La gestion de l’azote (N) est un défi pour les producteurs de maïs-grain (Zea mays L.) biologique qui comptent sur les cultures de couverture (CC) pour combler les besoins en N de cette culture. L’objectif de cette étude était de déterminer l’effet de mélanges de CC semés en dérobée sur l’approvisionnement en N du maïs-grain. Une expérience de deux ans a été répétée sur trois années sites. Le dispositif expérimental était un plan factoriel en tiroir avec quatre blocs, où les CC étaient en parcelles principales : un témoin enherbé sans CC, une CC de pois (Pisum sativum L.) et des mélanges de 2, de 6 et de 12 espèces. La fertilisation organique du maïs-grain était en parcelle secondaire (0 ou 120 kg N ha-1 ). Aux trois années-sites, la proportion du pois fourrager variait entre 45 et 93 % de la biomasse aérienne des mélanges. La CC de pois a produit la biomasse aérienne la plus élevée (2,636 kg ha-1 ), mais la biomasse racinaire la plus faible (693 kg ha-1 ) en comparaison avec les mélanges. Le contenu en N de la biomasse aérienne totale variait entre 8 et 140 kg N ha-1 , alors que le contenu en N de la biomasse racinaire était en moyenne de 13 kg N ha-1 . À l’implantation des CC, la biomasse des plantes adventices était inversement corrélée à la biomasse aérienne des CC. Le rendement le plus élevé de maïs-grain a été observé dans la CC de pois et les mélanges de 2 et de 12 espèces, tandis que le rendement le plus faible, dans le témoin enherbé et le mélange de 6 espèces. Finalement, la fertilisation organique a permis d'augmenter le rendement du maïs-grain de 10 % en moyenne. D’autres pratiques innovantes de gestion des CC sont nécessaires pour rendre le système de culture du maïs-grain biologique plus productif. / Grain corn (Zea mays L.) is a high nitrogen (N) demanding crop, and synchronizing N supply with crop N needs is particularly challenging for organic producers. Therefore, they rely heavily on legume cover crops (CC) for N input. The overall goal of the research project was to assess the effect of fall-seeded cover crop mixtures on nitrogen supply to corn. A two-year field experiment was repeated at Laval University experimental farm (2017-2018; 2018-2019) and on an organic commercial farm (2017-2018). The experimental design was a split-plot with four blocks, in which CC treatment (Year 1) was the main plot factor: a weedy control without CC, a pure stand of field pea (Pisum sativum L.), and mixtures of 2, 6 and 12 species. The corn organic fertilization (Year 2) was the subplot factor (0 or 120 kg N ha-1 ). Among all site-years, the proportion of field pea in the total aboveground biomass ranged from 45 to 93%, within all mixtures. The highest aboveground plant biomass (2,636 kg ha-1 ) and the lowest belowground plant biomass (693 kg ha-1 ) were both observed in the pure stand of field pea. In the fall, weed biomass was inversely correlated with cover crop aboveground biomass. Nitrogen content in the aboveground plant biomass ranged from 8 to 140 kg N ha-1 , whereas N content of the belowground plant biomass averaged 13 kg N ha-1 . The highest corn yield was observed in the pure stand of field pea, the 2-species, and the 12-species mixtures, while the lowest yield was observed in the weedy control and the 6-species mixture. Moreover, organic fertilization only increased corn yield by 10% for all CC treatments and site-years. Additional innovative CC management practices are needed to make organic CC-based corn cropping systems more productive.

« 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.

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

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

Les engrais azotés sont essentiels pour atteindre des rendements élevés, mais ils peuvent causer des problèmes environnementaux s'ils ne sont pas prélevés par la plante. Des indicateurs du statut nutritif, tels que les indices de chlorophylle des feuilles (IC), le test de nitrates (NO3) du sol et les indices de nutrition azotée (INA) calculés à partir d'une concentration critique en N (Ne) font partie des nouveaux outils diagnostiques à évaluer au Québec pour assurer une meilleure gestion de l'azote dans la production du maïs-grain. Nos objectifs sont de valider le modèle de concentration critique en N de Plénet et Lemaire (2000), d'étudier la relation entre l'IC et l'INA, ainsi que la relation entre la teneur en NO3 du sol et l'INA. Différentes doses de N (20 à 250 kg N ha"1 ) ont été appliquées pendant deux saisons de croissance (2004-2005) sur six sites situés dans les régions de Québec et de la Montérégie. Des mesures de la biomasse aérienne, la teneur en N des feuilles, la chlorophylle et la teneur en NO3 sur 0-15 cm ont été prises à sept ou huit occasions à des intervalles d'environ une semaine au cours de la saison de croissance. Les résultats obtenus indiquent que la courbe de N critique (g N kg"1 MS) suivante : Ne = 34W"°37 (W : biomasse aérienne; t MS ha"1 ) proposée par Plénet et Lemaire (2000) en France est validée, puisqu'elle permet de distinguer les situations limitantes et non limitantes en N du maïs pour les conditions pédoclimatiques du Québec. Une relation quadratique positive a été obtenue entre l'IC et l'INA (R2 = 0,56 ; P < 0,001) toutefois, cette relation semble varier selon les sites. Finalement, aucune relation positive significative n'a été observée entre la teneur en nitrates du sol et l'INA. Cependant, une accumulation de nitrates a été observée lorsque l'INA était plus élevé que 0,95.