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Mémoire de stage
Benoît Browaeys
Stage de Master 1 réalisé à l’institut d’Écologie et des Sciences de l’Environnement
sous la direction de Sébastien Barot
15 mai – 15 juillet 2016
Sujet : Effet des mélanges variétaux sur la production de biomasse
2
Remerciements
Je tiens à remercier l’ensemble des personnes que j’ai rencontrées durant ce stage, les pro-
fessionnels, chercheurs, thésards ou stagiaires. Les échanges, les encouragements et les conseils qu’ils m’ont prodigués, ont largement contribués à la réussite de ce stage.
Je remercie tout spécialement Sébastien Barot, mon maître de stage, de m’avoir accueilli au
sein de l’iESS pour ces deux mois et de m’avoir suivi très régulièrement en étant toujours disponible
pour répondre aux questions. Je remercie également Jean-Christophe Lata et les membres du dépar-
tement « Diversité des communautés et fonctionnement des écosystèmes » que j’ai intégré pour ces deux mois.
L’atmosphère conviviale mais professionnelle de cette unité de recherche est un atout qui favorise largement l’ambiance studieuse et détendue que j’ai appréciée durant ces quelques semaines.
Je remercie enfin le personnel du Moulon avec qui j’ai travaillé pendant la période de terrain
à l’INRA de Versailles et de qui j’ai pu apprendre tout un ensemble d’informations aussi bien pratiques que théoriques.
Engagement de non plagiat
Je certifie sur l’honneur ne pas avoir fait de plagiat dans la rédaction de mon mémoire, toute
citation d’un autre document ayant été mentionnée avec son auteur.
3
Effect of varietal blends on biomass production
Abstract
Agro-ecological concerns are becoming daily more present and take part in agricultural con-
siderations. The reduction of inputs, crop protection products, the role of the ecosystem and ecology
are subjects renewing the concerns of farmers and agricultural chambers. That’s in this context that
takes place the Wheatamix project. It aims to study the benefits of agroecological varietal mixtures
about wheat production of the shoot and root biomass. Already studies have shown the interest of
the varietal mix for the whole crop but without considering the consequences in bio-mass production.
That is the theme of our study. Several agronomic features (size, time maturity, disease resistance ...)
were established to retain 16 varieties that have been associated with multiple ways in our test. These
are divided into functional groups or clusters to consider either coupling varieties (multiple features)
or cluster associations with restricted functional features, since 4 clusters have been specify. After
sample processing and weighing, several statistical tests are performed to highlight the positif effects of
particular varietal or blend clusters associations. Biomass production is tested according to the number
of varieties and the number of clusters in a given mixture. We concern effect obtained separately on
the above ground biomass, roots, and fine roots of the inter-row (soil cores). However, the results of
the statistical model are not enough significant for most tests in order to conclude an effect of a
particular variety or cluster on biomass production. Then we question ourself about the role of the
presence of each cluster in the associations and what are interactions between clusters. Some results
highlight associations, but because the p-values of the models are often very high, we must perspective
the results. That would be interesting to repeat these tests to verify the obtained trends and to highlight
the mixtures which were not productive because of environmental conditions.
**********
Effet des mélanges variétaux sur la production de biomasse
Résumé
Les préoccupations agroécologiques deviennent de jour en jour plus présentes et prennent
part dans les considérations agricoles. La diminution des intrants, des produits phytosanitaires, le rôle
de l’écosystème et l’écologie sont autant de sujets qui renouvellent les préoccupations des agriculteurs
et des chambres d’agriculture. C’est dans ce contexte que prend place le projet Wheatamix. Il a comme
objectif d’étudier les avantages agroécologiques des mélanges variétaux de blé sur la production de la
biomasse aérienne et racinaire. Des études ont déjà montré l’intérêt du mélange variétal pour l’en-
semble de la culture mais sans s’interroger sur les conséquences dans la production de biomasse. Ceci
est donc le thème de notre étude. Une série de traits agronomiques (taille, précocité, résistances aux
maladies…) a été établie pour retenir 16 variétés que l’on a associées de façons multiples dans notre
essai. Celles-ci sont réparties en groupes fonctionnels ou clusters de façon à pouvoir considérer d’un
côté les associations variétales (aux multiples traits) et d’un autre les associations de clusters, donc de
traits fonctionnels restreints, puisque 4 clusters ont été définis. Après traitement et pesée des échan-
tillons, une série de tests statistiques est réalisée pour mettre en évidence les effets positifs de tel ou
tel mélange variétal ou association de clusters. La production de biomasse est testée en fonction du
nombre de variétés puis du nombre de clusters dans un mélange donné. On regarde l’effet obtenu
séparément sur la biomasse aérienne, racinaire, et sur les racines fines de l’inter-rangs (carottes de
sols). Cependant, les résultats du modèle statistique ne sont pas suffisamment significatifs pour la plu-
part des tests pour pouvoir conclure à un effet de telle ou telle variété ou d’un cluster sur la production
de biomasse. On s’interroge alors sur le rôle de la présence de chaque cluster dans les associations et
les interactions entre clusters qui en découlent. Quelques résultats font ressortir des associations, mais
les p-values des modèles, souvent très élevées, poussent à relativiser les résultats. Il serait intéressant
de renouveler ces essais pour vérifier les tendances obtenues et mettre en évidence des mélanges qui ne se sont peut-être pas exprimés ici.
