Depuis la seconde moitié du XXème siècle, l'utilisation massive des engrais desynthèse a contribué à l'augmentation des rendements mais aussi à l'accumulation d'élémentsminéraux dans les systèmes agricoles. La limitation de cette accumulation passe par unmeilleur recyclage des éléments minéraux déjà présents dans les systèmes agricoles.L'agriculture biologique, qui interdit le recours aux engrais de synthèse, peut être considéréecomme un prototype d'agriculture à même d'améliorer ce recyclage. L'objectif de cette thèse a été d'identifier les stratégies mises en place par les agriculteurs biologiques pour s'approvisionner en éléments minéraux. Cet objectif a été décliné en sous-objectifs qui ont été(i) d'identifier les pratiques d'approvisionnement en fertilisants et aliments des agriculteursbiologiques, (ii) d'en comprendre les déterminants et (iii) d'évaluer la performance de ces pratiques vis-à-vis du recyclage de l'azote, du phosphore et du potassium. Pour ce faire, 63exploitations biologiques ont été enquêtées afin de recueillir des données concernant la natureet la quantité des matières échangées, ainsi que les fournisseurs et les collecteurs en relation avec ces exploitations. Afin d'étudier l'influence du contexte local, les enquêtes ont été menées dans trois régions agricoles sélectionnées en fonction de leur degré de spécialisation (productions végétales, productions animales et mixte). L'intensité du recyclagelocal a été évaluée grâce à deux indicateurs : l'autonomie, définie comme le ratio entre laquantité d'éléments minéraux provenant d'échanges entre exploitations et la quantité totale d'éléments minéraux entrant dans les exploitations biologiques de la région, et le degré de bouclage des cycles, défini comme la proportion d'éléments minéraux passant au moins deux fois par la même exploitation au sein de la région étudiée. Un premier niveau d'analyse, àl'échelle de l'exploitation, a mis en évidence les déterminants de l'approvisionnement en éléments minéraux des exploitations biologiques. Il a montré que les exploitations biologiques spécialisées dans les productions végétales importaient des quantités importantes defertilisants organiques en provenance de l'agriculture conventionnelle. Un second niveau d'analyse, à l'échelle régionale, a montré que la proximité entre des exploitations agricoles spécialisées dans les productions végétales et d'autres spécialisées dans les productions animales favorisait les échanges entre ces exploitations. Ces échanges permettaient d'améliorer l'autonomie locale même si le degré de bouclage des cycles restait faible. Enfin, une approche par modélisation a permis de quantifier la fraction du phosphore des produits biologiques qui dérive des engrais de synthèse, notamment suite aux échanges entre lesexploitations biologiques et conventionnelles. Plus de deux tiers du phosphore composant les productions biologiques étaient du phosphore initialement issu d'apports d'engrais de synthèse. Les résultats obtenus dans cette thèse ont permis de discuter des forme d'organisation des systèmes agricoles à même d'améliorer le recyclage des éléments minéraux, mais aussi des possibilités de développement de l'agriculture biologique.

L'utilisation de machines lourdes et la fertilisation des sols ont été la solution pour améliorer le rendement agricole et augmenter les aires des sols cultivés. Les pays émergeants Est-Méditerranéens souffrent d'un manque crucial des législations et des règlementations qui organisent l'usage des fertilisants chimiques. Cela est principalement dû à l'insuffisance des données sur les caractéristiques des sols et les pratiques agricoles. La fertilisation excessive est devenue une source potentielle de contamination des sols par les éléments traces métalliques (ETM) susceptible de migrer vers les différentes chaines alimentaires. Dans ce cadre, l'Institut de Recherches Agronomiques Libanais (IRAL) avait comme préoccupation principale d'évaluer les risques associés aux apports en ETM issus des engrais phosphatés en usage dans des sols de nature alcaline sous un climat aride à semi-aride. Ainsi, l'investigation sur les engrais phosphatés commercialisés au Liban et les pays voisins ont montré que le cadmium est porté principalement dans une phase sulfate quand cette dernière est présente dans les engrais. L'apport moyen annuel du Cd, Cu, Pb et Zn aux sols est trouvé inferieur aux limites recommandées dans certains pays comme le Brésil et la Grande-Bretagne. Cependant, dans le contexte régional où l'étude est réalisée, cet apport est relativement élevé quand la nature alcaline du sol est prise en considération. Ainsi, une norme établie pour un sol acide n'est pas nécessairement adaptable dans un sol alcalin, sachant que ce dernier est un milieu favorable pour stabiliser les ETM et limiter leurs disponibilités. Les Lactuca sativa (laitues), étant une espèce amplement consommée dans les pays du bassin méditerranéen, ont été choisis comme une espèce cible dans l'objectif de suivre la distribution du cadmium dans les différents tissus de l'espèce et