Incapable de prendre une décision ? Alors essayons toutes les possibilités avec la simulation !

Curiosité

Écriture : Laetitia Lemière
Relecture scientifique :
Siham de Goeyse
Relecture de forme :
Mathurin Passard et Pierre Marrec

Temps de lecture : environ 8 minutes.
Thématiques :
Agronomie

Publication originale : Burner D.M., et al., Using SketchUp to Simulate Tree Row Azimuth Effects on Alley Shading. Agronomy Journal, 2018. DOI : 110. 10.2134/agronj2017.04.0224.

Des notions POUR APPROFONDIR à la fin de l’article.

Crédit : Hans/Pixabay

Lorsque vous devez prendre une décision, vous êtes-vous déjà demandé « Et si on faisait ça ? Oui mais… Et si… » ? À force de réfléchir, on n’arrive généralement pas à trancher et on aimerait avoir plusieurs essais possibles pour expérimenter les différents choix. Cette difficulté est très présente lors de la conception de parcelles agroforestières. L’ajout d’arbres au milieu des cultures diminue la quantité de lumière reçue, il faut donc choisir les bons types d’arbres et l’orientation des lignes d’arbres la plus adaptée. La simulation numérique permet de visualiser les conséquences des choix, comme dans cette publication où la quantité de lumière sur les cultures a été simulée en fonction de l’orientation de lignes d’arbres.

L’agroforesterie : on plante un arbre et tout devient plus compliqué

L’agroforesterie est une pratique agricole impliquant des arbres, des cultures et parfois des animaux sur la même zone cultivée [1]. Elle peut prendre plusieurs formes allant des lignes d’arbres réparties régulièrement dans un champ aux haies délimitant le contour du champ. Ce système de culture est plus complexe que la monoculture traditionnelle (Figure 1).

À gauche, un champ composé d'une seule plante qui s'étend à perte de vue. À droite, un paysage varié avec de petites parcelles délimitées par des haies d'arbres et d'arbustes. Certaines parcelles sont pâturées par des animaux.
Figure 1. Gauche : exemple de champ en monoculture ; droite : exemple de parcelles agroforestières. Crédits : NatuerlichGut/Pixabay et 12019/Pixabay.

La présence des arbres apporte dans le système de nombreux éléments comme l’ombre, l’encombrement racinaire et aérien. Ces éléments supplémentaires créent des services et des disservices. Les services désignent les effets bénéfiques de l’écosystème perçus par l’être humain, comme la protection face à la chaleur apportée par l’ombrage des arbres sur les cultures en cas de canicule [2]. Par opposition, les disservices sont les effets négatifs de l’écosystème perçu par l’être humain [3]. En effet, imaginez des arbres tellement grands et denses que la lumière traverse à peine les feuilles. Il y a alors beaucoup trop d’ombre pour que poussent la plupart des cultures classiques comme le blé ! L’ombrage des arbres devient un disservice car il nuit au développement des cultures.

Concevoir une parcelle agroforestière est difficile car on cherche à optimiser les services tout en minimisant les disservices. L’équilibre entre services et disservices est influencé par de nombreux paramètres comme le choix des espèces ou la répartition dans les parcelles. De plus, même si l’agroforesterie se développe de plus en plus, il n’est pas facile de trouver des exemples de parcelles agroforestières proches du projet en cours de conception. Une solution pour parer ce manque d’exemple est l’utilisation de la simulation. C’est ce qu’utilisent Burner et ses collègues dans la publication !

La simulation : un outil pour percevoir le futur

La simulation informatique reproduit une version simplifiée d’un phénomène et permet d’observer son évolution dans un temps court. L’avantage de faire de la simulation dans le cadre de l’agroforesterie est qu’en quelques heures, on peut simuler des phénomènes mettant plusieurs dizaines d’années à s’accomplir et parfois très coûteux à mettre en place. 

