L’agriculture intensive qui caractérise le bassin de la Seine depuis une cinquantaine d’années est basée sur la généralisation de l’usage des engrais de synthèse et des pesticides et la rupture de la complémentarité culture-élevage. Ce mode d’agriculture compromet aujourd’hui gravement la qualité des eaux souterraines et de surface, notamment par la contamination nitrique. La mise en œuvre d’alternatives qui permettraient de concilier production agricole et respect de la qualité de l’eau se heurte à beaucoup d’entraves, de nature techniques et sociales. Sur le plan technique, le manque de données de références et d’indicateurs rigoureux permettant d’évaluer les performances agronomiques et environnementales de systèmes agricoles alternatifs, est un frein majeur. Le premier objectif de cette thèse est donc de développer un cadre conceptuel solide pour évaluer ces performances en termes de capacité productive et de risque de lixiviation nitrique, à travers le bilan d’azote des sols. Nous avons tout d’abord établi, sur base d’une méta-analyse des données de la littérature, des relations robustes pour l’estimation de la quantité d’azote fixée par les légumineuses qui jouent un rôle essentiel dans la fertilisation des systèmes d’agriculture biologique. Nous avons alors pu étudier la relation fertilisation/rendement/surplus des systèmes agricoles, d’une part pour établir leurs trajectoires d’évolution dans 124 pays au cours des 50 dernières années à travers les données de la FAO, d’autre part pour comparer les performances agro-environnementales des principales rotations biologiques rencontrées dans le bassin de la Seine avec celles des rotations pratiquées en agriculture conventionnelle raisonnée. Nous avons enfin établi sur une base empirique la relation qui existe entre surplus, lixiviation et concentration des eaux de drainage sous terres arables et prairies permanentes. Nous montrons dans une seconde partie comment le cadre conceptuel d’analyse technique ainsi développé peut être utilement appliqué dans des territoires particuliers pour éclairer et orienter des logiques d’acteurs et crédibiliser certaines alternatives qui puissent nourrir une nécessaire transition vers des agrosystèmes plus durables. Une analyse détaillée de la situation des captages de la Plaine du Saulce, qui alimentent la ville d’Auxerre, et celle du champ captant de Flins-Aubergenville, qui fournit en eau potable l’Ouest parisien, est ainsi présentée. Des scénarios alternatifs, allant au-delà des simples aménagements de pratiques, sont proposés, en tenant compte du contexte géographique et hydrogéologique propre à chaque cas d’étude. / The intensive agriculture characterizing the Seine watershed since half a century is based on the generalization of the use of synthetic fertilizers and pesticides and by the rupture of the connection between crop and livestock systems. This system is nowadays compromising ground- and surface water quality, namely through nitrate contamination which mostly originates from agricultural losses. The implementation of technically proven and socially acceptable alternatives, allowing reconciling agricultural production and water quality preservation, encounters lots of obstructions of technical and social nature. From a technical point of view, sound reference data and rigorous indicators are lacking to assess the agronomical and environmental performance of alternative agro-systems. The first objective of this thesis is therefore to develop a sound conceptual framework to evaluate the productive capacity and the risk of nitrate lixiviation of agro-systems, through an improved version of the nitrogen soil surface balance. We first developed, based on a meta-analysis of the literature, robust relations to determine symbiotic nitrogen fixation by grain and forage legumes crops, which plays a central role in organic farming systems. We then could establish the relationship between total N fertilization, harvested yield and surplus of agro-systems, in order (i) to draw the trajectories of 124 countries over 50 years based on FAO data, and (ii) to compare the performance of the main organic crop rotations of the Seine basin and those of the conventional ‘reasoned’ agriculture. Finally, we established an empirical relationship linking N surplus, lixiviation and nitrate concentration in drainage water for arable land and permanent grassland. We show in a second part of this thesis how this conceptual framework of analysis can be useful in particular territories to highlight and guide stakeholder action, as well as to make more credible some alternatives which can feed the necessary transition toward more sustainable agro-systems. We analyze the situation of the drinking water abstraction areas of La Plaine du Saulce, supplying the city of Auxerre (Burgundy) as well as that of Flins-Aubergenville, supplying the western part of Paris agglomeration. We elaborate alternative scenarios for these regions, going much farther than the mere improvement of agricultural practices, and taking into account the peculiar geographical and hydro-geological context of each study case.