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Experiences pluriannuelles sur les rotations culturales.
Le point de vue d’un biometricien
Jean Louis Charpenteau
To cite this version:
Jean Louis Charpenteau. Experiences pluriannuelles sur les rotations culturales. Le point de vue d’un
biometricien. Agronomie, EDP Sciences, 1981, 1 (1), pp.27-30. �hal-02718403�
Expériences pluriannuelles sur les rotations
culturales. Le point de vue d’un biométricien
Jean-Louis CHARPENTEAU
Laboratoire de Biométrie, Centre de Recherches Agronomiques de Toulouse, I.N.R.A., B.P. 12, 31320 Castanet Tolosan.
RÉSUMÉ
Plans d’expériences,
Modèle mixte, Rotations culturales, Modélisation.
Nous cherchons à rappeler quelques points de blocage qui font que l’expérimentation ayant pour thème la
comparaison des rotations culturales ne bénéficie pas d’une méthodologie simple. Ayant pour origine principale la difficulté de prendre en compte des effets complexes tels que « l’effet année et «l’effet parcelle », ces blocages se manifestent par :
-
l’impossibilité de définir, d’une façon satisfaisante des critères de comparaison des rotations ;
-
la lourdeur des dispositifs expérimentaux classiques faisant appel à la
«culture test » comme terme de
comparaison entre les rotations ;
-
La complexité des modèles statistiques d’interprétation des résultats de ces dispositifs.
Raisonner le fonctionnement d’une parcelle comme un système dans lequel la rotation se présente comme une
suite ordonnée de commandes semble être un moyen permettant de lever quelques points de blocage et de pouvoir comparer les rotations «en continu ».
Quoi qu’il en soit, même si cette façon d’envisager les rotations permet d’améliorer notre interprétation, nous
ne pourrons faire l’économie d’un dispositif expérimental lourd capable de prendre
encompte le caractère
pluriannuel de ces expériences.
ABSTRACT
Plans of experiments, Mixed model, Crop rotations, Modelization.
Pluriannual experiments on crop rotations. Standpoint of a biometrician
Let us recall some aspects which prevent the experimentation for comparing crop rotations to benefit from a
simple methodology. Coming essentially from the difficulty of taking account intricate effects such as « year effect » or « plot effect these aspects are :
-
the impossibility to define satisfactorily criteria for the comparison of crop rotations.
-
the heaviness of the traditional experimental devices which rely
onthe « test culture » as a term of comparison between the crop rotations.
-
the complexity of the statistical models to interpret the results obtained with these devices.
To consider the plot functioning as a system in which crop rotation occurs as a well-ordered series of operations seems to allow to palliate some of these aspects and to compare the « continuous » rotations.
However that may be even if this way to face the rotations allows to improve our interpretation we will not
be able to save
aheavy experimental device liable to take into account the pluriannual aspects of theses experiments.
INTRODUCTION
Autrefois nécessaire au maintien d’un niveau de produc- tion acceptable dans des conditions phytosanitaires satisfai- santes, actuellement séduisante dans une perspective d’agri-
culture moins gourmande d’énergie, la rotation culturale est un maillon important dans un système de production agri-
cole. A ce titre, l’étude des rotations culturales est une
préoccupation importante des agronomes.
Contrairement à l’expérimentation agronomique an- nuelle, l’expérimentation pluriannuelle mettant en compa- raison des rotations culturales pose des problèmes d’ordre méthodologique au niveau :
-
du choix de critères de comparaison pertinents,
-
de la construction de dispositifs expérimentaux,
-
de l’établissement et du traitement d’un modèle statis-
tique approprié.
CHOIX DE CRITÈRES DE COMPARAISON
Comparer deux rotations culturales, c’est comparer deux processus évoluant dans le temps. Il est alors légitime de
vouloir effectuer cette comparaison en continu, c’est-à-dire à chaque pas de temps. Dans cette optique, en fixant le pas de temps à un an, deux types de critères de comparaison des
rotations viennent tout de suite à l’esprit :
-
des critères mettant en évidence des modifications
apportées aux composantes de la fertilité du sol,
-
la production économique.
Malheureusement, l’imprécision de la notion de fertilité et
les fluctuations aléatoires des prix agricoles rendent diffici- lement praticables les comparaisons à l’aide de ces critères.
D’autres grandeurs telles que le rendement énergétique, la
valorisation de l’eau, le nombre d’heures de travail néces- saire peuvent aussi être envisagées.
Ces difficultés sont tournées en substituant à la comparai-
son continue des rotations une comparaison discontinue, c’est-à-dire n’ayant pas lieu tous les ans. Pour cela, on introduit une même culture à l’intérieur de toutes les rotations en présence (« culture test ») et c’est à travers les résultats et le comportement de cette culture que seront
comparées les rotations. Cette culture test doit donc servir de
«révélateur » des valeurs des rotations et être choisie
avec soin. Quoi qu’il en soit, on peut penser (JACQUARD et al., 1970) que le pouvoir révélateur d’une culture ne couvre
pas la gamme de préoccupations des expérimentateurs. Les
limitations du champ d’investigations possibles à travers
une culture test ainsi que l’appauvrissement de l’informa-
tion dû au caractère discontinu des comparaisons possibles
sont à la base de la désaffection de cette pratique.