4
Table des matières I. Introduction ................................................................................................................................................5
A. Contexte agricole et scientifique ...................................................................................................5
B. Le projet Wheatamix........................................................................................................................7
C. La place du stage dans le projet Wheatamix ..............................................................................9
II. Matériels et méthodes ..............................................................................................................................9
A. Choix des variétés et plan de l’expérience .................................................................................9
1. Site et système de culture .....................................................................................................9
2. Choix des variétés/clusters ...................................................................................................9
3. Répartition des variétés en micro-parcelles .................................................................. 10
B. Terrain et prélèvements ............................................................................................................... 10
1. Prélèvement de la biomasse ............................................................................................... 10
2. Prélèvement des carottes de sol ....................................................................................... 11
3. Traitement des échantillons ............................................................................................... 11
III. Résultats ............................................................................................................................................... 12
A. Effets du nombre de variétés sur la production de biomasse .............................................. 12
1. La production de biomasse aérienne ............................................................................... 12
2. La production de biomasse racinaire ............................................................................... 13
3. La production de biomasse de racines fines .................................................................. 13
4. La production de biomasse totale .................................................................................... 14
B. Effets des différents groupes de variétés ou clusters sur la production de biomasse ... 14
1. La production de biomasse aérienne ............................................................................... 14
2. La production de biomasse racinaire ............................................................................... 15
3. La production de racines fines .......................................................................................... 15
4. La production de biomasse totale .................................................................................... 16
C. Effet des interactions et de la présence des clusters sur la production de biomasse .... 16
1. Sur la biomasse aérienne .................................................................................................... 17
2. Sur la biomasse racinaire .................................................................................................... 17
3. Sur la biomasse des racines fines ...................................................................................... 17
4. Sur la biomasse totale .......................................................................................................... 17
IV. Discussion ............................................................................................................................................ 17
A. Effets de la diversité variétale et de la diversité fonctionnelle ............................................. 17
B. Bruit et validité des résultats ....................................................................................................... 17
C. Réglementation ............................................................................................................................... 18
V. Conclusion ................................................................................................................................................ 19
Bibliographie ...................................................................................................................................................... 20
5
I. Introduction
A. Contexte agricole et scientifique
Aujourd’hui en France, les systèmes agricoles sont essentiellement intensifs et basés sur la
culture d’une seule espèce génétiquement pure dans chaque champ. L’agriculture intensive est respon-
sable d’émissions de gaz à effet de serre et est elle-même très vulnérable aux changements climatiques.
Les systèmes agricoles actuels intensifs ne sont pas durables car ils besoin d'une grande quantité
d'intrants tels que les engrais ou les pesticides. Ces intrants chimiques menacent la biodiversité et
l’ensemble des pratiques peuvent conduire à des pertes de fertilité des sols. Une orientation vers une
agriculture plus durable et écologique aussi qualifiée d’agroécologie, permettrait de respecter d’avan-
tage les écosystèmes (Wezel et al., 2009), la fertilité du sol ainsi que la préservation de la biodiversité
avec notamment le plan Ecophyto (plan piloté par le Ministère de l’agriculture, de l’agroalimentaire et
de la forêt) qui réduit l’utilisation des produits phytosanitaires.
L’hypothèse à l’origine de l’agroécologie est que les mécanismes en action dans les écosys-
tèmes naturels peuvent être utilisés dans les systèmes cultivés pour les rendre plus durables. Ainsi on
sait que la diversité spécifique et la diversité génétique des espèces végétales jouent un rôle positif dans
le fonctionnement des écosystèmes naturels (Barot et al., en cours de publication). D’autres part, on
sait que les mélanges variétaux ont permis la diminution de fongicides. Nous avons l’exemple de la
culture d’orge de printemps dans l’ex-RDA, du riz en Chine et des caféiers en Colombie (Vallavieille-
Pope et al., 2006). Cette pratique est encore marginale en France (10 variétés représentaient 50% de
la sole de blé en 2007, source GNIS).
Dans le cadre d’alternatives à l’agriculture intensive, le mélange de variétés pourrait être une
solution durable, prometteuse et serait valorisée pour sa multifonctionnalité : production de services
de la culture et leur stabilité en termes de rendement (Litrico et al., 2015). D’autres part, les mélanges
tendent à mieux s’adapter aux conditions environnementales et sont moins sensibles au stress que les
mêmes variétés en monoculture (Kiaer et Skovgaard, 2012). Le mélange variétal est donc un moyen
de réduire les risques de mauvaise production, une année donnée, car la présence de plusieurs variétés
dans le même milieu permet de compenser un défaut de performance d’une variété donnée (Jeuffroy et al., 2010).
Jusqu'à présent, les mélanges de variétés ont été principalement étudiés dans une perspective
de résistance aux maladies ou dans une perspective de production, notamment en considérant l’impact
des mélanges sur le rendement des céréales. Des récentes publications ont démontré qu’environ 2/3
des mélanges sont en sur-rendement par rapport à la moyenne des performances des cultures avec
une seule variété, faisant ressortir généralement des interactions positives entre les génotypes au sein
de mélanges (WHEATAMIX_final V, 2013). Peu d'études analysent ces interactions entre variétés dans
un contexte agronomique adapté, et elles ne tiennent pas ou peu compte des traits de variété impliqués
(souvent précocité et la hauteur de la plante) dans d'autres aspects du fonctionnement et des services
agroécosystémiques.
L’hypothèse principale est qu’un ensemble de services agroécosystémiques est lié à des com-
binaisons particulières de traits et de valeurs de traits, associées aux mélanges de variétés de cultures.
Ces ensembles de traits peuvent être décrits par les moyennes et les variances de caractères au sein
d'un mélange. Ainsi, pour un objectif recherché (le rendement des cultures, la lutte biologique contre
les mauvaises herbes, la résistance aux phyto-pathogènes, …), on pourrait associer au sein des cultures,
des variétés aux traits correspondants à nos objectifs tels que le taux relatif de croissance (RGR), la
précocité, la capacité de couverture du sol, la résistance aux agents pathogènes, … (Barot et al., 2016,
en cours de publication). Les règles d'assemblage des variétés doivent donc être guidées de manière à
obtenir des mélanges avec des traits bénéfiques tout en favorisant la biodiversité.