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les dépôts azotés (DA) mesurés à l'étage subalpin des Pyrénées sont compris entre 8 et 15 kg N ha-1 an-1, soit égaux ou supérieurs à la charge critique actuellement définie pour ces milieux et supérieurs aux estimations fournies par les modèles de chimie-transport. Au cours des soixante dernières années, les pelouses subalpines pyrénéennes sont devenues plus thermophiles et mésotrophes, plus riches en espèces et plus homogènes à l'échelle des Pyrénées. Le changement climatique (CC) et le cumul de DA ont réduit les contraintes abiotiques de ces habitats, favorisant l'installation d'espèces moins stress-tolérantes. Ces milieux piègent et conservent efficacement l'azote d'origine atmosphérique, même en contexte de CC. Des effets des DA sont détectables sur la végétation (%N, biomasse et recouvrement de certains groupes) avant d'être détectables dans le sol. Ces effets sont plus marqués en réponse aux apports dominés par l'ammonium plutôt que par le nitrate, et sont additifs ou compensatoires avec ceux du CC, mais rarement interactifs. / Atmospheric nitrogen deposition in the subalpine Pyrenees is in order of 8 to 15 kg N ha-1 yr-1, equivalent or higher than the actual critical load for these habitats and higher than chemistry-transport models' estimates. During the past six decades, Pyrenean subalpine grasslands became more thermophilous and mesotrophic, richer in species and more homogeneous at the regional scale. Climate change and cumulative nitrogen deposition reduced the abiotic constraints in these habitats, favouring the installation of less stress-tolerant species. These habitats trap and store efficiently nitrogen from deposition, even in a climate change context. Effects are visible in the vegetation (% of nitrogen, biomass and cover of some groups) before being visible in the soil. These effects are more pronounced following ammonium than nitrate dominated additions, and are additive or compensatory with the effects of climate change, but rarely interactive.

Les films magnétiques ultra-minces font partie intégrante des technologies d'aujourd'hui, comme l'illustre leur omniprésence dans de nombreuses applications courantes telles que les disques durs. A cause de leurs dimensions réduites, les propriétés magnétiques spécifiques à ces échelles conduisent à la formation de structures de spin exotiques et de taille nanométrique. Pour explorer ces matériaux en détail, nous utilisons un magnétomètre à balayage développé dans notre laboratoire et qui est basé sur un défaut de spin unique dans le diamant. Ce capteur non-invasif peut mesurer à l'échelle nanométrique à la fois le champ magnétique et la topographie, et fonctionne aux conditions ambiantes. En développant une méthode d'évaluation originale du champ magnétique, nous déterminons la structure interne de parois de domaines ferromagnétiques et quantifions la force de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya dans des hétérostructures à couches minces. Ensuite, nous mettons en évidence le rôle clé du désordre et de l'histoire magnétique sur la stabilisation des skyrmions dans un échantillon de bicouche magnétique. Enfin, nous visualisons dans l'espace réel une spirale de spin de 70 nm de période dans le matériau multiferroïque BiFeO3 et nous manipulons sa direction de propagation avec des champs électriques. Les connaissances tirées de ces études aideront à exploiter au maximum les capacités des matériaux magnétiques à couche ultra-mince et à les mettre en œuvre dans de nouveaux dispositifs de spintronique. / Thin film magnetic materials are an integral part of today’s technology and widespread applications like the magnetic hard drive disk mirror their potential. Due to their reduced dimensions, size-specific magnetic properties induce the formation of nanoscale, exotic spin structures. To explore such materials in detail, we utilize a home-built nitrogen vacancy scanning magnetometer, based on a single defect in diamond. This non-perturbative probe combines nanoscale magnetic field- and spatial resolution and works under ambient conditions. We develop a new way to determine the inner structure of magnetic domain walls and quantify the strength of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in thin film heterostructures. We reveal the key role of disorder and magnetic history on the stabilization of skyrmions in a magnetic bilayer sample. Finally, we reveal the 70nm-pitch spin spiral in the multiferroic bismuth ferrite in real space and manipulate its propagation direction with electric fields. The insight gained from these studies will help to exploit the full capacity of thin film magnetic materials for spintronic application.

