Дисертації з теми "Zones de cultures – Engrais et amendements"

L’agriculture intensive a de nombreuses externalités négatives. De plus en plus d’études mettent en évidence des moyens de les réduire, en substituant les intrants chimiques par des pratiques agroécologiques, valorisant les solutions fondées sur la nature. La compétition pourrait être un levier agroécologique pour réguler les plantes adventices et ainsi réduire les pertes de rendement. Si les plantes adventices préemptent les ressources aux plantes de cultures, la capacité compétitrice des plantes de culture et l’effet sur la limitation d’accès aux ressources pour les plantes adventices reste peu étudiée. Cette thèse a pour objectif de comprendre et quantifier le rôle de la compétition sur l’assemblage des plantes adventices des parcelles de grandes cultures de la Zone Atelier Plaine & Val de Sèvre, en tenant compte des effets des pratiques agricoles et des caractéristiques paysagères. Je montre que la compétition est un mécanisme majeur de la diversité et de l’abondance des assemblages dans les parcelles, et qu’elle surpasse l’effet des pratiques. Si ces dernières ont souvent des effets négatifs sur la diversité florale, elles n’ont pas toujours d’effet positif sur la production agricole. Ces effets sont très dépendants du contexte, tel que la composition du paysage, le type de culture, et la localisation de l’assemblage dans la parcelle. Enfin, certains éléments du paysage, riches en espèces, peuvent être préservés dans un but de gérer durablement les agroécosystèmes et conserver la biodiversité. En conclusion, la réduction des intrants chimiques semble possible et ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour la transition agroécologique, et une agriculture plus durable
Conventional farming has major negative environmental externalities. An increasing number of studies highlighted that nature-based solutions could replace agrochemicals. Plant-plant competition has been suggested as an agroecological lever to control weeds and therefore reduce yield loss. Although crop-weed competition has been widely studied to investigate the effect of weeds on crop yield, the effect of crop competitive ability on weeds remains sparsely studied. This PhD thesis focuses on the contribution of competition on weed assemblages in arable fields of the LTSER Zone Atelier Plaine & Val de Sèvre accounting for the effect of agricultural practices and landscape. I showed that competition is the main mechanism shaping weed diversity and abundance in field cores, a process that outperforms the effect of management practices. If the latter often have negative effects on weed diversity, their positive effects on crop production are not systematic. These effects vary with landscape composition, crop type, management practices and the location within field. In addition, some landscape features, hosting a rich diversity, can sustain crop production and enhance biodiversity conservation. To conclude, reducing agrochemicals seems possible and this work opens new insights to foster the agroecological transition to move toward a more sustainable agriculture

Thèse (M.Sc.T.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006.
La p. de t. porte en outre: Mémoire présenté à l'Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en science[s] de la terre. CaQCU Bibliogr.: f. 120-125. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

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

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.

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.