le coefficient de partage entre les compartiments eau, sol et plante. Les effets de la densité des sols, en présence du cadmium et des engrais phosphatés ont été étudiés dans des colonnes de sols cultivés par les laitues. Les caractères morphologiques et physiologiques de la plante, la mobilité du cadmium dans le sol et son transfert vers les laitues, la population microbienne (le nombre de bactéries totaux, champignons totaux, bactéries résistantes au cadmium BRC et micro-organismes solubilisant le phosphore MSP) et l'activité enzymatique des phosphatases alcalines (ALP) et acides et les déshydrogénases (DHA) ont été suivis. La présence du Cd et du phosphore dans le sol a diminué la mobilité du cadmium et la compaction a augmenté l'accumulation du Cd dans la partie aérienne des laitues et l'infiltration des nitrates. La combinaison entre la compaction du sol, la présence de cadmium et du phosphore en même temps a montré une diminution du nombre de bactéries, des champignons totaux et de l'activité d'ALP mais une augmentation du nombre de MSP, de BRC et de l'activité de la phosphatase acide est notablement identifiable. En absence de toute matrice d'interaction avec les ETM et les fertilisants phosphatés autre que les laitues, les effets du cadmium et de l'engrais phosphatés ont été évalués sur les caractères morphologiques et physiologiques des laitues en culture hydroponique et sur l'absorption du cadmium par ces laitues. En présence d'engrais phosphaté, la culture des laitues en hydroponie avait une influence positive sur le développement de ce végétal plus qu'en culture dans le sol. Malgré la croissance rapide des laitues en hydroponie, ce système est désormais une source de cadmium disponible aux laitues puisque ce métal est transféré des racines vers la partie aérienne de Lactuca sativa en induisant des changements morphologiques. / Soil compaction and contamination with heavy metals were the response of the use of heavy machinery and phosphate fertilization to improve and expand agricultural productivity. The Eastern Mediterranean emerging countries suffer from lack in legislations and regulations organizing the chemical fertilizers use. This is due to the insufficient data on soil characteristics and agricultural practices. Thus, excessive fertilization can be considered as potential sources of soil contamination by trace metals susceptible to be transferred to the different food chains. One of the main occupations of the Lebanese Agriculture Research Institute (LARI) was to evaluate the associated risks to the trace metals inputs coming from phosphate fertilizers. The investigation of phosphate fertilizers used in Lebanon and neighboring countries showed that cadmium is well bonded to sulfate-phase when sulfate is present in the fertilizers. The annual average of the deposition of Cd, Cu, Pb and Zn in soil was found lower than the recommended limits in some countries like Brazil and Britain but such contribution is relatively high when considering the alkaline nature of the soil. Thus, norms and legislations for acidic soil cannot be necessarily adaptable and used for alkaline soil knowing that such soil is the best environment to stabilize the metals and limit their bioavailability. Lactuca sativa (lettuce), widely consumed specie in Mediterranean countries, has been chosen as target specie to be studied in order to follow cadmium in different parts of the plants and its partition between water, soil and plants. The effects of the compaction, cadmium and phosphate fertilizers were evaluated on morphological and physiological characteristics of Lactuca sativa cultivated in columns. Cadmium mobility in soil and its transfer to lettuce, the microbial population (the number of total bacteria, total fungi, cadmium resistant bacteria CRB and phosphate solubilizing microorganisms PSM) and the enzymatic activities of alkaline phosphatase (ALP), acid phosphatase and dehydrogenase activity (DHA) were also studied. Cadmium mobility was decreased in the soil amended with cadmium and phosphorus and compaction increased the Cd accumulation in the lettuce's aerial part and the nitrate infiltration. A decrease of the number of total bacteria, fungi, ALP and an increase in the number of PSM, CRB and acid phosphatase activity were observed in the treatment where the soil was compacted and amended with cadmium and phosphate fertilizers. In absence of any interactive matrix with the metals and the phosphate fertilizers other than the lettuces, the effects of cadmium and phosphate fertilizer were evaluated on morphological and physiological characteristics of lettuces grown in hydroponic culture. Cadmium absorption and transfer to aerial part was also studied. The lettuces development's was important in the hydroponic culture more than in soil cultivation in presence of phosphate fertilizer. Despite the rapid growth of lettuces in hydroponic culture, this system is a potential source of bioavailable cadmium that is absorbed by lettuces and transferred to roots and aerial parts conducting to morphological changes.

