Dans un contexte de réduction des impacts des pratiques agricoles sur la santé humaine et sur les écosystèmes, il est nécessaire de bien prendre en compte la volatilisation d’ammoniac (NH3) dans les inventaires d’émissions, la compréhension du devenir de l’azote après fertilisation et la modélisation de la qualité de l’air. Etant donné le poids de la fertilisation azotée (55%) dans le total des émissions nationales de NH3, cette dernière constitue un levier important pour réduire les émissions de NH3. Les inventaires nationaux actuels, basés sur l’utilisation de facteurs d’émission par défaut, souffrent d’un manque de description spatiale et temporelle, rendant difficile l’élaboration des politiques de réduction efficaces des émissions. Par ailleurs, même s’il existe à l’heure actuelle des modèles qui simulent de manière globale le devenir de l’azote sur le cycle de la culture, la volatilisation de NH3 n’est pas toujours prise en compte, et si elle l’est, les modules de volatilisation sont souvent relativement frustres et n’ont été que partiellement validés. Il existe pourtant des modèles dédiés exclusivement à la volatilisation de NH3 au champ, mais leurs exigences en données et paramètres d’entrée et leur temps de calcul limitent leur utilisation à grande échelle (exemple, échelle nationale…) sur de nombreux sites géographiques pendant plusieurs années, ainsi que leur intégration dans des modèles opérationnels de prédiction de la qualité de l’air, ou des outils d’aide à la décision ou d’évaluation environnementale en termes de fertilisation azotée.Cette thèse propose des nouveaux outils. Le premier outil, CADASTRE_NH3, permet de décrire et d’analyser la variabilité spatio-temporelle des émissions de NH3 liées à la fertilisation azotée. Il couple le modèle de processus Volt’Air avec des bases de données géo-référencées sur les facteurs agro-pédoclimatiques à l’échelle nationale. Cette approche d’inventaires des émissions a montré sa capacité à capturer les variabilités spatio-temporelles de l’utilisation d’azote et des émissions de NH3 qui en résultent, et à prendre en compte l’effet des interactions des facteurs pédologiques et/ou climatiques sur les émissions. La confrontation des résultats de l’outil CADASTRE_NH3 avec les inventaires officiels français montrent de fortes convergences en ce qui concerne les quantités d’azote utilisé et les émissions de NH3 en France pour l’année 2005-06, mais aussi des divergences notamment pour le cas des produits résiduaires organiques. Le deuxième type d’outils correspond aux méta-modèles dérivés de Volt'Air pour prédire les taux d’émissions de NH3 après application d’engrais azotés. Ces méta-modèles présentent de nombreux avantages pratiques du fait de leur simplicité et opérationnalité. Ils ont des potentiels d’utilisation prometteurs pour accompagner la prise de décision en terme de conditions d’utilisation des engrais et également pour appuyer les politiques de réduction des émissions à travers par exemple la réalisation des tests de scénarios.Il serait cependant intéressant de confronter les outils développés dans le cadre de cette thèse avec des données expérimentales pour évaluer leur performance respective et valider l’ensemble de nos approches. Il serait également intéressant de développer des méta-modèles dynamiques dérivés du modèle Volt’Air capables de décrire la dynamique des flux de NH3 liés à l’application des engrais azotés pour être intégrés comme modules simples de volatilisation de NH3 dans des modèles agronomiques et atmosphériques. / In a context of reducing the impacts of agricultural practices on human health andecosystems, it is necessary to better account for ammonia (NH3) volatilization in the inventories of NH3 emissions, the understanding of the nitrogen behavior after fertilization and the modeling of air quality.Given the considerable weight of nitrogen fertilizer (55%) in the total national NH3 emissions, nitrogen fertilization is an important lever for reducing NH3 emissions. Current national inventories are based on the use of default emission factors (EF) and suffer from a lack of fine spatial and temporal NH3 emissions descriptions making it difficult to develop effective emission reduction policies. Moreover, even if there are currently models that globally simulate the fate of nitrogen on the crop cycle, their do not always take into account the volatilization of NH3, and if it is, the volatilization modules are often very frustrating and have not been validated. There are models dedicated exclusively to the volatilization of NH3 in the field, but their requirements for data and input parameters and their calculation time limit their large-scale use (e.g, at national scale) in many geographical locations for several years as well as their integration into airquality prediction models or decision support or environmental assessment tools in terms of nitrogen fertilization.This thesis proposes new tools. The first tool, CADASTRE_NH3 makes it possible to describe and analyze the spatio-temporal variability of NH3 emissions from nitrogen fertilization. It combines the Volt'Air process-based model with geo-referenced databases on agro-soil-meteorological factors at the national level. This approach has demonstrated its ability to capture the spatio-temporal variability ofnitrogen use and resulting NH3 emissions, and to take into account the effect of soil and climate factor interactions on emissions. The comparison of CADASTRE_NH3 results with the official French inventories shows strong convergences regarding the quantities of nitrogen used and NH3 emissions in France for the year 2005-06, but also divergences especially for the case of organic waste products. Thesecond type of tool corresponds to meta-models derived from Volt'Air for predicting NH3 emission rates after nitrogen fertilizer applications. These meta-models have many practical advantages because of their simplicity and operability. They have promising potential uses to support decision-making in terms of fertilizer use conditions and also to support emission reduction policies through, for example, scenario testing.However, it would be interesting to compare the tools developed in this thesis with experimental data to evaluate their respective performance and validate all our approaches. It would also be interesting to develop dynamic meta-models of Volt'Air that can describe the dynamics of NH3 fluxes related to nitrogen fertilizer applications and to be integrated as simple modules of NH3 volatilization in agronomic and atmospheric models.