La croissance et la capacité d'absorption d'azote de la microalgue d'eau douce Chlorella vulgaris co-immobilisée dans des billes d'alginate, en présence de la bactérie promotrice de croissance des microalgues Azospirillum brasilense Cd, ont été étudiés. La co-immobilisation des microalgues avec A. brasilense conduit à deux phénomènes indépendants directement affectés par des facteurs de culture, tels que la forme azotée, le pH et la présence d'une source de carbone. Premièrement, la croissance de la population de microalgues augmentait sans une augmentation de la capacité d'absorption d'azote par les cellules seules, ou deuxièmement, la capacité des cellules à absorber l'azote augmentait sans une augmentation de la population entière de microalgues. Ces phénomènes étaient dépendants de la densité de la population des microalgues, qui était à son tour affectée par les facteurs de culture. Cela renforce la conclusion selon laquelle la taille de la population de microalgues contrôle l'absorption d'azote chez les cellules de C. vulgaris -plus la population est élevée (peu importe les paramètres expérimentaux), moins les cellules absorbent d'azote. Les résultats ont montré que YAzospirillum affectait la croissance de la Chlorella vulgaris. L'un des processus proposés par lequel XAzospirillum promeut la croissance des plantes supérieures, est la production de phytohormones, principalement 1' acide 3-indole acétique (auxine ou AI A). Par conséquent, l'effet de cette phytohormone, produite par plusieurs souches de VAzospirillum et favorisant la croissance de microalgue, a été étudié. Cinq souches de type sauvage â!Azospirillum {A. brasilense souches Cd, Sp6, 8-1 et Sp245 et A. lipoferum JA4) et leurs mutants déficients en production d'AIA : A. brasilense SpM 7918 (modifié de A. brasilense Sp6), A. brasilense FAJ0009 (modifié de A. brasilense Sp245), A. brasilense S-l-gfp (modifié de A. brasilense 8-1) et A. lipoferum 3A4::ngfp\5 (modifié de A. lipoferum JA4) ont été co-immobilisés avec C. vulgaris en billes d'alginate. Aucune production d'AIA n'est possible sans l'apport de tryptophane, nos résultats corroborant des observations antérieures selon lesquelles la production d'AIA chez Azospirillum est induite par la présence de tryptophane. Les taux élevés de tryptophane étaient délétères sur la croissance des pousses de C. vulgaris utilisées. Cette recherche montre que que l'AIA produit par 1' Azospirillum spp. est impliqué dans la croissance du C vulgaris immobilisé dans des billes d'alginate, et que la co-immobilisation avec différentes souches d'Azospirillum spp. atténue les effets délétères du tryptophane sur le C. vulgaris. Co-immobilisation de Chlorella vulgaris avec Azospirillum brasilense affecte l'absorption d'ammonium par les microalgues par le biais de métabolismes indéfinis. Les résultats présentés dans ce travail montrent clairement qu'il y a un effet & Azospirillum sur les activités spécifiques de la Glutamine synthétase (GS) et de la Glutamate déshydrogénase (GDH) de Chlorella. Lorsque Chlorella coimmobilisée absorbe plus d'ammonium que Chlorella seule, les deux enzymes fonctionnent en même temps, et les activités spécifiques par cellule de la GS et de la GDH sont plus élevées. Toutefois, dans les cas où seule l'activité GS augmente, mais pas celle de la GDH, l'activité GS plus élevée n'est pas suffisante pour atteindre une absorption d'ammonium plus élevée au niveau de la culture. En résumé, il y a un effet positif d'A. brasilense sur l'activité de la glutamine synthétase et de la glutamate déshydrogénase chez Chlorella. La régulation et la relation de l'activité enzymatique avec la concentration initiale en ammonium demeurent floues .Les données présentées dans ce chapitre dans leur ensemble montrent que les activités plus élevées de GS et de GDH augmentent l'absorption d'ammonium par Chlorella. / Growth and capacity to absorb nitrogen in the freshwater microalgae Chlorella vulgaris when co-immobilized in alginate beads with the microalgae growth-promoting bacterium Azospirillum brasilense Cd and the mechanisms involved were studied in this work. Co-immobilization of the microalgae with A. brasilense leads to two independent phenomena directly affected by culturing factors, such as nitrogen species, pH, and presence of a carbon source. First, growth of the microalgae population increased without an increase in capacity of the single cells to absorb nitrogen; second, the capacity of cells to absorb nitrogen increased without increasing the microalgae population. These phenomena were dependent on population density of the microalgae, which was, in turn, affected by culturing factors. This supports the conclusion that the size of the microalgae population controls absorption of nitrogen in C. vulgaris cells—the higher the population (whatever the experimental parameters), the less nitrogen each cell takes up. The results show that Azospirillum affects the growth of Chlorella vulgaris. One of the mechanisms proposed by which Azospirillum promotes growth of higher plants is the production of phytohormones, mainly the auxin indole-3-acetic acid (IAA); therefore the effect of this phytohormone produced by several strains of Azospirillum in promoting growth of the microalgae was studied. Five wild type strains of Azospirillum {A. brasilense strains Cd, Sp6, 8-1, and Sp245 and A. lipoferum JA4) and their indole-3-acetic-acid déficient mutants, A. brasilense SpM 7918 (modifïed from A. brasilense Sp6), A. brasilense FAJ0009 (modified from A. brasilense Sp245), A. brasilense %-\-gfp (modified from A, brasilense 8-1), and A. lipoferum lA4::ngfp\5 (modified from A. lipoferum JA4) were coimmobilized with C. vulgaris in alginate beads. No IAA production occurred without tryptophan. Our results corroborate previous observations that IAA production in Azospirillum is induced by the presence of tryptophan. It was found that high levels of tryptophan are deleterious to the growth of the C. vulgaris strain we used. This study demonstrated that IAA produced by Azospirillum spp. is involved in growth promotion of C. vulgaris immobilized in alginate beads, and that co-immobilization with several strains of Azospirillum spp. alleviated the deleterious effects of tryptophan in C. vulgaris. Co-immobilization of Chlorella vulgaris with Azospirillum brasilense affects ammonium absorption by the microalgae via undetermined metabolism. The results presented in this work show clearly that there is an effect of Azospirillum on the specific activity of the enzymes glutamine synthetase (GS) and glutamate dehydrogenase (GDH) in Chlorella. When coimmobilized Chlorella absorbs more ammonium than Chlorella alone, both enzymes are operating at the same time, and the specific activity per cell of GS and GDH are higher. However, in cases when only the activity of GS increases, but not of GDH, this GS higher activity was not sufficient to yield a higher absorption of ammonium at the culture level. There is a positive effect of A. brasilense on the activity of glutamine synthetase and glutamate dehydrogenase in Chlorella. However, the regulation and the relation of the enzymatic activity with initial ammonium concentration are still unclear.