Dans le contexte de la rareté croissante des ressources naturelles non renouvelables, le génie pédologique permet de construire des Technosols fertiles exclusivement à partir du recyclage de sous-produits industriels délaissés. Cependant, la croissance des plantes peut être limitée par différentes contraintes liées à la présence de contaminants inorganiques dans les matériaux utilisés. L’agromine, qui vise à recycler les métaux stratégiques de l’environnement, représente alors une stratégie écologique et prometteuse pour la gestion durable de ces agrosystèmes. Afin de mieux comprendre les processus contrôlant la pédogenèse et l’évolution des Technosols, ainsi que le potentiel d’agromine sur ces sols, une série d’expériences en conditions contrôlées et sur le terrain ont été réalisées avec (i) Noccaea caerulescens, espèce hyperaccumulatrice de Cd, Ni et Zn (ii) sur des Technosols construits à partir de matériaux délaissés contaminés ou non en métaux (iii) amendés ou non en produits résiduaires organiques (compost ou biochar). A l’échelle du terrain, les résultats attestent que les propriétés des Technosols construits sont fortement influencées par les matériaux parents utilisés. Les sous-produits industriels utilisés dans la construction de sol peuvent avoir un effet initial indésirable pour la production de biomasse végétale due à l’augmentation de la salinité du sol. Une caractérisation fine de la spéciation des métaux a mis en évidence une évolution très rapide des Technosols, en particulier, la dissolution et la lixiviation des phases minérales solubles et la formation de nouvelles phases sorbantes (oxydes de Fe et de Mn) réduisant la disponibilité chimique des métaux. En conditions contrôlées, les amendements en biochar ou en compost tendent à améliorer la disponibilité en éléments nutritifs. Ceci peut être attribué à l’augmentation des activités enzymatiques et de la diversité microbienne, tant structurelle que fonctionnelle, en particulier lors d’addition de compost. Il en résulte une augmentation des teneurs en éléments essentiels dans les parties aériennes de la plante. Concernant les éléments en traces, l’addition au sol de biochar conduit à une diminution de leur disponibilité, alors qu’un effet inverse a été observé lors d’addition de compost. Toutefois les deux amendements augmentent les teneurs en métaux dans les parties aériennes avec un effet supérieur du compost par rapport au biochar. Ainsi, l’espèce hyperaccumulatrice Noccaea caerulescens a montré son aptitude à s’établir sur des Technosols peu fertiles et à concentrer Cd et Zn à des valeurs supérieures au seuil d’hyperaccumulation démontrant la faisabilité de l’agromine de ces métaux. Par ailleurs, les deux amendements organiques semblent pertinents pour améliorer la phytoextraction sur des Technosols construits
In the context of the increasing scarcity of non-renewable natural resources, the soil engineering has already allowed to build fertile Technosols exclusively from the recycling of abandoned industrial byproducts. However, it has also been shown that plant growth can be limited by various constraints related to the presence of inorganic contaminants in the used materials. Therefore agromining, which aims to recycle strategic metals from the environment, represents a promising strategy for ecological and sustainable management of these agricultural systems. To better understand the processes controlling pedogenesis and evolution of Technosols and the potential of agromining on these soils, a series of experiments in controlled conditions and field were performed with (i) Noccaea caerulescens, a hyperaccumulator species of Cd and Zn, (ii) on Technosols constructed from abandoned materials (iii) amended or not with organic compounds (compost or biochar). At the field scale, the results attest that Technosols properties are strongly influenced by the used parent materials. Industrial by-products used in soil construction can have an adverse effect for the initial plant biomass production due to the increase in soil salinity. A detailed characterization of metal speciation highlighted a very rapid evolution of Technosols in particular the dissolution and leaching of soluble mineral phases and the formation of new sorbent phases (Fe oxides and Mn) reducing the chemical availability metals. Under controlled conditions, biochar or compost amendments tend to improve nutrient availability. This can be attributed to the increase in enzyme activities and microbial diversity, at both structural and functional level, particularly in case of compost addition. This results an increase of essential elements content in the aerial parts of the plant. Regarding trace elements, adding to the soil biochar leads to a decrease of their availability, while an opposite effect was observed during compost addition. However, the two amendments increase the concentration of metals in shoots with a superior effect of compost with respect to biochar. Thus, hyperaccumulator species Noccaea caerulescens has shown its ability to establish on low fertility Technosols and concentrate high levels of Cd and Zn above the threshold of hyperaccumulation demonstrating then the feasibility of agromining of these metals. Moreover, both amendments appeared relevant to improve phytoextraction from abandoned industrial materials

