Dissertations / Theses on the topic 'Cultures et azote'

Dans l'ouest du Burkina Faso où se développe le système coton/céréales, l'entretien organique des sols devient une nécessite absolue. Nos résultats d'études en particulier ceux de Faraka-Ba sur sol ferralitique montrent qu'une fumure minérale seule n'empêche pas une forte décroissance des rendements après un certain nombre d'années de cultures continues. Les exportations culturales, même faibles, entrainent une perte d'éléments minéraux conduisant a une rupture du cycle biogéochimique normal, notamment pour les cations ca#+#+ et mg#+#+ liés aux migrations des nitrates. La suite de nos investigations a porté sur l'évolution du cycle interne de l'azote. Nous constatons que la non-culture entraine une mise en réserve de molécules organiques azotées dans les formes hydrolysables ; par contre, la croissance des végétaux utilise préférentiellement les ions no#3 issus de ces formes. L'apport de fumier empêche l'épuisement de ce pool disponible tout en agissant positivement sur d'autres propriétés du sol. Des études en vases avec #1#5n appliqué sur une culture de digitaria exilis, ont confirmé l'évolution des différents compartiments azotes observée au champ ; l'immobilisation de l'azote engrais s'effectue préférentiellement dans les fractions hydrolysables. Dans une rotation triennale coton/mais/sorgho, en utilisant les tiges de sorgho transformées en fumier, l'entretien organique du sol devient possible à condition de veiller à l'érosion et à l'équilibre calcique du sol

La dénitrification est la réduction biologique des nitrates en azote par les bactéries. Pseudomonas stutzeri a été choisi pour représenter une population dénitrifiant dans un procédé de traitement des eaux usées. Le processus a lieu en deux étapes: réduction des nitrates (NO3-) en nitrites puis des nitrites (NO2-) en azote (N2). La cinétique de réduction des nitrates et de la réduction simultanée des nitrates et de l'oxygène a été étudiée à partir des cultures de Ps. Stutzeri afin de mettre en évidence les phénomènes cinétiques dominants dans le système. Dans un premier temps, les expériences ont été réalisées dans des conditions anaérobies en réacteurs discontinus et continus. L’accumulation des nitrites observée uniquement en culture discontinue est le résultat d'un système de réduction des nitrites plus faible que le système de réduction des nitrates. La réduction des nitrites en azote est l'étape limitante au cours de la dénitrification. Il existe une vitesse maximale de dénitrification égale à la vitesse spécifique maximale de réduction des nitrites. Ceci se traduit par une compétition entre la réduction des nitrates et la réduction des nitrites au niveau de la chaine de transport des électrons. Dans un deuxième temps, une étude cinétique a été réalisée dans des conditions micro-aérobies en réacteur continu. L’interprétation des résultats met en évidence une augmentation de la capacité respiratoire des cellules de Ps. Stutzeri et laisse supposer une augmentation du taux maximal de croissance lorsque les nitrates et l'oxygène sont réduits simultanément. La description d'un système dénitrifiant à l'aide d'un modèle non structuré permet de généraliser les hypothèses cinétiques à l'ensemble de la population dénitrifiante. Ce modèle qui a été établi pour simuler les cultures discontinues permet également de simuler correctement les cultures continues en régime stationnaire et en régime dynamique

L’implantation d’un enherbement sur l’inter-rang d’un vignoble réduit l’impact de la production viticole sur l’environnement et aide à maîtriser la croissance et la production de la vigne. Elle génère une concurrence pour des ressources en eau et azote rares dans le milieu méditerranéen. Ce travail aborde les fonctionnements hydrique et azoté d’une association culturale marquée par un contraste important entre les deux espèces. Un lourd dispositif a été installé en 2002 sur une parcelle près de Montpellier et trois modalités d’entretien du sol ont été étudiées. Une réduction forte et précoce de la croissance de la vigne liée à la concurrence pour les ressources est mise en évidence. Les modalités de gestion de l’enherbement affectent de façon plus ou moins précoces et intenses les différentes composantes du rendement et les années climatiques la qualité du moût obtenu. La dynamique de l’eau est profondément modifiée par la présence du couvert intercalaire. Une approche simplifiée de modélisation du bilan hydrique de ce système est proposée et montre des résultats encourageants. Le ruissellement est diminué significativement mais cet impact varie au cours de l’année avec l’état de surface du sol. Cette infiltration supérieure permet une meilleure recharge hivernale dans les modalités enherbées, particulièrement avec un enherbement permanent. Cependant, cette eau supplémentaire profite essentiellement à l’enherbement. La redistribution du système racinaire de la vigne en présence de l’enherbement (surtout permanent) est la conséquence d’une « croissance compensatoire » déjà observée dans d’autres systèmes. Celle-ci permet à la vigne, dans un sol profond, d’accéder à des ressources en eau inaccessibles pour l’enherbement. Ces nouveaux horizons explorés par la vigne sont pauvres en azote et la concurrence pour l’azote induite par l’enherbement n’est pas réduite. L’enherbement consomme une quantité modérée d’azote qui représente une part non négligeable des flux d’azote dans un système naturellement pauvre. L’assèchement des horizons de surface par la transpiration de l’herbe diminue également la disponibilité de l’azote minéral pour la vigne et stoppe prématurément la minéralisation de l’azote organique. La diminution précoce de la croissance de la vigne enherbée est la conséquence d’une contrainte azotée en début de cycle liée à une mauvaise recharge des réserves pérennes de la plante l’année précédente. On observe que le statut azoté de la vigne se dégrade rapidement lorsque l’humidité des horizons de surface devient défavorable à la minéralisation. Il semble donc, qu’en région méditerranéenne, la contrainte azotée subie par la vigne soit fortement pilotée par la dynamique de l’eau. Ceci met en évidence l’importance des interactions entre fonctionnements hydrique et azoté dans ce système.

L’évaluation de l’impact environnemental des grandes cultures constitue un enjeu croissant à la fois au niveau de la protection du milieu et, au niveau scientifique, en termes de connaissance et de modélisation des processus sources de pollution. En nous restreignant aux pollutions liées à l’élément azote, nous avons procédé à un suivi expérimental ainsi qu’à une modélisation des flux associés, dans le cadre notamment d’une culture de colza à valorisation énergétique. Nous nous sommes intéressés d’une part au lessivage de nitrate sous la zone racinaire, et d’autre part aux émissions d’oxyde nitreux et d’ammoniac vers l’atmosphère. Parmi les différentes approches présentes dans la littérature, deux modèles ont été sélectionnés, correspondant respectivement à une option simple et opérationnelle (modèle CERES), et à une option plus mécaniste et conceptuelle (modèle Daisy). Cinq jeux de données expérimentales couvrant différentes conditions pédo-climatiques ont permis de tester, voire d’améliorer les sous-modèles de transfert d’eau et de nitrate dans le sol, de dénitrification, et de croissance et d’assimilation d’azote par la culture. Globalement, les précisions des modèles CERES et DAISY se sont révélées similaires, DAISY étant plus performant pour la simulation des transferts de masse dans le sol, et CERES pour la simulation de la croissance du colza. En fait, la précision des modèles dépend du type de milieu simulé : nous proposons alors qu’une classification fonctionnelle des sols pourrait servir de base pour déterminer la forme du modèle à utiliser pour une précision optimale en fonction des données d’entrée disponibles. Enfin, les quelques améliorations proposées concernant la composante sol du modèle simple (CERES) ont permis une prédiction satisfaisante des flux eau-carbone-azote dans le système sol-plante
The field-assessment of the environmental impacts of crop production has emerged as a critical issue, since modern agriculture should be expected not to pose major threats. We have here assessed the nitrogen (N) pollutions, caused by such a crop (oilseed rape), through both experimental and modeling approaches. Two types of pollution were investigated : the leaching of nitrate below the root zone, and the gaseous emissions of ammonia (NH3) and nitrous oxide (N2O) to the atmosphere. The prediction of N fluxes at the boundaries of the soil-crop system requires the use of a model simulating the dynamics of water, carbon and N within this system. Among the approaches of various complexities undertaken in the literature, we chose two models representing either a simple (CERES) or a more theoretical (DAISY) viewpoint. Five data sets corresponding to a range of climate and soil conditions were used to test various options for both models. None of the models clearly outranked the other. DAISY performed better as regards heat and mass transfer in soil, but CERES proved a superiority for the simulation of crop growth. Actually, the precisions of the models were also dependent on the type of medium investigated : we then suggested that a functional classification of soils could serve as a basis for determining the form of model to use, that would offer the best precision for a given set of available inputs. Overall, the modifications we proposed to the soil components of CERES allowed this simple approach to yield a satisfactory accuracy in the prediction of the water, carbon and nitrogen fluxes in the soil-crop system

La grande majorité des grilles de recommandation que l'on retrouve dans le Guide de référence en fertilisation (CRAAQ, 2003) n'ont pas été réévaluées depuis plusieurs décennies et suscitent de nombreuses interrogations quant à leur validité. Une mise à jour de ces grilles, basée sur les régies de production actuelle, et intégrant les besoins réels des cultures est donc devenue indispensable. Ce projet de maîtrise vise à l'élaboration d'un modèle d'évaluation des besoins en azote, phosphore et potassium dans les cultures du chou, du chou-fleur et du brocoli en sols minéraux au Québec. Pour ce faire, des essais de fertilisation ont été réalisés, entre 2003 et 2008, dans quatre régions de la province de Québec, soit la Montérégie, les Laurentides, Lanaudière et Québec (Ile d'Orléans). Au total, toutes cultures confondues, 72 essais en azote, 60 en phosphore et 38 en potassium ont été implantés chez des producteurs maraîchers. Les traitements évalués étaient les suivants : 3 à 6 doses d'azote variant de 0 à 350 kg N/ha, 4 à 5 doses de phosphore variant de 0 à 300 kg P205/ha, et 4 doses de potassium variant de 0 à 240 kg K20/ha. Le dispositif expérimental était en tiroirs (split-plot) avec trois répétitions. Les étapes de réalisation du modèle d'évaluation des besoins étaient basées en partie sur le modèle ayant servi à l'élaboration de la nouvelle grille de fertilisation en phosphore pour la culture de la pomme de terre, telle que revue par Samson et collaborateurs (2008). Ces essais ont permis de déterminer un intervalle de fertilisation azoté pour chacune des cultures, soit de 160 à 200 kg N/ha pour le brocoli, de 190 à 240 kg N/ha pour le chou et de 130 à 185 kg N/ha pour le chou-fleur. Quelques essais de fractionnement de l'azote ont eu lieu de 2003 à 2005. Dans la majorité des cas, l'analyse statistique des fractionnements de l'azote n'a pas montré de différences significatives. Les doses proposées pour le phosphore et le potassium diminuent et varient de 0 à 150 kg P205 selon le rapport P/AlM_m dans le sol et de 0 à 180 kg K20/ha selon la teneur du sol en Kyi_ui. En comparant ces doses proposées avec celles de ia grille de recommandation actuelle du Guide de référence en fertilisation (CRAAQ, 2003), il y a une diminution de 37,5 % pour le phosphore et de 21,7 % pour le potassium. L'analyse de la variance ne révèle aucune différence significative au niveau des prélèvements en azote, en phosphore et en potassium en fonction des doses testé

L'utilisation du soja dans l'alimentation animale, et surtout humaine, implique une amélioration de la qualité de la graine. Celle-ci est abordée sous l'angle de la teneur en protéines et en lipoxygénase des graines, et des voies métaboliques impliquées dans ces caractères. L'étude de l'amélioration conjointe du rendement et des taux de protéines, paramètres généralement antagonistes, est envisagée à partir de la descendance d'un croisement entre deux variétés riches en protéines. Ce choix résulte de l'analyse d'un diallèle qui avait montré que ce croisement pouvait présenter des recombinaisons génétiques favorables. L'analyse génétique de la descendance, composée de 111 individus, a mis en évidence une large variabilité pour l'ensemble des paramètres mesurés. Un gain génétique important est possible. Des génotypes conciliant des combinaisons favorables de ces divers caractères ont pu être identifiés. Le rôle majeur de la symbiose dans l'élaboration de la productivité et des teneurs en protéines a été également confirmé. Des capacités fixatrices élevées au stade R5 favorisent les forts taux de protéines. Le rendement en graines est plus directement associé à l'assimilation de l'azote minéral en début de cycle, et à une fixation symbiotique de l'azote efficiente en fin de cycle reproducteur. La stabilité, des teneurs en protéines et de la productivité, est obtenue, quelle que soit la source azotée disponible, pour les génotypes à fort pourcentage en protéines et à capacité fixatrice élevée. De tels marqueurs peuvent être utilisés comme de nouveaux critères de sélection.

Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique.
Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique.
Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.
Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.

Dans l'optique d'une meilleure prévision des performances des cultures associées à base de légumineuses, il est nécessaire d'accroître nos connaissances sur la mise en place de la compétition entre les espèces associées. Ainsi, la croissance précoce, de la levée jusqu'au début de la compétition, est une phase déterminante de la compétitivité initiale de chaque espèce. La croissance précoce serait fonction des traits de semence et de plantule, i. e. masse de la semence, type de levée (épigée ou hypogée) en relation avec les conditions de semis, i. e. durée de levée, disponibilité en éléments minéraux. Les objectifs de la thèse étaient (i) d'identifier et de modéliser les effets des facteurs déterminants de la croissance précoce en lien avec les traits de semence et plantule et les conditions de semis (ii) et d'évaluer les impacts de variations de la croissance précoce sur la suite du cycle. Les expérimentations réalisées ont permis de mettre en évidence et de modéliser les effets de la masse de la semence et du degré d'utilisation des réserves séminales (en fonction de la durée de levée) sur la croissance précoce. La nutrition minérale a eu un effet stimulant chez toutes les espèces étudiées. L'intégration de la croissance précoce dans un modèle de fonctionnement de l'association pois-blé (AZODYN-IC) a montré que des variations de la croissance précoce avaient des conséquences sur la biomasse et sur la proportion de chaque espèce en fin cycle. Ces impacts ont aussi été observés expérimentalement. Les résultats obtenus apportent des éléments pour prédire le fonctionnement des cultures associées et pour proposer des leviers afin d'orienter les performances de ces couverts.

The objectives of the study were to determine whether intercropped alfalfa (Medicago sativa L.), red clover (Trifolium pratense L.) or rye grass (Lolium multiflorum Lmk.) could simultaneously contribute to the nitrogen regime of grain-corn (ie: increased yield), improve edaphic quality, and decrease the level of inorganic nitrogen present in the soil after corn harvest. To achieve these objectives the seeding of the intercrops was delayed, the corn population was increased, and the red clover was spring-ploughed.
Fall-ploughed red clover maintained the mean weight diameter (MWD) of aggregates on the Ste-Rosalie clay. Spring-ploughed red clover on the other hand caused a decrease in bulk density in the top 10 cm of the Chicot loam.
The nitrogen-response of corn indicated that the intercrops did not contribute to the nitrogen regime of grain-corn. There were also indications that intercrops competed with corn for available inorganic nitrogen and water. The intercrops, however, did reduce the levels of soil inorganic nitrogen in the fall allowing for a possible decrease in the nitrogen load of soil percolates.
Despite the beneficial effect of nitrogen fertilisation on the organic nitrogen content of the soil, the presence of leguminous intercrops did not prevent the increase of the soil CN ratio.