La durabilité des systèmes de rotation avec exportation de résidus de récolte ne peut être garantie que par des apports répétés des fumiers ou par l'introduction d'une prairie. Le premier objectif de cette étude visait donc l'évaluation des effets de 28 ans de fertilisation minérale, avec ou sans fumier, sur les propriétés du sol dans un système maïs-céréale avec exportation de résidus. Ainsi, la combinaison d'un labour annuel et d'un apport répété d'engrais minéraux pendant 28 ans a entraîné une détérioration de la structure et un appauvrissement en macroéléments du sol. Par contre, les apports annuels de fumier de bovins (20 t ha⁻¹) ont permis de maintenir à long terme la structure, la disponibilité de l'azote et les teneurs en macroéléments du sol. Sachant que l'azote est un élément déterminant du rendement, le deuxième objectif visait à évaluer les effets d'apport de fumier et de l'introduction d'une prairie dans une rotation maïs-céréale sur la capacité du sol à fournir de l'azote et sur le coefficient d'utilisation de l'engrais azoté. Ces deux pratiques ont permis d'augmenter la fourniture du sol en N jusqu'à 76 % du N total prélevé par le maïs fourrager, contre 34 % dans le sol recevant des engrais minéraux. Plus de 50 % de l'azote du fertilisant récupéré dans le sol entier à la récolte se trouvaient dans les macroagrégats (diamètre > 0,25 mm). En plus de l'azote du sol, d'autres propriétés du sol peuvent limiter les rendements. Le troisième objectif consistait à déterminer la variabilité du prélèvement en azote et du rendement en mais-fourrager expliquée en considérant plusieurs paramètres du sol simultanément, ou divers indicateurs de disponibilité de l'azote sur une base individuelle. Une analyse en composantes principales incluant 16 paramètres édaphiques a permis d'expliquer jusqu'à 90 % de la variabilité des rendements en maïs et des quantités de N prélevées en 2005, et jusqu'à 81 % de la variabilité en 2006. Les indices de disponibilité de l'azote du sol se sont révélés des indicateurs de premier ordre pour expliquer la variabilité des rendements en maïs, alors que les paramètres physiques du sol se sont avérés des indicateurs secondaires. Les quantités de NO3 extraites au KCI 2M et au CaC^ 0,01 M étaient les indicateurs qui ont expliqué à eux seuls 66 à 87 % de la variabilité du N prélevé et du rendement en maïs fourrager aucours des deux années d'expérimentation.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Institut national supérieur des sciences agronomiques, agroalimentaires, horticoles et du paysage Rennes, France / L'objectif de cette étude était de comparer le rendement des cultures (maïs, soya, blé) et l'impact environnemental (santé du sol et stockage de C et de N) de 20 itinéraires techniques combinant le type de travail du sol (travail réduit, labour), la gestion des résidus de culture (récoltés ou retournés au sol) et cinq différentes sources fertilisantes(organiques et minérales) sur deux sols à texture contrastée (loam sableux et argile limoneuse) sur une période de neuf ans. Après une période de transition de six ans, les rendements sous travail réduit étaient de 8 à 30 % supérieurs qu'avec le labour dans l'argile limoneuse. Dans le loam sableux, l'effet du travail réduit variait (-20 à 13 %), principalement en fonction de la culture et de l'année. La concentration en C organique du sol, la biomasse microbienne et le diamètre moyen pondéré des agrégats dans les 10 premiers centimètres de sol étaient de 14 à 58 % plus élevés dans le travail réduit que dans le labour, mais le travail réduit du sol n'a eu aucun effet sur les stocks de C et de N lorsque tout le profil était considéré (0-60 cm). Les engrais de ferme permettaient d'obtenir des rendements semblables à l'engrais minéral dans le blé et ont même eu un arrière-effet positif sur le rendement du soya dans le loam sableux. Cependant, dans le maïs, les écarts de rendement observés entre l'engrais minéral et les engrais de ferme étaient parfois très importants, mais aussi très variables (0 à -38 %), en fonction des conditions météorologiques de la saison de croissance. Parmi les engrais de ferme, le lisier de porc donnait généralement de meilleurs rendements, mais le lisier de bovin et le fumier de volaille avaient des effets positifs plus marqués sur les indicateurs de santé du sol en surface. Le lisier de bovin et le fumier de volaille favorisaient l'accumulation de C et de N dans la fraction lourde et grossière de la matière organique (coarse-MAOM) des sols à l'étude. Dans l'argile limoneuse, le lisier de bovin et le fumier de volaille ont également permis l'accumulation de C et de N organique dans la fraction fine et stable de la matière organique du sol, contribuant ainsi à la stabilisation de C et de N sur le long terme dans la couche de surface. Inversement, les résidus de culture