Dans le cas d’un mélange de variétés, on étudie deux mécanismes pouvant conduire à un effet
positif du mélange : la complémentarité et ‘‘l’effet d’échantillonnage’’. Les effets de complémentarité
sont dus à une complémentarité entre les variétés dans leur usage des ressources ou à des interactions
positives entre variétés (figure 1). Ce mécanisme dépend de différences fonctionnelles entre variétés.
6
La variance de certains de leurs traits doit donc être élevée.
L’idée maîtresse est que l’association des variétés est en fait une association de traits. Cha-
cune des variétés apporte sa spécificité au mélange pour en faire profiter la culture. Les conséquences
d’un mélange de traits peuvent être nombreuses et variées : la modification dans la structure du cou-
vert végétal, la modification du microclimat à l’échelle de la parcelle et sous le couvert végétal, la
conséquence des variations précédentes sur la fréquentation faunistique de la parcelle, le nombre et le
type des habitats… Il est alors intéressant de réfléchir aux associations pour obtenir l’effet recherché : diminution de l’occurrence de ravageurs, augmentation de la fréquentation par les auxiliaires, etc.
L’effet d’échantillonnage est dû au fait que dans des conditions locales précises (e.g. sol), une
année donnée (conditions climatiques particulières), chaque variété a un potentiel de croissance et un
rendement particulier. Si la culture est monovariétale, nous avons peu de chance d’avoir choisi la va-
riété qui serait parfaitement adaptée à ces conditions locales données. Si maintenant notre culture est
composée de plusieurs variétés, cela augmente les chances d’avoir une variété qui se comporte très
bien dans ces conditions (Aarssen 1997, Huston 1997, Tilman et al. 1997b, Loreau 2000). Cet effet d’échantillonnage a ainsi tendance à stabiliser la production (figure 2).
Figure 1: Liens entre biodiversité et production - Barot, 2008
Niche trophique ou écologique Niche trophique ou écologique
Pro
duct
ion p
rim
aire
Pro
duct
ion p
rim
aire
NB espèce de plantes +
Plus il y a d’espèces plus elles occupent toutes les niches disponibles (occupation de l’espace), plus il y a
d’espèces plus elles utilisent toute la ressource disponible (eau, lumière, nutriments)
Sélection locale d’espèces
Différentes espèces potentiellement présentes localement
Biomasse potentielle au temps t et en monoculture
Avec peu d’espèces on a peu de chance de rencontrer les espèces les plus productives : faible production primaire
Figure 2 : Effet d'échantillonnage - Barot 2008
7
Cependant un panel variétal trop vaste pourrait desservir l’objectif recherché : la très faible
représentation de la variété clé x, pour des conditions données, plafonnerait le rendement, les autres
variétés ne répondant pas aux exigences environnementales. Les effets d’échantillonnage supposent
ainsi que les variétés les plus adaptées aux conditions d’un temps t et d’un site x prennent une part
disproportionnée dans la culture (par exemple en tallant plus). L’enjeu est donc de pouvoir proposer
des associations variétales répondant au mieux aux variations des conditions environnementales, mais que l’on ne peut prévoir à l’avance (Loreau et Hector 2001, Barot et al., 2016 (en cours de publication).
Il est donc primordial d’acquérir une meilleure compréhension des interactions qui existent
entre les différentes variétés d’une même espèce. C’est ce que se propose de faire le projet Wheatamix
en étudiant le comportement agronomique de mélanges variétaux de blé, se différenciant par leur
diversité variétale (nombre de variétés) et fonctionnelle (types de variétés). Il vise également à montrer
les performances agronomiques, écologiques et environnementales des associations variétales de blé,
d’où le nom du projet : Wheatamix.
B. Le projet Wheatamix
Le projet Wheatamix rassemble de nombreuses disciplines de l’écologie des sols, à l’écono-
mie en passant par l’agronomie ; il prend place dans le bassin parisien. Pour pouvoir proposer une
meilleure utilisation des terres grâce à l’agroécologie, il faut également tenir compte des aspects so-
ciaux, économiques et des mécanismes écologiques qui en découlent. C’est cet ensemble d’études qui
est réalisé sur la diversité des cultures de mélanges de variétés de blé, pour en définir au mieux les atouts et les inconvénients et proposer des scénarios dans l’utilisation des mélanges variétaux.
Le premier objectif du projet est d’étudier les avantages agroécologiques des mélanges varié-taux au sein d’une même espèce, le blé. Plusieurs questions sont posées pour répondre à cet objectif :
- Quel est l’éventail des traits de variétés et l’évolution de ceux-ci dans les mélanges ?
- La combinaison de divers traits, dans un même mélange, peut-elle accroître la complémen-
tarité dans l’usage des ressources entre les variétés ?
- Dans quelle mesure la diversité intraparcellaire favorise-t-elle les services écosystémiques ?
- Des règles d’assemblages des variétés, basées sur leurs traits, peuvent-elles être proposées
afin d’améliorer la stabilité des rendements ainsi que leur croissance, d’augmenter les services écosys-
témiques et la durabilité des systèmes de cultures ?
- Quels pourront être les facteurs pouvant bloquer l’introduction de ces variétés en mélange
dans la filière de commercialisation et de transformation du blé ?
L’utilisation de mélanges variétaux n’est pas récente mais son développement à grande échelle
nécessite l’acquisition de nouvelles données et une prise de recul importante. Dans ce cadre, le projet Wheatamix a cherché à atteindre les buts suivants :
L’analyse de la diversité fonctionnelle : variété et plasticité dans les mélanges avec la quan-
tification des traits et les effets potentiels de la diversité, expérimentation et modélisation écophysio-
logique et génétique. Jusqu’ici les études dans ce domaine se sont focalisées sur les maladies. Il est
aujourd’hui intéressant d’étudier les différents aspects du fonctionnement et des interactions entre les traits ainsi que les services agro-écosystémiques pour répondre à la durabilité et la multifonctionnalité.