Dans le but de cerner in vitro l'impact de la photosynthese sur les voies metaboliques essentielles, un souchier de lignees cellulaires photomixotrophes & heterotrophes a ete etabli, sous forme de cals et de suspensions cellulaires, pour une plante medicinale tropicale: abrus precatorius l. (leguminosae). La consommation, en cours de culture, des macroelements majeurs du milieu (no#3, nh#4, pi, so#4) a ete mesuree. Cette etude a permis de mettre en evidence des differentes importantes entre les besoins nutritionnels pour chaque element. De plus, une caracterisation partielle de deux enzymes impliquees dans l'assimilation de l'azote mineral: nitrate reductase & glutamine synthetase, a ete realisee. Afin de mieux connaitre les phenomenes biochimiques lies a la photomixotrophie, l'activite de deux carboxylases (ribulose 1,5 bisphosphate carboxylase -rubisco- & phosphoenolpyruvate carboxylase -pepc-) a ete mesuree sur les suspensions cellulaires. Nous avons suivi l'activite de ces 4 systemes enzymatiques (nr, gs, rubisco & pepc) au cours de cultures conduites sous differentes conditions (hetero/mixotrophie) a l'aide de deux systemes de culture (erlenmeyers ou bioreacteur experimental). Cette etude est completee par une caracterisation immunologique de ces enzymes, permettant de degager quelques donnees concernant leur biosynthese et leur regulation

Les taillis à courte rotation (TCR) permettent de produire de la biomasse ligneuse, alternative aux combustibles fossiles. L'intégration d’espèces d’arbres fixateurs d'azote atmosphérique en mélange avec les essences à croissance rapide peut être un moyen de limiter le risque d'appauvrissement des sols dans les TCR. Le succès d'un tel mélange va dépendre des interactions entre les deux espèces : facilitation, compétition ou complémentarité pour la lumière et les ressources du sol (eau, nutriments). L’objectif de cette étude était d’évaluer l’impact du mélange peuplier / robinier, sur la croissance, la production de biomasse et l'acquisition de l'azote d'une plantation à courte rotation. Un dispositif instrumenté composé de monocultures de peuplier et robinier et le mélange des deux espèces a été étudié pendant quatre ans. La quantification répétée des biomasses aériennes et souterraines associée au suivi des dimensions des arbres a permis de mettre en évidence que la présence des robiniers n'avait pas d'influence sur la croissance, la production et l'allocation de biomasse des peupliers à l'échelle de l'arbre comme à l'échelle du peuplement. En revanche, les robiniers souffraient de la compétition interspécifique : mortalité augmentée, croissance et production de biomasse diminuée. De plus, une approche isotopique (15N) couplée à l'analyse des minéralomasses a montré que les teneurs en azote des robiniers dans le mélange étaient plus faibles que dans la monoculture dues à une fixation de l'azote atmosphérique réduite. Le stock global d'azote dans le milieu était comparable dans les mélanges et les monocultures de chaque espèce. Le mélange n'a pas montré d'intérêt sur la période d'étude en raison notamment des conditions pédoclimatiques inappropriées (en particulier pour le robinier) et d'une incompatibilité entre les deux espèces sur ce site
Biomass from short rotation coppice (SRC) plantations may help reducing fossil fuel consumption. The development of mixed-species plantations, introducing a nitrogen-fixing species could be a solution to reduce the risk of fertility decline in SRC. Nevertheless, the success or failure of the mixture will depend on the competition and complementarity processes, for light and soil resources (water and nutrients), between both species. The objectives of this study were to determine the impact of a mixture of poplar and black locust, on growth, biomass production and nitrogen uptake in the plantation. Instrumented monocultures and mixed plantations of both species have been studied during four years. Repeated above-and belowground biomass estimations associated with tree dimension monitoring have shown that the presence of black locust affected neither growth, nor biomass production and allocation of poplar trees both at tree and plot level. On the other hand, the black locusts trees suffered from interspecific competition: high mortality, decrease in growth and biomass production. Moreover, an isotopic approach (15N) coupled with mineralomass analyses allowed to highlight that nitrogen concentration in black locust trees in the mixture was lower than in the monoculture due to a reduction of the percentage of nitrogen derived from atmospheric fixation. The total nitrogen contents were close in the mixture and in the monocultures of each species. No advantage of the mixture was found during the study period because of inappropriate pedoclimatic conditions (especially for the black locust) and incompatibility between both species on this site

Dans les associations Fabacées/Poacées, une partie de l'azote atmosphérique fixé par la Fabacée est transférée à la Poacée. L'importance de la voie de l'exsudation/absorption dans le transfert de l'azote chez des plantes jeunes a été mise en évidence dans ce travail. L'ammonium est exsudé en plus forte quantité que les acides aminés (glycine et sérine essentiellement). Le transfert augmente avec la teneur en nitrate de la solution nutritive et lors d'une défoliation. La détermination des composantes de l'exsudation de la glycine et de la sérine révèle que les vitesses d'efflux de ces composés par le trèfle sont 25 fois supérieures à celles du ray-grass. Leur efflux serait lié à un processus actif. L'azote de la glycine et de la sérine exsudées par le trèfle provient préférentiellement de la fixation symbiotique. La glycine exsudée est synthétisée dans les racines à partir du glyoxylate et la sérine exsudée fait intervenir la GDC/SHMT.

Les couvertures de couverture (CC) sont des plantes utilisées périodiquement pour couvrir le sol et qui sont ensuite enfouies dans le sol pour enrichir celui-ci par l’augmentation de la quantité de matière organique à la suite d’un retour de résidus végétaux. Cette utilisation se fait généralement de deux façons : semées après ou avant la culture principale (en dérobée) ou semées en même temps que la culture principale (en intercalaire). Ce projet de recherche avait pour objectif général de déterminer l’effet des espèces de CC et des parties végétales (racines et parties aériennes) sur la décomposition de ces plantes enfouies dans le sol. Dans une expérience factorielle en tiroirs de 3 x 2 x 6 avec quatre blocs aléatoires complets, les parties aériennes et racinaires de trois espèces de CC dont le pois fourrager (Pisum sativum L.), le trèfle rouge (Trifolium pratense L.) et la vesce commune (Vicia sativa L.) ont été enfouies dans le sol, par la technique des sacs de résidus. Des sacs ont été prélevés à 0, 10, 20, 30, 60 et 90 jours après placement au champ. Initialement, la partie racinaire de la vesce commune était la plus riche en azote (N) tandis que la partie aérienne du trèfle rouge était la plus riche en N. Nos résultats démontrent que l’azote contenu dans les racines des CC se libère plus lentement que celui des parties aériennes. Le trèfle rouge est l’espèce qui s’est décomposée le plus rapidement. Après 90 jours de décomposition, il ne restait que 20 % et 11 % de la biomasse initiale pour le pois fourrager et la vesce commune, et le trèfle rouge, respectivement. La partie racinaire des CC était plus riche en N que leur partie aérienne. Nous n’avons pas trouvé de corrélation entre la biomasse et les paramètres de qualité des CC (N, carbone (C), C:N).

L'objectif de ce projet était de déterminer l'effet de cinq engrais verts (mélange trèfle rouge/trèfle blanc, pois fourrager, moutarde blanche, radis huileux, avoine) et de leur période d'enfouissement à l'automne ou au printemps sur la nutrition azotée et les rendements d'une culture subséquente de blé sous les conditions du Québec. L'expérience a été répétée à deux reprises sur trois années (2011-2012 et 2012-2013) à deux stations expérimentales. Lors de tous les essais, l'engrais vert de trèfle rouge et trèfle blanc implanté en intercalaire d'une culture d'orge a été celui qui a produit le plus de biomasse, qui a accumulé le plus d'azote dans ses tissus et qui a permis d'augmenter significativement le rendement de la culture de blé subséquente. Le traitement d'enfouissement a eu peu d'effets significatifs et ces effets ne semblent pas liés à une influence sur la minéralisation des résidus d'engrais verts.

L’accumulation d’acylglycérols par des espèces levuriennes induite par la limitation de l’élément azote a été caractérisée par l’analyse dynamique et systémique des différents états métaboliques identifiés lors de cultures sous conditions environnementales parfaitement maîtrisées, à hautes densités cellulaires. La mise en place d’un procédé de culture original en mode fed-batch a permis de dégager différents points majeurs : - la limitation en azote déclenche une accumulation transitoire de polysaccharides de réserve mobilisables avant l’induction de la synthèse d’acyl-CoA et de l’accumulation lipidique - pour les cultures de Yarrowia lipolytica, le développement d’un régulateur type ‘PID’ contrôlant l’apport de substrat basé sur le rapport (conduite brevetée) a permis de maintenir une dynamique d’accumulation lipidique optimale sur substrat osidique sans production concomitante d’acide citrique - pour Y. Lipolytica, l’utilisation d’une alimentation contrôlée en co-substrat glucose/glycérol permet d’atteindre des performances en termes de rendement et de productivité lipidique inégalées (0,37glip. GX-1, 70gX. L-1 en 75h) - les potentialités de stockage des acylglycérols sont étroitement dépendantes de la teneur mais également du profil d’insaturation des acides gras libres accumulés. La synergie entre génie microbiologique et génie génétique a permis, sur des cultures contrôlées de souches mutantes démonstratives, une approche intégrative des études macro et microcinétiques et des réponses transcriptomiques
Acylglycerols accumulation by yeast species induced by a nitrogen limitation was characterized by the dynamic and systemic analysis of the different metabolic states in microbial culture under fully controlled environmental conditions with high cell concentrations. The setting up of an original process of a fed-batch mode culture allowed identifying several major points: - Nitrogen limitation triggers a transient accumulation of reserve polysaccharides before induction of the acyl-CoA synthesis and lipid accumulation - For the cultures of Yarrowia lipolytica, the development of a PID-like control regulating the substrate flow based on the ratio (patent) kept an optimal lipid accumulation with osidic substrate without concomitant citric acid production - For Y. Lipolytica, the use of controlled flow in co-substrate glucose / glycerol culture achieved unmatched performances of yield and productivity (0,37glip. GX-1, 70gX. L-1 in 75h) - The potentialities of acylglycerols storage are closely dependent on the content and also on the profile of accumulated free fatty acids. The synergy between microbial engineering and genetic engineering made possible, with controlled culture demonstrative mutant species, an integrative approach of macro and microkinetic and transcriptomic responses

La décomposition des résidus de culture est un processus essentiel en sols de grandes cultures car elle représente la principale source carbone (C) exogène de ces systèmes. Bien que la dégradation des végétaux de diverses quantités et qualités soit bien connue, ses conséquences sur les communautés du sol et sur les fonctions qui en découlent sont moins maîtrisées. Pour mieux comprendre ces effets, nous avons suivi à des étapes clés de la décomposition l’évolution de composantes majeures de la diversité du sol (micro-organismes, nématodes, microarthropodes et macrofaune) en lien avec les principaux flux de C, d’azote (N) et les activités enzymatiques associées pour différentes quantités et qualités de litières. Les expériences ont été menées à différentes échelles spatiales et temporelles (champ, mésocosme et microcosme).La quantité et qualité de litières ont des effets distincts sur les communautés du sol. La quantité de litière impacte les détritivores, et la qualité de litière affecte plus généralement les principaux groupes fonctionnels. La litière labile affecte plus la voie bactérienne et les macro-détritivores en début de décomposition, et la litière récalcitrante la voie fongique et les méso-détritivores en fin de décomposition. Ces évolutions sont reflétées par les dynamiques enzymatiques. Plus spécifiquement, la régulation top-down de la faune (manipulations de L.terrestris et de nématodes) a montré de forts impacts sur les enzymes. De manière similaire, la composition initiale du micro-réseau trophique du sol a fortement conditionné les dynamiques enzymatiques. Au contraire, la minéralisation du C de la litière demeure principalement dictée par sa qualité initiale. Cette thèse démontre l'importance de la gestion des litières sur les fonctions biologiques des sols agricoles. Faire varier la qualité et quantité des litières apparaît comme un levier pour moduler la santé des sols et certains services écosystémiques à long terme
Crop residues decomposition is an essential process in cultivated lands since it constitutes the main source of organic matter in these systems. Although the underlying mechanisms of residues degradation of varying qualities and quantities are well-known, their consequences on soil biota and the related functions are less understood. To better understand this process, we chose to follow at key steps of decomposition the evolution of major components of soil diversity (microorganisms, nematodes, micro-arthropods and macrofauna), the evolution of litter quality, the main carbon (C) and nitrogen (N) fluxes and enzyme activities associated, for different quantities and qualities of litter added. The experiments were set up at different spatial and temporal scales (field, mesocosm and microcosm experiments) in function of our objectives.Litter quantity and quality have distinct effects on soil biota. Litter quantity influences the detritivores, and litter quality influences more generally the main functional groups. Labile litter impacts more the bacterial energy channel and the macrodetritivores at the first stages of decomposition, and recalcitrant litter impacts more the fungal energy channel and the mesodetritivores at the latter stage of decomposition. These evolutions are mirrored by the enzymatic dynamics. More specifically, fauna top-down regulations (L.terrestris and nematodes manipulations) exhibit high effects on soil enzymes. Similarly, soil micro-food web initial composition drives enzymatic dynamics. Contrastingly, litter C mineralization depends mainly on its initial quality. This PhD shows the importance of litter management on the biological functions of cultivated soils. Varying litter quality and quantity appear as a mean to influence soil health and some ecosystem services on the long term

Les systèmes de cultures sous couvert végétal permanent associé à une culture commerciale ont la réputation d'être susceptibles d'assurer certains services écologiques et agronomiques : étouffement des adventices, mais aussi protection du sol, augmentation de la biodiversité, de l'activité biologique et du taux de matière organique des sols, diminution de l'érosion. Si ces systèmes se sont bien développés en climat tropical, ils restent toutefois presque inexistants en climat tempéré. L'objectif de cette étude est d'évaluer, par modélisation et expérimentation, les différentes interactions qui existent entre une culture de blé et une plante de couverture (fétuque rouge (Festuca rubra L.) ou luzerne (Medicago sativa L.)) cultivées simultanément pour les différentes ressources du milieu (lumière, eau et azote) dans les conditions de climat tempéré. La période considérée comprend la période culturale (association) et la période d'interculture (couvert maintenu vivant après la récolte du blé). Les résultats de modélisation et d'expérimentation montrent que l'introduction d'une plante de couverture en association avec un blé et son maintien en vie en période d'interculture peuvent améliorer les performances environnementales du système en favorisant certains processus biotiques comme par exemple la production de biomasse primaire, l'interception de rayonnement (qui agit directement sur le développement des adventices en réduisant la ressource en lumière arrivant au niveau du sol), et la réduction du stock d'azote susceptible d'être lessivé. Ces effets positifs sont observés en partie en période culturale mais surtout en période d'interculture