L’objectif de cette thèse est d’estimer le coût de mesures d’atténuation des émissions de gaz à effet de serre (GES) liée à la fertilisation des cultures qui représente en Europe et en France respectivement 38% et 44% des émissions de GES de l’agriculture. L’étude du coût et du potentiel d’abattement est effectuée sur deux mesures clés dans l’atténuation des émissions à savoir la mise en place de plantes fixatrices d’azote (i.e. légumineuses) et la réduction de la fertilisation par hectare. Le potentiel d’atténuation des légumineuses est étudié en simulant leur augmentation dans les assolements agricoles français et dans un deuxième temps à l’échelle de rotations de cultures pouvant durer jusqu’à six ans dans cinq régions européennes. Les résultats obtenus révèlent que des réductions importantes d’émissions sont possibles, tout en augmentant le profit des agriculteurs. Le rôle de l’aversion pour le risque est aussi étudié concernant la réduction de la fertilisation des cultures par hectare. Nous montrons analytiquement les conditions conduisant à une sur-application d’engrais par hectare permettant aux agriculteurs averses au risque de minimiser le risque de perte de rendement. Les simulations numériques effectuées spécifiquement sur les agriculteurs averses au risque démontrent qu’une assurance d’atténuation des émissions peut potentiellement déclencher des réductions importantes d’émissions de gaz à effet de serre
In this thesis, we assess the mitigation cost of greenhouse gas (GHG) from fertilization which represents 38% and 44% of agricultural GHG emissions in Europe and in France. This assessment is conducted for two key measures in climate mitigation which are the implementation of legumes crops and the reduction of fertilization per hectare. The abatement potential of legume crops is computed by simulating their increase in French croplands and also by a switch of crop rotations on several years (up to 6 years) in five European regions. Results show that significant mitigation amounts can be obtained by increasing farms revenues. The role of risk aversion is studied through the reduction of fertilisation per hectare. We analytically shows the conditions leading to nitrogen over-applications on crops which allows farmers to minimize their risk of loss on crop yields. The simulations lead on risk averse farmers show that an insurance covering yield variability could be foreseen as an interesting tool to mitigate emissions

Les relations entre les états de développement végétatif ou reproductif de la vigne et la sensibilité aux attaques de l’oïdium et du botrytis sont complexes et pauvrement documentées dans la littérature. L’état de croissance de la plante peut agir de façon directe ou indirecte sur les maladies et ce travail a cherché à étudier et à décrire ces relations. Pour cela, un dispositif expérimental a été installé sur une parcelle près de Montpellier avec différentes modalités de gestion du sol (enherbement permanent ou semi-permanent, désherbage total, irrigation) qui ont permit de créer des conditions de croissance contrastées. L’hypothèse selon laquelle le développement épidémique de l’oïdium et du botrytis est positivement corrélé aux états de croissance de la vigne a été vérifiée. Pour le botrytis, les deux facteurs principaux qui expliquent cette relation positive sont les conditions climatiques et micro climatiques en interaction avec les états de croissance de la vigne. Pour l’oïdium, le facteur explicatif majeur a été la population d’organes sensibles à partir de la floraison. Un schéma théorique général qui prend en compte cette relation croissance-maladie, ainsi que les mécanismes explicatifs est proposé. Les conditions qui défavorisent la croissance et le rendement de la vigne défavorisent aussi le développement des maladies. Paradoxalement ces conditions ne permettent pas forcement de satisfaire les objectifs de rendement et de qualité. En effet, l’état de croissance qui produit le rendement le plus élevé est celui de la modalité irriguée et fertilisée (optimum de production). Le niveau de croissance qui prévient le plus les dégâts sur grappes est celui de la modalité avec un enherbement permanent (optimum sanitaire). Entre ces deux extrêmes, on trouve la modalité avec un enherbement semi-permanent, qui produit des rendements et des dégâts de maladies intermédiaires ainsi que le raisin qui a été jugé le meilleur pour la production de vin