Comprendre les mécanismes reliant la diversité variétale et le fonctionnement de l’agroé-
cosystème et les services qui en découlent (par des écologues, des phytopathologues et des agro-
nomes) : le rendement et la stabilité de la production, la régulation des maladies, le bio-contrôle des ravageurs et des adventices, le maintien de la fertilité et de la biodiversité.
Avoir une approche pluridisciplinaire faisant intervenir une diversité d’acteurs : des cher-
cheurs (écologues, économistes, écophysiologistes, généticiens, agronomes), des agriculteurs et
chambres d’agriculture, ce qui permettra des relations étroites entre la recherche et les bénéficiaires
8
potentiels des conclusions auxquelles le projet aura conduit.
Élaborer des scénarios réalistes d’utilisation de mélanges de variétés de blé en correspon-
dance avec le contexte du bassin parisien, l’objectif écologique et les variations climatiques actuelles :
présentations des impacts possibles, identification des traits, comparaison par rapport à un système de
production « classique », mise en place de nouvelles méthodes de sélection… (WHEATAMIX_final V,
2013).
Ces quatre points induisent une hiérarchie dans la conduite du projet, qui se divise en « Work
Packages » (WP) : Le WP1 reprend le premier objectif : analyse des traits fonctionnels pour une com-
plémentarité des ressources ; le WP2 s’intéresse aux conséquences des mélanges variétaux sur l’agroé-
cosystème et les services écosystémiques ; le WP3 estime l’intérêt des mélange variétaux et leurs
impacts en termes de production et de rendement ; le WP4 propose des scénarios d’associations
variétales avec directives d’utilisation et de fonctionnement de ces mélanges (http://www6.inra.fr/whea-tamix/). Cette organisation peut être schématisée comme suit (figure 3) :
Ce projet doit directement pouvoir
faire bénéficier les agriculteurs (stabilité de la pro-
duction, résistance aux maladies…), les sélection-
neurs adoptant une démarche innovante basée
sur des critères écologiques, tout le secteur du
blé par répercussion et enfin la société par l’amé-
lioration de la production, la réduction d’intrants (polluants), l’augmentation de la biodiversité…
Le projet Wheatamix réunit de nom-
breux sites expérimentaux pour diverses expé-
riences dont la principale (104 micro-parcelles à
vocation comparative) se situe à l’INRA de Ver-
sailles. Cette expérimentation est répétée à
moindre échelle à Rennes, Clermont-Ferrand, Toulouse et Dijon.
Figure 4 : Sites d'expérimentation et d'étude de Wheatamix
Figure 3 : Organisation générale du projet (WHEATAMIX_final V, 2013)
9
C. La place du stage dans le projet Wheatamix
Le thème et l’objectif de ce stage sont d’étudier les effets de mélanges variétaux de blé sur la
production de biomasse. Cela s’inscrit donc directement dans le projet Wheatamix en se focalisant sur
les réponses de l’association des différents traits caractérisant chacune des variétés de blé, en termes
de production de biomasse aérienne (à la période de la floraison) et racinaire (et non de rendement,
focus qui fera l’objet d’une autre étude).
Pour réaliser cette étude, le stage se répartit en deux grandes phases : la partie terrain réali-
sée à l’INRA de Versailles où se trouvent les micro-parcelles du projet Wheatamix, et la partie labo-
ratoire pour l’étude des échantillons. A Versailles le but de l’opération a été de prélever de la biomasse
aérienne et racinaire dans chacune des parcelles et également de réaliser des carottages de sol (selon
le protocole décrit ci-dessous).
**********
II. Matériels et méthodes
A. Choix des variétés et plan de l’expérience
1. Site et système de culture
L’essai est fait à Versailles sur l’un des meilleurs sols du site de l’INRA, correspondant à un
luvisol : 58% de limon, 25% de sable, 17% d’argile, avec un pH neutre (classification de la FAO). La
culture précédente était du maïs. Un labour suivi d’un hersage a été réalisé le 20 octobre. Le semis a
été effectué le lendemain, après un traitement anti-limace. En sortie d’hiver, un herbicide a été épandu.
Il n’y a pas eu de fongicide. L’azote a été apporté en trois fois : 40 unités (une unité équivaut à un kilo de l’élément fertilisant) à la mi-mars, 80 unités mi-avril et 40 unités mi-mai.
2. Choix des variétés/clusters
N°Variété Variété Clusters
1 V1 : Altigo 1
2 V2 : Tremie 1
3 V3 : F426 1
1 4 V4 : A22 1
5 V5 : Renan 2
6 V6 : Skerzzo 2
7 V7 : Midas 2
8 V8 : Alauda 2
9 V9 : Ble_ Autrichien 3
10 V10 : Hermes 3
11 V11 : Maxi 3
12 V12 : Ritter 3
13 V13 : Grapeli 4
14 V14 : Soissons 4
15 V15 : Arezzo 4
16 V16 : Boregar 4
Tableau 1 : Répartition des 16 variétés choisies en clusters
10
Dans le projet Wheatamix, parmi les 60 variétés (Triticum aestivum) de blé, initialement sé-
lectionnées de façon à avoir une très grande diversité (variétés élites modernes + variétés locales
paysannes), 16 ont été retenues et réparties en 4 clusters à l’aide de statistiques multivariées utilisant
les traits fonctionnels de ces variétés. Ces variétés de blé (Triticum aestivum) ont ainsi été regroupées
selon leurs traits fonctionnels, les clusters représentant des sortes de groupes fonctionnels (tableau 1).