Cette thèse visait à (1) caractériser l'impact de la densité de plantation (DP) et des conditions pédoclimatiques sur la physiologie des peupliers et des saules dédiés à la production de biomasse, (2) évaluer la variabilité génétique de caractères liés à la productivité, l'efficience d'utilisation de l'eau (WUE) et l'efficience d'utilisation de l'azote (NUE) dans une perspective de sélection variétale, et (3) à juger des relations entre ces caractères. Quatre dispositifs expérimentaux ont été installés dans le nord de la France. Nos résultats montrent que la DP affecte la production de biomasse et WUE de façon site-dépendante. Dans des conditions de croissance très favorables, les arbres cultivés à forte DP étaient plus haut, moins épais et avaient de plus faibles WUE, reflétant une compétition pour la lumière. Dans des conditions de croissance peu favorables, les arbres cultivés forte DP avaient de plus fortes WUE et de plus faibles circonférences, indiquant une compétition pour l'eau. Un lien positif entre biomasse aérienne et WUE a été détecté pour le saule et le peuplier dans les sites où la compétition était réduite. Une canopée plus développée s'associe à des pertes en eau par transpiration plus importante à l'échelle de l'arbre. Celles-ci sont compensées à l'échelle foliaire par une meilleure régulation stomatique. L'absence d'antagonisme entre WUE, NUE et la production de biomasse suggère la possibilité de sélectionner indépendamment sur les trois caractères. Cependant, les interactions Génotype x Site montrent la difficulté d'identifier des génotypes performants pour des stations d'accueil différentes. La sélection doit être réalisée de façon site-dépendante
This work aimed (1) at characterizing the impact of planting density (PD) and pedoclimatic conditions (sites) on the physiology of poplar and willow dedicated to biomass production, (2) at evaluating the genetic variability of productivity-related traits, water-use efficiency (WUE) and nitrogen-use efficiency (NUE) in a perspective of plant breeding, and (3) at assessing the relationships among these traits. Four experimental plantations were established in northern France. Our results show that PD affects biomass production and WUE depending on sites. Under most favorable growth conditions, trees grown at higher density displayed taller stems, lower stem circumference, and lower WUE, than trees grown at lower density indicating that increased tree density mainly accentuated competition for light. Under less favorable conditions, an increase of PD involved higher WUE and lower stem circumference, likely because of an increased competition for water. Positive links between biomass production and WUE were detected for poplar and willow under environmental conditions where competition for resources was reduced. A large canopy is associated to potentially more important transpiration water losses at plant level. This could be compensated at leaf level through a better stomatal regulation. The absence of antagonism between biomass production, WUE, and NUE suggests the possibility to select genotypes for these three traits independently. Moreover, the Genotype x Site interactions indicated the difficulty to identify good genotypes for a large set of site conditions suggesting that the selection has to be realized depending on the site conditions

L'agriculture européenne évolue aujourd'hui dans un contexte où les mesures politiques et les préoccupations environnementales sont de plus en plus prégnantes, tout en faisant face au changement climatique. Le modèle d'offre agricole AROPAj prend déjà en compte certaines caractéristiques zootechniques. Pour mieux évaluer les politiques agri-environnementales, ce modèle économique a besoin d'intégrer les caractéristiques techniques des cultures des systèmes de production qui le composent. Cette thèse vise à mettre au point une méthode permettant cette prise en compte de la technique agronomique en modélisant la relation azote-rendement. Les systèmes individuels de production (fermes types) d'AROPAj ne sont pas localisés au sein des régions européennes et les informations techniques disponibles dans les bases de données sont restreintes. La méthode élaborée détermine les caractéristiques techniques et physiques nécessaires à la modélisation du rendement de chaque culture de chaque ferme type par le modèle de culture STICS. Ces informations permettent d'obtenir, pour chaque culture de chacune de ces fermes, une courbe de réponse du rendement à l'azote. De forme exponentielle, elle intègre les propriétés économiques attendues et est cohérente du point de vue agronomique. La courbe peut prendre en compte l'azote issu de l'engrais acheté et celui des effluents d'élevage provenant de la ferme. Intégrées au modèle AROPAj, les courbes apportent aux fermes modélisées une plus grande sensibilité aux scénarios de politiques agricoles en permettant l'ajustement du niveau optimal de fertilisation. La méthode est adaptable à l'ensemble des régions européennes, les tests réalisés sur deux régions françaises contrastées la montrent robuste. Les simulations en conditions climatiques futures ont été réalisées sur la base de séries climatiques fournies par le modèle ARPEGE-Climat de Météo-France, représentant un scénario du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC). Dans ce contexte de changement climatique, pour trente années futures, et toutes autres choses égales par ailleurs, la gamme des courbes de réponse à l'azote obtenue pour chaque culture de chaque ferme type est très large. La confrontation des diverses cultures et fermes modélisées fait apparaître l'eau comme facteur de production prépondérant devant l'azote, et montre que la classe altitudinale des fermes est déterminante de la réponse à l'azote pour des conditions climatiques futures.

De tous les éléments nutritifs, l'azote (N) est le plus important pour la croissance des cultures et l'expression du rendement potentiel. La disponibilité en azote minéral constitue un des principaux facteurs limitant de la production quantitative et qualitative des plantes non légumineuses en général et des céréales en particulier. Le maintien des hauts niveaux de production actuels nécessitant de maintenir un état de nutrition azotée optimal des cultures ; L'amélioration de l'efficacité ou l'efficience des apports d’engrais azotés de synthèse devient ainsi une priorité de gestion des systèmes de productions intensifs au niveau national. Améliorer l'efficience d'utilisation de l'azote constitue un sujet de préoccupation depuis de nombreuses années. Diverses approches ont été développées mondialement pour atteindre cet objectif. Parmi celles-ci, figure, la modification des pratiques culturales de type agroécologiques, mises en œuvre dans le cadre de l'agriculture de conservation des sols permettant simultanément de maintenir les niveaux de fertilité naturelle des sols cultivés en luttant principalement contre les phénomènes d'érosion des sols. L'objectif principal de la thèse est d'analyser les nouveaux systèmes de cultures économiquement et écologiquement performants basés sur les techniques d'agriculture de conservation de sols au plan de la nutrition azotée. Nous avons choisi d'étudier l'influence des modifications des pratiques culturales (type de travail du sol, couverts végétaux, niveaux de fertilisation azotée) sur les divers paramètres affectant la productivité végétale et la nutrition azotée de deux céréales (Blé et Maïs). Dans ce cadre, trois expérimentations ont été mises en place au champ pour mieux comprendre les phénomènes agronomiques et processus écologiques s'opérant lors des changements de pratiques culturales. L'objectif finalisé étant de trouver le ou les systèmes de cultures le(s) plus adapté(s) pour obtenir de bons rendements financiers tout en diminuant les apports d'azote minéraux. La première expérimentation réalisée sur le maïs a permis de mettre en évidence, après 4 années de non travail du sol, une augmentation significative de l'efficience d'utilisation de l’azote NUE, de l'indice de récolte d'azote ainsi que de l'efficience de remobilisation de l'azote, valable pour les systèmes de culture développés avec et sans fertilisation azotée. En ce qui concerne la deuxième expérimentation réalisée sur le blé, les résultats obtenus au cours de deux années successives ont montré les mêmes tendances que sur le maïs, avec une augmentation de l'efficience d'utilisation de l'azote, l'efficience agronomique d'utilisation de l'azote, le facteur de productivité partielle de l'azote, le coefficient apparent d'utilisation de l'azote et l'efficience de remobilisation de l'azote. De même secondairement, on a étudié l'indice de nutrition azotée (NNI) pour évaluer le statut de la nutrition azotée du blé entre les deux systèmes de travail du sol. Le travail du sol affecte de façon significative le NNI qui était plus élevé dans les systèmes de non-labour par rapport au système du labour classique. Dans la troisième partie de ce travail réalisée sur le blé, nous avons tenté de préciser les mécanismes physiologiques à l'origine de l'amélioration des divers paramètres de l'utilisation de l'azote constatée en analysant par système de culture, l'efficience photosynthétique d'utilisation de l'azote et de l'eau chez le blé au travers divers paramètres tels que : caractéristiques physiologiques des feuilles, taux de photosynthèse, conductance stomatique, taux de transpiration, indice de teneur en chlorophylle et surface spécifique foliaire. Nous avons ainsi constaté que le blé utilise l'eau et l'azote plus efficacement dans le système sans labour par rapport au système labour classique. Au même stade de développement du blé, le taux de photosynthèse et la surface spécifique foliaire étaient plus élevés en modalités [...]
Of all the essential nutrients, nitrogen (N) is the most important for crop growth and yield potential. The mineral N availability is a major limiting factor of quantitative and qualitative production of crops in general and cereals in particular. Maintaining the current high production levels requires managing crops to provide an optimum nitrogen nutrition. Therefore, the agricultural management practices must be at forefront of measures to sustain crop productivity and N efficiency in the intensive production systems at national level. In the last three decades, improving N use efficiency in crops (NUE) has been one of the most important challenge in modern agriculture. Therefore, various scientific, technological and agronomic approaches have been developed in parallel to improve our knowledge on the genetic and physiological basis of NUE for further breeding and agronomic applications. In particular, it has been emphasized that agricultural management practices on both short- and long-term perspectives must be at forefront of measures to develop sustainable crop productivity with regards to NUE improvement. The main objective of this work is to examine the new cropping systems, economically and environmentally efficient, based on conservation agriculture techniques. In other words, to investigate the influence of modification in agricultural practices (tillage system, cover crops) on the parameters affecting plant productivity and nitrogen nutrition of two cereals (wheat and maize). In this context, three field experiments were conducted to understand agricultural phenomena taking place during changes in farming practices, in order to examine the most sustainable agricultural system for maintaining crop productivity while rationalization of N fertilizer usage. A two-year experiment was conducted in the field to measure the combined impact of tilling and N fertilization on various agronomic traits related to NUE and to grain yield in maize cultivated in the presence of a cover crop. Four years after conversion to no-till, a significant increase in N use efficiency N harvest index, N remobilization and N remobilization efficiency was observed both under no and high N fertilization conditions. The second field study was conducted during two consecutive years to evaluate the combined effect of tilling, cover crops and N fertilization on various agronomic traits related to nitrogen use efficiency and to N nutrition in wheat. Five years after conversion to no-till, a significant increase in N use efficiency, N utilization efficiency, N agronomic efficiency, N partial factor productivity, N apparent recovery fraction and N remobilization was observed under three levels of N fertilization. Moreover, we observed that grain yield and grain N content were similar under tillage and no-till conditions. The N nutrition index was higher under no-till conditions at the three rates of N fertilization. Moreover, N use efficiency related traits and N nutrition were increased in the presence of cover crops both under no-till and conventional tilling conditions. Thus, agronomic practices based on continuous no-till in the presence of cover crops appear to be a promising strategy to increase N use efficiency and N nutrition in wheat while reducing both the use and the loss of N-based fertilizers.In the third study, wheat plants were grown under tillage and no- till conditions, with and without cover crops under no and high nitrogen fertilization conditions, to evaluate the combined effect of tilling and N fertilization on photosynthetic nitrogen use efficiency and photosynthetic water use efficiency through its impact on leaf physiological traits, such as photosynthesis rate, stomatal conductance, transpiration rate, leaf area ratio and specific leaf area. Six years after conversion to no-till, in the presence and in the absence of cover crops, a significant increase in water use efficiency and soil water content was observed both under [...]

Le colza est une oléoprotéagineuse exigeante en soufre (S) mais caractérisée par une faible efficience d’usage du S (EUS). La baisse des retombés atmosphériques soufrées, l'existence de fortes interactions entre les métabolismes soufrés et azotés et l’augmentation prédite des températures terrestres peuvent conduire à une altération des rendements et de la qualité des graines de colza. Dans ce contexte, en s’appuyant sur des approches in planta (conditions contrôlées et de plein champ) et in silico (expérimentations numériques via le modèle écophysiologique SuMoToRI "Sulphur Model Towards Rapeseed Improvement"), les principaux objectifs de cette thèse étaient d’étudier l’impact (i) de différentes stratégies de fertilisation S et N, (ii) du changement climatique et (iii) de la variabilité des paramètres « plante » du modèle sur la croissance ainsi que sur les composantes du rendement et la qualité des graines de colza.Cette étude a permis de confirmer les effets synergiques des apports de S et de N ainsi que leurs effets antagonistes lors d’apport excessif d’un des deux éléments sur l’EUS et l’EUN, soulignant l'importance d'équilibrer les apports S/N. Décaler l’apport en S a permis d’améliorer la qualité protéique des graines en augmentant l’abondance relative en napines (protéines de réserve des graines riches en cystéine). Deux indices de la qualité protéique des graines ont pu être proposés : (i) la teneur en S des graines, fortement corrélée avec l'abondance relative en napines et (ii) le ratio napine:cruciférine-30kDa (cruciférines : protéines de réserve pauvres en S), permettant d’apprécier l’équilibre des apports S/N. Les simulations réalisées avec le modèle ont montré que des ajustements de la fertilisation S devront s’opérer dans un contexte d’augmentation des températures et/ou de diminution du rayonnement incident conduisant à une baisse de la biomasse et à une augmentation du S stocké dans les feuilles. Ces résultats requestionnent les schémas conventionnels de fertilisation et l’utilisation d’idéotypes variétaux et culturaux adaptés aux schémas de fertilisation S et N ainsi qu’au dérèglement climatique
Oilseed rape is an oleoproteaginous crop with high sulfur (S) demanding and characterized by a low S use efficiency (SUE). The decline in atmospheric S deposition, the existence of strong interactions between S and nitrogen (N) metabolism and the predicted increase in terrestrial temperatures can lead to an alteration in seeds yields and quality. In this context, using in planta (controlled conditions and fields experiments) and in silico (numerical experiments through an agro-ecophysiological model SuMoToRI, “Sulfur Model Towards Rapeseed Improvement”) approaches, the main objectives of this thesis were to study the impact of (i) different S and N fertilization strategies, (ii) climate change and (iii) the variability of the model’s “plant” parameters on growth as well as the yield components and the seeds quality of oilseed rape.This study confirmed the synergistic effects of S and N inputs and their antagonistic effects when of one of the two elements was in excessive rate on EUS and EUN, highlighting the importance of balancing S/N inputs. Delaying S input has improved seed protein quality by increasing the relative abundance of napins (cysteine-rich seed storage proteins). Two seed protein quality indices could be proposed (i) seeds S content, strongly correlated with relative napine abundance and (ii) the ratio napins:cruciferins-30kDa (cruciferins : S-poor seed storage proteins). S), making it possible to assess the S/N balance inputs. The simulations carried-out with the model showed that the adjustment of S fertilization must be performed in a context of increasing temperature and/or a reduction of incident radiation which lead to a decrease of biomass and an increase of S stored in leaves. Overall, these results questioned conventional fertilization strategies and the use of varietal and crop ideotypes adapted to S and N fertilization strategies as well as to climate change