Des données synchroniques de sols observées pendant 20 à 40 ans dans différentes zones agro-écologiques du Togo ont été utilisées pour analyser l'évolution de la fertilité du sol sous différentes pratiques culturales. Trois modèles de complexité croissante d'évolution du stock de C du sol ont été testés et le plus performant a été couplé au modèle QUEFTS pour apprécier l'effet des pratiques culturales sur l'évolution de cette fertilité. Bien que la fertilisation NPK ait été continuellement appliquée à la dose recommandée par la recherche (RR) ou à cette dose augmentée de 50% (1.5RR), les rendements initiaux de 1,5 à 2 t ha-1 pour le coton et 2 à 3 t ha-1 pour les céréales ont baissé pour ne représenter qu'environ 1 t ha-1 après 20 années de culture. L'alternance de 2 ou 3 années consécutives de jachère à la rotation culturale n'a pas amélioré le rendement des cultures, mais tend à stabiliser la production dans le long terme. Les stocks initiaux de C de 15 à 39 t ha-1 ont fortement baissé durant les premières années et ont atteint un équilibre après seulement 10 à 15 ans de culture. La baisse du stock de C a été peu dépendante de la quantité de C retournant au sol et a été mieux décrite avec le modèle à deux compartiments de C. Le taux de minéralisation de la fraction labile de C varie entre 0,15 et 0,24 et le stock de C stable représente 33-67% du stock initial ; pour une quantité de C ayant résisté à l'hydrolyse acide de 30% du stock initial. Les stocks de N du sol ont fortement baissé et cette baisse a été peu dépendante de la dose de fertilisation minérale. L'apport NPK à 1.5RR pendant 20 ans a contribué significativement à la baisse du pH du sol, puis a accentué de 20 et 40% les baisses respectives des concentrations de Ca et Mg. Nous avons conclu que l'apport de Ca/Mg couplé à celui de NPK à la dose RR serait (plus que le surdosage de P et K) une meilleure option pour gérer la fertilité minérale de ces sols. Le labour minimum, associé aux apports externes de C, devrait permettre de mieux gérer leur fertilité organique.

Le potassium est un nutriment essentiel à la croissance et au développement des plantes. Les minéraux argileux dans les sols représentent un important réservoir de K disponible pour les plantes. L'extraction de K fixé à partir de l'espace interfoliaire des minéraux micacés 2:1 peut entraîner une augmentation de la distance feuillet à feuillet qui peut être mesurée par diffraction des rayons X . Des échantillons de l'expérience Morrow Plots continue avec du maïs (C) ou du maïs-avoine-foin (R), provenant de sous-parcelles fertilisées (F) et non fertilisées (U) pour les années 1904, 1957, 1980, 1997 et 2013-2014, ont été soumis au fractionnement granulométrique séquentiel pour obtenir la fraction limoneuse (50-2 um) et les sous-fractions argileuses (2-0,2, 0,2-0,05 et <0,05 um). Les résultats granulométriques montrent une hétérogénéité significative malgré la petite taille de la MP, et un gain de sous-fraction < 0,05 um avec le temps. La modélisation des diagrammes de diffraction des rayons X a été effectuée pour obtenir une identification concluante de l'assemblage de minéraux argileux et évaluer l'impact de 110 ans d'agriculture continue et de différentes pratiques agronomiques. Un assemblage complexe de minéraux argileux a été identifié avec jusqu'à onze contributions différentes nécessaires pour reproduire les données expérimentales de sous-fractions de moins de 2 um, y compris jusqu'à six couches mixtes d'illite-smectite-chlorite. L'analyse de phase quantitative pour toutes les sous-parcelles et toutes les années, a montré que l'assemblage minéral du MP est similaire entre les différentes sous-parcelles, quel que soit le traitement agronomique. Aucune preuve significative d'altération ou de transformation des phases minérales argileuses n'a été observée au fil du temps. La nature dioctaédrique des minéraux argileux de la MP désavantage l'extraction du K et donc la dissolution est le mécanisme privilégié pour l'absorption du K et la perte de sous-fractions 2-0,2 et 0,2-0,05 um est attribuée à ce processus
Potassium is an essential nutrient for plant growth and development. Clay minerals in soils represent an important reservoir of plant-available K. Extraction of fixed K from the interlayer space of micaceous 2:1 minerals can lead to an increase in the layer-to-layer distance which can be measured by X-ray diffraction. Samples from the Morrow Plots continuous corn (C) and corn-oats-hay (R) experiment, from fertilised (F) and non-fertilised (U) subplots for the years 1904, 1957, 1980, 1997 and 2013-2014 were subjected to sequential size-fractionation to obtain the silt fraction (50-2 um) and clay-sized subfractions (2-0.2, 0.2-0,05 and <0.05 um). Granulometric results show siginificant heterogeneity despite the small size of the MP, and a gain in <0.05 um subfraction with time. Full-profile fitting of X-ray diffraction patterns was performed to obtain conclusive identification of the clay mineral assemblage and assess the impact of 110-years of continuous agriculture and different agronomic practices. A complex clay mineral assemblage was identified with up to eleven different contributions necessary to reproduce the experimental data of <2 um subfractions, including up to six illite-smectite-chlorite mixed-layers. Quantitative phase analysis for all subplots and years showed that the mineral assemblage of the MP is similar between different subplots, regardless of agronomic treatment. No significant evidence of alteration or transformation of clay mineral phases was observed over time. The dioctahedral nature of the clay minerals of the MP disfavours K-extraction and thus dissolution is the favoured mechanism for K-uptake and the loss of 2-0.2 and 0.2-0.05 um subfractions is attributed to this process