Cette répartition en clusters permettra de proposer des assemblages variétaux selon un niveau de diversité fonctionnelle recherché.
3. Répartition des variétés en micro-parcelles
La parcelle choisie pour réaliser l’expérience a été divisée en 104 micro-parcelles. Cependant
la parcelle est bordée d’arbres à l’ouest et au nord. Pour parer à l’effet d’ombrage et conserver une
certaine homogénéité en termes d’ensoleillement, une bordure de plusieurs mètres a été plantée de
triticale à l’ouest et au nord. Chaque micro-parcelle est également entourée d’une bordure de triticale
de 1,75m pour qu’elle soient isolées les unes des autres. Les 16 variétés sont testées en pures, en
mélange binaire, quaternaire et octomère. Elles ont été réparties dans les 104 parcelles de façon
aléatoires.
B. Terrain et prélèvements
1. Prélèvement de la biomasse
Le prélèvement de la biomasse aérienne et racinaire a été réalisé selon un protocole bien
précis (figure 5). Chaque parcelle est divisée en 6 trains. Les prélèvements des 4 échantillons sont faits
Figure 5 : Plan des micro-parcelles (http://www6.inra.fr/wheatamix/)
Figure 6 : Schéma des zones de prélèvements des biomasses
Zone de prélèvement
Ligne de prélèvement
Parcelle x
6ème train
1
3
5
2
4
6
11
sur le 6ème train : deux sur le deuxième rang (côté intérieur de la parcelle) et deux sur l’avant dernier
rang. Nous avons donc 4 échantillons de biomasse par parcelle. Les pieds de blé sont arrachés, avec
leurs racines principales qui restent attachées aux pieds au moment de l’arrachage, sur 4 x 50 cm et à des endroits assez représentatifs du reste de la parcelle en termes de densité des plants.
2. Prélèvement des carottes de sol
Le protocole était le suivant : nous devions prélever trois carottes par parcelle. Les carot-
tages sont réalisés dans l’inter-rang au niveau des précédents prélèvements de la biomasse. Deux sur
l’inter-rang le plus extérieur et un sur l’inter-rang intérieur.
Les carottes sont prélevées à l’aide d’une tarière, d’un diamètre de 8 cm pour une profondeur
de 15cm, le sol étant ainsi récolté de 0 à 15 cm de profondeur. Le but de ces prélèvements en inter-
rangs est de récupérer la biomasse racinaire afin d’effectuer leurs pesées et de les comparer avec la biomasse racinaire prélevée sur le rang.
3. Traitement des échantillons
Le protocole de préparation de la biomasse aérienne et racinaire : Les échantillons
rapportés à une « station de lavage », on sépare la biomasse racinaire de la biomasse aérienne. La
biomasse racinaire est ensuite lavée, on la laisse tremper dans un bac puis on retire la terre à la main
et à l’aide d’un jet d’eau. Une fois que chaque pied de racine a été lavé, on prélève 3 racines différentes de chaque pied à l’aide d’un ciseau fin puis, on découpe le reste des racines.
Les 3 racines prélevées sur chaque pied serviront à analyser l’ADN et l’ARN (analyses exté-
rieures au stage), le reste des racines est mis à l’étuve et on le laisse sécher pendant 2 jours à 50°C.
La biomasse aérienne est elle-aussi mise à l’étuve pendant deux jours à la même température. Ces
temps de séchage permettent lors de la pesée de ne mesurer que la masse de la matière sèche pro-
prement dite. Les racines sèches et la biomasse aérienne sont ensuite pesées ; ces manipulations ont été effectuées au centre INRA du Moulon.
Lavage et récupération des racines des carottes de sol : Les 3 carottes prélevées par
parcelle sont lavées et tamisées sur un tamis avec une maille de 500 m afin de récupérer les racines
fines. Les racines fines ainsi récoltées sont mises à l’étuve pendant 4 jours à 60°C afin de les sécher.
Elles sont ensuite pesées et les données analysées statistiquement. L’échantillonnage a ainsi permis
d’obtenir deux indices de biomasse racinaire : (1) la quantité de racines grossières attachées au pied
(arrachage), (2) la quantité de racines fine dans l’inter-rang (carottes de sol).
**********
Zone de prélèvement Ligne de prélèvement
2 1
3
Figure 7 : Schéma de prélèvement des carottes de sol
12
III. Résultats
A. Effets du nombre de variétés sur la production de biomasse
1. La production de biomasse aérienne
Nous avons cherché à déterminer l’effet du nombre de variétés assemblées dans chaque
parcelle sur la production de biomasse aérienne. Les boxplots obtenus nous présentent la répartition
de la biomasse aérienne en fonction de la diversité variétale. D’après la lecture du boxplot, il semblerait
qu’il n’y ait pas de différence significative sur la quantité de biomasse aérienne en fonction du nombre
de variétés, que l’on soit en pure plus une répétition (1 bis), en binaire, en quaternaire et en octomère.
Les premiers et troisièmes quartiles de chaque boxplot varient entre 275 et 400 g. Ils sont donc tous
situés dans une même fourchette d’amplitude, ce qui nous indique la non-significativité du test. On peut
vérifier cette hypothèse grâce au test de l’Anova, en effet la p-value est de 14,77% (le seuil de validation
étant de 5%). Le test sur l’effet du nombre de variétés n’est pas significatif.
Cependant le boxplot nous montre que la médiane est d’environ 350g en pure, en binaire et
en quaternaire alors qu’en octomère elle est au-dessus de 400g. Nous effectuons le summary sur
l’Anova même si elle est au-dessus du seuil de 5% afin de mettre en évidence une éventuelle différence.