Du fait de la réduction de l'usage des produits phytosanitaires, les bioagresseurs du sol, notamment les champignons Sclerotinia et les nématodes à galles Meloidogyne, sont de plus en plus préoccupants en maraîchage sous abri. Des techniques alternatives existent, mais leurs efficacités partielles et variables nécessitent la recherche de nouvelles stratégies pour leur gestion.Cette étude vise à déterminer l'intérêt de combiner deux techniques, la solarisation et l'engrais vert (Sorgho sudanense) et les influences des successions culturales et des fréquences d'utilisation de ces techniques sur leurs efficacités.Pour cela, un dispositif en parcelles de producteurs a permis de suivre l'évolution des incidences et sévérités de Sclerotinia et Meloidogyne dans différents systèmes de culture.Les effets des cultures de melon sont prédominants sur ceux des techniques alternatives, de façon opposée pour ces deux bioagresseurs. Les successions incluant du melon favorisent les plus fortes attaques de Meloidogyne alors qu'elles réduisent celles de Sclerotinia. Pour ce pathogène, l'utilisation de solarisation tous les ans ou un an sur deux en combinaison avec l'engrais vert en assure le contrôle le plus efficace. Par contre, la culture de melon étant très sensible à Meloidogyne, elle masque les effets des techniques alternatives.Des propositions d'amélioration de systèmes de culture, basées sur la modification des fréquences de culture du melon et sur l'optimisation de l'usage des techniques alternatives, ont été faites pour la gestion commune de Sclerotinia et Meloidogyne.Ces résultats montrent les interactions entre les différentes pratiques culturales utilisées sur une parcelle et l'intérêt des études agronomiques systémiques. De plus, les effets opposés observés d'un même système de culture soulignent l'intérêt d'études multi-bioagresseurs, pour ne pas faire de propositions qui résolvent un problème mais en aggravent d'autres. / In the current context of the reduction of pesticide use, soilborne pests and diseases, and especially the fungi Sclerotinia and the root-knot nematodes Meloidogyne, become more and more worrying in vegetable production under shelter in Southern France. Alternative techniques exist, but their partial and varying efficiencies require the search for new strategies of management of these pests and diseases fit for producers.Therefore, the aim of this study is to determine the benefit of combinations of two techniques, soil solarisation and green manure (Sorghum sudanense). It is also to determine the influences of crop successions and frequences of these techniques on their individual efficiencies.To this effect, a setup of producers' plots has been designed. The spatiotemporal evolution of incidences and severities of Sclerotinia and Meloidogyne in several cropping systems has been observed on this setup.The presence of a melon crop has a major influence on the efficiency of the alternative techniques. Opposite effects for the two considered pests and diseases appeared. Crops successions with melon are most favourable to highest infestations of Meloidogyne whereas, Sclerotinia infections are reduced. For this pathogen, a solarisation every year or every two years ensures the most effective control. On the contrary, in the case of Meloidogyne, the melon crop is very sensitive to this pest, a characteristic that masks the positive effects of alternative techniques.

A cause du prix élevé des engrais importés au Mali, le phosphate naturel de Tilemsi (PNT) constitue une source de phosphore, locale, peu coûteuse pour les paysans. Dans plusieurs zones, malgré ses bonnes caractéristiques physiques et chimiques, les plantes cultivées, particulièrement le blé, ont faiblement répondu à l’application du PNT. À cause du besoin croissant d’améliorer biologiquement l’absorption du P par le blé, nous présentons dans ce travail les résultats de l’utilisation de microorganismes solubilisant le phosphore (MSP) dans un essai d’inoculation au champ. Dans la rhizosphère (Zone d’interactions intenses entre les racines et les microorganismes) et le rhizoplan (les microorganismes du rhizoplan ont ceux qui sont directement liés à la surface externe des racines) de trois cultivars de blé du Mali, 7 à 12% des microorganismes étaient capables de solubiliser le PNT. Six bactéries et deux champignons ont été sélectionnés, pour leur fort pouvoir de solubilisation du PNT en milieu liquide et sur milieu solide, et testés au champ à Koygour (Diré) en 2000-2001. Deux champignons Aspergillus amovari (C1), Penicillium chrysogenum (C13) et une bactérie Pseudomonas sp. (BR2) ont significativement amélioré la taille du blé (cv. Tétra) après 6 semaines, ainsi que, le poids et le contenu en P de la matière sèche (paille et graines) après 90 jours de croissance. Des essais au champ ont été réalisés à Koygour (Diré) en 2001-2002. Les traitements d’inoculation incluent C1, C13, BR2, C1+BR2, C13+BR2 et un contrôle en présence et à l’absence de Glomus intraradices (Gi). Les traitements de phosphore incluent le PNT, le phosphate biammoniacal (DAP) et un contrôle non fertilisé. La colonisation des racines de blé par les mycorhizes à vésicules et