La caractérisation de la distribution spatio-temporelle de l'état hydrique et nutritionnel des cultures constitue un élément clé pour la gestion raisonnée des intrants et les applications en agriculture de précision. Les images à très haute résolution acquises par télédétection dans les domaines optique réflectif et thermique permettent l'obtention d'informations spatialisées sur les paramètres bio-physicochimiques décrivant l'état des cultures. C'est le thème de recherche de cette thèse qui explore l'utilisation d'un système d'acquisition multispectral aérien, flexible et à bas prix, pour le suivi de l'état des cultures de canne à sucre à l'Ile de la Réunion. Ces travaux répondent à un double objectif méthodologique, à la fois technologique et agronomique. La partie technologique a concerné la mise au point d'une chaîne de traitement permettant de passer du signal acquis par un système aéroporté à une grandeur quantifiée et donc comparable dans le temps et l'espace. Le système d'acquisition d'images multispectrales est composé d'un ULM équipé d'appareils photographiques numériques du commerce pour les acquisitions dans le domaine optique réflectif (bleu, vert, rouge, rededge, proche infrarouge) et d'une caméra thermique pour les mesures dans l'infrarouge thermique. Pour convertir le signal acquis en une mesure radiométrique quantifiée, nous avons mis au point des méthodes de correction des distorsions radiométriques d'origine environnementales (éclairement solaire, atmosphère…) ou internes aux capteurs (vignettage, compression d'images) qui affectent les images. Dans l'infrarouge thermique, ces méthodes ont été validées à partir de mesures in situ de températures de surface. Dans l'optique réflectif, nous avons examiné l'impact des corrections radiométriques sur la qualité des relations liant des indices spectraux de végétation à des variables biophysiques de surface. Dans la partie agronomique, nous avons évalué le potentiel de ces mesures multispectrales pour diagnostiquer l'état de stress des couverts de canne. Nous avons montré, à partir de données in situ (Crop Water Stress Index empirique sur culture couvrante) et de données aéroportées (Water Deficit Index sur culture partiellement couvrante) la capacité des indices basés sur la température de surface à caractériser l'état hydrique de la canne à sucre. Pour cela nous avons développé des méthodes originales de calcul de ces indices afin de pouvoir les appliquer en milieu humide et sur des plantes présentant un stress croisé (eau * azote). L'état azoté de la culture a pu également être caractérisé à partir du rapport des signaux acquis dans les bandes Bleu et Rouge. Les résultats, en bon accord avec les mesures de terrain (évapotranspiration, couleur des feuilles, humidité de la plante) permettent d'envisager le couplage futur de ces indicateurs d'état avec des modèles agronomiques pour aboutir à un conseil technique adapté
Spatial and temporal characterisation of crop nutrient and water status is of great importance for input management and precision agriculture applications. Very high resolution images remotely-sensed in the spectral and thermal domains provide information about the spatial variation of bio-physical and chemical parameters that describe crop status. This thesis explores the use of a flexible and low-cost airborne multispectral acquisition system for the monitoring of sugarcane crop status in Reunion Island. A dual objective was pursued in this study, both technological and agricultural. The technological part concerned the development of a processing chain allowing the translation of the signal acquired by the airborne system into quantified values usable for spatial and temporal comparisons. The multispectral image acquisition system was made up of an ultra-light aircraft equipped with commercial digital cameras for acquisition in the blue, green, red, rededge and near infrared bands, and with a thermal infrared camera for surface temperature measurements. In order to convert the acquired signal into a quantified radiometric value, we developed methods for the correction of the environment-dependent (solar radiation, atmosphere) and camera-related (vignetting effects, image compression) radiomet ric distortions that affect the images. In the thermal infrared band, these methods were validated using in situ measurements of surface temperatures. In the other bands, we examined the impact of our radiomet ric corrections on the quality of the relationships between spectral vegetation indices and surface biophysical variables. In the agricultural part, we evaluated the potential of these multispectral measurements for the diagnosis of stress in sugarcane crops. Using in situ (empirical Crop Water Stress Index on fullyvegetated crops) and airborne (Water Deficit Index for partially-covered canopies) data, we showed the ability of indices based on surface temperature to characterize the water status of sugarcane. This involved the development of original calculation methods of these indices to allow their application in humid conditions and on crops affected by a combined stress (water * nitrogen). The nitrogen status of the crop was also successfully characterised using the ratio of the signals acquired in the Blue and Red bands. The results were in good agreement with field measurements (evapotranspiration, leaf colour, plant humidity), and open the possibility of future coupling of these vegetation status indicators with crop growth models, yielding valuable decision-making tools

Le millet perlé sucré [Pennisetum glaucum (L.) R.BR.] et le sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] sont des cultures annuelles dont la sève sucrée peut être transformée en éthanol. Ces cultures semblent avoir des besoins limités en azote, mais leur efficacité d’utilisation de l’azote n’a pas été démontrée dans les conditions de l’est du Canada. De plus, la morphologie des systèmes racinaires de ces espèces a peu été étudiée, alors qu’elle pourrait fournir des explications concernant l’efficacité d’utilisation de l’azote. Les objectifs de cette étude étaient de (i) comparer le millet perlé sucré et le sorgho sucré quant à leur rendement et leur utilisation de l’azote (N), (ii) déterminer la réponse des deux espèces à des doses croissantes d’azote minéral, (iii) comparer leur réponse à l’azote minéral et l’azote de source organique (lisiers de porc et de bovin), (iv) comparer leurs traits racinaires et ceux du maïs-grain (Zea Mays L.), l’espèce actuellement utilisée pour produire de l’éthanol dans l’est du Canada, et (v) comparer l’apport en carbone au sol de ces trois espèces. Les espèces ont été cultivées à deux sites expérimentaux situés au Québec. Les doses d’azote favorisant les plus hauts rendements en sucres chez le millet et le sorgho ont été de 86 et 91 kg N ha-1, selon le site. La fertilisation minérale a généré des rendements plus élevés que l’utilisation de lisiers, lesquels ont montré une efficacité fertilisante variant de 15 à 52 % de celle de l’engrais minéral. Le sorgho a donné des rendements en sucres 68 % plus élevés que ceux du millet. Le millet et le sorgho ont récupéré dans leurs parties aériennes 54 à 82 % de l’azote minéral appliqué. Alors que la biomasse racinaire et l’apport annuel en carbone ont été supérieurs pour le maïs, la longueur des racines et la proportion de racines très fines étaient plus élevées pour le millet perlé sucré et le sorgho sucré. Les résultats démontrent la haute efficacité avec laquelle le millet et le sorgho utilisent l’azote ainsi que les faibles risques environnementaux associés, et suggèrent que la morphologie racinaire contribue à cette efficacité.
Sweet pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R.BR.] and sweet sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] are annual crops from which the sweet sap can be fermented to ethanol. They appear to have a high nitrogen (N) use efficiency, but this remains to be demonstrated in eastern Canada. Studying the morphological traits of their rooting system could help understanding their N use efficiency. The main objectives of this study were to (i) compare both species for yield and N use efficiency, (ii) determine their response to increasing mineral N rate, (iii) compare their response to mineral vs. organic N sources (liquid swine and liquid dairy manures), (iv) compare their root morphological traits with those of grain corn (Zea Mays L.), the sole feedstock used for ethanol production in eastern Canada, and (v) compare annual carbon input to soil from these three species. Species were grown at two experimental sites in Quebec. The N rates that led to maximum sugar yield for sweet pearl millet and sweet sorghum were 86 and 91 kg N ha-1, depending on site. Mineral N fertilization resulted in greater yields than the liquid manures, which showed fertilizer N equivalences varying from 15 to 52%. Fifty-four to 82% of applied mineral N fertilizer was recovered in the aboveground biomass of sweet pearl millet and sweet sorghum. While root biomass and annual carbon input were greater with corn, the length of the rooting system and the proportion of very fine roots were greater with sweet pearl millet and sweet sorghum. Our results show a high N use efficiency of sweet pearl millet and sweet sorghum, and therefore indicate low environmental risk associated with their fertilization. Moreover, our results suggest that the peculiar root morphology of these crops contribute to their high N use efficiency.

Pendant plusieurs siècles, le sol a été labouré pour contrôler le développement des mauvaises herbes, incorporer des résidus de culture et préparer le sol avant le semis. Après le développement des herbicides la nécessité de labourer a été posée et des systèmes de travail du sol réduit ont été introduits. Ces systèmes de travail du sol réduit ont deux caractéristiques : (i) le sol n'est plus labouré et, (ii) le sol est toujours complètement ou partiellement couvert avec des résidus de culture. Le passage du labour profond au semis-direct (un système de travail du sol réduit) induit des modifications dans la structure du sol et la localisation de la matière organique du sol (MOS) et des résidus de culture. Ceci entraîne des modifications dans le climat du sol (température et humidité) et certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La combinaison de toutes ces modifications a une influence importante sur les transformations de l'azote et du carbone dans le sol. Les objectifs de notre étude ont été de (i) quantifier les différences des stocks et de flux de carbone et de l'azote entre différents systèmes de travail du sol différenciés depuis 32 années dans un sol limoneux de grande culture du bassin Parisien et, (ii) expliciter les effets du climat du sol, de la structure et des propriétés biologiques et physiques du sol sur les différences de fonctionnement des cycles du carbone et de l'azote du sol. Cette étude a été essentiellement focalisée sur les variables qui ont un impact agronomique ou environnemental : carbone et azote organique du sol, dynamique de l'azote minéral du sol et les émissions de CO2 et N2O. Deux systèmes de travail du sol ont été étudiés : le labour (CT) et le semis-direct (NT). Ces systèmes de travail du sol ont été suivis sur des parcelles en rotation maïs-blé du site expérimental de Boigneville (91) en France. NT présente des stocks de carbone 5 à 15 % plus importants et des stocks d'azote 3 à 10% supérieurs à ceux mesurés pour CT, mais ces différences n'ont pas toujours été statistiquement significatives. Les concentrations de C et N diminuent avec la profondeur en NT alors qu'elles sont distribuées de façon homogène dans la couche labourée en CT. La différence de stock d'azote organique associé aux argiles et limons et la différence de stock d'azote associé à la matière organique particulaire (MOP) ont chacune expliqué 50 % de la différence de stock d'azote total entre les deux systèmes. 66 % de la différence du stock de carbone total du sol ont été explicités par la différence de stock de carbone présent dans la MOP (58 %) et les résidus de culture (8 %). Le carbone et l'azote additionnel dans NT se situe dans des agrégats. Nos résultats suggèrent que les stocks de C et N plus importants pour NT peuvent être attribués à (i) la formation de macroagrégats plus prononcée dans la couche 0-5 cm due à l'activité microbienne et aux stocks de MOS plus importants et, (ii) la meilleure protection de la MOS dans la couche 5-20 cm due à une porosité du sol plus faible et à l'absence de la destruction de la structure du sol par le travail du sol ou le climat. Les modalités de travail du sol n'ont pratiquement pas eu d'influence sur les dynamiques de l'eau et de nitrates dans le profil (0-120 cm) du sol. L'interprétation des données avec le modèle LIXIM a permis de calculer des vitesses de minéralisation comparables pour les 2 systèmes que celles-ci soient calculées avec une échelle de temps exprimée en jours calendaires ou en jours normalisés (à une température et une humidité du sol de référence). Ces résultats montrent que la fourniture d'azote minéral par le sol est similaire dans les différents systèmes de travail du sol étudiés à Boigneville. Par ailleurs, les émissions de N2O ont eu tendance à être plus élevées pour NT que pour CT. Les émissions de CO2 en absence de couvert végétal ont pu être plus importantes pour l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol en fonction des conditions climatiques et de la localisation des résidus de culture. Le cumul des quantités de CO2 émis par NT a été significativement plus important que pour CT. Au cours d'une seconde partie du travail, nous avons cherché à montrer si les différences de stocks et de flux de C et N entre les différentes modalités de travail du sol étaient le résultat des modifications des conditions climatiques, de la localisation et des quantités de SOM et résidus de culture ou des propriétés biologiques ou physiques du sol. D'abord, nos résultats ont montré que la minéralisation potentielle du C et N en conditions contrôlées n'a pas été moins importante pour NT comparé à CT. Par ailleurs, la protection physique de la MOS contre la minéralisation du C et N a été évaluée par incubation d'échantillons de sol dont les structures entre 50 µm et 12.5 mm ont été progressivement détruites. Quatre zones structurales ont été considérées : zones avec une structure poreuse ou compacte pour CT et horizons 0-5 et 5-20 cm pour NT. Les résultats indiquent que la destruction de la structure de l'horizon 0-5 cm de NT induit une faible augmentation de la minéralisation de l'azote et pas d'augmentation pour la minéralisation du carbone. La protection de la MOS est en réalité la plus importante pour la couche 5-20 cm du NT. Ensuite, les différences de décomposition de la MOS entre CT et NT au champ ont été influencées par des différences de la température et de l'humidité du sol. Toutefois ces différences ont été souvent faibles et les conditions n'ont pas été systématiquement plus favorables pour la décomposition dans l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol. Néanmoins, la distribution et la quantité de pluie et l'évaporation d'eau ont eu une influence importante sur la dynamique des flux de CO2. Les pluies induisent une réhumectation rapide des résidus de surface qui entraîne une augmentation importante des flux de CO2 pour NT par rapport à CT. Après les pluies, la teneur en eau des résidus de surface diminue rapidement ce qui limite sérieusement leur décomposition entraînant des émissions plus faibles pour NT comparé à CT. Finalement, les flux de C et N ont été simulés avec le modèle PASTIS. Les simulations ont montré que la quantité cumulée plus importante de CO2 émise par NT a résulté d'une décomposition plus importante des résidus de culture et pas d'une différence de décomposition des MOS. En réalité, la plus grande quantité des résidus de culture accumulée à la surface du sol dans NT fait plus que compenser la plus faible vitesse de décomposition des résidus en surface pour NT comparé avec la situation de résidus enfouis pour CT. En définitive, c'est la teneur en eau du mulch de résidus qui contrôle le plus l'amplitude de la différence de vitesse de décomposition des résidus entre CT et NT.