Dans la publication, les auteurs ont utilisé le logiciel Sketch Up afin de représenter une parcelle agroforestière composée de lignes d’arbres et ont simulé le mouvement du soleil pour mesurer l’impact de l’ombre des lignes d’arbres sur les cultures. En effet, en fonction de l’azimut — l’angle formé par une ligne imaginaire allant vers le Nord et par la direction de la ligne d’arbres (Figure 2) —, l’ombre sur le sol aura une taille bien différente. On peut constater cette variation en observant notre ombre à 12 h et à 16 h. Sa taille et son orientation seront différentes.

Une personne est positionnée au début d'une ligne d'arbre et regarde l'angle formé entre cette ligne d'arbre (horizontale le long du sol) et une ligne imaginaire partant de cette personne et dirigée vers le Nord.
Figure 2. Schéma de l’azimut

Généralement, au lieu d’indiquer l’azimut avec une mesure d’angle, on utilise la notion d’orientation de ligne. En effet, lorsque que l’azimut est très petit voire égal à 0°, la ligne d’arbre est alignée avec le Nord et son orientation est alors Nord-Sud. Lorsque l’azimut est égal à environ 90° alors l’orientation est Est-Ouest (Figure 3).

Trois schémas. Le Nord est en haut. Lorsque la ligne d'arbres représentée par 3 points verts alignés est verticale, elle est donc orientée Nord-Sud. Alors l'azimut vaut 0 degré car la ligne d'arbre et la ligne Nord-Sud sont superposées. Lorsque les 3 points verts sont alignés sur une ligne horizontale, l'azimut veut 90 degrés car la ligne d'arbre et la ligne Nord-Sud sont perpendiculaires. Lorsque les 3 points sont alignés suivant une ligne oblique, l'azimut vaut l'angle entre les 2 lignes, valeur comprise entre 0 et 90 degrés.
Figure 3. Schéma explicatif de la valeur d’azimut en fonction de l’orientation des lignes d’arbres

Qu’est-ce que Sketch Up ? 

C’est un logiciel permettant de faire des maquettes de maisons, d’appartements mais aussi de paysages. La prise en main est très intuitive puisqu’en quelques clics, on peut réaliser des scènes, placer des volumes et les sculpter comme bon nous semble. Par exemple, pour faire une parcelle agroforestière, on place un rectangle pour représenter le sol. Si la parcelle n’est pas rectangulaire mais en forme de polygone, il suffit de déformer le rectangle initial. On peut ensuite positionner des objets 3D en forme d’arbres à différents endroits du rectangle pour faire les lignes d’arbres. Il est possible d’indiquer le Nord de la scène 3D pour orienter les lignes d’arbre comme on le souhaite. Un autre point fort de ce logiciel est l’accès à une bibliothèque contenant des modèles 3D et des modules de simulation créés par la communauté que l’on peut ajouter à son projet. Ce dernier point à été décisif pour les auteurs de l’étude car ils ont développé et mis à la disposition de la communauté le module de simulation de l’ombrage qu’ils ont utilisé dans leur expérience.

Comment modéliser une parcelle agroforestière ?

L’équipe de recherche a reproduit des arbres sur ordinateur en s’appuyant sur des mesures prises en février 2021 dans une plantation vers Booneville (Mississippi, États-Unis). Cette plantation était intéressante pour l’expérience car elle possède des parcelles dont les orientations de lignes d’arbres sont différentes tout en ayant la même espèce d’arbres plantée (ici, des pins donc des arbres qui ne perdent pas leur feuillage). Parmi les parcelles, quatre groupes de trois lignes d’arbres ont été sélectionnés, chacun avec un azimut parmi : 

  • Nord – Sud
  • Est – Ouest
  • Nord-Est – Sud-Ouest
  • Nord-Ouest – Sud-Est

Au sein de chaque groupe, dix arbres consécutifs ont été choisis. Sur chaque arbre, plusieurs caractéristiques ont été mesurées : 