LES DIFFICULTÉS EXPÉRIMENTALES
La construction de plans d’expérience est rendue difficile par l’introduction de facteurs de variations sur lesquels l’expérimentateur a peu ou n’a pas de contrôle possible :
-
L’effet année qui intervient soit directement
-influence des conditions climatiques sur le résultat d’une culture
-(en pratique, on s’aperçoit qu’il est souvent plus important que tous les autres effets que l’on veut étudier et
qu’il agit à la manière d’un masque) ; soit indirectement dans des interactions climat x sol ou climat x plante. De plus, la
succession des années climatiques, de même que la succes- sion des cultures dans les rotations nous est imposée. De ce fait, une série culturale donnée pourra subir sans qu’il y ait moyen de faire autrement une série climatique qui, suivant
les cas, pourra lui être favorable ou défavorable. Pour être complet, il faudrait mentionner enfin un autre type d’effet année qui est celui induit par la plus ou moins grande proximité du début de l’expérience (effet cumulatif).
-
L’effet parcelle. En effet, par définition même, une
rotation culturale est une succession dans un ordre fixé à l’avance de plusieurs cultures sur une même parcelle.
L’attribution au hasard des rotations aux parcelles (rando- misation) n’est donc possible qu’une seule fois, lors de la mise en place de l’expérience. Nous risquons donc au lieu d’apprécier la valeur de la rotation de ne mettre en évidence que les qualités intrinsèques de la parcelle qui lui a été
attribuée. Statistiquement parlant, nous avons donc affaire à des observations faites sur la même parcelle plusieurs fois
au cours du temps donc a priori non indépendantes.
Dans le cadre de la culture test, des auteurs anglo-saxons
et polonais proposent des solutions pour la construction de
plans d’expériences aussi adaptés que possible à la prise en compte de ces effets (PnTTERSON, 1964 ; YATES, 1954 ; P
RZYBYSZ
, 1975). Malgré leur diversité, ces différents plans
sont articulés autour d’un principe fondamental que l’on peut énoncer : si une rotation a un cycle de n années, on dit
que la rotation peut avoir n séquences possibles. Prenons
par exemple une rotation A, B, C, on peut avoir:
1973 A B C
1974 B C A
1975 C A B
etc...
Ces séquences (ici 3) sont dites en différence de phase.
Le principe fondamental de construction des plans est le
suivant:
Toutes les séquences de toutes les rotations en présence
doivent être présentes.
Cette exigence a pour but essentiel de contrôler autant que faire se peut « l’effet année » direct (les mêmes cultures subiront des années climatiques différentes) et de corriger le
défaut de randomisation dû au fait que l’ordre de succession des cultures sur une parcelle est imposé (par l’expérimenta- teur) ainsi que l’ordre de succession des années climatiques (imposé par la nature).
On cherche donc à corriger ce défaut de randomisation en
«
décalant » le cycle des cultures par rapport au
«cycle » des
années climatiques. Il faut toutefois noter que cette procé-
dure est imparfaite car le cycle d’une rotation ne recouvre
pas toutes les possibilités climatiques.
A partir de ce principe, plusieurs procédures sont possi-
bles. Leur complexité sera fonction des longueurs respecti-
ves de chaque rotation (les procédures les plus simples
seront obtenues lorsque les rotations seront d’égale lon- gueur) et du nombre de cultures-tests dans chaque rota- tion (quelles comparaisons sont à faire ?). Quoi qu’il en soit, le principe sous-jacent à toute procédure de construc-
tion du plan sera de rapprocher au maximum, par l’établis-
sement de blocs et de sous-blocs, les parcelles destinées à être comparées. On sera ainsi amené à créer à l’intérieur de blocs (au sens classique du terme) des sous-blocs ou
«
séries
»comprenant les parcelles supportant des séquen-
ces comparables (c’est-à-dire portant la culture test la même année). Le nombre et la taille des
«séries » ainsi construites
sera fonction de la longueur des rotations et de l’intervalle de temps séparant deux cultures-tests.
L’énoncé même du principe de construction des plans fait apparaître une des contraintes principales des expérimenta-
tions sur rotations culturales : le grand nombre de parcelles
nécessaires. En effet, dans le cas simple d’une expérience
sur rotations d’égales longueurs, avec une seule culture test,
ce nombre est égal au produit : n x 1 x r où n est le nombre
de rotations, 1 leur longueur en années, r le nombre de répétitions. Il convient de remarquer que, sur cet ensemble
important de parcelles, seules les observations sur celles qui porteront une année donnée la culture test, seront prises en compte. Il faut noter en outre que ces plans ne considèrent que le cas où les rotations sont les seuls traitements. Or,
souvent l’expérimentateur désire faire intervenir des traite-
ments dits « auxiliaires » (fertilisation, travail du sol, etc...). ).