En effet, le summary de l’Anova nous précise que le mélange des 8 variétés semble avoir une quantité
de biomasse différente d’une culture pure : biomasse moyenne en culture pure =348,94g et biomasse
du mélange des 8 variétés =380.195g avec une p-value de 12,2% (la p-value n’indique pas un test
significatif mais est beaucoup plus basse que pour les deux autres mélanges). Pour les autres mélanges, les différences de quantité de biomasse ne sont pas significatives (>>5%).
Effet du nombre de variétés sur Effet du nombre de clusters sur
Biomasse
aérienne
Biomasse
racinaire
Racines
fines
Biomasse
totale
Biomasse
aérienne
Biomasse
racinaire
Racines
fines
Biomasse
totale
p-value 0,1477 0,3539 0,8549 0,1502 0,5846 0,4015 0,7009 0,5853
R² 0,0518 0,0318 0,0077 0,0515 0,0191 0,0288 0,0140 0,0191
Tableau 2 : Tableau récapitulatif des résultats de l’Anova réalisée pour chaque test
13
2. La production de biomasse racinaire
Un test similaire au précédent est effectué sur la biomasse racinaire (racines prélevées sur
les pieds de blé) afin de déterminer l’effet du nombre de variétés présentes dans la culture. Nous
constatons que les médianes des biomasses en variété pure comme en mélange sont très proches (dans
chacun des cas on est autour de 8g). La position des premiers quartiles pour les 5 boxplots est assez
proche, leur amplitude également ce qui nous montre la non-significativité du test. Il n’y a donc pas de
différence significative dans la production des biomasses racinaires. L’Anova nous le confirme avec une
p-value de 35,39%. Regardons quand même le summary : la biomasse moyenne pour les variétés en
culture pure est de 8,64g. Les moyennes pour les différents mélanges variétaux ne sont pas significati-vement différentes (p-value >5%).
3. La production de biomasse de racines fines
L’expérience a été reproduite une troisième fois pour les racines fines issues des carottes de
sol. Nous remarquons que les médianes des cultures pures ne sont pas différentes significativement de
celles des mélanges variétaux (autour de 0.10g). Le mélange quaternaire et la culture pure (1bis) pré-
sentent une amplitude plus large ce qui nous laisse penser à une meilleure production de biomasse par
certaines variétés et certains mélanges. Cependant, on ne peut conclure sur l’efficacité du rendement.
D’après le test de l’Anova, il n’y a effectivement pas de différence car la p-value égale 85.49%. Selon le
summary, aucune des moyennes obtenues sur les biomasses des variétés en mélange ne sont différentes de la biomasse de référence à savoir de la culture pure (entre 54% et 97%).
14
4. La production de biomasse totale
Pour tenter de faire ressortir des différences de production de biomasse plus importantes,
nous effectuons le même test avec la biomasse totale par parcelle (biomasse aérienne + biomasse
racinaire). Le boxplot montre une certaine variation des quantités de biomasse en fonction du nombre
de variétés présentes dans le mélange. La somme des biomasses fait ressortir d’avantage les différences
entre les essais mais la tranche d’amplitude reste trop restreinte pour pouvoir conclure à une signifi-
cativité. Il semblerait que la différence entre les variétés en culture pure et en mélange de 8 variétés
soit presque significative. Mais l’Anova ne confirme pas cette hypothèse car la p-value est supérieure à
5% : 15.02%. Les résultats du summary ne nous montrent aucune différence (la p-value varie entre 12.4% et 92.8%).
B. Effets des différents groupes de variétés ou clusters sur la production de bio-masse
Dans cette deuxième partie, nous cherchons à déterminer l’effet du nombre de clusters sur
la production de biomasse. Ce qui permettrait de mettre en évidence l’effet d’un ou plusieurs traits.
1. La production de biomasse aérienne
Nous cherchons ici à déterminer l’effet du nombre de clusters sur la biomasse aérienne.
Nous constatons que les médianes des différents clusters sont similaires (autour de 350g) et que les
boxplots sont semblables. Il semblerait donc qu’il n’y ait pas de différence significative. Le test de
l’Anova nous confirme l’hypothèse : il n’y a donc pas de différence significative entre les 4 clusters, la
p-value étant de 58.46%. D’autre part, la comparaison des moyennes des biomasses aériennes montre
15
que le nombre de clusters n’influence pas significativement la quantité produite (p-value entre 37% et
68%).
2. La production de biomasse racinaire
L’expérience est reconduite sur la biomasse racinaire. Encore une fois, l’ensemble des
boxplots ne présente pas de variations significatives en fonction du nombre de clusters. On remarque
cependant qu’avec la présence de trois clusters, le premier quartile est très proche du minimum. Au
contraire, avec un seul cluster, les variations sont plus importantes. Toutefois, cela ne nous permet pas
de conclure sur l’effet du nombre de clusters. L’Anova confirme cette hypothèse : la p-value de 40,15%
indique qu’il n’y a pas de différence significative. Les moyennes n’ont pas de variations significatives entre elles malgré les différents nombres de clusters (les p-values vont de 25% à 73%).
3. La production de racines fines
L’expérience a été reproduite une troisième fois sur les racines fines extraites des carottes
de sol. Les médianes des biomasses racinaires fines semblent proches (autour de 0.10g). Le cluster 4
se distingue des autres par son amplitude plus importante, mais les variations ne sont pas assez évi-
dentes pour en déduire d’une disparité. On peut donc émettre l’hypothèse qu’il n’y a pas de différence
significative de la quantité de biomasse des racines fines en fonction du nombre de clusters. Le test
d’Anova nous confirme cette hypothèse avec une p-value de 70.09%. Les moyennes des biomasses
racinaires selon le nombre de clusters ne sont pas significativement différentes (la p-value varie entre 34% et 79%).
