Short-term nitrogen (N) availability in agricultural soils is derived mostly from the labile organic N pool. A better understanding of N transformation processes that occur in key labile organic N fractions is necessary to recognize their role in N cycling and their relative contribution to N mineralization. The objectives of this thesis were to (1) examine, under field conditions, the influence of preceding legume and non-legume crops on microbial biomass N (MBN), water-extractable organic N (WEON), and particulate and light fraction organic matter N (POMN, LFOMN) across five sites and how these fractions supply N to canola (Brassica napus L.), as determined from N uptake and grain yield, and (2) investigate under controlled conditions, the incorporation and turnover of crop residue N through MBN, WEON, POMN and LFOMN. Labile organic N fractions were similar regardless of preceding crop but varied across sites due to soil and climatic conditions. The POMN was the best single predictor of soil N supply (R2 = 0.56 and R2 = 0.70 for yield and N uptake, respectively). Soil N supply was related to POMN, mineral N and sand content, which explained 68% of the variation in grain yield and 71% of the variation in N uptake. Sandy-loam and clay soils were incubated for 112 d with 15N-labelled faba bean (Vicia faba, C/N ratio = 29) and wheat (Triticum aestivum L, C/N ratio = 91) residues. After 3 d, most (17-30%) of the residue 15N was recovered in the POMN, with a greater proportion of the wheat than the faba bean residue recovered in the POMN fraction. The 15N recovered in the POMN fraction after 3 d was significantly related to mineral N released after 112 d (r = 0.78, P<0.001), with more 15N released as mineral N in sandy-loam than clay soil and from faba bean than wheat residue. Net N mineralization in whole soil (WS) + POM mixtures was better related to POM N concentration and less to soil mineral N, soil texture or pH, suggesting that the extent to which POM contributes to N mineralization depends on the crop residue chemistry from which it was derived. I conclude that the turnover of POMN is a major pathway through which mineral N is released in the short-term in agricultural soils. Current N fertilizer recommendations can be improved by considering POM and soil mineral N concentrations, soil texture and environmental conditions. This will help to minimize the negative impacts of N losses on the environment and make a significant step towards enhancing N-use efficiency in agroecosystems. / La disponibilité à court terme de l'azote (N) dans les sols agricoles est essentiellement issue de la fraction labile du N organique. Une meilleure compréhension des processus de transformation de ces fractions est nécessaire pour connaitre leur rôle dans le cycle de l'azote et leur contribution relative à la minéralisation de N. Les objectifs de cette thèse étaient de (1) examiner, sous les conditions de champs, l'effet du précédent cultural (légumineuse vs non-légumineuse) sur la biomasse microbienne de l'azote (MBN), l'azote organique extrait à l'eau (WEON) et les fractions légère et particulaire de la matière organique (POMN, LFOMN) à travers cinq sites et comment ces fractions sont-elles liées à l'approvisionnement en N [canola (Brassica napus L.) prélèvement de N et rendement en grains] and (2) étudier, sous des conditions contrôlées, l'incorporation et le turnover de l'azote des résidus des cultures via MBN, WEON, POMN et LFOMN. Les fractions labiles du N organique étaient similaires quel que soit le précédent cultural mais varie avec les sites due aux sols et aux conditions climatiques. Le POMN était le meilleur indicateur de l'approvisionnement en N (R2 = 0,56 and R2 = 0,70 pour le rendement en grains et le prélèvement en N, respectivement). De plus, l'approvisionnement en N était premièrement relié à l'effet combiné de POMN, l'azote minéral et la teneur du sol en sable; ces paramètres expliquent 68% de la variation dans le rendement en grains et 71% de la variation dans le prélèvement en N .Deux sols, loam sableux et argileux, ont été incubés pendant 112 jours avec des résidus d'haricot (Vicia faba, C/N = 29) et du blé (Triticum aestivum L, C/N = 91) marqués à 15N. Après 3 jours, la majeure partie (17-30%) des résidus de 15N a été trouvée dans la fraction POMN par comparaison aux autres fractions. Une plus grande proportion de résidus de blé que de résidus d'haricot a été trouvée dans la fraction POMN. La forme minérale du 15N libérée a été plus élevée dans le sol laom-sableux que dans l'argile et avec l'incorporation de l'haricot comparée au blé. Le 15N incorporé au POMN après 3 jrs a été significativement relié à l'azote minéral libéré après 112 jrs (r = 0.78, P<0.001). La minéralisation nette dans le mélange au sol entier (WS) + POM est plus liée à la teneur en N du POM qu'à la teneur du sol en N minéral, sa texture et son pH. Ainsi, l'ampleur de la contribution de la fraction POM à la minéralisation de l'azote dépond de son origine. Dans l'ensemble, les résultats de cette étude suggèrent que le turnover de la fraction POMN est la principale voie par laquelle le N minéral est libéré dans les sols agricoles. Les recommandations actuellement utilisées en fertilisation azotée peuvent être améliorées en tenant compte des POMN, N minéral du sol, texture du sol et les conditions environnementales. Ces informations permettront de minimiser les impacts négatifs de la perte de N dans l'environnement and contribueront à l'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'azote dans les agroécosystèmes.