La prise en compte de tels traitements dans le plan d’expérience en augmente considérablement la complexité,
si bien que chaque cas doit être raisonné spécifiquement.
L’ANALYSE STATISTIQUE
L’énoncé des différentes contraintes, particularités et objectifs des expériences sur les rotations définit à lui seul le type de modèle statistique que nous avons à mettre en oeuvre pour l’interprétation des résultats.
En nous situant a priori dans le champ des modèles d’analyse de la variance, la construction de ces modèles se décrit de la façon suivante :
-
sont pris comme effets fixes, les différents facteurs du
plan d’expérience (blocs, sous-blocs) ainsi que l’effet rota- tion ;
-
les effets aléatoires rendent compte des défauts de
randomisation et de l’existence de corrélations entre obser-
vations (« erreur parcelle ») ;
- enfin nous introduisons une partie « covariables
»pour prendre en compte les effets cumulatifs des rotations et peut-être aussi l’effet année par l’intermédiaire d’une ou
plusieurs caractéristiques climatiques.
Ces principes étant posés, nous nous retrouvons donc devant les problèmes statistiques :
-
de définition de paramètres (covariables, lesquelles choisir ?)
-
d’estimation des composantes de la variance
-
d’estimation d’effets fixes en présence d’effets aléa- toires.
Si ces problèmes sont en théorie résolus, les outils de calcul efficaces et vulgarisés manquent actuellement, ce qui
nous oblige à utiliser des modèles plus grossiers.
Enfin, cette mise en oeuvre déjà lourde a priori sera compliquée par le fait que nous ne disposons paradoxale-
ment que de peu de données (puisque, encore une fois, seules les données relatives aux cultures-tests seront utilisa- bles).
Le recensement effectué à l’LN.R.A. des expériences de
ce type montre que jamais ou presque, les protocoles expérimentaux préconisés plus haut ne sont mis en oeuvre.
Le caractère excessivement contraignant au niveau techni- que de ces protocoles (nombre de parcelles élevé, randomi- sation complète) ainsi que leur rigidité (conservation des mêmes variétés de plantes qui conduit à des
«dispositifs
musées », obligation de respecter le cycle prédéterminé de la rotation) en regard de la relative pauvreté des résultats possibles (on n’étudie que les données recueillies sur les
«
cultures-tests ») sont à l’origine de cette désaffection. De plus, l’importance des moyens financiers investis dans de tels dispositifs incite les expérimentateurs à leur poser de nombreuses questions auxquelles la spécificité des disposi-
tifs préconisés ne permet pas de répondre avec efficacité.
Il n’est pas question ici de nier les richesses potentielles
de telles expériences, c’est pourquoi, partant des dispositifs expérimentaux existants, nous devons approcher le pro- blème par d’autres voies, en levant les hypothèques intro-
duites par la pratique de la culture test. Il nous faut donc à la fois :
-
élaborer des critères de comparaisons permanents, permettant de valoriser l’ensemble de l’information
recueillie,
-
se dégager des contraintes rigides d’une analyse trop
«
inférentielle » des résultats.
Une voie possible est de considérer l’ensemble parcelle- pratiques culturales, production comme un système en évolution dans lequel nous définirons la rotation comme une
suite ordonnée, éventuellement cyclique, de commandes de
ce système.
Nous représentons grossièrement le fonctionnement de
ce système (fig. 1).
’
Une telle représentation du fonctionnement de la parcelle
met l’accent sur l’existence des flux. L’étude de ce système
et sa modélisation s’attacheront donc à représenter et
comparer l’évolution des flux de matière et/ou d’énergie
sous l’effet de différents flux d’informations. L’exigence de comparaison continue est ainsi satisfaite. Cette présentation possède aussi l’avantage de permettre de sortir du cadre très rigide de la rotation au sens strict pour envisager l’étude
d’une succession de cultures. Il est bien évident qu’une représentation aussi grossière ne permet pas de régler tous
les problèmes. Des études fines seront nécessaires pour
préciser certains points, notamment la prise en compte de l’aléa climatique et les mécanismes qui constituent des flux d’information (c’est-à-dire la « commande » elle-même).
Néanmoins, cette façon de poser les problèmes paraît plus
riche que la démarche statistique en ce sens qu’elle va permettre de mieux expliciter ce que va être la comparaison
de deux rotations.
Dans un tel esprit, l’étude comparative des rotations
consistera en la construction d’un modèle capable, par
exemple, de répondre aux questions suivantes :
-
quelle succession de commandes (culture) maximise la production ?
-
quelle succession de commandes sous des conditions d’entretien de la fertilité (résidus positifs) et de production
minimum assure la meilleure adaptabilité du système aux aléas climatiques ?
-