  • le diamètre de l’arbre à la « poitrine », c’est-à-dire à 1,4 mètres au-dessus de la surface du sol ;
  • la hauteur de l’arbre (en mètre) ;
  • la longueur de la canopée (en mètre) : depuis la branche la plus basse à la pointe de l’arbre ; 
  • la largeur totale prise au niveau de la couronne à la base de la canopée (Figure 4).
Diamètre : flèche sur la largeur du tronc. Largeur totale : flèche sur la largeur des branches les plus basses de l'arbre. Hauteur : hauteur de l'arbre. Longueur de la canopée : Hauteur de l'arbre - la hauteur du tronc. C'est donc la hauteur depuis le sommet de l'arbre jusqu'aux branches les plus basses.
Figure 4. Les mesures prises sur les arbres.

Grâce à ces informations, un arbre moyen a été simulé pour chaque azimut. Puis, pour chaque orientation, deux maquettes de la parcelle ont été créées : une avec une ligne d’arbres et une avec trois lignes d’arbres. Au total, huit maquettes ont été construites, permettant le calcul de la taille de l’ombre au sol au cours de l’année pour huit simulations. Lors de chaque simulation, les chercheurs ont calculé la taille de l’ombre sur le sol au cours de l’année. 

Quelle est la meilleure orientation pour recevoir le plus de lumière entre les lignes d’arbres ?

Fort de tout ceci, les chercheurs ont pu estimer la quantité de lumière reçue entre les lignes d’arbres pour une année complète et pour chaque orientation. Les résultats montrent que l’orientation Est-Ouest se comporte différemment des autres orientations. En effet, uniquement avec cette orientation, le sol entre les rangées d’arbres reçoit toute la journée de la lumière (même partiellement) de mars à septembre. La quantité de lumière reçue est bien plus importante entre avril et août qu’avec les autres orientations sur la même période. Par contre, entre octobre et février, elle est l’orientation recevant le moins de lumière. Ces résultats sont cohérents avec un article datant de 2009 où des chercheurs simulent les effets de pins sur les allées cultivées [4]. Par contre, les résultats diffèrent d’une autre publication datant de 2008, indiquant que la lumière reçue par les allées n’était pas particulièrement affectée par l’azimut des rangées d’arbres [5]. Cette différence est intéressante et potentiellement explicable par le fait que les plantes simulées ne sont pas les mêmes. Ici, les pins simulés ne perdent pas leur feuillage durant l’année alors que ceux de l’article de 2008, des chênes blancs, le perdent.

Comment la simulation aide à la prise de décision ?

Dans le cadre de cette publication et de l’agroforesterie, les concepteurs de parcelles agroforestières peuvent s’appuyer sur ce type d’outils pour avoir un aperçu de l’impact des arbres sur la lumière reçue par la culture entre les allées. Sans, un long travail de recherche devra être réalisé pour savoir si l’étude a déjà été réalisée précédemment et pour en connaître le résultat. Ou alors le projet devra être réalisé avec le risque que ça ne fonctionne pas. Les simulations sont une véritable force, bien que parfois imprécises, puisqu’elles permettent de réduire l’incertitude et d’augmenter les chances de succès des projets.

Toutefois, un danger de l’utilisation d’outils de simulation est de tout prendre au mot. La simulation implique l’utilisation de modèles ayant des limitations qu’il faut connaître pour bien interpréter les résultats. Dans cette publication, il n’y a que la longueur de l’ombre qui est prise en compte. En réalité, l’ombrage est caractérisé par d’autres paramètres, comme son opacité, qui sont tout aussi importants pour mesurer l’impact sur les cultures. 

Pour la suite de ce travail, une meilleure prise en compte des caractéristiques de l’ombrage est donc une piste d’amélioration. Une autre possibilité intéressante serait d’inclure d’autres types d’arbres (par exemple des arbres perdant leur feuilles) ce qui permettrait de mieux comparer les résultats avec d’autres publications et, pour les personnes concevant des parcelles, de tester d’autres possibilités.