La France est l’un des premiers producteurs européens d’orge brassicole (Hordeum vulgare L.) et le premier exportateur mondial de malt. La production d’orge brassicole repose actuellement sur une utilisation massive d’intrants de synthèse et entraîne comme d’autres grandes cultures des impacts négatifs sur l’environnement et la santé des consommateurs. Ce travail a pour objectif de concevoir et d’évaluer des variétés et des itinéraires techniques pour cette espèce permettant une production quantitative et qualitative élevée avec un moindre recours aux intrants de synthèse. À partir d’un réseau d’essai multilocal, nous montrons que la teneur en protéines et le rendement calibré (poids des grains >2.5 mm) des orges brassicoles doivent être spécifiquement améliorés pour les conduites techniques en bas niveau d’intrants. Sur cette base, nous avons identifié les caractéristiques variétales favorables à une faible perte de teneur en protéines et de rendement calibré en situation de stress azoté.Puis, après avoir développé un modèle de culture adapté à cette espèce, nous avons identifié des stratégies de fertilisation azotées offrant les meilleurs compromis entre production quantitative et qualitative, tout en minimisant les pertes en azote vers l’environnement. Grâce à une caractérisation précise des environnements de production français, les meilleures stratégies de fertilisation azotée ont été identifiées localement. Enfin, nous avons identifié de nouvelles combinaisons de caractéristiques variétales permettant d’optimiser la production d’orge dans des situations d’intrants réduits. Nous montrons in silico, qu’adapter simultanément les caractéristiques variétales et de l’itinéraire technique permet d’atteindre des performances comparables aux variétés actuelles dans des itinéraires techniques avec recours intensif aux intrants. Nous discutons des méthodes de sélection adaptées pour identifier les variétés les plus performantes dans des situations d’intrant réduit. Enfin, nous revenons sur la démarche de conception mobilisée
France is the largest European producer of malting barley (Hordeum vulgare L.) and the leading exporter of malt worldwide, accounting for 20% of world trade. French barley production has relied heavily on the use of synthetic inputs and has led, as other arable crops, to considerable environmental damage. The aim of this study is to design and evaluate crop and management ideotype adapted to a lower use of synthetic fertilizer. From a multi-environment trial, we conclude that the grain protein content and the calibrated yield (weight of grains >2.5 mm) have to be specifically improved in low-input management systems. We experimentally identified genotypic characteristics adapted to a low grain protein content loss and calibrated yield loss under N stress. With a crop model we adapted to malting barley, we also identified optimal N fertilization strategies allowing to reach high quantitative and qualitative performances whilst minimizing N losses toward the environment. Based on a precise characterization of environments the French barley belt, the best N fertilization strategies were identified for different regions. Finally, we identified new combinations of genotypic characteristics optimizing quantitative and qualitative performances in low management system. We showed that, in silico, a simultaneous adaptation of genotypic characteristics and optimization of N fertilization management allowed to reach similar performances as current genotypes in high-input management systems. We discuss methods to breed genotypes with high performances in low-input systems and the method used for innovative design of new management and barley malting cultivars adapted to low-input systems

La souche Y AS34, sélectionnée pour la qualité et la quantité d'exopolysaccharide (EPS) qu'elle produit, a été isolée de la surface de racines de tournesol cultivé sur un sol sablo-limono-argileux de St-Florent-sur-Cher (18, France). La cartographie et le séquençage du gène codant pour l'ARNr 16S ainsi que la présence du gène nodD ont permis d'identifier cette souche YAS34 au genre Rhizobium. Elle se caractérise par la production d'un EPS gélifiant, poly-électrolyte, de structure et de composition différentes des succinoglycanes habituellement rencontrés chez les bactériys du genre Rhizobium. L'ajout de cet EPS, à une teneur de 1%, au sol de St-Florent-sur-Cher s'est traduit par l'augmentation de sa capacité de stockage d'eau (+50%). L'inoculation du sol et des semences de tournesol par la souche YAS34 a permis d'augmenter significativement la taille de la population de Rhizobium sp. Y AS34 dans la rhizosphère et sur les racines de tournesol (+50% de la microflore productrice d'EPS). Cette colonisation rhizosphérique et racinaire s'accompagne d'une augmentation de la biomasse racinaire et de la masse du sol adhérent par unité de masse de matière sèche racinaire (SA/RA) (en moyenne +80%) et une modification de la structuration de cette fraction de sol: augmentation de la macro-porosité dont les rayons d'entrée des pores sont compris entre 5 et 50mm. Ces modifications qualitatives et quantitatives de l'environnement physique des racines de tournesol, dues à l'inoculation, ont été concomitantes d'une augmentation à la fois de la teneur en azote au niveau du sol adhérent et des exportations de cet élément vers la plante ainsi qu'à une valorisation plus importante de l'engrais azoté apporté en début de culture, par comparaison avec des plantes non inoculées
The bacterial strain Y AS34, selected for exopolysaccharide (EPS) production, was isolated from the rhizoplane of sunflower (Helianthus annuus) in a Dystric Cambisol. From cartography and sequencing of the 16S rDNA gene it was concluded that strain Y AS34 belongs to the genus Rhizobium. The gelatinous EPS produced by this strain was different from succinoglycan usually produced by bacteria belonging to the genus Rhizobium. In the presence of 1 % (w/w) of the EPS purified from strain Y AS34, the water holding capacity of soil from St-Florent-sur-Cher was enhanced by 50%. Inoculation of sunflower seeds and soil with strain Y AS34 led to a significant increase of rootadhering soil mass per root biomass (+80%), under both, water stress and normal water supply conditions. Concomittantly with this bacterial effect on the mass of root-adhering soil, an increase of soil macro-porosity (pore diameter between 5 and 50 mm) was observed. In addition to these physical changes of root-adhering soil, nitrogen uptake by sunflower was significantly increased after inoculation with Rhizobium sp. Y AS34 in the presence of 1 N-nitrates. Strain y AS34 seems to modify the soil structure around the root system in a way that the water supply of sunflower and its nitrogen uptake is increased counteracting the effect of water deficit on sunflower growth

Cover crops produce ecosystem services for nitrogen management during fallow period such as decreasing nitrate leaching and producing green N manure effect for the next cash crop. The aim of this work was to characterize a large number of species using a functional analysis and to analyze the performances of bispecific legume/non-legume mixtures to simultaneously produce both ecosystem services. Leaf functional traits measured on 36 cover crops were found robust but lacked of precision in differentiating species strategies. The cardinal temperatures for germination measured in laboratory have shown that the majority of species is adapted to summer sowing conditions. A conceptual model was designed and implemented in GLM to predict the behavior of species in mixtures. The measurements carried out in field experiments coupled with STICS model simulations confirmed the potential efficiency of some bispecific mixtures to simultaneously produce ecosystem services of nitrogen management. This efficiency depends on the choice of the two species to associate which must be adapted according to the pedoclimatic conditions as well as the date of cover crop destruction.

L’avenir d’une agriculture durable, repose sur une gestion optimale de la fertilité des sols et de leurs propriétés physiques et biologiques. Il s’agit de déterminer des pratiques culturales mimant certains processus écologiques (facilitation, complémentarité, effet « plant-soil-feedback) contribuant au maintien de la fertilité des sols. Ces concepts ont longtemps été valorisés de façon empirique dans des pratiques culturales associant simultanément différentes plantes. L’une des pratiques culturales la plus communément rencontrée en milieu méditerranéen associe des légumineuses à des céréales en rotation ou en culture intercalaire. Toutefois, et afin d’optimiser l’impact de ces itinéraires culturaux sur la productivité et la stabilité des agrosystèmes, les mécanismes biologiques mis en jeu doivent être élucidés. Cette étude a pour ambition principale d’améliorer nos connaissances sur les mécanismes mis en jeu au niveau de la microflore du sol et plus particulièrement sur l’importance de la symbiose mycorhizienne dans ces interactions biotiques et abiotiques. En réalisant des expériences en serre et in situ, associant la fêve et le blé en culture intercalaire ou en rotation, les résultats montrent que cette pratique stimule la croissance du blé ainsi que sa nutrition minérale (N et P). Nous avons également montré que cette association induisait des modifications importantes sur la diversité fonctionnelle de la microflore du sol et des bactéries du groupe des Pseudomonas fluorescents ainsi que sur la structure des communautés de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA). Par ailleurs et afin d’optimiser l’impact de la composition de la couverture végétale dans une culture intercalaire, nous avons démontré qu’une augmentation de la diversité de légumineuses améliorait significativement les bénéfices attendus sur la croissance du blé et de sa mycorhization. Ces résultats soulignent la nécessité de développer ce type de pratiques culturales dans les agro-écosystèmes, afin de valoriser les services écologiques rendus par les légumineuses, et d’envisager la gestion des communautés de CMA dans les stratégies agro-écologiques comme une composante majeure de la productivité des cultures durable
The future of sustainable agriculture is based on an optimal management of the soil fertility and the soil physical and biological properties. The present study focused on identifying cultural practices that mimic some ecological processes (facilitation, complementarity, "plant-soil-feedback” effect) contributing to the maintenance of the soil fertility. These concepts have been empirically used in farming practices mixing plant species in cropping systems. One of the most commonly Mediterranean cropping system associates legumes to cereal in rotation or intercropping (i.e. Faba bean/ Durum wheat association). However, in order to optimize the impact of crop management on the productivity and stability of agro-ecosystems, the biological mechanisms involved must be clarified. The aim of this study is to improve our understanding of the mechanisms involved in the soil microflora plant interactions and especially the importance of mycorrhizal symbiosis in these biotic and abiotic processes. By conducting experiments in controlled and in situ conditions, our results show that intercropping stimulates the wheat growth and its mineral nutrition (N and P). We also showed that this cultural practice induces significant changes on the soil microbial functional diversity, on the fluorescent Pseudomonas functionalities, and also on the arbuscular mycorrhizal (AM) community structures. Furthermore, and in order to optimize the impact of the composition of the plant cover in intercropping, we have shown that increasing the diversity of legumes significantly improved the expected benefits on wheat growth and its mycorrhizal status. These results highlight the need to manage crop diversity in agroecosystems, in order to enhance the ecological services provided by legumes, and to consider the management of AM fungal communities in agro-ecological strategies as major component to maintain crop productivity

Avec l'émergence des préoccupations d'économie d'intrants, de préservation de l'environnement et de la biodiversité, les associations, qui consistent en la culture d'au moins deux espèces différentes sur la même surface pendant une période significative de leur développement, présentent un regain d'intérêt en Europe. Ces associations pourraient avoir des applications intéressantes pour le développement de cultures « multiservices » à moindre niveau d'intrants (azote particulièrement). Des travaux antérieurs ont montré que les performances des associations céréale-légumineuse dépendent fortement du niveau d'azote minéral du sol Cependant on ne dispose pas à l'heure actuelle de références suffisantes pour piloter la fertilisation azotée de l'association en fonction de différents objectifs de production. Les objectifs de la thèse étaient (i) d'utiliser les connaissances précédemment acquises sur le fonctionnement dynamique d'une association pois-blé d'hiver pour étudier la pertinence de la fertilisation azotée comme levier pour orienter les performances des associations pois-blé vers différents objectifs de production en agriculture conventionnelle ; (ii) d'approfondir les connaissances sur le fonctionnement de l'association en réponse à différentes dynamiques de disponibilité en azote (partage des ressources azotées ; inhibition et réversibilité de la fixation symbiotique) ; (iii) d'apporter des pistes vers des règles de décision pour la gestion la fertilisation azotée de ces associations pour différents objectifs de production. Nos expérimentations de plein champ démontrent que la fertilisation azotée est un levier efficace pour orienter les performances finales notamment la proportion de chaque espèce dans le mélange, critère aujourd'hui mal maîtrisé. Un apport d'azote favorise la croissance de la céréale et pénalise celle de la légumineuse. La céréale apparaît plus compétitive que la légumineuse pour les ressources d'azote minéral pour une date d'apport intervenant avant début du remplissage des grains du pois. Cependant, l'intensité de la réponse à la date de fertilisation varie en fonction des écarts de dynamiques de croissance et de phénologie de chaque espèce avant l'apport, facteurs qui apparaissent déterminants dans le partage de l'N minéral et le comportement de la fixation symbiotique. Des expérimentations en conditions contrôlées ont permis d'approfondir l'effet inhibiteur des nitrates et la réversibilité de la fixation chez le pois en analysant séparément l'impact sur la structure et sur l'activité de l'appareil fixateur en fonction du stade phénologique et de la disponibilité en carbone. Une exposition aux nitrates pendant la phase végétative réduit la vitesse d'apparition des nodosités alors qu'une exposition durant la floraison et le remplissage des grains réduit la croissance des nodosités existantes. Les nitrates réduisent fortement l'activité fixatrice quelle que soit la date d'exposition aux nitrates. De plus, il a été démontré que la réversibilité de la fixation symbiotique après courte exposition aux nitrates était fonction de l'allocation carbonée aux nodosités. Ainsi, la réversibilité de la fixation symbiotique est possible chez le pois si une courte inhibition due nitrates survient avant les stades de remplissage du grain, ce qui est confirmé en situations de plein champ. Notre démarche de modélisation a par ailleurs aboutit au développement, à partir de deux modèles de culture pures (AZODYN pour le blé et AFISOL pour le pois), d'un modèle dynamique du fonctionnement de ces associations (AZODYN-IC) dont l'intérêt et l'originalité se situent dans (i) sa capacité à bien simuler la réponse à des disponibilités en azote variées permettant ainsi d'être directement opérationnel et utilisé comme outil d'aide à la gestion de la fertilisation azotée (ii) des formalismes relativement simples de partage des ressources (lumière, eau, azote) et comprenant un lien très étroit entre le partage de la lumière et l'acquisition de l'azote, déterminant dans le fonctionnement du peuplement, (iii) l'absence de paramétrage spécifique pour simuler le fonctionnement de l'association. Le modèle a permis de prolonger les expérimentations en simulant une gamme de stratégies de fertilisation plus large (combinaisons de proportions de semis x doses x dates de fertilisation) et ceci pour une gamme importante d'années climatiques. Ce travail a également permis de proposer des pistes vers des règles de décision de conduites azotées en fonction des reliquats d'azote observés sortie hiver, de la proportion de blé dans la biomasse de l'association observée sortie hiver, et de l'estimation de la minéralisation depuis la sortie hiver jusqu'à la récolte.