arbuscules (MVA) a été significativement améliorée avec Glomus intraradices quand la source de P utilisée est le PNT. La présence de BR2 améliore encore plus la colonisation des racines par les MVA. En général, les quantités de graines et paille récoltées ont été significativement améliorées après inoculation avec les microorganismes solubilisant le PNT et Glomus intraradices. La plus forte concentration de P dans les graines a été obtenue avec la co-inoculation avec C1+BR2 et Gi en présence de PNT, tandis que, les plantes inoculées avec BR2+Gi présentaient les plus fortes quantités de P dans la paille en présence du DAP. / Because of the high price of imported P-fertilizers in Mali, the Tilemsi rock phosphate (TRP) is a cheaper locally available P source alternative for farmers. In many areas regardless of its good physical and chemical characteristics, crops and particularly wheat showed very slow response to TRP. With the broad aim of biologically improving P uptake by wheat, in this work we describe the use of TRP solubilizing microorganisms in field inoculation trials. In 3 different Malian wheat cultivars, 4 to 12% of the rhizosphere microorganisms were able to dissolve TRP. Six bacterial and two fungal isolates were selected for their high P-solubilizing activity in solid and liquid media, and were tested in a field in Koygour (Diré) in 2000-2001. Two fungal isolates Aspergillus niger (C1) and Penicillium chrysogenum (C13) and Pseudomonas sp. (BR2) significantly increased plant heights after 60 days, and the fresh and dry matter yields and P-uptake after 90 days of growth. Field assays were performed in Koygour (Diré) in 2001-2002. Inoculation treatments included C1, C13, BR2, C1+BR2, C13BR2, and a control in the presence or absence of the AM fungus Glomus intraradices. P treatments included Tilemsi rock phosphate (TRP), phosphate biammoniacal (DAP) and an unfertilized control. The colonization of wheat root with AM was significantly higher following inoculation with G. intraradices, and when TRP was the P source used. The presence of Pseudomonas strain (BR2) improved root colonization by the AM fungus. In general, straw and grain yield improved significantly following inoculation with AM and phosphate solubilizing microorganisms. The highest P concentration in wheat grain and straw was recorded in treatment including a combinaison of AM, BR2 and C1 in the presence of TRP.

Titre de l'écran-titre (visionné le 29 février 2024) / Dans la vallée du Fraser en Colombie-Britannique, l'élevage intensif de vaches laitières produit d'importantes quantités de fumier. Le maïs ensilage (*Zea mays* L.), cultivé en rotation avec d'autres plantes fourragères telles que le ray-grass (*Lolium perenne* L.), représente la principale source d'aliments pour cet élevage intensif. Cet agroécosystème permet de recycler le fumier riche en nutriments comme le phosphore (P). Cependant, la culture du maïs ensilage dans la vallée du Fraser implique d'importantes applications de fumier et d'engrais de démarrage. Ceci entraine une accumulation de P dans les sols, augmentant le risque de perte de P vers les sources d'eau. De plus, le risque de mobilisation et de transport de P peut aussi être accéléré par les conditions hydriques des sols, notamment l'engorgement en eau, du fait des fortes précipitations qui s'accumulent dans les parcelles agricoles à cause du mauvais drainage des sols. Cette thèse, qui se déroule sur un sol riche en P dans la zone humide de la vallée du Fraser en Colombie Britannique, a pour objectif d'évaluer l'impact de régime d'humidité du sol, de la fertilisant en P sous forme de lisier de vache laitière, et de l'ajout de nitrate de fer sur (i) les rendements du raygrass et les exportations de P, (ii) la réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ et la solubilité et la mobilité du P, (iii) les activités microbiennes et les émissions de gaz à effet de serre, (iv) les activités enzymatiques, et (v) les pertes de P par lessivage. Dans les sols engorgés, le rendement en matière sèche du raygrass et l'exportation du P étaient inférieurs par rapport aux sols à capacité au champ. Une baisse du potentiel redox dans les sols engorgés a réduit le Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$, entrainant une augmentation du pH du sol en 120 jours. Cette augmentation du pH est due à la consommation des ions H$^\textup{+}$ pendant la réduction microbienne des cations métalliques. Cette réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ dans les sols engorgés a libéré du P, du carbone organique dissous et de l'azote total dissous, reflétée par la diminution du P extractible à l'eau (Pw), du P extractible à la solution Mehlich-3 (P$_\textup{M3}$) et de l'indice de saturation en phosphore, mais une augmentation de la biomasse microbienne du C, du N (avant 120 jours) et des émissions de CO₂ et N₂O. L'ajout de nitrate de Fe$^\textup{3+}$ a inhibé la réduction de fer tout en stimulant les émissions de N₂O, indiquant la préférence du NO₃$^\textup{-}$ sur le Fe$^\textup{3+}$ comme accepteur d'électrons en conditions inondées. La réduction du fer et la libération des éléments tels que le P et le Fe dans les sols