avec un rapport C/N plus élevé ont contribué également à la santé du sol, mais principalement via l'accumulation de C dans les fractions grossières de la matière organique. Lorsque tout le profil était considéré, l'effet des traitements sur les stocks de C était plus faible dans les 15 premiers cm de sol (0,36 à 0,76 kg C m⁻²) que dans les couches sous-jacentes (jusqu'à 2,3 kg C m⁻² pour la couche 30-45 cm). L'effet net des pratiques agricoles sur les stocks de C et de N, lorsque tout le profil était considéré(0-60 cm), dépendait donc principalement des changements en profondeur. Dans le loam sableux, ces changements étaient influencés par une interaction triple entre le travail du sol, la gestion des résidus de culture et la source fertilisante. Les stocks de C en profondeur étaient les plus élevés lorsque le labour du sol était combiné au retour des résidus de culture et à l'utilisation d'engrais de ferme liquide. Cependant, sous fertilisation minérale, les stocks étaient plus élevés en profondeur lorsque les résidus étaient récoltés. Les résultats de cette thèse montrent bien que les itinéraires techniques agricoles devraient être adaptés aux caractéristiques culturales et pédoclimatiques propres à chaque site. En plus de fournir une preuve terrain en soutien aux récentes théories expliquant les mécanismes de stabilisation du C dans le sol, cette thèse propose un modèle conceptuel permettant d'intégrer la notion de fertilité du sol à ces concepts émergeants en considérant la coarse-MAOM comme une fraction pivot dans les cycles de C et de N du sol. Elle démontre également l'importance de considérer les stocks de C profond (>30 cm) afin de mesurer avec justesse l'effet des pratiques agricoles sur les stocks de C du sol, du moins sous des conditions froides et humides. Il faudra donc continuer d'approfondir notre compréhension des mécanismes biogéochimiques impliqués dans les interactions sol-plantes-atmosphère pour faciliter le développement de systèmes de production rentables, durables et résilients, tout en contribuant à la lutte aux changements climatiques. / The objective of this study was to compare the crops yield (corn, soybean wheat) and environmental effect (soil health and C and N storage) of 20 different crop management itineraries combining two tillage regimes (minimum tillage, moulboard plowing), crop residue management (harvested or returned to soil) and five different fertilizer sources (organic and mineral) on two soils with contrasting textures (sandy loam and silty clay) over a 9-year period. After a transition period of 6 years, reduced tillage yielded 8-30% more grain, than mouldboard plowing in the silty clay soil. In the sandy loam soil, the benefits of minimum tillage on crop yield varied (-20 to 13%), mainly according to crop type and meteorological conditions. Organic C concentration, microbial biomass and the mean weight diameter of stable aggregates in the first 10 cm of soil were 14-58% higher under reduced tillage than mouldboard plowing, but reduced tillage had no effect on C and N stocks when the entire profile was considered (0-60 cm). Similar wheat grain yields were obtained with the mineral fertilizer and farmyard manures and manures even had a positive legacy effect on soybean yield in sandy loam. For corn, however, the yield differences observed between mineral fertilizer and farmyard manures were highly variable (0-38%) and mostly depended on weather conditions. Among farmyard manures, the use of liquid swine manure generally resulted in greater yields, but cattle and poultry manures had a greater effects on surface soil health indicators. Cattle and poultry manures promoted the accumulation of C and N in the heavy and coarse fraction of soil organic matter (coarse-MAOM) of both soils. In the silty clay soil, cattle and poultry manures also fostered the accumulation of organic C and N in the fine and stable fraction of soil organic matter, thus contributing to the long-term stabilization of C and N in the surface soil layer. Conversely, crop residues with a higher C/N ratio contributed to soil health mainly through the accumulation of C in the coarse fractions of organic matter. When the entire profile was considered, the effect of treatments on C stocks was smaller in the first 15 cm of soil (0.36 to 0.76 kg C m⁻²) than in deeper soil layers (up to 2.3 kg C m⁻² for the 30-45 cm layer). The net effect of farming practices on C and N stocks when the entire profile was considered (0-60 cm) therefore mainly depended on changes at depth. In the sandy loam soil, these changes were influenced by a three-way interaction between tillage, crop residue management and fertilizer source. Deep C stocks were the highest when tillage was combined with crop residue return and the use of liquid farmyard manures. However, under mineral fertilization, deep C stocks