Le raisonnement de la fertilisation azotée du blé a, depuis 40 ans, été largement orienté par le consensus autour de la méthode du bilan, avec comme principes fondamentaux : une nutrition azotée non limitante tout au long du cycle et l’estimation, de manière indépendante, des différents termes de l’équation du bilan pour caractériser la fourniture du sol et les besoins en azote de la plante. Au regard des enjeux de réduction des pollutions environnementales, de l’évolution des exigences qualitative du marché, ainsi que des difficultés de mise en oeuvre de la méthode, on s’interroge sur l’opportunité de renouveler ce paradigme. Pour proposer une nouvelle méthode qui réponde aux divers enjeux concernant l’azote, qui valorise au mieux les connaissances disponibles et dont la mise en oeuvre est cohérente avec les moyens des acteurs, nous avons mis en oeuvre une démarche de conception innovante, structurée en 3 étapes : un diagnostic des usages des outils actuels, une phase de conception, incluant des ateliers de conception et la mise au point de règle de décision à l’aide d’un modèle, et un test d’usage du prototype conçu.Le diagnostic des usages a mis en évidence plusieurs obstacles à la mise en oeuvre de la méthode du bilan, dont la fixation de l’objectif de rendement, ce qui a orienté la phase de conception vers l’exploration d’un concept de méthode de fertilisation azotée permettant de s’en affranchir. La méthode mise au point est basée sur le suivi régulier de l’état de nutrition azotée de la plante, l’acceptation de carences en azote non préjudiciables et des règles de décision tenant compte des conditions météorologiques au moment de l’apport. Nous montrons que la conception a rendu nécessaire la production de nouvelles connaissances, mais aussi la diversification des ressources et des compétences habituellement mobilisées. Ce travail enrichit les méthodes de conception d’outils d’aide à la décision en montrant comment l’articulation des 3 étapes permet de sortir du paradigme qui domine la fertilisation azotée depuis des décennies et d’élaborer un outil palliant les défauts des outils actuels. / Decisions about nitrogen fertilizer application on wheat have, for the last 40 years, been based on the balance sheet method, with the following underlying principles: non-limiting nitrogen nutrition throughout the crop cycle, and independent estimation of the various terms of the equation, to characterize soil nitrogen supply and plant nitrogen needs. Environmental pollution, changes in the qualitative requirements of the market and difficulties implementing this method have raised questions about whether it might be appropriate to switch to new ways of managing nitrogen fertilizer. We developed a new method meeting the diverse constraints relating to nitrogen use, making the best use of available knowledge and easily applicable by users, through a 3-steps innovative design approach: a diagnosis of the use of current tools, a design phase including design workshops, production of new knowledge, a modelbased prototyping, and the testing of a prototype method.The diagnosis of uses identified several barriers to the implementation of the balance sheet method, including the need to set a target yield. This directed the design phase towards the exploration of new ways of managing nitrogen fertilizer that did not require the fixing of a target yield. The method developed is based on the regular monitoring of plant nitrogen nutrition, the toleration of periods of nitrogen deficiency that are not prejudicial and the use of decision rules taking weather conditions at the time of nitrogen application into account.This design required the generation of new knowledge and a diversification of the resources and skills usually mobilized. This work enriches the methods for designing decision support tools and shows how a combination of 3 steps can be used to develop a tool for managing nitrogen fertilizer applications completely different from the dominant paradigm of the last 40 years, and compensating the defects of current methods.