16
4. La production de biomasse totale
Enfin, comme pour les tests effectués sur le nombre des variétés, nous utilisons la même
approche pour la masse totale végétale. Cependant, le boxplot parle de lui-même. Les médianes des
différents tests sont très proches, ainsi que les écarts interquartiles. Le résultat de l’Anova nous con-
firme effectivement que les différences que l’on peut voir ne sont pas significatives, la p-value étant de
58,53%.
C. Effet des interactions et de la présence de chaque cluster sur la production de biomasse
Nous avons cherché à déterminer les effets des interactions entre chaque cluster et les im-
pacts de leur présence ou de leur absence sur la production de biomasse. Nous avons regardé sépa-rément l’effet de chaque cluster, d’une combinaison de 2 clusters et d’une combinaison de 3 clusters.
Biomasse aérienne Biomasse racinaire Racines fines Biomasse totale
C1 0.487 0.003 ** 0.092 . 0.446
C2 0.415 0.292 0.151 0.409
C3 0.274 0.947 0.498 0.282
C4 0.102 0.234 0.809 0.101
C1:C2 0.764 0.066 . 0.152 0.729
C1:C3 0,435 0.584 0.630 0.451
C1:C4 0.171 0.017 * 0.120 0.155
C2:C3 0,557 0.922 0.943 0.554
C2:C4 0,025 * 0.376 0.958 0.027 *
C3:C4 0,406 0.821 0.763 0.413
C2:C3:C4 0,069 * - - 0.073 .
P-value modèle 0,283 0.016 0.112 0.315
R² 0.128 0.201 0.149 0.123
Tableau 3 : Tableau récapitulatif des p-values de l’Anova sur les interactions entre clusters
17
1. Sur la biomasse aérienne
Aucun des 4 clusters n’a de réel impact sur la production de biomasse car les p-values sont
supérieures à 5% (entre 6,9%% et 76,4%). Les combinaisons de clusters ne sont pas significatives. Ce-
pendant deux mélanges semblent efficaces pour une meilleure production de biomasse aérienne, c’est
la combinaison des clusters 2, 3 et 4 et la combinaison du 2ème et 4ème cluster. La moyenne générale
des clusters est de 395.642 g, l’association des clusters 2 et 4 augmente cette moyenne de 110.148 g
au contraire l’association des clusters 2, 3 et 4 diminue cette moyenne de 124.594 g. La p-value du
modèle est de 28.3% ce qui montre que les interactions entre clusters ne sont pas significativement
positives ou négatives sur la production de biomasse en dehors des 2 associations citées.
2. Sur la biomasse racinaire
Trois résultats du test d’interactions sur la biomasse racinaire sont significatifs. Deux présen-
tent un effet positif et le troisième un effet négatif. La moyenne générale est de 9,897 g. Le cluster 1
lui est inférieur de 3,065 g ; l’association des clusters 1 et 4 est supérieure à la moyenne de 1,73 g et
l’association de C1 et de C4 est supérieure de 2,25 g. On en conclue que pour ce cas, plusieurs asso-
ciations présentent de réels effets sur la production de biomasse. D’autre part, la p-value du modèle
nous confirme la significativité de ce test ; p-value = 1,65%. Il existe donc bien des associations de clusters pour lesquels on améliore la production de biomasse.
3. Sur la biomasse des racines fines
La moyenne générale des clusters est de 0.114g. Le cluster 1 est le seul qui diminue significa-
tivement cette moyenne de 0.030g. Les combinaisons de clusters ne semblent pas avoir d’impact sur
la production de biomasse. De plus, la p-value du modèle est de 11.2% ce qui montre que le test n’est pas significatif et que donc les combinaisons de clusters n’ont pas d’effet sur la production de biomasse.
4. Sur la biomasse totale
Le même test réalisé sur la sommes des biomasses devrait pouvoir faire ressortir les interac-
tions les plus significatives. Cependant les résultats de l’Anova ne présentent que deux interactions
ayant un effet significatif, l’association des clusters 2 et 4 et celle des clusters 2, 3 et 4. Autant la
première présente un effet positif, en augmentant la moyenne générale (405,23 g) de 109,8 g, autant
l’association des trois clusters est vraiment négative en ayant 123,8 g de moins. Toutefois, la p-value
de ce test est de 31,5%, ce qui nous fait relativiser les résultats obtenus, car le test en général n’est pas significatif.
**********
IV. Discussion
A. Effets de la diversité variétale et de la diversité fonctionnelle
D’après les analyses statistiques ci-dessus, le nombre de variétés n’influence pas la production
de biomasse. Une explication serait, qu’augmenter le nombre de variétés n’augmente pas nécessaire-
ment la diversité fonctionnelle parce que certains mélanges sont homogènes en termes de cluster
(toutes les variétés appartiennent au même cluster). Des publications antérieures démontrent cepen-
dant que la diversité variétale a un impact positif sur le rendement mais elles ne précisent pas l’effet sur la production de biomasse aérienne et racinaire (Kiær et al., 2009 ; Kiær et al., 2012).
Si un nombre de variétés croissant n’augmente pas les biomasses, le nombre de clusters
pourrait avoir des effets significatifs sur la production de biomasse. En effet, les clusters étant des
groupements de variétés relativement homogènes d’un point de vue fonctionnel, augmenter le nombre
de clusters devrait augmenter la diversité fonctionnelle, ce qui pourrait augmenter la production de
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biomasse par un effet de complémentarité ou de sélection. Or les résultats n’aboutissent pas à cette
conclusion : la production de biomasse reste assez proche quelle que soit le nombre de clusters.
A la lecture des différents boxplots, on constate que l’amplitude de la quantité de biomasse
produite est parfois assez importante, pour un mélange donné. Ces résultats nous indiquent qu’il y a
certains mélanges variétaux qui semblent plus productifs que d’autres, sans que l’on puisse préciser
lesquels. Il y aurait donc une recherche à faire sur les associations variétales et sur les clusters, dans la
manière de les regrouper afin d’obtenir le mélange le plus adapté à l’environnement et aux conditions agronomiques.
