Intercropping cereals and legumes to stabilise yield in the tropics: evaluation of the STICS soil-crop model to simulate bi-specific intercrops

De Freitas Mathilde. 2023. Intercropping cereals and legumes to stabilise yield in the tropics: evaluation of the STICS soil-crop model to simulate bi-specific intercrops. Montpellier : AgroParisTech, 57 p. Mémoire d'ingénieur : Produire et innover dans les systèmes techniques végétaux (PISTv) : AgroParisTech

Encadrement : Fievet, Julie ; Couëdel, Antoine

Résumé : Intercropping cereals and legumes is a common practice in tropical regions. A recent review (Namatsheve et a., 2020) showed a good agreement in the literature about its positive effect on total grain yield and aboveground biomass compared to sole cropping under low-input farming. Intercropping is expected to increase and stabilise yield but this claim has not been supported by experiments on long historical weather series. Yields in Sub-Saharan Africa are low because of low nutrient inputs. Sustainable intensification with addition of mineral fertiliser can increase cereal yield in intercropping systems. Fertilisation management in intercropping is more complex than in sole cropping as it modifies competition and complementarity between crops. Soil-crop models are useful to explore the impact of contrasting N fertilisation and to test long term interannual variability of yield for contrasting sites, for broader conditions than those tested in field experiments. This work first aimed to evaluate the performance of the STICS model improved for intercropping (Brisson et al., 2004, Beaudoin et al., 2023) in simulating cereal-legume intercrops in tropical regions. Then, it tested the hypothesis that intercropping increases and stabilises grain yield in the face of interannual rainfall variability and explored the effects of fertilisation and annual rainfall on these benefits. This work was based on experimental data collected in Brazil, Mali, Senegal and Burkina Faso. Bi-specific intercropping and sole crops of different combinations of cereals - maize, sorghum, millet - and legumes - pigeon pea and cowpea were compared. Once calibrated to reproduce field observations, the STICS soil-crop model was used to perform simulations on historical climates and explore the effect of year-to-year variability on model outputs. A sensitivity analysis assessing the effect of N fertilisation on the cereal was performed. The benefits of intercropping were assessed by comparing productivity and grain yield stability of intercrops with cereal sole cropping. The calculation of the partial Land Equivalent Ratio (pLER) of grain yield, aboveground biomass, cumulative intercepted radiation, cumulative soil nitrogen uptake and nitrogen fixation for each crop and N treatment, allowed to understand the complementarities and competitions at stake in the intercropping. The model calibration provided good agreement between observed and simulated yields for cereal and legume sole cropping as well as for intercropped cereals. Simulation efficiencies (Ef) were greater than 0.74 and rRMSE were under 35%. Model accuracy was lower for intercropped legumes (Ef = 0.58, rRMSE =62%), mainly due to overestimation of low cowpea yields. Observed complementarity and competitions were in overall well reproduced by the model, through an accurate simulation of cereal and legume pLER across all sites and conditions. The twenty-year virtual experiment showed that unfertilised intercropping did not significantly reduce energy yield compared to cereal sole cropping, but had higher protein yield (except in Senegal in both cases) and higher energy and protein yield stability compared to cereal sole cropping in Sub-Saharan Africa. The benefits of intercropping in terms of productivity and yield stability decreased with fertilisation in Sub-Saharan Africa. Analysis of grain yield at all sites revealed that the relative productivity gain in intercropping compared to cereal sole cropping increased as a function of annual rainfall. This effect was significant in unfertilised conditions. However, in fertilised conditions this effect was no longer significant and was due to other site-specific effects.

Résumé (autre langue) : Les cultures associées céréales - légumineuses sont une pratique courante dans les régions tropicales. Une revue récente (Namatsheve et al., 2020) a mis en avant leur effet positif sur le rendement en grains et la biomasse aérienne par rapport aux cultures pures en Afrique Sub-Saharienne. Les cultures associées devraient à la fois augmenter et stabiliser les rendements, mais cela n'a pas été prouvé par des expérimentations sur de longues périodes climatiques. Par ailleurs, l'intensification durable par l'utilisation d'engrais minéraux pourrait augmenter le rendement en céréales des cultures associées. Cependant, la gestion de la fertilisation en culture associée est plus complexe qu'en culture pure car elle modifie les processus de compétition et de complémentarité entre les cultures. Les modèles sol-culture sont utiles pour explorer l'impact de différentes doses de fertilisation azotée et pour tester la variabilité interannuelle du rendement sur le long terme pour des sites contrastés. Dans un premier temps, ce travail a évalué les performances de la version 10 du modèle STICS (Brisson et al., 2004, Beaudoin et al., 2023) dans la simulation des cultures associées céréales-légumineuses en régions tropicales. Ensuite, l'hypothèse selon laquelle les cultures associées augmentent et stabilisent les rendements face à la variabilité interannuelle des précipitations a été testée. Les effets de la fertilisation et des précipitations annuelles sur les bénéfices des cultures associées ont été évalués. Ce travail s'est appuyé sur des données expérimentales collectées au Brésil, au Mali, au Sénégal et au Burkina Faso. Des cultures associées bispécifiques et des cultures pures de différentes combinaisons de céréales - maïs, sorgho, mil - et de légumineuses - pois Cajan et niébé ont été comparées. Une fois calibré pour reproduire les observations sur le terrain, le modèle sol-culture STICS a été utilisé pour effectuer des simulations sur les climats historiques et explorer l'effet de la variabilité interannuelle sur les résultats du modèle. Une analyse de sensibilité évaluant l'effet de la fertilisation azotée sur les céréales a été réalisée. Les bénéfices de l'association ont été évalués en comparant la productivité et la stabilité du rendement en grain des cultures associées avec ceux de la culture pure de céréales. Le calcul du Land equivalent ratio partiel (pLER) pour chaque culture et chaque traitement azoté, a permis de comprendre les complémentarités et les compétitions à l'oeuvre dans les associations. La calibration du modèle a permis d'obtenir des rendements en grain simulés représentatifs des rendements observés pour les cultures pures ainsi que pour les céréales en association. L'efficience de simulation (Ef) était supérieure à 0,74 et le rRMSE était inférieur à 35 %. La précision du modèle était plus faible pour les simulations de légumineuses en association (Ef = 0,58, rRMSE = 62 %), principalement en raison d'une surestimation des faibles rendements en grain du niébé. La complémentarité et les compétitions observées ont été globalement bien reproduites par le modèle. L'expérimentation virtuelle sur vingt années a montré que les cultures associées non fertilisées ne réduisaient pas de manière significative le rendement énergétique par rapport à la culture pure de céréales, mais avaient des rendements protéiques plus élevés (sauf au Sénégal dans les deux cas). L'association permettait également une plus grande stabilité des rendements en Afrique subsaharienne. Les bénéfices des cultures associées en termes de productivité et de stabilité des rendements ont été diminués par la fertilisation en Afrique subsaharienne. L'analyse des rendements sur tous les sites a révélé que le gain relatif de productivité en association par rapport aux céréales en culture pure augmentait en fonction des précipitations annuelles et que cet effet était significatif en conditions non fertilisées. Dans des conditions fertilisées, l'effet du niveau de précipitations n'était plus significatif mais dû à d'autres effets spécifiques au site.

Auteurs et affiliations

• De Freitas Mathilde, CIRAD-PERSYST-UPR AIDA (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/606888/)

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