In Canada, agricultural soils are the source of about 70% of the total emissions of nitrous oxide (N2O), a potent greenhouse gas (298 times CO2 equivalent) and ozone-depleting substance. The denitrification reaction that occurs in soils under anoxic conditions (e.g., after rainfall and snowmelt) is responsible for converting nitrate (NO3-) from fertilizer into N2O gas. Biochar is a soil amendment that is proposed to mitigate soil N2O emission by altering soil physical, chemical and biological properties, although the mechanism responsible for N2O reduction in biochar-amended soil is still not known. The aim of this study was to determine if biochar-amended soil resulted in lower soil N2O emissions from denitrification and whether changes in soil chemistry could explain the biochar effect on denitrification. Two experiments were conducted to measure denitrification in soils under controlled laboratory conditions. The first experiment with a sandy loam soil (topsoil and subsoil layers) evaluated actual (N2O only) and potential N2O (N2O + N2) production after 6 h of incubation, with or without acetylene blocking at 80% water filled pore space (WFPS). The highest biochar treatment (30 g kg-1 soil) reduced actual and potential N2O production in topsoil by 80% and 88%, respectively. A supplemental nitrate (NO3-) addition did not reverse the biochar-induced effect, indicating that the reduction in N2O production was not due to adsorption of inorganic N by biochar. In the next experiment, soil moisture was adjusted to 90% WFPS and the effect of biochar on basal (without supplemental C and N) and potential (with supplemental C and N) denitrification rates in the topsoil layer from sandy and loamy soils were determined. The change in soil pH after the addition of biochar was measured. The results showed that sandy soil did not favor denitrification and the denitrification rate was not affected by the biochar amendment; however, the biochar amendment significantly (p<0.0001) increased soil pH and increased the potential denitrification rate in the loamy soil. In conclusion, soil pH is a critical factor in controlling the potential denitrification rate in loamy soils, and the increase in soil pH following the addition of biochar to acidic soils could decrease N2O production from the topsoil layer. / Au Canada les terres agricoles sont la source de près de 70% des émissions d'oxyde nitreux (N2O). Un puissant gaz à effet de serre, près de trois cent fois plus actif que le CO2, il appauvrit aussi la couche d'ozone. Après une pluie ou un dégel, la réaction de dénitrification qui a lieu en conditions anoxiques dans le sol, est responsable de la conversion des nitrates (NO3-), provenant d'apports en engrais, en gaz N2O. Quoique le mode d'action du biochar ne soit pas connu, son utilisation comme amendement du sol, par voie d'une modification des caractéristiques physiques, chimiques et biologiques du sol, semble permettre d'atténuer les émissions de N2O. La présente étude tentera d'établir si un sol enrichi de biochar présente un taux d'émissions de N2O provenant de dénitrification moins élevé qu'un sol sans amendement, et si l'effet d'une modification chimique du sol sur la dénitrification en est responsable. En laboratoire, sous des conditions contrôlées, la dénitrification dans le sol fut mesurée sous deux conditions. Dans une première expérience la production réelle (N2O seulement) et potentielle (N2O + N2) de N2O fut évaluée après 6 h d'incubation dans un loam sableux (couche arable et sous-sol) avec une proportion de pores remplis d'eau (PPRE) de 80%, avec ou sans blocage par l'acétylène. L'amendement en biochar le plus élevé (30 g kg-1 sol) réduisit la production réelle et potentielle de N2O dans la couche arable de 80% et 88%, respectivement, par rapport à un sol sans amendement. L'ajout de NO_3^- ne renversa pas l'effet du biochar, indiquant que la réduction de la production en N2O par le biochar n'était pas lié à son adsorption d'azote inorganique. Dans une seconde expérience, l'humidité du sol fut ajustée à 90% PPRE et l'effet d'un ajout de biochar sur le taux de dénitrification de base (sans ajout de C ou N) et potentiel (ajouts de C et N) fut évalué pour une couche arable sablonneuse et une limoneuse. L'effet de l'ajout de biochar sur le pH du sol fut aussi évalué. L'ajout de biochar n'altéra pas le taux de dénitrification dans un sol sablonneux, déjà défavorable à la dénitrification, mais augmenta à la fois le pH et le taux de dénitrification potentiel (P < 0.0001) du sol limoneux. Notant que le pH du sol semble être un important facteur déterminant le taux de dénitrification potentiel du sol limoneux, et il est suggéré que l'augmentation du pH du sol suivant un ajout de biochar pourrait diminuer le taux de production de N2O du sol arable.