La recherche d’une agriculture durable et respectueuse de l’environnement passe par une réduction de l’usage d’intrants de synthèse. L’agroécologie cherche à utiliser les interactions entre les organismes de l’agroécosystème pour optimiser son fonctionnement, comme la régulation naturelle des bioagresseurs. C’est dans cette optique que s’inscrit ce travail de thèse qui étudie l’effet de la fertilisation des cultures sur les épidémies de pathogènes foliaires fongiques des cultures. De plus, nous étudions l’évolution des pathogènes face à des scénarios de fertilisation. Cela questionne la durabilité des pratiques culturales qui participent à la régulation les épidémies. Pour répondre à ces questions, nous avons adopté une démarche de modélisation qui permet de simuler l’effet de différents scénarios de fertilisation. Le point de départ et l’originalité de notre démarche a été de considérer le système hôte-pathogène comme un système ressource-consommateur et d’y appliquer des concepts de l'écologie évolutive pour répondre à ces questions agronomiques. Dans les deux modèles construits durant cette thèse, la fertilisation influence directement la quantité de ressources disponible pour le pathogène. Nous nous y concentrons sur un trait d'histoire de vie du pathogène, la période de latence (durée séparant l'infection du début de la sporulation), qui correspond à la durée minimale d'un cycle infectieux et qui, conditionne la stratégie d'allocation des ressources du pathogène. La latence détermine en effet la quantité de ressource qui sera allouée à la croissance du mycélium (donc sa taille à maturité) et celle qui sera ensuite allouée à la sporulation (en relation avec sa taille). Les modèles développés permettent d'étudier les réponses épidémiologique et évolutive des pathogènes foliaires fongiques à la fertilisation des cultures, avec comme référence le système Blé d'hiver/Rouille brune. Nous avons considéré différentes échelles dans ce travail : depuis la lésion où le pathogène se nourrit directement sur son hôte, jusqu’à la parcelle où se développent les épidémies et au paysage où les flux de spores entre les parcelles sont source d’extension des épidémies dans l’agroécosystème. Un premier modèle, à l'intersection des modèles épidémiologiques "SEIR" et des modèles de populations structurées, couvre les échelles de la lésion à celles de l’épidémie et de la parcelle. Le second modèle, à l'intersection des modèles SEIR et des modèles spatiaux d'épidémiologie du paysage, couvre les échelles de la parcelle au paysage agricole. Nous étudions les dynamiques épidémiologiques et évolutives, en comparant des concepts de fitness empiriques et d’invasion. Nous montrons que la fertilisation des cultures, en déterminant la dynamique des ressources disponibles pour les pathogènes, impacte fortement les épidémies. Nos modèles prédisent que la latence des pathogènes évolue en réponse à des compromis écologiques variés, d’une part pour optimiser l’allocation des ressources au niveau des feuilles, mais également pour gagner la course face à la croissance du couvert. La fertilisation, en changeant les concentrations de métabolites foliaires et les dynamiques de croissance du couvert, impacte donc épidémies et réponses évolutives de la latence des pathogènes. A l’échelle du paysage, l’introduction de pratiques variées de fertilisation dans un paysage préalablement homogène pourrait permettre de réduire les épidémies. Cependant, notre modèle prédit une durée limitée de cet effet du fait de l’évolution et de la diversification des pathogènes dans un paysage hétérogène. Ce travail ouvre la voie à des travaux sur l’effet et la durabilité des pratiques pour réguler les épidémies dans l’agroécosystème. Enfin, nous montrons par un travail de méta-analyse qu’il existe une relation forte entre type trophique et latence du pathogène, suggérant que les différents types de pathogènes répondront différemment à des scénarios de réduction de fertilisation