engorgés étaient plus marquées à la surface du sol qu'en profondeur. La libération accrue de carbone organique dissous et d'ions phosphatés dans les sols engorgés a diminué la demande en enzymes de 399 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la β-glucosidase et de 1646 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la phosphomonoestérase acide à la surface du sol (0-5 cm). Les conditions de l'engorgement ont cependant augmenté l'activité de la N-acétyl-β-glucosaminidase de 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ et accru l'azote total dissous de 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ à travers toutes les profondeurs. L'apport de lisier au sol engorgé a diminué les activités enzymatiques extracellulaires, suggérant un apport suffisant en C, N, et P. Les activités enzymatiques et la biomasse microbienne étaient principalement confinées dans la couche superficielle du sol qui a été plus affectée par l'engorgement par rapport à la couche profonde. En conclusion, les conditions d'engorgement dans les sols entraînent des changements significatifs dans la chimie du P dans le sol et l'activité microbienne, conduisant à une diminution du rendement des cultures, à une modification de la dynamique des nutriments, et à une augmentation des pertes de nutriments et des émissions de gaz à effet de serre. La diminution des activités enzymatiques dans les sols engorgés et lors de l'application de lisier souligne la nécessité d'une gestion intégrée des nutriments et de l'eau dans les pratiques agricoles. / In the Fraser Valley of British Columbia (BC), intensive dairy farming produces large amount of manure. Silage corn (*Zea mays* L.), grown in rotation with other forage plants such as ryegrass (*Lolium perenne* L.), is the primary feed source for this intensive farming. This agroecosystem allows the recycling of nutrient-rich manure, like phosphorus (P). However, growing silage corn in the Fraser Valley involves significant applications of manure and starter fertilizers. This results in a buildup of P in the soils, increasing the risk of P loss to water sources. Additionally, the risk of mobilization and transport of P might be accelerated by soil water conditions, especially waterlogging, due to heavy rainfall accumulating in farmland because of poor soil drainage. This thesis, conducted on a P-rich soil in the humid area of the Fraser Valley, BC, aims to evaluate the impacts of soil moisture regime, P fertilizer levels in the form of dairy slurry, and iron nitrate addition on (i) ryegrass yields and P uptake, (ii) reduction of Fe$^\textup{3+}$to Fe$^\textup{2+}$and P solubility and mobility, (iii) microbial activities and greenhouse gas emissions, (iv) soil enzyme activities, and (v) P leaching. In waterlogged soils, ryegrass dry matter yield and exportation of P were lower compared to field capacity soils. A decrease in redox potential in the waterlogged soils reduced Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$, leading to an increase in soil pH in 120 days. This increase in soil pH is due to the consumption of H$^\textup{+}$ ions during microbial reduction of metallic cations. This reduction of Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$ in waterlogged soils released P, dissolved organic carbon (DOC), and total dissolved nitrogen (TDN), reflected by a decrease in water-extractable P (Pw), Mehlich-3 extractable P (P$_\textup{M3}$), and P saturation index (PSI) but an increase in microbial biomass C, N (before 120 days), and CO₂ and N₂O emissions. The addition of Fe$^\textup{3+}$ nitrate inhibited iron reduction while stimulating N₂O emissions, indicating the preference of NO₃$^\textup{-}$ over Fe$^\textup{3+}$ as an electron acceptor under waterlogged conditions. Iron reduction and the release of elements such as P and Fe in waterlogged soils were more pronounced at the topsoil than subsoil. The increased release of dissolved organic carbon and phosphate ions in waterlogged soils decreased the enzyme demand by 398.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for β-glucosidase and by 1646.1 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for acid phosphomonoesterase at the topsoil (0-5 cm). Waterlogged conditions on the other hand increased the activity of N-acetyl-β-glucosaminidase by 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ and raised the total dissolved nitrogen by 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ across all depths. The application of slurry to waterlogged soil decreased extracellular enzymatic activities, suggesting a sufficient supply of C, N, and P. The activities of soil enzyme and microbial biomass were primarily confined to the topsoil, which was more affected by waterlogging compared to the subsoil. In conclusion, waterlogged conditions in soils lead to significant shifts in soil P chemistry and microbial activity, resulting in decreased crop yield, altered nutrient dynamics, and increased nutrient losses and greenhouse gas emissions. The decreased enzymatic activities under waterlogged soils and upon slurry application emphasize the need for integrated nutrient and water management in agricultural practices.