were the highest when residues were harvested. This thesis highlights the fact that agricultural combinations of management practices should be adapted to the cultural and pedoclimatic characteristics of each site. In addition to providing field evidence in support of recent theories regarding soil organic matter formation and stabilization processes, this thesis proposes a way to integrate soil fertility concepts to these emerging theories by considering the coarse-MAOM as a pivotal fraction in both C and N cycles. It also demonstrates the importance of considering deep C stocks (>30 cm) to accurately measure the effect of agricultural practices on soil C stocks, at least under cold and humid conditions. It will therefore be necessary to keep deepening our understanding of the biogeochemical mechanisms involved in soil-plant-atmosphere interactions to ensure the profitability, sustainability, and resilience of our production systems while contributing to climate change mitigation.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Le soya est une légumineuse ayant la capacité d’établir une symbiose fixatrice d’azote avec des rhizobiums. En Afrique, des lignées adaptées aux conditions locales ont été créées; plusieurs de ces lignées possèdent le caractère dit de « promiscuité », qui leur permet de s’associer avec les rhizobiums du niébé qui sont présents dans de nombreux sols. La présente étude a évalué l’efficacité symbiotique de 297 lignées africaines de soya possédant des niveaux divers de promiscuité. Ces lignées ont été cultivées en serre en présence de B. japonicum ou de fertilisation azotée, puis caractérisées et rangées en quatre groupes. Deux groupes se sont démarqués; le groupe 4 a été formé de 18 lignées exceptionnellement performantes pour la croissance et la nodulation, tandis que les 89 lignées du groupe 2 étaient elles aussi relativement performantes. Les lignées des groupes 3 (52 lignées) et 1 (113 lignées) sont les moins performantes pour la croissance et la nodulation, et leurs nodules contribuent peu à la productivité de la biomasse aérienne.

« Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada, et Université de Bordeaux, Talence, France » / L'orge de printemps (*Hordeum vulgare* L.) et la fléole des prés (*Phleum pratense* L.) sont des cultures de première importance économique pour la province du Québec et d'autres régions au climat continental froid et humide (Amérique du Nord, les pays nordiques...). Les modèles sol-culture sont des outils puissants capables de calculer de nombreuses variables d'intérêt agronomique et environnemental. Ils sont conçus pour simuler les interactions complexes entre les cultures, l'eau et l'azote (N) du sol dans le continuum sol-plante-atmosphère. Entre autres modèles, STICS (Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard) est un modèle sol-culture basé sur les processus, qui a été développé initialement pour des conditions agropédoclimatiques des régions tempérées. Cependant, étant un modèle générique, il est possible de l'adapter aux conditions d'autres agrosystèmes. Les objectifs de cette thèse étaient d'analyser et d'élargir le domaine d'application de STICS aux deux cultures susmentionnées, cultivées dans des conditions agropédoclimatiques de la province du Québec et d'évaluer ses performances prédictives par des simulations à long terme. Cette thèse est une contribution à l'étude de la généricité de STICS pour des agrosystèmes québécois. Outre le contexte climatique, l'originalité de ce travail porte sur les cultures étudiées, orge de printemps et fléole des prés, et le nombre d'années successives de simulations en continu (sans réinitialisation annuelle). Les performances prédictives de STICS ont été analysées pour la production de biomasse aérienne annuelle, sa teneur en N et la quantité de N exporté pour i) une monoculture d'orge de printemps de 31 ans cultivée avec deux modes de travail du sol et fertilisée avec deux sources de N différentes (engrais azoté minéral et fumier liquide de vaches laitières) ; et ii) une prairie de fléole des prés de 8 ans, fertilisée chaque année avec quatre doses d'engrais azoté minéral (0, 60, 120, 180 kg N ha⁻¹). Nous avons utilisé les bases de données de deux dispositifs expérimentaux au champ d'Agriculture et Agroalimentaire Canada. Pour la monoculture d'orge, la procédure de calibration de STICS a nécessité l'ajustement des paramètres de cultivar en particulier, confirmant ainsi la généricité de la plupart des paramètres des plantes définis dans STICS. Les valeurs simulées sur une période de 31 ans se sont révélées être correctement en accord avec les valeurs observées des variables d'intérêt pour les différents traitements, mais avec une plus grande dispersion pour la nutrition azotée. Les résultats de la simulation des attributs de la production végétale au