B. Bruit et validité des résultats
Ce sont peut-être ces deux derniers facteurs d’hétérogénéité qui n’ont pas été pris en
compte dans notre étude. Il s’est avéré lors de la partie expérimentale que le sol n’était pas homogène
sur toute la parcelle. Il pourrait y avoir des variations dans sa texture comme dans sa structure. La
granulométrie d’un sol, fine ou grossière, impacte nécessairement le développement de la culture (pé-
nétration des racines, capacité de rétention d’eau, libération des nutriments). Une multitude de facteurs
liés aux composantes du sol peuvent modifier la croissance et le développement de la culture. Une
étude de sol serait donc intéressante pour valider notre hypothèse de la variabilité dans la qualité du
sol. On pourrait ainsi s’appuyer sur ces résultats pour tester à nouveau nos données en enlevant les
effets liés aux caractéristiques du sol.
Un autre facteur important peut être pris en compte : la résistance des plantes aux maladies.
Certaines variétés retenues pour le projet Wheatamix ont été choisies pour leur capacité de résistance
aux maladies (Midas, Skerzzo qui résistent assez bien aux maladies les plus courantes : Septoriose,
Rouille brune, Rouille jaune, Fusariose, Oïdium…). Cette année (2015-2016) est particulièrement mar-
quée par les maladies, et cela aurait pu mettre en évidence des effets positifs de la diversité des variétés
et des clusters. En effet il a été démontré qu’un mélange de plusieurs variétés peut limiter l’impact
négatif de maladies (Zhu et al., 2000). Cependant, nous avons vu que les différentes biomasses obtenues
par l’ensemble des mélanges ne sont pas significativement différentes pour pouvoir conclure à effet
précis. Potentiellement, comme différents traits fonctionnels ont été mesurés sur toutes les variétés
on pourrait tester l’effet de la moyenne des valeurs des traits d’un mélange et de l’écart type de ces
traits sur la production de biomasse. Un effet positif de l’écart type suggérerait un effet de la biodiver-sité.
Les conditions climatiques de cette année ont été particulièrement mauvaises à cause des
fortes précipitations au printemps et des températures hivernales douces qui ont favorisé le dévelop-
pement des maladies sur l’ensemble de la parcelle. Les conditions ont également perturbé le cycle de
développement de la culture et son agroécosystème. Il se pourrait également que l’itinéraire technique ait pu influencer la production de biomasse quant aux dates de fertilisation et de traitement.
Enfin on peut noter que les nombreuses contraintes des manipulations (nombreuses per-
sonnes, succession d’opérations dans le traitement des échantillons, conditions météorologiques, pe-
sées…) lors de la phase de terrain ont pu engendrer des bruits dans les données et limiter la capacité des tests à détecter des effets significatifs.
C. Réglementation
Le projet s’attache à définir des associations variétales qui permettraient d’atteindre des ren-
dements. Mais cela peut poser problème quand on sait qu’aujourd’hui, la réglementation ne permet
pas ce genre d’alternative aux autres formes d’agricultures. En effet, en France en matière de régle-
mentation, il est autorisé de demander une homologation d’une association variétale mais il est interdit
de commercialiser un mélange des lignées enregistrées comme pures (Vallavieille-Pope et al., 2006).
Un tel mélange n’est pas accepté par les coopératives et se voit donc transformé en alimentation
fourragère, qui est achetée beaucoup moins chère. Intervient donc la question financière, au-delà des
lois et de la réglementation, qui doit être pris en compte par les céréaliers. Si Wheatamix travaille sur
une alternative intéressante, il faut la resituer dans le contexte actuel pour comprendre la capacité de
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la filière agricole (de la production à la commercialisation et la transformation) à accepter des mélanges
de grains venant de différentes variétés.
**********
V. Conclusion
Le projet Wheatamix étudie les associations variétales comme une alternative à l’agriculture
intensive et non durable, le but étant de redonner au sol et à l’écosystème un rôle primordial. Les
associations de variétés devraient être conçues en fonction des services recherchés, à savoir la résis-
tance aux maladies, la production de grain, la stabilisation des rendements…, de façon à réduire le plus possible les apports et les traitements.
L’objectif de cette partie du projet était de mettre en évidence les influences positives des
mélanges variétaux sur la production de biomasse : les résultats n’ont pas été concluants. En effet,
aucun des tests statistiques d’Anova n’était significatif. Les résultats n’ont pas assez d’écart pour con-clure à un possible effet d’amélioration de la production.
Afin d’obtenir des résultats plus concluants, nous pourrions envisager des répétitions per-
mettant de faire ressortir les bons mélanges. Après plusieurs années et plusieurs répétitions réalisées
dans des conditions différentes, on aurait un aperçu des associations variétales les plus prolifiques. Par la même occasion, on pourrait tester de nouvelles combinaisons de variétés et de clusters.
Il serait également intéressant de reconduire l’expérience sur les 5 mélanges qui semblent les
plus productifs et sur les 5 mélanges les moins productifs en les répétant. Cela permettrait de vérifier
si les mélanges qui aujourd’hui semblent les meilleurs, le sont effectivement et d’essayer de comprendre pourquoi en termes de mécanismes écologiques.
D’un autre côté, nous pourrions étudier les résultats des autres mesures effectuées au cours
de l’expérience de terrain : sur la faune du sol et les microorganismes, sur la colonisation des parcelles
par les insectes, sur les ravageurs des cultures, sur les maladies, sur le cycle de l’azote et sur le rende-
ment. Cela permettrait de tester l’effet des mélanges de variétés sur une série de services écosysté-miques qui pourraient augmenter la durabilité de systèmes agricoles basés sur des mélanges variétaux.
20
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