Cette thèse de doctorat vise à améliorer notre compréhension de la récupération des nutriments à partir de l'urine séparée à la source, y compris l'azote, le phosphore et le potassium. L'objectif général est de parvenir à une récupération concomitante de ces trois macronutriments. Plus précisément, il s'agit d'intégrer techniquement l'extraction de l'ammoniac, l'adsorption de Na-chabazite et de biochar, et la précipitation de struvite, dans le but d'améliorer l'efficacité de la récupération et la faisabilité économique. La principale nouveauté réside dans l'intégration technique, avec un accent particulier sur la récupération du potassium. Ainsi, la présente étude doctorale commence par une revue complète de la littérature (chapitre I), suivie de deux parties de recherche scientifique axées sur le travail expérimental avec de l'urine hydrolysée et de l'urine fraîche (chapitres II et III), respectivement, et se termine par une évaluation technico-économique dans le chapitre IV. Le chapitre I a fourni un examen critique de l'intégration des trois technologies physicochimiques clés de récupération des nutriments mentionnées ci-dessus du point de vue de la description technique du processus, de l'échelle actuelle d'application et des défis potentiels et perspectives à venir. En se concentrant principalement sur la récupération du K, le chapitre II a identifié la Na-chabazite comme un adsorbant de K approprié en raison de son efficacité de récupération du K de 91,2 % dans une solution de KCl et de sa capacité supplémentaire de récupération du P. Il a également mis en évidence la molarité élevée du Na-chabazite dans une solution de KCl. L'étude a également mis en évidence la forte molarité du NH₄⁺-N comme principal obstacle à la récupération concomitante des nutriments à partir de l'urine hydrolysée. Pour faire face à cette concurrence, l'étude menée dans le chapitre II a suivi une voie technique conventionnelle et a proposé une stratégie d'intégration technique, atteignant une efficacité de récupération de 98% pour NH₄⁺-N, 97% pour PO₄³⁻-P, et 78% pour K⁺ dans l'urine hydrolysée. Dans le chapitre III, une nouvelle approche a été introduite pour récupérer K⁺ et N sous forme d'urée à partir d'urine fraîche, empêchant ainsi la compétition entre K⁺ et NH₄⁺. Cette intégration technique innovante a permis d'atteindre une efficacité de récupération de 93% pour l'azote, 98% pour le phosphore et 81% pour le potassium dans l'urine fraîche. L'évaluation technico-économique du chapitre IV a révélé que le processus innovant nécessite environ 650 000 CAD de moins en dépenses d'investissement et devrait atteindre son seuil de rentabilité dès la 21ème année. Parallèlement, elle a également permis de comprendre les scénarios optimaux de mise en œuvre des deux procédés de récupération des nutriments, facilitant ainsi leur application potentielle à l'échelle pilote ou à grande échelle. En abordant l'effet compétitif du NH₄⁺ sur la récupération du K⁺, cette recherche contribue à la récupération efficace et concomitante des macronutriments à partir de l'urine hydrolysée et de l'urine fraîche. Elle donne accès à des connaissances de pointe sur la récupération des nutriments à partir des eaux usées et inspire des recherches futures pour de nouvelles avancées dans ce domaine. / This PhD thesis aims to enhance our comprehension of nutrient recovery from source-separated urine, including nitrogen, phosphorus, and potassium. The general objective is to achieve concomitant recovery of these three macronutrients. Specifically, it involves technical integration of ammonia stripping, Na-chabazite and biochar adsorption, and struvite precipitation, with the goal of advancing the recovery efficiency and economic feasibility. The primary novelty lies in the technical integration with a specific focus on potassium recovery. Thus, the present PhD study begins with a comprehensive literature review (Chapter I), followed by two sections of scientific research focusing on experimental work with hydrolyzed urine and fresh urine (Chapters II and III, respectively), and concludes with a techno-economic assessment in Chapter IV. Chapter I provided a critical review on the integration of the abovementioned three technologies from the perspective of process technical description, the current scale of application and potential challenges and perspectives ahead. With a primary focus on K recovery, Chapter II identified Na-chabazite as a suitable K adsorbent due to its K recovery efficiency of 91.2% in KCl solution and additional P recovery capacity. It also highlighted the high molarity of NH₄⁺-N as the main obstacle for concomitant nutrient recovery from hydrolyzed urine. To address this competition, the study conducted in Chapter II followed a conventional technical pathway and proposed a technical integration strategy, achieving a recovery efficiency of 98% for NH₄⁺-N, 97% for PO₄³⁻-P, and 78% for K⁺ in hydrolyzed urine. In Chapter III, a novel approach was introduced to recover K⁺ and N as urea from fresh urine, thereby preventing the competition between K⁺ and NH₄⁺. This innovative technical integration achieved a recovery efficiency of 93% for N, 98% for P, and 81% for K in fresh urine. The techno-economic assessment in Chapter IV revealed that the innovative process requires approximately 650,000 CAD less in capital expenditure and is expected to reach its break-even point as early as the 21st year. Meanwhile, it offered insights into the optimal scenarios for implementing both nutrient recovery processes, facilitating their potential pilot or full-scale application. By addressing the competitive effect of NH₄⁺ on K+ recovery, this research contributes to the efficient and concomitant recovery of macronutrients from both hydrolyzed and fresh urine. It provides access to state-of-the-art knowledge regarding nutrient recovery from wastewater and inspire future research for further advancements in this field.