Canola is an ideal feedstock for biodiesel production because of its high oil and low saturated fat concentrations. There is interest in producing more canola in Québec, but producers lack fertilization guidelines to optimize high oilseed yield and quality in canola. Nitrogen (N) is the most important determinate of oilseed yield and quality and N fertilization is important for biomass accumulation during the early vegetative stage and for oil synthesis during the reproductive stage. The first objective of this study was to monitor soil mineral N (NO3-N + NH4-N) dynamics and canola straw nutrition in response to N fertilization. Two fertilization methods - a pre-plant and split application of fertilizer N were studied at the Emile A. Lods Agronomy Research Centre on the Macdonald Campus of McGill University at Ste-Anne-de-Bellevue, Québec, using a fractional factorial experimental design. The second objective was to evaluate N use efficiency (NUE) and harvest index (HI) of canola grown in pots containing soils from Ste-Anne-de-Bellevue, St-Augustin-de-Desmaures and Ottawa using a completely randomized design. Split application of a sidedressed N fertilizer did not increase the post-harvest soil mineral N concentration or increase straw nutrition compared with the pre-plant N application. There was considerable spatio-temporal heterogeneity in soil mineral N dynamics, so additional field trials are warranted. The pot study showed inconsistent correlations between straw N concentration and yield in canola grown in the soils collected from Ste-Anne-de-Bellevue (not related), St-Augustin-de-Desmaures (negative), and Ottawa (positive). Straw N concentrations were related to low straw and oilseed yield, indicating there is an optimal straw N concentration to achieve target yields. Seeding in late May and disease occurrence close to the end of flowering stage reduced the oilseed yield more than straw yield. Future research on the pattern of N translocation (e.g.: from leaf to pod, then to oilseed) under Québec climatic conditions will contribute to the development of an N fertilization guideline. Since some soils in Québec have an appreciable soil N supply, knowledge of how much soil N is used to meet canola N requirement will keep N fertilizer costs low while optimizing oilseed yield and quality. / Le canola est une matière première idéale pour la production de biocarburant car il a une teneur élevée en huile et basse en gras saturés. Au Québec, les producteurs sont intéressés à cultiver davantage de canola, mais font face à un manque de directives en matière d'engrais nécessaire afin d'obtenir un haut rendement d'huile de qualité à partir du canola. L'azote (N) est chez les oléagineux le facteur le plus important déterminant le rendement et la qualité de l'huile; l'engrais azoté est important pour l'accumulation de biomasse pendant le premier stade végétatif et pour la production d'huile pendant le stade reproductif. Le premier objectif de la présente étude a été de suivre l'évolution de la dynamique de l'azote minéral du sol (NO3-N + NH4-N) et la nutrition de la paille de canola en réponse à l'engrais azoté. Deux méthodes de fertilisation – fertilisation en présemis et fertilisation partagée fractionnée ont été étudiées au Centre de recherche agronomique Emile A. Lods, au campus Macdonald de l'université McGill à Ste-Anne-de-Bellevue, Québec, utilisant un plan d'expérience factoriel fractionnel. Le deuxième objectif a été d'évaluer l'efficacité d'utilisation de l'azote (NUE) et l'indice de récolte (HI) du canola cultivé en pots avec du sol provenant de Ste-Anne-de-Bellevue, de St-Augustin-de-Desmaures et d'Ottawa, utilisant un plan d'expérience entièrement aléatoire (conception de bloc complètement randomisé). La fertilisation fractionnée et l'application d'azote en bande avec de l'engrais azoté de couverture n'a pas augmenté la concentration d'azote minéral du sol après-récolte, ni la nutrition de la paille de canola comparativement à la fertilisation azotée précoce (see correction above for précoce). Dû à l'importante hétérogénéité spatio-temporelle de la dynamique de l'azote minéral du sol, des études sur le terrain additionnelles sont à recommander. L'étude des plants en pots a démontré une corrélation linéaire négative entre la concentration en azote de la paille et le rendement de la paille. Les concentrations en azote de la paille ont été corrélées avec des bas rendements de paille et d'huile, indiquant qu'il existerait une concentration idéale de l'azote de paille pour obtenir les rendements visés. Certains facteurs réduisent la qualité de l'huile ainsi que le rendement de la paille, soit de semer vers la fin mai ainsi que les maladies qui apparaissent lors de la floraison. D'autres études sur la translocation de l'azote (p. ex. de la feuille à la gousse, puis à la graine) sous les conditions climatiques du Québec contribueront au développement des directives en matière de fertilisation azotée. Puisque certains sols du Québec ont des réserves appréciables d'azote du sol, connaître la quantité d'azote du sol nécessaire afin de satisfaire aux besoins en azote du canola permettra de maintenir de bas coûts pour l'engrais azoté, ainsi que d'optimiser le rendement et la qualité de l'huile des oléagineux.