The quest for a sustainable agriculture requires a reduction in the use of synthetic inputs. In this perspective, agroecology seeks to use interactions between organisms in the agroecosystem to replace inputs by ecosystem services, such as the natural regulation of pests and diseases. In this context, this thesis studies the effect of crop fertilization on epidemics of crop fungal foliar pathogens. We also take into account the evolution of these pathogens in response to fertilization scenarios. This allows us to study the sustainability of agricultural practices that contribute to the regulation of epidemics. To answer these questions, we adopted a modelling approach that simulates the effect of different fertilization scenarios. The starting point and originality of our approach was to consider the pathosystem as a consumer-resource system and to use concepts of evolutionary ecology to answer the abovementioned agronomic questions. In the two models developed in this thesis, fertilization directly determines the quantity of resources available for the pathogen. We focus on one of the pathogen's life history traits, the latent period (time period between infection and the onset of sporulating lesions), which corresponds to the minimum duration of an infectious cycle and constrains the pathogen's resource allocation strategy. The latent period determines the amount of resource that will be allocated to either growth of mycelium (and therefore to pathogen size at maturity) or to sporulation (proportional to the pathogen’s size). The models we developed make it possible to study the epidemiological and evolutionary responses of fungal foliar pathogens to crop fertilization. We parameterized our models according to our biological knowledge of the wheat-rust pathosystem. Our modelling work encompasses different spatial and temporal scales: from the lesion where the pathogen feeds directly on its host, to the field and the landscape where the spores that flow between fields are the source of epidemics in the agroecosystem. The first model, at the intersection of the "SEIR" epidemiological models and structured population models, covers the scales of a lesion, the crop canopy and the field. The second model, at the intersection of SEIR and spatial landscape epidemiology models, covers the scales of the field and the agricultural landscape. We study epidemiological and evolutionary dynamics of pathogen populations by comparing empirical and invasion fitness concepts. We show that crop fertilization, by determining the dynamics of available resources for pathogens, has a strong impact on foliar fungal epidemics. Our models predict that pathogen latent period evolves in response to various ecological trade-offs; on the one hand to optimize resources allocation at the leaf scale, on the other hand to win the race against canopy growth. By changing the leaf metabolite content and the rate of canopy growth, fertilization therefore impacts both epidemics and evolutionary responses of pathogen latent period. At the landscape scale, the introduction of various fertilization practices in a previously homogeneous landscape could help to partially regulate epidemics. However, our model predicts that the beneficial effects of heterogeneity will vanish due to the evolution and diversification of pathogens in heterogeneous landscapes. This work sets the stage for further work on the effect and sustainability of agricultural practices on the regulation of crop epidemics in agroecosystems. Finally, by performing a meta-analysis, we bring out a strong relation between pathogen trophic type and latent period, suggesting that different trophic types of pathogens will respond differently to decreasing fertilization scenarios