moment de la récolte étaient plus précis pour les années où les précipitations étaient proches de la normale. Pour la prairie de fléole des prés suivie pendant 8 ans, la correspondance entre les valeurs observées et simulées était satisfaisante pour la première coupe effectuée au printemps. STICS a correctement simulé l'effet positif de la dose de fertilisation azotée sur la production de biomasse et la nutrition azotée des plantes. Néanmoins, les valeurs des variables étaient surestimées par le modèle en l'absence de fertilisation azotée, impliquant une carence excessive en N au fil du temps. Si l'on excepte cette situation très particulière, non représentative des pratiques agronomiques, les performances de STICS sont donc satisfaisantes dans le contexte des deux essais au champ étudiés. De plus, STICS a bien reproduit la tendance à la baisse de la productivité de la fléole des prés observée en fonction de l'âge de la prairie. Les résultats ont montré que cette baisse de rendement au fil du temps est fortement corrélée à la réduction de la réserve métabolique dans les organes de réserve. En conclusion, ce travail de thèse a montré l'applicabilité et la fiabilité du modèle STICS pour la simulation sur le long terme de la production de biomasse et de la nutrition azotée d'orge de printemps et de la fléole des prés dans des conditions agropédoclimatiques de la province de Québec. / Spring barley (*Hordeum vulgare* L.) and timothy (*Phleum pratense* L.) are crops of prime economic importance for the province of Quebec and other regions with cold and humid continental climate (e.g. north America, Nordic countries). Soil-crop models are powerful tools for calculating, a wide range of agronomic and environmental variables They are designed to simulate the complex interactions between crops, water, and soil nitrogen (N) in the soil-plant-atmosphere continuum. Among the existing models, STICS (*Simulateur mulTIdisciplinaire pour les Cultures Standard*) is a process-based soil-crop model initially developed for temperate agropedoclimatic conditions. However, it can be adapted to other agrosystem conditions. The objectives of this thesis were to analyze and extend the scope of application of STICS to the two aforementioned crops grown under agropedoclimatic conditions in the province of Quebec. Furthermore, this study aims to evaluate the model's predictive performance on long-term simulations. This thesis is a contribution to the study of the genericity of STICS for the Quebec agrosystems. In addition to the climatic context, the originality of this work lies in the crops studied - spring barley and timothy - and the number of successive years of continuous simulations (without annual reinitialization). The predictive performances of STICS were analyzed for aboveground biomass production, N content and N export for i) 31-year spring barley monoculture grown under two tillage systems and fertilized with two N sources (mineral N and liquid dairy manure); and ii) 8- year timothy grassland, fertilized each year with four application N rates (0, 60, 120, 180 kg N ha⁻¹). To achieve our goals, we used databases from two experimental field trials conducted by Agriculture and Agri-Food Canada. For the barley monoculture, the STICS calibration procedure particularly required the adjustment of cultivar parameters, thus confirming the genericity of most plant parameters defined in STICS. The results show that there is a good agreement between observed and predicted variables of interest with the various tillage systems and N sources during the 31 successive barley cropping years, but with greater dispersion for the N nutrition. Predictions of crop attributes were more accurate in years with rainfall close to the long-term average. For timothy grassland grown over 8 years, the agreement between observed and predicted values was satisfactory for the first harvest. STICS correctly simulated the positive effect of the N application rates on biomass production and plant N nutrition. Nevertheless, the predicted values were overestimated by the model in the absence of N fertilization, implying an excessive N deficiency over time. Except for this very specific situation, which is not representative of agronomic practices, STICS performed satisfactorily in the context of the two field experiments studied. In addition, STICS reproduced well the decreasing trend in timothy productivity observed with the age of the sward. The results showed that this decrease in yield over time is strongly correlated with the reduction in metabolic reserve in the perennial organs. In conclusion, this thesis has demonstrated the applicability and reliability of the STICS model for the long-term simulation of biomass production and N nutrition of spring barley and timothy under agropedoclimatic conditions in the province of Quebec.