Seven billion people are urinating every day, excreting 28 million tonnes of nitrogen (N) a year (Vinneräs, 2002). This mass of N excreted is equal to 26% of the annual global N fertilizer demand, a value of $21.3 trillion USD (based on $350 USD per metric tonne of urea) (Alibaba, 2012, FAO, 2011). The use of human excreta as N fertilizer would allow the recovery of nutrients, resulting in savings for farmers, and counter the threat to people's health by reducing contact with untreated human waste. This practice, termed ecological sanitation (EcoSan), has a long history of application in traditional agricultural contexts, but has a limited scientific knowledge base. This thesis builds upon the scientific knowledge base by: (1) analyzing the chemical changes in soil from long-term use (nine years) of human urine as a fertilizer compared to mineral fertilizer; (2) optimizing the human urine application rate for spinach in Himachal Pradesh, India; and (3) performing a theoretical quantitative microbial risk assessment (QMRA) for the use of human urine on spinach in northern rural India. A sensitivity experiment, comparing synthetic human urine, mineral fertilizer and in combination and with the increasing application rates, observed that spinach was able to withstand significantly higher EC soil levels than were commonly reported. Brown mustard biomass production rates did decrease with the increased application rates of the three fertilizer treatments. Tissue samples from field trials in India had no significant difference between N concentrations for the three fertilizer treatments (human urine, mineral fertilizer and combination of the two) and were all significantly higher than the control (no fertilizer). The dry biomass production of spinach from the human urine treatments were significantly higher than the control and were not significantly different to mineral fertilizer treatments, confirming that human urine can substitute mineral fertilizer. The optimal human urine application rate in Himachal Pradesh, India, was 59.3 m3 ha-1 of human urine, resulting in 360 kg N, 570 kg P2O5 and 720 kg K2O per ha per season which is higher than the current guidelines. Of the three fertilizer treatment, the optimal fertilizer was the combination treatment (human urine with additional phosphate (P) and potassium (K)) at 360 kg N ha-1 as it had significantly higher biomass productions to that of the human urine and the mineral fertilizer treatments. The novel finding was the use of sodium (Na) by the spinach plants as a supplement for K deficiencies in the human urine fertilizer treatments. The tissue samples from the human urine treatments had significantly higher Na concentrations than the other treatments, with no signs of toxicity. This finding illustrates that other crops with the ability to compensate for limited K will perform well with EcoSan systems by using the Na contained in urine. The results of this thesis illustrated that the 28 million tonnes of excreted human N is an effective substitute to expensive mineral fertilizer. Though, based on the QMRA, areas prone to high occurrence of diarrheal disease should use human urine for crops that will be processed, such as rice, or for cash-crops and not for edible crops grown close to the ground, such as spinach. / Sept milliards de personnes urinent chaque jour, excrétant 28 millions de tonnes d'azote (N) par an (Vinnerås 2002). Cette masse d'azote excrétée est égale à 26% de la demande annuelle d'engrais azoté global, d'une valeur de $ 21,3 trillions USD (sur la base de 350 $ USD par tonne métrique d'urée) (Alibaba 2012, FAO, 2011). L'utilisation des excréments humains comme engrais permettrait la récupération des nutriments, ce qui permettrait aux agriculteurs de faire des économies, et contrer la menace pour la santé des personnes en réduisant le contact avec les déchets humains non traités. Cette pratique, appelée assainissement écologique (EcoSan), a une longue histoire d'utilisation dans des contextes agricoles traditionnelles, mais dispose d'une base de connaissances scientifiques limitée. Cette thèse s'appuie sur la base de connaissances scientifiques par: (1) l'analyse des changements chimiques dans le sol à partir de l'utilisation à long terme de l'urine humaine comme engrais par rapport aux engrais minéraux, (2) optimiser le taux d'application de l'urine humaine pour les épinards dans l'Himachal Pradesh, Inde, et (3) d'effectuer une évaluation quantitative des risques microbiologiques théorique (QMRA) pour l'utilisation de l'urine humaine sur les épinards dans le nord de l'Inde rurale. Une expérience de sensibilité, en comparant l'urine humaine synthétique, d'engrais minéraux et la combinaison avec l'augmentation des taux d'application, ont montré que les épinards étaient capable de résister à des niveaux de CE dans le sol nettement plus élevés que ce qui a fréquemment été rapporté. Les taux de production de biomasse de moutarde brune ont diminué avec l'augmentation du taux d'application des trois traitements de fertilisation. Des échantillons de tissus provenant d'essais sur le terrain en Inde n'avaient pas de différence significative entre les concentrations d'azote pour les trois traitements de fertilisation (urine humaine, engrais minéraux et la combinaison des deux) et étaient significativement plus élevés que le contrôle (sans engrais). La production de biomasse sèche des épinards dans les traitements de l'urine humaine a été significativement plus élevée que le contrôle et n'était pas significativement différente aux traitements d'engrais minéraux, confirmant que l'urine humaine peut remplacer les engrais minéraux. Le taux d'application de l'urine humaine optimale dans l'Himachal Pradesh, en Inde, était de 59,3 m3 par hectare d'urine humaine, résultant en 360 kg d'azote, 570 kg de P2O5 et 720 kg K2O par hectare et par saison, ce qui est plus élevé que les lignes directrices actuelles. Parmi les trois traitement d'engrais, l'engrais optimal était le traitement combiné (urine humaine avec du phosphate supplémentaire (P) et le potassium (K)) à 360 kg N ha-1 puisque les taux de production de la biomasse étaient sensiblement plus élevés pour celle de l'urine humaine et de l'engrais minéraux. La nouvelle découverte a été l'utilisation de sodium (Na) par les plants d'épinards comme un supplément pour les lacunes en K dans les traitements de fertilisation d'urine humaine. Les échantillons de tissus provenant des traitements d'urine humaine avaient des concentrations de Na significativement plus élevés que les autres traitements, sans aucun signe de toxicité. Ce résultat montre que d'autres cultures qui ont la capacité à compenser la quantité limité en K se développeront bien avec les systèmes ecosan en utilisant le Na contenu dans l'urine. Les résultats de cette thèse ont illustré que les 28 millions de tonnes de N humain excrété est un substitut efficace à l'engrais minéral cher. Bien que, sur la base du QMRA, les zones sujettes à la fréquence élevée des maladies diarrhéiques devraient utiliser l'urine humaine pour les cultures qui seront transformées, tels que le riz, ou de cultures de rente, et non pour des cultures comestibles poussant au ras du sol, comme les épinards.

