Millet response to water and soil fertility management in the Sahelian Niger : experiments and modeling

(eng) In the 400-600 mm annual rainfall zone of the Sahel, soil fertility is the main determinant of yield in rainfed millet cropping systems in all but the driest years. Numerous on-farm and on-station experiments have addressed the issue of improving soil fertility. Yet the widespread use of the experimental results is restricted by the highly site specific millet response to fertility management practices due to high spatially variable soil properties as well as high intra- and inter-annual rainfall variability. Mathematical soil-crop growth simulation models could therefore suitably complement experimental research to support decision making regarding soil fertility under variable rainwater supply conditions. The objective of this thesis was therefore to develop the biophysical basis for the use of crop-soil models in decision support regarding water and soil fertility management and risk mitigation strategies in rainfed millet-based systems of Sahelian Niger. Because farmers rely on multiple cultivars with variable length of growing cycle due to sensitivity to temperature and photoperiod as part of their risk management strategies we first characterized seven Sahelian millet genotypes and parameterized the Agricultural Production Systems Simulator (APSIM-millet model). The cultivars include three improved cultivars (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) and four landraces (Ankoutes, Hainikirey, Maewa and Zongo). Our research showed that only one of the cultivars, Maewa, was very photosensitive contrary to the six others. The majority of the agronomic state variables (leaf number, leaf area, biomass and grain yield) were negatively affected by late sowing (associated with lower air temperatures). This characterization enabled to compute for the first time in the Sahel the principal eco-physiological or genetic millet parameters (thermal times of development phases, leaf area dynamics) of crop growth models (e.g. APSIM, DSSAT). To gain confidence in the use of the APSIM model for decision support in the Sahelian environment, it was successfully tested to reproduce the agronomic state variables under non-limiting water and nutrient supply conditions. Moreover the APSIM model satisfactorily reproduced the millet CIVT cultivar response to water x N interaction from the combined application of crop residue, cattle manure and mineral fertilizer during two years and for contrasted rainfall conditions.

(fre) Dans la zone Sahélienne avec 400 à 600 mm de précipitation annuelle, la fertilité des sols est le principal facteur déterminant des rendements du mil pluvial hormis lors des années plus sèches. De nombreuses expérimentations au champ et en station ont abordé la question de l'amélioration de la fertilité des sols. Cependant, l'extrapolation de ces résultats, et a forciori leur utilisation par les agriculteurs, est limitée par le fait que la réponse du mil à ces pratiques de fertilité dépend fortement des propriétés des sols très variables dans l'espace ainsi que de la pluviométrie annuelle et sa répartition intra-annuelle. Les modèles mathématiques et dynamiques de simulation de la croissance des plantes peuvent donc utilement compléter la recherche expérimentale pour l'aide à la décision en ce qui concerne la gestion de la fertilité des sols dans diverses conditions d'alimentation hydrique. L'objectif de cette thèse était donc de développer les bases biophysiques pour l'utilisation de modèles de croissance des cultures en vue de leur utilisation comme outils d'aide à la décision en matière de gestion de l'eau et la fertilité des sols dans les systèmes de culture à base de mil en zone sahélienne du Niger. Puisque les paysans utilisent de multiples variétés de mil avec des cycles de croissance variables en tant qu'élément dans leurs stratégies de gestion des risques, nous avons d'abord caractérisé sept génotypes de mil Sahelien en vue de la paramétrisation du model dynamique APSIM (Agricultural Production Systems Simulator). Trois variétés améliorées (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) et quatre variétés locales paysannes (Ankoutes, Hainikirey, Maewa et Zongo) ont été étudiées. Notre recherche a montré que seule une des variétés, l'écotype Maewa, est très photosensible contrairement aux six autres. La majorité des variables agronomiques (nombre de feuille, surface foliaire, biomasse et rendement en grain) ont été négativement affectées par un semis tardif (associés à des températures de l'air plus faibles). Cette caractérisation a permis de calculer pour la première fois au Sahel les principaux paramètres éco-physiologiques du mil (durée thermique des phases de développement, dynamique de la surface foliaire), indispensables aux modèles dynamiques de croissance des plantes tels qu'APSIM et DSSAT. Le modèle APSIM a permis de reproduire avec succès les variables agronomiques de 6 des 7 variétés de mil en condition nonlimitante d'apport en eau et en nutriments. De plus, le modele APSIM a reproduit de manière satisfaisante la réponse de la variété améliorée CIVT à l'interaction de l'eau et de l'azote suite à l'apport combiné de résidus de récolte, de fumier de bétail et d'engrais minéral sur deux années ayant des pluviométries contrastées. Ceci a permis de renforcer la confiance dans l'utilisation du modèle APSIM comme outil d'aide à la décision dans l'environnement Sahélien. Sur base du modèle APSIM ainsi paramétrisé pour des conditions spécifiques de site et de variété, nous avons développé deux applications en matière d'aide à la décision. Une expérimentation factorielle numérique à long terme (23 ans) a révélé que l'application d'une dose modérée d'azote (15 kg N/ha) est plus appropriée dans le contexte d'une agriculture de subsistance que la recommandation habituelle de 30 kg N/ha. [...]