Les plantations forestières représentent 5% de la surface forestière mondiale mais assurent plus du tiers de l’approvisionnement en bois de la planète. La durabilité de ces systèmes de production repose sur le maintien à long terme de leur fertilité, sans recourir à la fertilisation. L’introduction d’une espèce fixatrice d’azote (N) dans les plantations forestières est une des solutions envisagées pour relever ce défi. L’objectif de la thèse était d’évaluer l’effet de l’introduction de l’Acacia mangium dans une plantation pure d’eucalyptus sur la croissance des arbres, la production de biomasse et la dynamique de N dans le sol. Pour atteindre cet objectif, des inventaires destructifs combinés à une collecte des chutes de litière ainsi qu’un suivi annuel de la minéralisation de N dans le sol, ont été réalisés. Ils ont été associés à l’étude de la fixation symbiotique de N et de l’enrichissement en N de la matière organique particulaire. Cette étude a permis de mettre en évidence un effet positif de l’acacia sur la croissance des eucalyptus à travers une modification des relations interspécifiques. La relation de facilitation engendrée par la fixation symbiotique de N a été à l’origine d’une augmentation de la croissance des eucalyptus et de la production primaire nette aérienne. Cette augmentation de croissance était liée à l’amélioration du contenu azoté du sol, en particulier dans la fraction grossière de la matière organique particulaire. Une augmentation de la production de N par minéralisation a révélé un recyclage beaucoup plus rapide du N du sol. Ces travaux ouvrent des perspectives pour une intensification écologique de la sylviculture des plantations tropicales
Forest plantations represent 5% of the world forest area but provide more than one third of world wood supply. Sustainability of these systems is based on the long-term maintenance of their fertility without using fertilizers. The introduction of nitrogen (N) fixing species in forest plantations is one of the solutions to take-up this challenge. The aim of this work was to assess the effects of the introduction of Acacia mangium in pure stand of eucalypts on tree growth, biomass production and soil nitrogen dynamics. To achieve this goal, destructive inventories combined with quantification of N fluxes in litter fall and annual monitoring of N mineralization in soil, has been done. They were associated with study of the symbiotic fixation of N and N enrichment in particulate organic matter. The study highlighted a positive effect of acacia on the growth of eucalyptus through a modification of interspecific interactions. Facilitating relationship created by the symbiotic nitrogen fixation has been the source of an increase in the growth of eucalyptus and aboveground net primary production. This increased growth was related to improvement of the nitrogen content of the soil, especially in the coarse fraction of the particulate organic matter. An increase in nitrogen mineralization indicated a much faster soil nitrogen cycling. This work opens perspectives for an ecological intensification of tropical plantation forestry

La productivité et la qualité des céréales biologiques sont soumises à deux principaux facteurs limitants dans les systèmes sans élevage : des déficits chroniques en azote (N) du sol et des infestations par les adventices. Des légumineuses telles que les trèfles ou les luzernes peuvent servir à la fois de plantes de couverture et d'engrais verts grâce à leur fixation symbiotique d'N atmosphérique. Cependant, leur substitution aux céréales présente un moindre intérêt économique dans les systèmes de grandes cultures en l'absence d'animaux pour les valoriser. L'association relais de couverts de légumineuses dans un blé d'hiver nous a semblé être une option intéressante pour à la fois enrichir le système sol-plante en N, couvrir le sol dès la récolte du blé associé et limiter le risque de compétition avec le blé en décalant au printemps la date de semis des légumineuses sous couvert de blé. Pour évaluer l'efficacité de ces associations, quatre espèces de légumineuses (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. et T. repens L.) ont été semées au tallage du blé d'hiver sur huit parcelles réparties dans la région Rhône-Alpes. Leurs effets sur la maîtrise des adventices, l'enrichissement, la préservation et la restitution d'N au système sol-plante et les performances des cultures ont été observés, durant une succession blé d'hiver-culture de printemps. Les résidus des couverts ont été enfouis à la fin de l'hiver, 9 à 12 semaines avant le semis d'une culture de printemps. Nos travaux ont montré l'absence d'effet des couverts associés sur le rendement en grains du blé d'hiver. Mais des diminutions du taux protéique des grains sont apparues dans un tiers des situations d'association notamment avec M. lupulina et T. pratense, les espèces les plus développées à la récolte du blé. Notre suivi de la disponibilité des ressources trophiques principales (eau, N, lumière) nous a permis d'identifier une compétition pour l'eau et l'N du sol. Nous avons également noté l'efficacité des couverts de légumineuses dans le contrôle de la densité des adventices dès le stade de floraison du blé et de leur biomasse durant l'interculture. Le meilleur contrôle des adventices a été permis par M. lupulina et T. pratense, à la récolte du blé, et T. pratense et T. repens, à la fin de l'automne, associé aux biomasses aériennes observées les plus importantes. Enfin, nous avons observé une forte proportion d'N issu de la fixation symbiotique dans la biomasse aérienne des légumineuses à la fin de l'automne (80 à 94%), représentant un apport d'N exogène au système sol-plante évalué entre 37 et 77 kg N ha-1. Cet enrichissement en N n'a pas entrainé d'aggravation de la lixiviation d'N durant l'hiver. Les couverts de légumineuses n'ont pas non plus diminué la lixiviation comparativement à l'absence de couvert. Après leur destruction, les résidus des couverts ont restitué une partie de l'N accumulé (+28 à +42 kg ha-1 d'N minéral sur les 90 premiers centimètres de sol par rapport au témoin à l'émergence de la culture de printemps, 12 semaines après leur destruction). Cette restitution a permis un enrichissement en N des pailles et grains de la culture de printemps et une augmentation de 30% du rendement lorsqu'il s'agissait de maïs. Finalement nous concluons sur l'intérêt des couverts de légumineuses associés en relais dans un blé d'hiver pour apporter une réponse positive aux problèmes principaux des rotations de grandes cultures biologiques (adventices, déficits d'N et diminutions des performances des cultures). Nous terminons en proposant des voies d'évolution des associations testées, notamment pour limiter les risques de compétition durant l'association. Nous évoquons également les implications scientifiques et pratiques de ce travail pour de futures études sur ce sujet
Cereal productivity and quality are subject to two main problems in organic stockless systems: chronic soil nitrogen (N) deficiencies and weed infestation. Legume species as clovers or alfalfas can be used as cover crops and green manures due to their natural ability to fix atmospheric N. Nevertheless, their substitution to cereals in crop rotations is less economically viable without animals to use it. Relay intercropping of legume cover crops (RIL) in winter wheat was expected to simultaneously enrich the soil-plant system in N, cover the soil from the wheat harvest onwards and limit the risk of competition with wheat by delaying the undersowing of legumes in spring. To evaluate the efficiency of RIL, four legume species (Medicago lupulina L., M. sativa L., Trifolium pratense L. and T. repens L.) were undersown at wheat tillering stage, in eight fields organically managed in the Rhône-Alpes region, France. Their effects on weed control, on N enrichment, preservation and restitution in the soil-plant system and on crop performance were observed during the succession of the winter wheat and a spring crop. RIL residues were incorporated in soil in late winter, 9 to 12 weeks before the sowing of spring crops. Our work illustrated the absence of detrimental effect of RIL on wheat grain yield despite the decrease of the grain protein content in one third of the situations. This decrease was mainly observed with M. lupulina and T. pratense as they were the most developed legume species at wheat harvest. Our monitoring of trophic resources (water, N and light) enlightened the competition for soil water and N during the intercropping period. We also showed the efficiency of RIL in the control of weed density from wheat flowering stage onwards and of weed aerial biomass in late autumn. The best weed control was observed with M. lupulina and T. pratense, at wheat harvest, and with T. pratense and T. repens in late autumn, in relation to the highest aerial biomasses observed with these species. Finally, we noted an important proportion of N derived from atmosphere (Ndfa) in legumes' shoots in late autumn (80 to 94%), representing an input of exogenous N in the soil-plant system ranging from 37 to 77 kg Ndfa ha-1. The N enrichment of the system did not increase mineral N lixiviation during winter. However, legume cover crops did not significantly prevent any lixiviation of mineral N relative to the control without cover crop. After their ploughing in, legumes residues returned a part of the accumulated N (+28 to +42 kg ha-1 of mineral N in the first 90 cm of soil compared to the control at the emergence of the spring crop, 12 weeks after ploughing). This restitution of mineral N allowed a significant N enrichment of straw and grains of the spring crop with all previous legumes cover crop species. With maize as spring crop, the grain yield increased by 30%, on average, compared to the control treatment. We finally conclude on the interest of RIL in winter wheat to bring a positive response to the problems of weed control, N deficiency and crop performances in organic crop rotations. We then suggest possible improvements of the RIL system, especially against the competition for trophic resources during the relay intercropping period. We also mention scientific and practical implications of this work for future studies on this subject

Le système « plante-ravageur-ennemi naturel » fournit un modèle de base idéal pour comprendre comment les communautés d'arthropodes sont structurées et comment les interactions (directes et indirectes) entre les différents acteurs contribuent à façonner la structure des communautés. Dans les agroécosystèmes, les forces "top-down" correspondent aux effets de contrôle que les organismes arthropodes des niveaux trophiques supérieurs (par exemple, les prédateurs) ont sur les espèces des niveaux inférieurs (par exemple, leurs proies). Les communautés d'arthropodes peuvent également être influencées par des forces "bottom-up" induites par des variations dans les régimes de fertilisation ou d'irrigation ou par des variations de certains traits des plantes (résistance aux herbivores ou adaptations aux stress environnementaux). De plus, les forces "bottom-up" peuvent affecter l'impact "top-down" des ennemis naturels sur les herbivores soit directement (par exemple, les effets sur prédateur omnivore) ou médiées par les insectes herbivores intermédiaires. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse ont été de comprendre comment les variations de l'apport des ressources dans les agroecoécosytsèmes (disponibilité en azote et en eau) peuvent influencer les interactions entre les plantes, les herbivores et les ennemis naturels. Cette question a été étudiée aussi bien à l'échelle individuelle (traits d'histoire de vie des insectes) que populationnelle (dynamique des populations). Les études ont été réalisées sur deux agroécosystèmes basés sur les cultures de la tomate et du coton
The “Plant-herbivorous insect-natural enemy” system provides an ideal basic model to understand how the plant-inhabiting arthropod communities are structured and how various mechanisms (i.e. direct and indirect interactions) contribute to shape the community structure. In agro-ecosystems, top-down forces encompass the controlling effects that arthropod organisms of the higher trophic level (e.g., predators) have on species at the next lower level (e.g., prey). Arthropod communities may also be influenced by bottom-up forces induced by environmental variations (e.g. fertilization or irrigation regimes) or plant traits (plant insect-resistance or plant-adaptive traits). Furthermore, bottom-up forces may affect top-down forces on herbivores either directly (e.g., effects on omnivorous predator) or mediated by the intermediate herbivorous insects. In this context, the aims of the PhD study were to disentangle how variations in resource inputs (i.e. nitrogen and water availability) affect interactions among plant, herbivores and their natural enemies at both the individual (life-history traits) and population (population dynamic) levels. The studies were carried out on two agrosystems based on tomato and cotton. On tomato, the system 'Solanum lycopersicum L - leafminer Tuta absoluta - omnivorous predator Macrolphis pygmaeus' was used under laboratory and greenhouse conditions in France. We found strong evidence of bottom-up effects of nitrogen and/or water inputs on the herbivore and the omnivorous predator. Feeding ecology of the predator was also strongly influenced by water availability

Ce travail de thèse a visé à identifier les leviers associés à des traits fonctionnels des plantes et des vers de terre susceptibles d’améliorer les performances des cultures via une stimulation des communautés microbiennes et une meilleure disponibilité de l’azote. Dans une première expérimentation en mésocosmes, nous avons étudié l’impact de la diversité fonctionnelle végétale en testant des associations de trois variétés de blé avec ou sans une légumineuse (trèfle) ainsi qu’une complexification fonctionnelle de l’activité des vers de terre (addition d’endogés et d’anéciques). Dans une seconde expérimentation en mésocosmes, la sélection de traits fonctionnels contrastés de plantes (colza, blé, féverole) associés à l’influence de vers de terre endogés a été comparé. Nos résultats montrent un effet synergique entre l’association céréale-légumineuse et les vers de terre sur les performances du blé. De plus, la composition spécifique du couvert sous l’influence de l’activité racinaire domine le pilotage de l’activité des microorganismes, les vers de terre ne faisant qu’amplifier cette activité. Toutefois, les changements causés par les traits fonctionnels des plantes influencent davantage les communautés nitrifiantes de la rhizosphère que ceux causés par les vers de terre. Les traits fonctionnels des plantes liés à l’utilisation des ressources, la qualité et la quantité des rhizodépôts et les modifications chimiques de la rhizosphère ainsi que les traits des organismes du sol caractérisant leurs besoins en nutriments et leurs comportements ont permis de mieux comprendre les interactions entre les plantes et les organismes du sol qui influencent la productivité et la fertilité des sols
This work aimed at identifyingsignificant functional traits of plants and soilorganisms able to improve crop performancesthrough stimulation of microbial activity and highernitrogen availability. In a first mesocosm experiment,we investigated the effect of plant functional diversityby comparing pure wheat, genotype mixtures andwheat-clover intercrops combined or not withearthworm functional activity (addition of endogeicsand anecics). In a second mesocosm experiment,selection of crops with contrasting root traits(rapeseed, wheat and faba bean) associated or not tothe influence of endogeic earthworms werecompared. Our results showed a synergistic effectbetween cereal-legume intercrop and earthworms on wheat N status. Moreover, the species-specificcomposition of plants by the influence of roots wasthe major driver of soil microbial activity as comparedto earthworms which only amplified this activity.Shifts in rhizosphere features by plant functionaltraits influence nitrifier microbial community morethan that caused by earthworms. Plant functionaltraits related to their use of trophic resources andrhizospheric effects together with soil organismfunctional traits related to their needs and behaviorhave allowed a better understanding of interactionsbetween plant and soil organisms influencing cropproductivity and soil fertility