<p> Knowledge of soil moisture spatial patterns provides basic but important information in studies of hydrological processes. At the field to subwatershed scale, soil moisture spatial variability is critical to aid in hydrologic modeling, but has not been adequately studied. Two new approaches were taken to contribute to the study of soil moisture spatial variability at this scale. The Bayesian Maximum Entropy (BME) framework is a more general method than classical geostatistics and has not yet been applied to soil moisture spatial estimation. The recently developed mobile Cosmic-ray Soil Moisture Observing System (COSMOS), i.e. COSMOS rover, has a &sim;660 m diameter footprint which can potentially be used in field to subwatershed scale soil moisture mapping. The objectives of this research are to compare the effectiveness of BME versus ordinary kriging (OK) for spatial prediction of soil moisture at the field scale, and to calibrate and validate a COSMOS rover for mapping 0 &ndash; 5 cm soil moisture at spatial scales suitable for evaluating satellite-based soil moisture estimates. High resolution aerial photography was incorporated into the soil moisture spatial prediction using the BME method. Soil moisture maps based on the BME and the OK frameworks were cross-validated and compared. The BME method showed only slight improvement in the soil moisture mapping accuracy compared to the OK method. The COSMOS rover was calibrated to field average soil moisture measured with impedance probes which were themselves calibrated to 0-5 cm soil moisture measured by soil sampling. The resulting rover calibration was then applied to map soil moisture around the Marena, Oklahoma In Situ Sensor Testbed (MOISST) in north central Oklahoma, USA and in the Little Washita River watershed in southwest, Oklahoma. The maps showed reasonable soil moisture patterns and a clear response to soil wetting by an intervening rainfall. The rover measured field averaged soil moisture with an RMSD of 0.039 cm³ cm^-3 relative to the impedance probes which themselves had an RMSE of 0.031 cm³ cm^-3 relative to soil moisture measured by soil moisture sampling. The results provide evidence that a COSMOS rover can be used effectively for near surface soil moisture mapping with acceptable accuracy.</p>

In this paper we explored variation in Cr/Co and V/Co ratios with time in 21 pelagic clay samples from various locations in Pacific Ocean. We also included data from previous researchers to illustrate the trend we observed. Reasons for the observed change are explained and pros and cons for each one are examined. What motivated us to start this research is that redox evolution of oceans through time is one of the most desired but elusive parameters in paleo-oceanography. Most attempts have focused on tracking variations in redox-sensitive elements in anoxic margin sediments. However, redox conditions in marginal basins vary widely due to local effects and do not necessarily represent the conditions of the open ocean. As an alternative approach, bulk-rock Cr/Co and V/Co ratios in oxic pelagic clays are explored here as tracers of redox-evolution of the global oceans on the million year timescale. Bulk-rock Cr/Co and V/Co ratios are always much lower than that of riverine inputs. One of the explanations for this phenomenon is that Cr and V are probably sequestered in anoxic environments on oceanic margins whereas the open ocean appears to be the major sink for Co. Based on this mass balance approach, it seems that, in theory, it should be possible to use these elemental ratios as potential tracers of redox state in the ocean. However, here we were not able to confirm this possibility. Bulk-rock Cr/Co and to a lesser extent V/Co ratios in several pelagic clay sites in the Pacific show a rise from ~25 Ma ago to the present. While this secular change in bulk ratios might suggest an increase in oxygenation of the Pacific Ocean, the changes can be simply explained by an increase in detrital component, such as wind-blown dust or volcanic ash, or equivalently, by a proportional decrease in hydrothermal inputs. In order to minimize influence on the change caused by detrital component, we tried to calculate hydrogenous component in our samples by subtracting out a detrital component that has a constant composition, which in reality is likely to vary significantly and the value is not known well. Besides variation in the composition of the detrital component, there are other explanations including diagenetic effects and changes in the composition of the dissolved inputs into rivers with time. We conclude that although Cr/Co and V/Co hold promise as potential redox-sensitive tracers, interpreting their signals is presently frustrated by many complicating factors.

A three-fold investigation of soil-water relations in the Big Thicket of East Texas was conducted. This study included an examination of the accuracy and reliability of electronic resistance soil moisture sensors in monitoring natural forested systems, a characterization of soil and soil-water attributes of three contrasting sites in the Big Thicket, and, finally, the calibration and validation of a predictive model of soil moisture stress for these three locations. Soil moisture stress as calculated by the models differentiated the xeric site, but there was little difference in stress levels between the mesic and hydric sites. The possibility of extreme weather during growing seasons was presented as an explanation of the different vegetation patterns observed.