La fertilisation en Cl permet de réduire la DACA de la fléole des prés utilisée dans les rations des vaches en transition pré-vêlage. Le modèle N-CyCLES a été modifié pour permettre le calcul des bilans en Cl, Na, K et S de fermes laitières québécoises. Il a ensuite été utilisé pour calculer les bilans en Cl de 15 fermes laitières, puis pour évaluer l'impact de la production de foin à faible DACA sur les bilans en Cl de ces fermes. Le bilan moyen en Cl des fermes étaient de 610 g Cl hL"1 de lait vendu. Les principaux éléments qui caractérisent les bilans en Cl sont les importations de Cl dans les engrais minéraux et les aliments et les exportations de Cl dans les récoltes vendues. La production d'un foin à faible DACA a eu un faible impact sur les bilans en Cl des fermes, soit une augmentation moyenne des bilans de 59 g Cl hL"1 .

La quantification du lessivage des engrais azotés en vue de réduire les pertes dans l’environnement sous production de pomme de terre (Solanum tuberosum L.) sur sol sableux constitue un enjeu majeur de la recherche actuelle. L’objectif général de la thèse répond à cette problématique en trois parties. Le premier sous-objectif visait à suivre le devenir des pluies et du couvert neigeux fondu dans le sol tout au long de l’année par les isotopes stables de l’eau (18O et 2H), car les nitrates suivent le trajet de l’eau. Nos résultats évaluent la vitesse de percolation des pluies et de l’eau issue de la fonte du couvert neigeux à environ 1,5±0,5 mois. L’eau circule plus lentement dans la couche arable supérieure que dans la couche sous-jacente. Finalement, un modèle perceptuel permet de distinguer le lessivage sur deux périodes : une première période entre la récolte et la plantation et une seconde période durant le développement de la plante. Le deuxième sous-objectif s’est intéressé au déplacement de l’engrais dans le sol et à estimer les quantités récupérées par la plante par le suivi de l’engrais enrichi en azote 15. Des profils de sol ont été prélevés les mêmes jours que pour l’oxygène 18 et le deutérium. Les résultats montrent que l’engrais reste localisé au centre de la butte tant qu’il n’y aucune pluie supérieure à 70±10 mm. Les nitrates sont lessivés essentiellement à l’automne, ce qui confirme les résultats obtenus avec l’oxygène 18 et le deutérium. A la récolte, le tubercule a prélevé 47% de l’azote issu du fertilisant, le reste étant susceptible au lessivage. Jusqu’au maximum de couverture foliaire, la plante prélève préférentiellement l’azote issu de l’engrais comparativement à l’azote issu de la minéralisation. La situation s’inverse ensuite. Le troisième sous-objectif était de simplifier la mesure des nitrates du sol à l’intérieur de la butte en vue d’améliorer la précision des bilans azotés. La butte a été échantillonnée sur une profondeur de cinquante centimètres à quatre endroits et à cinq moments durant la saison. Une relation robuste de pente de 0.78 reliait les concentrations de nitrate du sol prélevées au centre de la butte à celles de l’intégralité du profil de sol (0-80 cm) dont la microtopographie avait été modifiée par le buttage. / Quantifying nitrogen fertilizer leaching in order to reduce environmental losses in the potato (Solanum tuberosum L.) production on sandy soils is a major issue of current research. The general objective of the thesis was to address this problem in three parts. The first part aimed to follow the fate of rainfall and snowmelt in the soil during an entire year with water stable isotopes (18O and 2H) since nitrates follow water pathways. Rainfall and snow melt percolation rate was approximately 1.5±0.5 months. Water percolates at slower rate in the upper soil layer than in sublayers. Finally, a perceptual model considered two periods of nitrate leaching: the first period from previous harvest to seeding and the second during the cropping season. In the second part, we followed the nitrogen fertilizer pathway through soil and estimated fertilizer recovered by plants after fortification with nitrogen 15. Soil profiles were sampled on the same days as for the oxygen 18 and deuterium samplings. Results show that the fertilizer remained in the hill until the occurrence of rainfall events exceeding 70±10 mm. Nitrates are leached away mostly during the fall, as was the case for oxygen 18 and deuterium. At harvest, the tuber took up 47% of the nitrogen from fertilizer, leaving the remainder susceptible to leaching. Until maximum foliage coverage, the plant took up nitrogen more from fertilizer than mineralized organic nitrogen, but the reverse occurred thereafter. The third part was to simplify the sampling procedure of soil nitrate within the hill for budgeting nitrate. The hill was sampled across a 0-50 cm soil profile at four places and at five moments during the cropping season. A reliable relationship with a slope of 0.78 related soil nitrate content sampled at the centre of the hill to that of the entire hill for the 0-50 cm soil profile.