La transition agroécologique vise la triple performance agronomique, écologique et sociétale des exploitations agricoles. Un certain nombre de pratiques agricoles permet d’envisager la construction et le développement de systèmes de culture répondant à ces contraintes. Les légumineuses, par leur capacité à fixer l’azote atmosphérique, sont une alternative intéressante aux intrants azotés. Outre l’absence de fertilisation lors de leur culture, elles fournissent de l’azote à la culture suivante. Il existe cependant un manque de références sur certaines légumineuses à graines et notamment la culture du pois d’hiver. En effet, si des données acquises dans différentes régions françaises sont disponibles, aucune référence n’a été publiée pour la Normandie où la culture du pois d’hiver connaît un récent regain d’intérêt. Cette thèse propose d’évaluer, sur une période de deux ans, l’effet du remplacement du colza par le pois d’hiver en tête de rotation en réalisant une analyse comparative de ces deux successions (pois d’hiver-blé et colza-blé). L’objectif était d’évaluer l’effet de ce changement de tête de rotation (pois d’hiver vs colza) sur l’état biologique du sol et les flux d’azote à différentes échelles spatiotemporelles. Les résultats ont révélé une forte variabilité spatio-temporelle dans la réponse des communautés microbiennes du sol, et mis en évidence l’importance du contexte pédoclimatique dans le déterminisme de l’abondance et de l’activité des communautés microbiennes du sol. Ils ont montré par ailleurs, l’effet positif du pois d’hiver sur la disponibilité de l’azote minéral au cours du cycle cultural et pour les cultures suivantes, ici le blé puis l’orge. Les apports d’azote minéral dans le sol lié à la contribution des parties racinaires via la rhizodéposition et à la dégradation des résidus de culture après récolte ont été évalués au cours de ce travail de thèse. En effet, si la rhizodéposition s’est révélée plus importante sous pois d’hiver, elle n’a pas eu d’impact significatif sur les communautés microbiennes rhizosphériques. Contrairement à ces observations, la dégradation des résidus de culture a significativement modifié la composition des communautés bactériennes en lien avec leur composition biochimique initiale. La succession culturale incluant le pois a enrichi le sol en azote minéral mais des risques de perte d’azote par lixiviation de l’ordre de 23 kg N. ha-1 ont été estimés. Ces constats soulignent l’importance d’adapter la conduite des systèmes de culture incluant le pois d’hiver, en limitant les pertes d’azote par lixiviation et en maximisant son utilisation par les cultures suivantes. Les résultats de ces travaux ont confirmé la diminution des quantités d’engrais azoté utilisées dans la succession contenant le pois, sans préjudice de productivité, ni pour le pois, ni pour la culture suivante, ici, le blé. Finalement, introduire le pois d’hiver dans la rotation de culture en région Normandie, semble permettre de répondre à la problématique d’augmentation du coût des intrants, et aux enjeux de transition agroécologique et d’autonomie protéique régionale
The agroecological transition targets triple agronomic, ecological, and societal performance of farms. Some new agricultural practices had emerged to develop a new cropping system to respond to these constraints. Legumes constitute an interesting alternative. Indeed, legumes are advantageous for soils due to their symbiotic relationship with nitrogen-fixing bacteria. The presence of compatible rhizobia combined to nitrogen-limited conditions promotes symbiosis which is the most efficient way for legumes to acquire more nitrogen. Compared with non-nodulated plants, symbiosis provides a competitive advantage by increasing soil nitrogen pool. However, some grain legumes, notably winter pea, are rarely studied, especially in the Normandy region where no reference has been published for this crop. The objective of this study is to compare two crop successions for a period of two years (winter pea-wheat and rapeseed-wheat), in order to assess the effect of replacing rapeseed by winter pea at the head of the rotation .We evaluated the effect of these two crops (winter pea vs rapeseed) on the biological state of the soil and nitrogen fluxes at different spatio-temporal scales. The results showed a significant spatio-temporal effect on the response of soil microbial communities and highlighted the importance of the pedoclimatic context in determining the abundance and activity of soil microbial communities. A positive effect of winter pea has been demonstrated on the availability of mineral nitrogen during the crop cycle and for following crops (wheat and barley). The supply of nitrogen to the soil is linked to the rhizodeposition of nitrogen via plants roots and the degradation of crop residues after harvest. Our results showed that winter pea exhibited the greatest amount of nitrogen rhizodeposition. However, rhizodeposition did not have a significant impact on rhizospheric microbial communities. Contrary to these observations, the degradation of crop residues significantly modified the composition of bacterial communities linked to their initial biochemical composition. Crop succession including winter pea enriched the soil with mineral nitrogen but simulation with STICS software revealed a nitrogen leaching around of 23 kg N. ha-1 during the cropping cycle. These findings underline the importance of adapting an adequate crop management system, including winter pea, to limit nitrogen losses. The results showed also that wheat yields after winter pea without the use of nitrogen fertilizers were equivalent to those obtained after rapeseed. However, rapeseed required significant nitrogen fertilization. Including winter pea in crop rotation in Normandy region may be a key to enhance productivity, to respond to the challenges of agroecological transition, regional protein autonomy, and to reduce environmental and economic costs, by reducing notably, the costs of fertilizers production and uses

La rhizodéposition azotée (comprenant la voie de l’exsudation racinaire d’ammonium et d’acides aminés) des Fabacées permet l’enrichissement en azote du sol et des Poacées compagnes via le transfert de l’azote rhizodéposé. Les objectifs de la thèse étaient de caractériser la rhizodéposition azotée à court terme du trèfle blanc (Trifolium repens L. ) et d’évaluer son impact sur le transfert d’azote vers le ray-grass anglais (Lolium perenne L. ), et de mieux caractériser l’exsudation racinaire des acides aminés (sélectivité et mécanisme). La rhizodéposition azotée à court terme du trèfle, assimilée à l’exsudation racinaire d’azote (notamment d’ammonium), équivaut à 3 % de l’N fixé pendant trois jours ; elle a permis simultanément un transfert vers le ray-grass de 4,4 % de l’N rhizodéposé par le trèfle. L’espèce affecte le profil en acides aminés du sol, proche de celui des exsudats issus de cultures axéniques. Les profils en acides aminés de six espèces différentes sont très contrastés entre les racines et les exsudats (fortes proportions de glycine et de sérine). L’exsudation ne s’explique pas simplement par un gradient de concentration entre les racines et la rhizosphère. Une méthode de mesure dissociant l’efflux et l’influx des acides aminés a été mise au point. L’exsudation sélective de glycine et de sérine n’est pas liée à une compartimentation tissulaire mais s’explique par un déséquilibre de l’efflux et de l’influx, en faveur de l’efflux, en comparaison des autres acides aminés. Le caractère passif de l’exsudation a été remis en cause par l’utilisation d’inhibiteurs métaboliques du transport actif qui indique que l’efflux de glycine présenterait une composante active
Nitrogen (N) fixing legumes contribute to N soil enrichment through N rhizodeposition (including the ammonium and amino acid root exudation pathway), and to N increase in companion grasses through transfer of deposited N. The objectives of this thesis were to characterize short-term N rhizodeposition in white clover (Trifolium repens L. ) and to study its impact on N transfer to perennial ryegrass (Lolium perenne L. ), and to characterize root amino acid exudation (selectivity and mechanism). Short-term N rhizodeposition is close to 3 % of N fixed during the 3 days-labelling period. In our conditions, this short-term N rhizodéposition has been relied to N, and notably ammonium, exudation. Simultaneously, 4. 4 % of deposited N is transferred to ryegrass. Plant specie modifies the soil amino acid profile, which is close to the amino acid profile of exudates collected axenically. We show with six different species that amino acid exudation leads to highly contrasted amino acid profiles between roots and exudates (where high proportions of glycine and serine were observed). Amino acid exudation cannot be explained only by a concentration gradient between roots and root bathing solution. Selective exudation of glycine and serine is not due to a tissue partitioning. A method allowing dissociated and simultaneous measurement of both components of root exudation, influx and efflux, was set up. Glycine and serine exudation is explained by high efflux to influx ratios compare to other amino acids. Because of these data, we have questioned the passive aspect of root exudation. The use of inhibitors of active transport indicates that glycine efflux would be dependant on active process

Dans le contexte actuel de changements globaux, faire face au défi multiple et interconnecté de la sécurité alimentaire et des impacts environnementaux s’avère fondamental pour la durabilité des systèmes agricoles. La thèse s’attache ainsi à évaluer les performances agronomiques et environnementales des systèmes en AB, en couplant un suivi expérimental réalisé sur un réseau de 35 parcelles agricoles dans la région Hauts-de-France, avec la modélisation du continuum sol-plante-atmosphère afin de mieux comprendre les processus expliquant les dynamiques de l’eau et de l’azote dans ces systèmes, en vue de promouvoir des pratiques de gestion durables.Dans un premier temps, le drainage d’eau et la lixiviation d’azote ont été quantifiés en couplant les données sol-culture-climat et le modèle LIXIM. L’analyse de la lixiviation des parcelles agricoles a permis de déterminer que les facteurs qui expliquent la variabilité. Outre le fort effet sol et l’importance des conditions climatiques sur le drainage, ils sont principalement liés à la combinaison de précédent cultural et de gestion de la couverture du sol en automne. Ces deux derniers jouent en effet sur la quantité d’azote minéral présent avant la période de drainage et expliquent la position du nitrate dans le profil de sol. Nos résultats ont montré le rôle dichotomique des légumineuses dans les systèmes de grandes cultures en AB, et la faible performance des cultures intermédiaires car semées tardivement en automne dans ce contexte.Dans un second temps, le diagnostic des déterminants de l’écart au rendement des cultures ou yield gap a été réalisé via une approche par modélisation déterministe. Le modèle sol-culture STICS a servi à estimer les différents niveaux de rendement potentiel et décomposer le yield gap, en s’appuyant sur le cas du blé tendre et du triticale. Les résultats montrent que le stress en azote permet d’expliquer la majeure partie du yield gap survenant en AB, et dans une moindre mesure les facteurs liés à la pression biotique, pour des systèmes recourant à peu ou pas d’apport azoté exogène.Finalement, le défi de la fourniture en azote dans les systèmes de grandes cultures en AB a été abordé afin de contribuer à une meilleure efficience d’utilisation de l’azote et une amélioration de la productivité des parcelles. Le modèle STICS a permis de simuler l’impact de pratiques de gestion alternatives de l’azote, par expérimentation numérique menée dans le cadre d’une approche participative, mobilisant les agriculteurs, les conseillers techniques et les chercheurs. Les résultats indiquent l’importance de la succession et des pratiques culturales, en particulier la mise en place de cultures intermédiaires et la gestion du retournement des luzernières. L’optimisation des pratiques des agriculteurs restent ainsi possible, en réduisant les émissions potentielles d’azote par lixiviation ou par pertes gazeuses, sans léser la fourniture en N pour les cultures.Dans les contextes pédo-technico-climatiques étudiés, les systèmes de grandes cultures en AB peuvent ainsi combiner performance agronomique et faibles impacts environnementaux, lorsque la gestion de l’azote est bien maîtrisée
Nowadays, in a context of global changes, addressing the interlinked challenges of food security and environmental impacts is fundamental for the sustainability of agricultural systems. Therefore, the thesis aimed to assess agronomic and environmental performances of organic systems, by coupling the experimental monitoring of a 35 organic fields network in the Northern region of France with modeling the soil-crop continuum, to better understand the underlying processes in water and nitrogen dynamics within those systems, and to promote a more sustainable management.Water drainage and nitrate leaching were assessed by coupling soil, crop and climate data within LIXIM model. Then we analyzed N leaching pattern under diverse organic arable fields to explain its main driving factors. Leaving aside the strong soil type effect and the importance of climatic conditions on drainage, the combination of previous crops and autumn field management appeared to be a key determinant of nitrate leaching in the studied organic systems, as they both drive the amount of soil mineral nitrogen before draining period and explain the position of nitrate in the soil profile. We also showed the dichotomous role of legumes as preceding crop in organic cropping systems and the poor performance of the standard catch crops, sown in late summer in this context.Yield gap of cereals was investigated using a deterministic modeling approach as a diagnosis tool, to contribute in improving the productivity of organic agriculture. The soil-crop model STICS was used to estimate the potential yields of each studied winter wheat and winter triticale crop fields in their given soil and climate conditions. Our results reasserted how nitrogen stress could explain a major part of the yield gap occurring in organic crops and outweigh biotic limiting factors impacts, for cropping systems relying on few or no manures for nitrogen supply.Lastly, we aimed to address the challenge of nitrogen supply in organic arable systems for a better nitrogen use efficiency and improved crop yields. We used the model STICS to simulate the impact of alternative nitrogen management practices by carrying out a numerical experiment in a participatory approach involving farmers, technical advisors and researchers. The findings emphasized the importance of crop succession design and management practices, particularly the implementation of catch crops and the timing of the destruction of perennial legume crops. Optimizing the farmer’s actual practices could then be possible, reducing the potential emissions of nitrogen via leaching or gaseous losses, without decreasing the nitrogen supply for the following crop.Organic arable cropping systems, within the studied soil, technics and climate contexts, can achieve agronomic performances combined with low environmental impacts, with well-managed nitrogen practices

Les biocarburants de 2ème génération pourraient fournir une énergie renouvelable au secteur des transports et ainsi permettre de lutter contre le changement climatique. Toutefois, leurs bilans gaz à effet de serre, énergétiques et environnementaux seront probablement très dépendants des ressources utilisées. Les cultures lignocellulosiques candidates à la production de biocarburant 2G devront ainsi concilier forte productivité, faibles besoins en intrants et faibles impacts environnementaux. L’objectif de la thèse a été de quantifier les bilans d’eau, d’azote et de carbone à l’échelle de la parcelle, pour différentes cultures candidates et différentes pratiques culturales. Nous nous sommes appuyés sur le dispositif expérimental de long terme « Biomasse & Environnement », mis en place en 2006 à Estrées-Mons, en Picardie. Il compare deux cultures pérennes en C4 (Miscanthus × giganteus et switchgrass), deux cultures pluriannuelles fourragères en C3 (fétuque et luzerne) et deux cultures annuelles récoltées en plante entière (sorgho fibre et triticale). Il inclut deux niveaux de fertilisation et deux dates de récolte pour les cultures pérennes : récolte précoce (octobre) ou récolte tardive (février). Les mesures effectuées ont porté sur : i) la production de biomasse, ii) l’évolution des stocks d’eau du sol en continu pendant 7 ans, iii) la profondeur et la densité des systèmes racinaires, iv) le drainage et la concentration en nitrate de l’eau drainée, évalués avec le modèle STICS à partir des stocks d’eau et d’azote minéral du sol mesurés en milieu d’automne et fin d’hiver, v) les stocks de carbone organique du sol en 2006 et 2011-2012, vi) le devenir de l’engrais azoté, suivi par marquage isotopique 15N de l'engrais pendant 4 ou 5 années successives.Grâce à leur enracinement profond, les cultures pérennes et pluriannuelles ont prélevé davantage d’eau que les cultures annuelles, notamment en profondeur. Le drainage sous les cultures pluriannuelles a été plus faible que sous les cultures annuelles (64 contre 133 mm an-1 en moyenne sur 7 ans), malgré une production de biomasse équivalente. Il a été intermédiaire pour les cultures pérennes (56-137 mm an-1) et très fortement lié à la production (elle-même fonction de l’espèce et de la fertilisation azotée). La concentration en nitrate a varié de 2 à 23 mg l-1. Elle a été en général plus faible sous les cultures pérennes, sauf pour le miscanthus lors de la première année de mesure. Les stocks de carbone du sol ont augmenté fortement sous les cultures pluriannuelles (+0.93 t C ha-1 an-1) mais n'ont pas varié significativement pour les autres cultures. Le 15N retrouvé dans la biomasse récoltée a été plus faible pour les cultures pérennes, particulièrement lorsqu’elles sont récoltées tardivement, mais cela est compensé par une plus forte proportion de 15N dans leurs organes souterrains et dans le sol. Le 15N retrouvé dans le système sol-plante a été de 69% de l’azote apporté pour les cultures pérennes, 61% pour les cultures pluriannuelles et 56% pour les cultures annuelles, ce qui suggère que des pertes importantes ont eu lieu par volatilisation et dénitrification. Dans nos conditions pédoclimatiques, les cultures pérennes en C4 sont les plus intéressantes pour concilier forte production de biomasse, forte efficience d’utilisation de l’eau et de l’azote et faibles pertes d’azote vers l’hydrosphère et l’atmosphère. En revanche, seules les cultures pluriannuelles permettent de stocker du carbone à court terme
Second generation biofuels could provide renewable energy to the transportation sector while mitigating climate change. However, their greenhouse gas, energy and environmental balances will probably depend on the feedstock used for their production. Bioenergy crops that could be used for second generation biofuels will have to fulfil several requirements, including high productivity, low input requirements, and low environmental impacts. The objective of this work was to assess the water, N and C balances at the plot scale for various bioenergy crops with different management. The study is based on a long term field experiment, called “Biomass & Environment”, established at the INRA experimental station in Estrées-Mons, northern France. This experiment includes two perennial C4 crops (Miscanthus × giganteus and switchgrass), two semi-perennial forage C3 crops (fescue and alfalfa) and two annual C4/C3 crops (fibre sorghum and triticale). It compares two nitrogen treatments and two dates of harvest of perennial crops: early (October) or late harvest (February). Measurements have been carried out on: i) biomass production; ii) soil water stocks, monitored continuously during 7 years; iii) root depth and density; iv) drainage and nitrate concentration in drained water, assessed from soil water and mineral N content measurements (in mid-autumn and late winter) and using the STICS model; v) soil organic carbon (SOC) stocks in 2006 and 2011-2012; vi) the fate of 15N-labelled fertiliser applied during 4 or 5 successive years.Thanks to their deep rooting system, perennial and semi-perennial crops consumed more water than annual crops. The amount of drained water was lower under semi-perennial than annual crops (64 vs. 133 mm yr-1 average over 7 years), despite an equivalent biomass production. It was intermediate under perennial crops (56-137 mm yr-1) and negatively correlated to biomass production, itself depending on crop species and N rate. Nitrate concentration in drained water varied between 2 and 23 mg l-1. It was generally lower under perennial than other crops, except for miscanthus on the first year of measurement. SOC stocks increased markedly over time under semi-perennial crops (+0.93 t C ha-1 yr-1), whereas no significant change occurred under perennial and annual crops. The 15N recovery in the harvested biomass was lower for perennial than other crops, particularly when harvested late, but compensated by a higher 15N recovery in belowground organs and soil. The overall 15N recovery in the soil-plant system was 69% in perennials, 61% in semi-perennials and 56% in annual crops, suggesting that important fertiliser losses occurred through volatilisation and denitrification. In our pedo-climatic conditions, the C4 perennial crops performed best in terms of production, water and nitrogen use efficiency, and nitrogen losses towards the groundwater and the atmosphere. However, only semi-perennial crops yielded in SOC sequestration