In Norway, 65% of agricultural soils are under grassland that receives high N inputs from manure and mineral fertilizers each year and are expected to be an important source of N₂O from denitrification. The objectives of this thesis were to quantify the N₂O emissions, denitrification potential and N₂O:(N₂+N₂O) ratio of grassland soils from Western Norway and to relate these measures of N₂O production to soil physico-chemical properties and climate. During a two-year field experiment, there was relatively little N₂O emitted (fluxes did not exceed 200 μg N₂O-N m-2 h-1) from grassland receiving manure and mineral fertilizers. The N₂O fluxes were positively correlated (p < 0.001) with soil mineral N (r= 0.29) and air temperature (r= 0.31) in both years, but negatively correlated with WFPS (r= -0.44) in 2009 only. Cumulative N₂O losses were from 1.5 to 2.1 kg N₂O-N ha-1 in 2009 and 0.2 to 0.7 kg N₂O-N ha-1 in 2010. Year-to-year variation in N₂O loss was attributed to the N fertilizer regime prior to 2009 and higher N mineralization rates in 2009 than in 2010. Dry matter yield and the cumulative N₂O losses were negatively correlated in 2009 and positively correlated in 2010, probably due to differences in climatic conditions and grassland productivity. Laboratory incubations with soil from eight grasslands gave N₂O:(N₂+N₂O) ratios from 0.14 to 0.74, which were negatively correlated (p< 0.05) with soil organic C (Corg) and soil pH. Higher N₂O:(N₂+N₂O) ratios from soils washed with a 5mM KNO₃ solution imply that N₂O production by denitrifiers was limited by NO₃ availability. Denitrification potential was from 0.42 to 9.38 μg N₂O-N gdwsoil-1 h-1, with the lowest value in the forest soil, intermediate values in the mineral soils and the highest value in the peat soil. The denitrification potential was correlated with soil Corg (r= 0.95, p < 0.01) and soil pH (r=0.46, p < 0.05). We propose that grassland soil be limed more frequently to increase soil pH and therefore reduce the N₂O emissions associated with low soil pH. Furthermore, the low NO₃ availability in Norwegian grasslands due to the efficient N use by plants indicates that these agroecosystems should have low N₂O emissions. / En Norvège, 65% des terres agricoles sont cultivées en fourrage et reçoivent de grandes quantités d'engrais organique et minéral, représentant donc des sources potentielles de N₂O par la dénitrification. Les objectifs de ce mémoire étaient de quantifier les émissions de N₂O, le potentiel de dénitrification et le ratio N₂O:(N₂+N₂O) de sols de prairies agricoles de l'ouest de la Norvège et de relier ces mesures de production de N₂O aux propriétés physiques et chimiques du sol et aux variations climatiques. Lors des deux années de l'expérience au champ, il y a eu relativement peu de N₂O émis (les flux n'ont jamais excédé 200 μg N₂O-N m-2 h-1) par la prairie ayant reçu du lisier et des engrais minéraux. Les flux de N₂O étaient positivement corrélés (p < 0.001) avec l'azote minéral du sol (r= 0.29) et la température de l'air (r= 0.31) durant les deux années, mais négativement corrélés avec le contenu du sol en eau (r= -0.44) en 2009. Les pertes cumulatives de N₂O ont varié de 1,5 à 2,1 kg N₂O-N ha-1 en 2009 et de 0,2 à 0,7 kg N₂O-N ha-1 en 2010. La variation inter-annuelle est attribuée à un effet résiduel de la fertilisation avant 2009 et par un taux de minéralisation de l'azote supérieur en 2009 qu'en 2010. Le rendement en matière sèche et les pertes cumulatives en N₂O étaient corrélés négativement en 2009 mais positivement en 2010, probablement dû à des différences climatiques et à la productivité de la prairie. Des expériences d'incubation au laboratoire avec huit sols de prairies ont donné des ratios N₂O:(N₂+N₂O) entre 0.14 et 0.74, et ces ratios étaient négativement corrélés (p< 0.05) avec le contenu du sol en carbone organique et le pH du sol. Le ratio N₂O:(N₂+N₂O) plus élevé dans les sols ayant reçu du KNO₃ (5 mM) indique que la production de N₂O par les dénitrifiants était limité par le NO₃. Le potentiel de dénitrification se situait entre 0,42 μg N₂O-N g sol-1 h-1 et 9,38 μg N₂O-N g sol-1 h-1, avec la plus petite valeur dans le sol forestier, les values intermédiaires dans les sols minéraux et le plus élevé dans le sol organique. Le potentiel de dénitrification était significativement corrélé avec le contenu du sol en carbone organique (r= 0.95, p < 0.01) et le pH du sol (r=0.46, p < 0.05). Nous suggérons que les prairies soient chaulées plus fréquemment pour augmenter le pH du sol afin de réduire les émissions de N₂O dû au faible pH du sol. De plus, la faible disponibilité des NO₃ dans les prairies de l'ouest de la Norvège dû à l'efficacité des plantes à utiliser l'azote indique que ces agro-écosystèmes devraient émettre de petites quantités de N₂O.