Des essais ont été implantés en 2007 et 2008 à Saint-Augustin-de-Desmaures et à Sainte-Anne-de-Bellevue afin de vérifier l'effet de deux doses de potassium (0 et 80 kg K20 ha"1), cinq doses d'azote (0, 50, 100, 150 et 200 kg N ha"1) et quatre dates de récolte sur le rendement en matière sèche et en sucres, la valeur nutritive et l'indice de verse du millet perlé sucré. Il y a eu peu d'effet de la fertilisation potassique. Les rendements en matière sèche, en sucres et la verse ont augmenté avec la fertilisation azotée. À Saint-Augustin-de-Desmaures, le rendement maximum en sucres (1,9 Mg ha" ) a été atteint à la quatrième date de récolte avec 78 kg N ha"1, alors qu'à Sainte-Anne-de-Bellevue, il a été atteint à la troisième date de récolte (2,8 Mg ha"1) avec 90 kg N ha"1. La verse était plus importante en fin de saison. Les récoltes effectuées de la fin août jusqu'à la fin-septembre (2100-2200 unités thermiques maïs) permettent de maximiser le rendement en sucres alors que les récoltes effectuées au début du mois d'août permettent d'obtenir une meilleure valeur nutritive.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2023) / Alors que l'agriculture biologique vise à l'amélioration de la santé des sols, elle est contrainte d'utiliser un travail du sol plus intensif en raison de l'interdiction de l'utilisation de pesticides de synthèse. Plusieurs travaux de recherche évaluent l'impact comparatif de l'agriculture conventionnelle et biologique, mais il existe peu de littérature portant exclusivement sur l'agriculture biologique évaluant l'effet de ses pratiques sur la santé des sols. L'objectif du présent projet est de comparer, dans un dispositif expérimental en production biologique uniquement, l'effet à court terme de différentes pratiques agronomiques utilisées en grandes cultures biologiques sur plusieurs indicateurs de la santé des sols pour l'horizon de surface du sol (0-5 cm). Le sol d'un dispositif de grandes cultures biologiques mis en place en 2019 a été échantillonné en surface (0-5 cm) aux automnes 2020 et 2021 pour tester 4 rotations de cultures communes sur les fermes biologiques au Québec, Canada. Pour chacune de ces rotations, deux intensités de travail du sol (labour et chisel), ainsi que deux stratégies de fertilisation (fumier de poulet et aucune fertilisation) ont été testées. Après 3 années, le carbone et l'azote de la biomasse microbienne ainsi que le carbone de la matière organique particulaire du sol sous travail du sol réduit (chisel) étaient plus élevés que sous travail conventionnel (labour). Les rotations plus diversifiées incluant une année de prairies et des céréales, particulièrement les céréales d'automne, ont favorisé la stabilité des agrégats en surface, notamment par rapport à la rotation incluant deux années de soya. La fertilisation avec fumier de poulet n'a eu aucun effet significatif sur les indicateurs de santé des sols étudiés. La présente étude montre que le choix pratiques en agriculture biologique peut influencer les indicateurs de santé du sol de surface en l'espace de quelques années. / Organic agriculture particularly aims to increase (or maintain) soil health by promoting best management practices such as diversified crop rotations, cover crops, and organic fertilizers. However, it is constrained in using intensive soil tillage since the use of synthetic herbicides is prohibited. Several research papers investigated the comparative effect of conventional and organic agriculture, but a meager literature examined agricultural management practices exclusively under organic management. On this matter, the objective of this project was to compare, in an organic field trial, the short-term effect of field crop management practices on soil health indicators in the surface horizon (0-5 cm). Soil from an organic field crop trial, initiated in 2019, was sampled on the surface (0-5 cm) in falls 2020 and 2021 to evaluate four common crop rotations on organic farms in Quebec, Canada. For each rotation, two tillage intensities (plowing and chisel) and two fertilization strategies (poultry manure addition and no fertilization) were tested. After three years, soil microbial biomass carbon and nitrogen, and particulate organic matter carbon increased under reduced tillage compared to conventional tillage. Diversified crop rotations including one year of grassland, cereals, and particularly winter cereals, promoted surface aggregate stability, notably compared to the rotation including two years of soybean. Poultry manure did not significantly impact any of the soil health indicators. This study showed that best management practices choice in organic agriculture can improve surface soil health indicators within a few years.