L’utilisation des Produits Résiduaires Organiques (PRO) par l’agriculture peut permettre de substituer une partie des engrais minéraux et augmenter les niveaux de matière organique des sols. Elle peut également générer des pollutions azotées via la lixiviation de nitrate ou des émissions gazeuses. Mieux connaitre le devenir du carbone (C) et de l’azote (N) après applications de PRO sur les sols agricoles contribue à améliorer les bénéfices de cette pratique et à en limiter les impacts environnementaux. Cette thèse a pour objectif: (i) de prédire les dynamiques du C et du N en cas d’applications de PRO sur les sols agricoles, (ii) d’étudier les effets de scenarios d’apports de PRO sur les stocks de carbone dans les sols, la substitution des engrais azotés et les pollutions azotées dans le contexte du territoire de la Plaine de Versailles, en prenant en compte la diversité des sols, de leurs teneurs en C et des successions culturales, (iii) d’améliorer ces bénéfices à l’échelon du territoire via une distribution optimale des PRO. Le modèle CERES-EGC a été utilisé pour simuler les effets de 13 ans d’apports de PRO sur les dynamiques de C et de N dans le système sol-plante-atmosphère de l’expérimentation QualiAgro, située au cœur du territoire d’étude. Le sous-modèle NCSOIL a été paramétré à partir de cinétiques de minéralisation de C et N mesurées en conditions contrôlées de laboratoire. Le transfert de ces paramètres dans CERES-EGC a permis de simuler correctement les évolution des stocks de carbone dans les sols, les rendements et les prélèvements de N par les cultures ainsi que l’évolution des stocks de N minéral dans les sols. Les dynamiques de minéralisation de C et N des 18 PRO disponibles sur le territoire ont été déterminées. NCSOIL a été paramétré à partir des caractéristiques analytiques et des résultats de fractions biochimiques des PRO. Les types de sol du territoire n’ont pas impacté significativement le paramétrage. Les PRO ont été classés selon 4 types : (1) composts stables, (2) composts moins matures restant plus réactifs et les fumiers stables, (3) des fumiers très réactifs correspondant à des fumiers de chevaux, (4) des PRO très réactifs tels que des boues et des fientes pouvant plutôt être utilisés comme fertilisants. De nombreux scenarios d’apport de PRO, contraints par les flux de phosphore et de N apportés, ont été simulés sur 20 ans dans tous les contextes de sols, successions culturales et teneurs en C organique des sols du territoire. Le type de sol a impacté le plus le stockage de C et les lixiviations de nitrate tandis que les successions culturales étaient prépondérantes sur la substitution des engrais. Des composts ont permis de stocker 1.1 t C ha- 1 an-1 allant jusqu’63% du C apporté. Des substitutions de 74 kg N ha-1 an-1 ont été atteintes avec une boue mais aussi un compost en prenant en compte la substitution des engrais liée aux augmentations de matière organique dans les sols. La substitution des engrais a pu atteindre plus de 90% du N apporté par les PRO, ceci étant lié aux arrières-effets sur le stockage de matière organique dans les sols et dépendant des hypothèses de calcul de la substitution des engrais azotés. Un modèle d’optimisation a été développé pour sélectionner les scenarios d’apports de PRO pour chaque ilot du territoire (sol x succession de culture x teneur en C organique initiale x surface) tenant compte de la disponibilité des PRO et avec pour objectif de maximiser le stockage de C ou les substitutions en engrais azotés ou de minimiser la lixiviation de nitrate au niveau du territoire. En apportant préférentiellement les PRO les plus stables sur les sols à fort potentiel de stockage de C (fortes teneurs en argile et calcaire), jusqu’à 0.47 t C ha-1 an- 1 pourrait être stocké. En appliquant préférentiellement les PRO fertilisants sur les successions à maïs, et les PRO amendants sur les successions à colza jusqu’à 53 kg N ha-1 an-1 de N de synthèse pourrait être économisés
The use of Exogenous Organic Matter (EOM) in agriculture could be an efficient way to substitute mineral fertilisation and increase soil organic matter (SOM) enhancing soil fertility and storing carbon (C). It could also cause nitrogen (N) pollutions such as nitrate leaching and gas emissions. Better understanding of C and N fate after EOM applications on cropped soils would allow improving these benefits while limiting environmental impacts. This thesis aims at: (i) predicting EOM impacts when applied on cropped soils, (ii) studying the effects of various scenarios of EOM applications in terms of C storage, synthetic N saving and N pollutions in the context of the Plain of Versailles region (221 km²) and taking into account soil diversity, crop successions and soil organic C contents, (ii) studying the potential for improving these benefits at the regional scale with an optimal distribution of EOM. The CERES-EGC crop model was used to simulate the effects of repeated applications of EOM over 13 years on both soil C and N dynamics in the soil-crop-water-air system of the long-term field experiment QualiAgro located within the region. The sub-model NCSOIL was parameterised from C and N mineralisation kinetics of EOM measured in laboratory conditions. When transposing the parameters into the CERES-EGC model, C storage at the field scale was well simulated, together with crop N uptake and yields, as well as soil mineral N contents. The kinetics of C and N mineralisation of the 18 EOM available in the region were used along with EOM biochemical fractionations for parameterising the NCSOIL model. The soil type did not significantly change EOM parameters. Four groups of EOM were distinguished based on their C and N dynamics: (i) stable composts, (2) more reactive and less mature composts and stable manures, (3) manures with reactive OM corresponding to horse manures and (4) very reactive EOM as sludges, litters that should be used as fertilisers. Numerous scenarios of EOM applications, constrained on the phosphorus and N quantities they bring (and limiting the input in trace elements), were simulated for 20 years in all regional contexts of soil, crop successions and soil organic C contents. The soil type was the main factor controlling C storage and N leaching while it was crop successions for N saving. Some composts allowed C storage up to 1.1 t C ha-1 yr -1 reaching 63% of C applied. N saving of 74 kg N ha-1 yr -1 were possible with a dried sewage sludge and a compost. N substitution could reach more than 90% of N applied with EOM, these high percentages being related with the indirect effect of EOM on soil OM and the hypothesis made for N substitution An optimisation model was developed to select EOM application scenario for each crop plot (soil x crop succession x initial soil OC content x area) accounting for EOM availability in the region with the objectives of maximising C storage or synthetic N saving or minimising N leaching at the regional scale. Applying preferentially the most stable EOM on soils with the highest potential for C storage i.e. with the highest calcareous and clay contents, up to 0.47 t C ha-1 yr-1 could be stored. Applying preferentially fertilising EOM on crop succession with maize and amending EOM on succession with rapeseed, up to 53 kg N ha-1 yr -1 could be saved

Les protéagineux pourraient contribuer à réduire le déficit en protéines de l’Europe mais ils sont peu cultivés. L’association à une céréale permettrait de contourner leur variabilité de rendement et leur faible compétitivité vis-à-vis des adventices. Cette stratégie serait particulièrement pertinente pour le lupin blanc d’hiver, qui présente un fort potentiel de production de protéines mais un fort risque d’enherbement. Ce travail de thèse étudie en dynamique les interactions entre lupin, céréale et adventices afin de mettre en évidence les traits des espèces permettant d’accroitre leur complémentarité et la compétitivité vis-à-vis des adventices tout en sécurisant la productivité. L’étude d’un réseau de parcelles démontre que l’ajout de triticale permet d’augmenter la compétitivité vis-à-vis des adventices par rapport au lupin pur, d’obtenir un rendement supérieur et plus stable et de maintenir la production de protéines. Un essai en micro parcelles démontre le rôle majeur de la capture précoce d’azote (N) de la céréale pour accroitre la compétitivité vis-à-vis des adventices. Nous montrons que les rapports de compétition varient au cours du cycle et en fonction des espèces ou variétés ainsi que des conditions climatiques et influencent ainsi l’élaboration du rendement. De forts contrastes entre lupin et céréale pour des traits liés à l’acquisition précoce d’N sont décrits ainsi que leurs conséquences sur la mise en place de la complémentarité. Ce travail met en évidence que le choix d’espèces et de variétés aux traits complémentaires permet d’orienter les interactions entre lupin, céréale et adventices et ouvre des perspectives pour l’optimisation des performances
Pea, faba bean and lupin could help to reduce the European protein deficit but they are not widely grown. Intercropping with a cereal can be seen as a way to circumvent their high yield variability and their low competitive ability against weeds. This strategy could be particularly relevant for winter white lupin, a crop that can produce high amounts of proteins but that is prone to high weed infestations. This doctoral thesis studies the dynamic interactions between lupin, cereal and weeds to highlight species traits that allow increasing their complementarity and their competitive ability against weeds while securing productivity. Results of a multisite study in agricultural fields demonstrate that adding triticale in lupin allows increasing competitive ability against weeds as well as yield and yield stability compared with sole-cropped lupin while maintaining protein production. A plot experiment highlights the key role of cereal early Nitrogen (N) uptake in the increase of competitive ability against weeds. Analysis of resource sharing shows that competitive relationships vary throughout the cropping cycle, depend on species or cultivars as well as climatic conditions and that they influence yield formation. Strong contrasts between lupin and a cereal for traits related to early soil N uptake and their consequences on complementarity are highlighted by the results of rhizotron experiments. This work emphasizes the role of species and cultivar choice to manage interactions between lupin, cereal and weeds and opens perspectives for the optimization of intercrop performances

Nos objectifs sont de déterminer la demande en azote des cultures de maïs et d'analyser l'impact de la contrainte azotée sur leur fonctionnement. Pour comparer différentes doses d'azote et le fractionnement des apports, nous avons étudié les cinétiques de croissance des cultures irriguées pendant 4 années dans le sud-ouest de la France. Nous avons déterminé une relation allométrique critique entre la teneur en azote et la biomasse aérienne accumulée pour diagnostiquer le statut azote du maïs. Nous définissons un indice de nutrition azotée (INN) pour étudier les effets des traitements azotés. Il est comparé à des techniques rapides de diagnostic comme le diagnostic foliaire ou un test nitrate plante. Un modèle de croissance potentielle est déterminé à partir de nos résultats. Il décompose les processus de production en 3 grandes fonctions: installation du couvert foliaire, absorption et conversion du rayonnement solaire en biomasse, répartition des assimilats dans les racines et les épis. Il permet de simuler la croissance et de caractériser les indicateurs de fonctionnement dans leur état potentiel en fonction des températures et du rayonnement solaire. En utilisant INN, nous avons quantifié les effets de la contrainte azotée sur les principales variables du modèle de croissance et sur les composantes du rendement. En 1991, des cinétiques d'utilisation des engrais marqués (15N) sont comparées pour analyser les effets du fractionnement et des doses d'azote. Nous proposons une modélisation de la demande critique en azote du peuplement et des transferts dans la plante. Des simulations de la croissance potentielle et de la demande en azote des cultures de maïs, en fonction d'études climatiques fréquentielles, permettront d'améliorer les recommandations de la fertilisation azotée pour préserver la qualité de l'environnement

Apres des apports d'azote is en plein champ, la dynamique des transformations de l'azote dans le sol est suivie et particulierement l'organisation microbienne de l'azote mineral. Les facteurs de variation testes sont la forme d'apport, la date d'apport et la situation pedo-climatique. Des etudes en conditions controlees (incubations de sol nu et cultures pures de microorganismes isoles du sol) permettent d'expliquer l'organisation preferentielle de l'ammonium par rapport au nitrate

Dans les successions culturales, le pois et la feverole jouent un role important notamment pour l'economie d'azote de la rotation. Cependant, la part de l'azote fixe par symbiose et celle de l'azote absorbe du sol sont generalement mal estimees. L'etude contribue a fournir des elements sur la nutrition azotee de ces deux legumineuses cultivees dans des systemes de culture plus ou moins intensifies et, tente de simuler leur fixation symbiotique en adaptant un modele (epic). L'analyse de l'activite symbiotique mesuree selon trois methodes montre que dans les differentes conditions culturales, le maximum d'activite fixatrice d'azote des nodosites se situe a la floraison, et que les precedents de culture et l'intensification culturale influent sur l'expression du potentiel de fixation. Les adaptations du modele par l'introduction de parametres agrophysiologiques permettent d'obtenir une bonne simulation des cinetiques de production et d'assimilation de l'azote. Il ressort aussi que, malgre quelques limites du modele relatives a la simulation de la dynamique de l'eau et de la teneur en n-n03 du sol, la simulation de la fixation symbiotique dans differentes situations culturales est accessible