The System of Rice Intensification (SRI) is a resource-conserving rice production system that uses intermittent flooding and organic fertilization. The SRI is emerging as an alternative to conventional rice production systems that use continuous flooding and mineral fertilizer only, however yield improvements with SRI have been highly variable. The objective of this research was to determine if soil properties control the yield improvements with SRI and, if so, the underlying chemical and biological mechanisms. A meta-analysis of 72 SRI vs. conventional system trials from 16 countries found a significant yield response to SRI in low fertility soils (P&lt;0.0001), but no difference between SRI and the conventional system in moderate and high fertility soils. These results were validated in a greenhouse study. Soils with low P availability (≤7.1 mg P kg-1) responded positively to intermittent flooding and organic fertilizer by increasing plant biomass, plant P uptake, available soil P and microbial P concentrations, compared to soils under continuous flooding and amended with mineral NPK fertilizer only. A field study investigating the interactive effects of water regime and fertilizer source found that, under conditions of P limitation, yields were greater with NPK + composted cow manure (compost) than NPK fertilizer alone in the intermittently flooded (6.6 t ha-1 vs. 4.9 t ha-1) and continuously flooded (6.8 t ha-1 vs. 6.2 t ha-1) soils. The available soil P concentration was significantly increased by compost and was correlated with yield (P=0.007). When N was the most limiting nutrient, according to the Diagnostic and Recommendation Integrated System (DRIS) analysis, yields were greater in the continuously flooded (5.2 t ha-1) than intermittently flooded (2.7 t ha-1) soils receiving NPK fertilizer only, but showed no difference when compost was applied. Compost had a positive effect on the crop nutrient balance according to DRIS analysis (P=0.0007). On-farm trials of SRI at 10 locations in Panama showed an average yield increase of 47% and 86% less water use. SRI is recommended as a rice production system to conserve water and improve rice yields under conditions of P limitation. Organic fertilization is recommended to improve crop nutrient balance and yield under intermittently flooded soil conditions. / Le Système de Riziculture Intensive (SRI) est un système de production du riz qui préserve les ressources naturelles en utilisant l'irrigation intermittente et la fertilisation organique. SRI apparait comme une alternative aux systèmes de production de riz conventionnels qui utilisent l'irrigation continue et seulement des engrais minéraux; cependant les améliorations de rendement avec le SRI ont été très variables. L'objectif de cette recherche a été de déterminer si les améliorations de rendement dépendent des propriétés du sol avec SRI et quels sont les mécanismes chimiques et biologiques sous-jacents. Une méta-analyse de 72 tests SRI vs systèmes traditionnels dans 16 pays a révélé une réponse significative du rendement au SRI sur sols à faible fertilité (P&lt;0.0001) mais pas de différence sur des sols à moyenne et forte fertilité. Ces résultats ont été validés par une étude en serre. Des sols bas en P (≤7.1 mg P kg-¹) ont réagis positivement à l'irrigation intermittente et aux engrais organiques en augmentant la biomasse de la plante, l'assimilation P, la disponibilité du P du sol, les concentrations microbiennes de P, comparativement aux sols avec irrigation continue et modifiés avec des engrais minéraux NPK seulement. Une étude de terrain investiguant les interactions des types d'alimentation en eau et des types d'engrais a démontré que dans les conditions de limitation de P, les rendements étaient plus importants avec NPK + fumier de vache (compost) qu'avec l'engrais NPK seul sur sols irrigués par intermittence (6.6 t ha-¹ vs 4.9 t ha-¹) et sur sols irrigués en continue (6.8 t ha-¹ vs 6.2 t ha-¹). La concentration P a été augmentée de façon significative par le compost et corrélée au rendement (P=0.007). Selon l'analyse du Système Intégré de Diagnostic et Recommandation (DRIS), lorsque l'N était la substance nutritive la plus limitée, les rendements étaient meilleurs sur des sols à irrigation continue (5.2 t ha-¹) que sur sols à irrigation intermittente (2.7 t ha-¹) en utilisant l'engrais NPK seulement, mais les rendements n'étaient pas différents quand le compost était utilisé. Le compost avait un effet positif sur l'équilibre des substances nutritives de la récolte selon l'analyse de DRIS (P=0.0007). Des essais du SRI dans les fermes à différents endroits du Panama ont montré une augmentation moyenne du rendement de 47% et ont utilisé 86% de moins d'eau. SRI est recommandé en tant que système de production du riz pour préserver l'eau et pour augmenter les rendements de production du riz dans les conditions de limitation du P. La fertilisation organique est recommandée pour améliorer l'équilibre des substances nutritives de la récolte et du rendement dans les conditions de sols irrigués par intermittence.

