environnementales influencent le cycle de vie des cultures et adventices, prédisant pour chaque jour une multitude de variables d'état décrivant le couvert cultivé et la flore adventice (densité de semences viables, dormantes et germées, densité, position, biomasse et stade des plantes émergées, production de graines).

L'évaluation de FlorSys avec des données indépendantes issues d'observations de terrain de plusieurs régions a montré que le modèle classe correctement le rendement, la densité journalière d'adventices et les densités moyennées sur les années de simulations. Il permet de comparer des systèmes entre eux avec une erreur de prédiction acceptable.

FlorSys, par sa capacité à tester un grand nombre de systèmes de culture détaillés et à les évaluer par de nombreux indicateurs, est un outil intéressant pour aider à concevoir des systèmes multiperformants. Les multiples variables d'état permettent de faire un diagnostic détaillé du système testé, en traquant par exemple les pratiques peu efficaces pour gérer les adventices à certaines étapes de la rotation. Mais cette complexité rend l'usage de l'outil assez compliqué et très lent. Simuler un système sur trente ans avec dix répétitions climatiques peut prendre jusqu'à deux jours. De ce fait, on ne compare souvent qu'un petit nombre de systèmes de culture précis.

En pratique

Avec le GDA de Brienne

Dans le cadre d'un atelier de coconception de systèmes de culture économes en herbicides et rentables, ces deux outils, FLO² et FlorSys, ont été mis en oeuvre pour évaluer les propositions de systèmes de culture conçus par des agriculteurs du Groupe de développement agricole de Brienne (Aube).

Lors de cet atelier, le jeu mission Écophyt'eau a été utilisé afin d'aider les agriculteurs à concevoir des systèmes de culture. FLO² est intervenu ensuite pour évaluer les systèmes en direct, grâce au prédicteur rapide, afin d'informer les agriculteurs de l'efficacité des différents systèmes testés.

FLO² et FlorSys sont complémentaires. FLO² peut s'utiliser « à chaud », en atelier, pour évaluer des propositions de système de culture et avoir une vision globale de leurs performances. FlorSys s'utilise plus « à froid », entre deux ateliers, pour du diagnostic et une évaluation plus précise du système.

Le tableau synthétise les performances du système de référence et de plusieurs prototypes estimés par le prédicteur de FLO². Les options testées dans le prototype B montrent que l'évaluation en direct a donné des pistes de réflexion sur les options choisies par les agriculteurs pour gérer les adventices, les encourageant à mobiliser d'autres leviers de gestion et ainsi relancer une boucle de conception. Par exemple, FLO² révèle que combiner herbicide et désherbage mécanique ne réduit pas la perte de rendement (comparé au désherbage mécanique seul ou à l'usage d'herbicide seul), alors qu'elle réduit la biodiversité liée à la flore adventice.

Ces ateliers ont montré que, malgré une interface un peu austère et à améliorer, FLO² peut déjà appuyer la conception de nouveaux systèmes de culture. Les ateliers ont aussi révélé des améliorations à apporter, notamment sur la façon de renseigner les systèmes de culture dans le prédicteur rapide. Dans cet atelier, FlorSys et FLO² ont complémenté l'outil d'animation mission Écophyt'Eau (Civam/Réseau agriculture durable) et l'outil d'évaluation de la durabilité de système DexiPM (Pelzer et al., 2012).