La baisse de la teneur en protéines alimentaires a été promue pour réduire les impacts environnementaux de la production porcine, car elle permet d'améliorer la valorisation des ressources protéiques par les animaux, tout en réduisant l'excrétion azotée et les émissions associées, et ce sans affecter les performances de croissance. Une approche par méta-analyse et une revue des analyses de cycle de vie publiées ont montré un manque de connaissances sur les effets de très basses teneurs en protéines, ainsi qu'un effet du contexte de production sur les bénéfices de la stratégie. L'objectif de cette thèse étaient donc d'évaluer les bénéfices environnementaux de la baisse de la teneur en protéines chez le porc à l'engrais, en testant de très basses teneurs en protéines pour identifier des points de ruptures éventuels et en prenant en compte l'effet du contexte de production. Deux essais ont été réalisés pour valider l'effet de très faibles teneurs en protéines sur les performances de croissance et la balance azotée et les émissions gazeuses en contexte québécois. Les performances de croissance étaient constantes, même avec de très basses teneurs en protéines, dans le premier essai. Cependant, avec des niveaux de performances plus élevés, un maximum d'efficacité azotée a été identifié dans le second essai, associé à une réduction plus modérée de l'excrétion azotée et des émissions d'ammoniac avec une baisse de la teneur en protéines de 24 g/kg. Cet essai a confirmé que le facteur d'émission de l'ammoniac est fixe alors que celui de l'oxyde nitreux augmente avec la baisse de la teneur en protéines. Une analyse de cycle de vie a ensuite été réalisée avec une approche par modélisation pour évaluer l'effet de différents niveaux de baisses de la teneur en protéines dans trois contextes contrastés (Québec, Brésil et France). Cette étude a montré que seuls les impacts causés par les émissions d'ammoniac étaient toujours réduits avec la baisse de la teneur en protéines (acidification et eutrophisation terrestre). Pour les autres impacts, l'effet de la baisse de la teneur en protéines dépendait des matières premières utilisées avec des bénéfices observés uniquement en contexte français. Les pratiques nutritionnelles et la génétique animale conditionnaient la baisse possible de la teneur en protéines, mais aussi les impacts actuels de l'élevage porcin et l'amplitude de la variation des impacts avec la baisse de la teneur en protéines. L'approche par analyse de cycle de vie pourrait être perfectionnée, notamment en prenant en compte l'effet de la baisse de la teneur en protéines sur les pratiques de fertilisation. Cette thèse a identifié des limites à la baisse de la teneur en protéines comme stratégie pour réduire les impacts environnementaux de la production porcine, dépendant du contexte de production, et malgré des performances de croissance maintenues. Il serait donc intéressant d'évaluer le potentiel de la baisse de la teneur en protéines en combinaison à d'autres stratégies de réduction des impacts environnementaux, ciblant notamment le choix des matières premières, comme la formulation multi-objectif d'éco-aliments. / Dietary crude protein reduction has been presented as a strategy to reduce environmental impacts of pig production, thanks to improved valorization of protein resources, reducing nitrogen excretion and associated emissions, without impacting pig performance. A meta-analysis and a review of published life cycle assessments showed a lack of data on very low crude protein diets, and an effect of production context on environmental benefits of low crude protein strategies. The objective of this thesis was to evaluate the environmental benefits of crude protein reduction in fattening pig diets, by testing the effect of very low crude protein diets to identify eventual break-off points and taking into account production contexts. Two trials were performed to explore effect of very low crude protein diets on pig performance, nitrogen excretion and gaseous emissions, in Quebec context. Growth performances were constant in the first trial, even with very low crude protein diets. However, a maximum was identified for nitrogen efficiency in the second trial, where performance levels were higher. It limited potential for reduction of nitrogen excretion and ammonia emissions with very low crude protein diets. The second trial confirmed that ammonia emission factor was fixed, but nitrous oxide emission factor increased with crude protein reduction. A modelling approach was then used to perform a life cycle assessment, evaluating the effect of different levels of crude protein reduction on environmental impacts of pig production, in three contrasted contexts (Quebec, Brazil, France). This study showed that only the impacts mainly linked to ammonia emissions were consistently reduced with low crude protein diets (acidification and terrestrial eutrophication). For other impacts, effect of crude protein reduction depended on raw materials used, with positive effects only in the French context. Pig farming practices determined the potential crude protein reduction, as well as current levels of environmental impacts and magnitude of their variation with crude protein reduction. The life cycle assessment methodology used could be perfected, in particular with a better inclusion of the effect of low crude protein diets on fertilizing practices. This thesis identified limits to crude protein reduction as an environmental strategy, influenced by production context, and despite constant growth performances. Evaluating potential of low crude protein strategies combined with other environmental impact reduction strategies, focusing more on raw materials used, such as multiobjective feed formulation, would be an interesting next step.