Éléments pour approfondir

La formule utilisée pour calculer l’azimut pour chaque jour de l’année et pour chaque heure du jour est : 

    \[A=\left[ \left( 12,2 - W \right) \times L \right]\]

avec

  • A, aire de l’allée illuminée (en m²·h-1) et où les valeurs négatives ont été exclues ;
  • W, longueur de l’ombre ;
  • L, longueur de l’allée (ici, 100 m).

Avec le temps, d’autres outils permettant d’estimer des services sont disponibles. Voici une liste non-exhaustive :

Nom de l’outilDescriptionRéférence
ShadeMotionOutil permettant de visualiser en 2D et en 3D l’ombrage sur une parcelle.site
AgroforestryXOutil permettant de concevoir un parcelle en visualisant en 2D l’évolution de l’encombrement (espace occupé par les arbres) des arbres au cours du temps.site
EcoAFModule de Capsis [6] permettant entre autres de travailler sur l’agencement des lignes d’arbres, de visualiser l’encombrement des arbres sur la culture.site

[1] L’agroforesterie, comment ça marche ?, Ministère de l’agriculture et de la souveraineté alimentaire, 2019, consulté le 21/03/2022. [Article du gouvernement]

[2] Roy Haines-Young & Marion Potschin, Common International Classification of Ecosystem Services (CICES) V5.1 Guidance on the Application of the Revised Structure [pdf, en anglais]. Fabis consulting, 2018. [Rapport de conseil]

[3] Shackleton C. M., et al., Unpacking Pandora’s box: understanding and categorising ecosystem disservices for environmental management and human wellbeing. Ecosystems, 2016. DOI : 10.1007/s10021-015-9952-z. [Publication scientifique]

[4] Burner, D.M., et al., Effect of loblolly pine (Pinus taeda L.) root pruning on alley cropped herbage production and tree growth. Agronomy Journal, 2009. DOI : 10.2134/agronj2008.0185. [Publication scientifique]

[5] Feldhake, C.M., et al., « Forage production under and adjacent to Robinia pseudoacacia in central Appalach ia, West Virginia ». In: S. Jose and A .M. Gordon, editors, Toward agroforestry design. Advances in agroforestry. [Livre de science]

[6] Dufour-Kowalski S., et al., Capsis : An open software framework and community for forest growth modelling. Annals of Forest Science, 2012. DOI : 10.1007/s13595-011-0140-9. [Publication scientifique]


2 réflexions sur « Incapable de prendre une décision ? Alors essayons toutes les possibilités avec la simulation ! »

  1. Merci pour cet article très intéressant ! Je n’imaginais pas qu’il fallait faire autant de calcul pour savoir l’impact d’arbres plantés…pourtant c’est logique ! Est ce que l’ombre est le seul point positif apporté par les arbres ou en existe ils d’autres? La présence d’animaux à côté des cultures est elle une bonne ou une mauvaise chose?

    1. Merci beaucoup pour ton retour ! 🙂
      Pour répondre à tes questions, l’ombre n’est pas le seul point positif (dans certains cas, il est même négatif), il y en a énormément ! Il n’est pas possible de les étudier tous en même temps. Quand l’étude ne porte pas uniquement sur 1 service, c’est souvent 2 ou 3 mais rarement beaucoup plus. L’ensemble des effets bénéfiques sont les services écosystémiques. Une classification de ces services est trouvable ici (https://cices.eu/). Il y a, par exemple, les effets sur la production des cultures, la réduction de l’érosion des sols, l’apport esthétique…
      Je connais moins les effets des animaux d’élevage mais leurs effets peuvent aussi être bon et mauvais. J’ai lu des exemples où les animaux pâturaient et enrichissaient le sol (bénéfique) et d’autres où, si on ne protège pas assez bien les jeunes arbres, les animaux peuvent manger la jeune plante. Pour les animaux sauvages, les pollinisateurs (abeilles, bourdons…) sont d’une grande aide pour la production et d’autres repoussent des ravageurs de la culture.

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