Developed countries' growing awareness of greenhouse gas (CO2, CH4, N2O) emissions from agricultural soils has led to an increased interest in the management of soil organic matter (SOM), which now extends to developing countries, including Bangladesh. Bangladeshi agriculture follows a largely rice-based cropping rotation, for which insufficient site-specific information regarding gas emissions exists to identify temporal variability of SOM content. The objective of this study was to evaluate the applicability of the 'Denitrification-Decomposition' model (DNDC, version 9.3) as a tool to better understand SOC trends in tropical agriculture. DNDC was used to simulate gas emissions from 1948 to 1969 and 1981 to 2007, under farm management practices prevalent in the Dinajpur district of Bangladesh. Forty-nine years of historical daily precipitation and temperature data were used for simulation with DNDC, such that both aerobic and anaerobic conditions were experienced in any given year. A "summer rice - monsoon rice - wheat" cropping pattern was used. As the input parameters of annual precipitation and flooding duration would likely affect DNDC-simulated results, model outputs were categorized on the basis of the magnitude of these parameters. In each categorization scheme the output data were sorted either based on (i) mean, (ii) probability of exceedance, or (iii) standard deviation of annual precipitation or flooding duration. An analysis was then conducted of correlations among input and output variables. Relationships between simulated variables like CO2 emissions, CH4 emissions, and change in SOC content, and input variables such as annual precipitation and flooding duration were generally similar under both of categorization schemes. In high precipitation years changes in SOC content showed a negative correlation (r = 0.90, P ≤ 0.05) with CO2 emissions, and a positive correlation with CH4 emissions (r = 0.85, P ≤ 0.05), highlighting the importance of studying gas emissions as part of the net C balance embedded in DNDC. When categorized according to annual precipitation, CO2 and CH4 emissions were negatively correlated; however, no significant relationship existed when emissions data were categorized on the basis of flooding duration. This discrepancy might arise from the way in which DNDC computes the soil's net C balance. In physical systems, CH4 emissions from paddy fields have an important effect on SOC; however, DNDC calculates CH4 emissions based on available organic C generated by the decomposition sub-model, but the net change in SOC is only balanced according to the CO2 gas emissions calculated by decomposition sub-model. Thus, the CH4 emission calculated by the fermentation sub-model is not included as a loss of SOC in the C balance. The consequence of this in the output data was a steadily increasing SOC associated with the increase in CH4 emissions from the simulated soil system. In order to more accurately model the soil carbon balance in tropical agricultural systems with flooded soils, DNDC should be modified to take into consideration C lost through CH4 emissions in addition to those lost as CO2. DNDC might then be used in sensitivity analysis for different farm management practices under paddy-based cropping systems. Physical experimental analysis is also important for validation of the modelling work. This study showed that DNDC can serve as a rough tool to represent change in the SOC content under Bangladeshi agricultural practices. Some modifications of DNDC, however, would be desirable to make it better suited for future work of this kind. / La plus grande prise de conscience des pays développés quant aux émissions de gaz à effet de serre (CO2, CH4, N2O) provenant de sols agricoles a mené à un intérêt accru pour une gestion durable de la matière organique du sol (MOS). Cet intérêt s'étend maintenant à plusieurs pays en voie de développement, dont le Bangladesh. L'objectif de cette étude fut d'évaluer l'applicabilité du modèle informatique 'Dénitrification-Décomposition' (DNDC, version 9.3) comme outil permettant de mieux comprendre les tendances en MOS dans le contexte de l'agriculture des tropiques. Le DNDC servit à simuler les émissions de gaz à effet de serre de 1948 à 1969 et de 1981 à 2007, selon les modes de gestion agricole prévalent dans le district de Dinajpur, au Bangladesh. Une historique de précipitations et températures quotidiennes de 49 ans servit à alimenter les simulations avec DNDC, de façon à ce que des conditions aérobies et anaérobies aient lieu en toute année donnée. Une rotation de cultures "riz d'été - riz mousson - blé" fut employée. Comme les paramètres d'entrée (précipitation annuelle et durée d'inondations) auraient probablement un effet sur les résultats simulés par DNDC, les variables de sortie furent triées selon l'échelle de chacun des paramètres d'entrée. Pour chaque mode de catégorisation les variables de sortie furent triées selon soit (i) la moyenne, (ii) la probabilité de dépassement, or (iii) et l'écart type de la précipitation annuelle ou de la durée annuelle d'inondations. Une analyse fut ensuite conduite des corrélations entre les variables d'entrée et de sortie. Le type de corrélation existant entre les variables de sortie simulées (émissions de CO2, émissions de CH4, et variation en MOS) et les variables d'entrée (précipitation annuelle, durée d'inondations) fut généralement semblable pour les deux critères de tri. Lors d'années de précipitation élevée la variation en MOS fut inversement corrélée (r = 0.90, P ≤ 0.05) aux émissions de CO2, et directement corrélée aux émissions de CH4 émissions (r = 0.85, P ≤ 0.05), soulignant l'importance qu'il y a d'étudier les émissions de gaz par l'entremise du module de bilan global en C de DNDC. Lorsque trié selon la précipitation annuelle, les émissions de CO2 and CH4 furent inversement corrélées, tandis que lorsque le tri se fit selon la durée des inondations aucune corrélation significative n'apparut. Cette divergence s'avère peut-être le résultat de la façon par laquelle DNDC calcul le bilan en C du sol. Dans le monde réel, les émissions de CH4 provenant de rizières submergées ont un important effet sur la MOS. Cependant, DNDC calcule les émissions de CH4 selon le carbone organique disponible calculé par le module de décomposition, mais le bilan global en MOS n'est ajusté que pour le CO2 émis par le module de décomposition. Ainsi, les émissions de CH4 calculées par le module de fermentation ne sont pas prises en compte comme une perte en MOS dans le bilan de C. Par conséquence les données de sortie indiquèrent une augmentation progressive en MOS, associée à une augmentation en émissions de CH4 provenant du sol simulé. Afin de modeler plus précisément le bilan en C du sol dans les systèmes agricoles des tropiques à sols inondés, DNDC devrait être modifié afin de prendre en compte les pertes en C sous forme d'émissions de CH4 en plus de celles sous forme de CO2. Le DNDC pourrait alors servir à une analyse de sensibilité qui examinerait différentes pratiques de gestion agricole pour les rizières. Une analyse physique d'expériences sur le terrain s'avèrerait utile à une validation des travaux de modélisation. Cette étude démontra que DNDC peut servir d'outil approximatif pour représenter les variations en MOS advenant des pratiques agricoles courantes au Bangladesh. Cependant, il serait souhaitable que certaines modifications soient faites au modèle DNDC, pour qu'il soit mieux adapté à de futures utilisations de ce genre.