La stabilité biologique des amendements et des engrais organiques (AEO) peut affecter le potentiel de minéralisation de l'azote. Leur résistance au changement brusque de pH influence leur devenir dans un milieu acide ou basique. Le C organique (Corg) stable et le pouvoir tampon (PT) sont donc des propriétés déterminantes pour une utilisation rationnelle des amendements et des engrais organiques (AEO), plus particulièrement dans la formulation des engrais organo-minéraux. Certains indices de Corg stable peuvent être acquis d'une façon relativement rapide, tandis que d'autres exigent des incubations de longue durée pour les obtenir. La présente étude visait à (i) à établir un lien entre une sélection d'indices de Corg stable, (ii) à déterminer les indices de stabilité du Corg les plus reliés au potentiel de minéralisation de l'azote, (iii) à développer une expression intégrale du pouvoir tampon applicable à des courbes de titrage d'allure variable et (iv) à déterminer les cations acides et basiques les mieux reliés au pouvoir tampon. Trente AEO représentatifs de ceux qui sont couramment utilisés au Québec (Canada) ont été testés. Six indices de Corg stable ont été déterminés: le degré d'humification déterminé par spectrofluorimétrie (DH), le rapport entre l'absorbance à 600 nm et la concentration en C organique de la même solution (A6C), le logarithme du rapport entre les absorbances à 400 nm et à 600 nm (AlogK), l'indice pyrophosphate (IP), ainsi que l'indice de stabilité biologique (ISB) et la fraction de carbone résiduel (FCR) estimés à l'aide des fractions organiques des AEO et des coefficients obtenus de la littérature. Douze AEO de stabilité différente ont été ensuite incubés dans 2 sols de texture différente pour évaluer leur potentiel de minéralisation de l'azote organique. L'analyse statistique a donné les meilleures relations linéaires entre DH, A6C et ISB (R2 ~ 0,97, 0,99 et 0,96, respectivement) et a montré que le potentiel de minéralisation de l'azote était mieux corrélé à ces indices de Corg stable (r = -0,86 à -0,90) qu'au rapport C/N (r = -0,63 et -0,68). En admettant que quand l'ISB tend vers zéro, le potentiel de minéralisation de l'azote devrait tendre vers le maximum (1000 g N kg"1 N organique), on a observé que l'A6C était peu fiable pour prédire le potentiel de minéralisation de l'azote des AEO peu humifiés. L'analyse de regroupement des 30 AEO en 3 groupes de stabilité biologique faible, moyenne, et élevée en fonction de PISB a permis d'établir la séparation médiane à 56% et à 79%, respectivement. On en a conclu que le DH, PA6C et PISB pouvaient être utilisés de façon interchangeable pour prédire la stabilité du C organique des AEO. En revanche, parmi les indices de stabilité du Corg testés et dont l'acquisition est relativement rapide, le DH serait préférable pour prédire la stabilité du Corg et le potentiel de minéralisation de l'azote des AEO. Les AEO dont la stabilité biologique est élevée devraient être considérés comme des amendements humigènes, tandis que ceux dont la stabilité biologique est faible serviraient plutôt d'engrais organiques. Ces derniers seraient propices à entrer dans les formulations d'engrais organo-minéraux, puisqu'il faut que les éléments nutritifs qu'ils contiennent soient disponibles aux plantes au cours de la saison culturale. Outre la stabilité biologique, le pouvoir tampon est important pour la prescription d'AEO à combiner avec des engrais minéraux acidifiants ou alcalifiants pour la formulation d'engrais organo-minéraux. Trois expressions de détermination du pouvoir tampon ont été testées: deux issues de la littérature (linéaire et ponctuelle) et une expression intégrale développée dans cette étude. Le pouvoir tampon ainsi obtenu a été relié à l'acidité et à l'alcalinité des AEO par analyse de régression linéaire multiple. L'expression intégrale était applicable à des courbes de titrage d'allure variable et elle permettait de définir un pouvoir tampon global incluant à la fois les traitements acides et basiques. En moyenne, la quantité d'acide nécessaire pour une variation d'une unité de pH était plus élevée que celle de la base, respectivement 34,9 cmol H4 " kg"1 pH"1 et 20,7 cmol OH" kg"1 pH"1 dans le cas de l'expression linéaire du pouvoir tampon. Le PT à l'acidité (PTH+) obtenu avec l'expression intégrale était le plus relié, d'une part, à l'acidité totale échangeable et à l'alcalinité potentielle (R2 = 0,73) et, d'autre part, aux cations acides et basiques (R2 = 0,78). Par rapport à l'eau déminéralisée (référence) dont le PTH+ est de 0%, la séparation médiane obtenue suite à l'analyse de regroupement des 30 AEO en 3 classes de PTH+ faible, moyen et élevé (expression intégrale) était respectivement de 58% et de 73%. Dix-neuf des 30 AEO avaient un PTH+ élevé. En conclusion, (i) l'expression intégrale était plus applicable à des courbes de titrage d'allure variable que les expressions linéaire et ponctuelle, (ii) le pouvoir tampon global est important pour la formulation des engrais organo-minéraux incluant à la fois des engrais acides et basiques, (iii) les AEO dont le PTH+ est élevé seraient plus propices à entrer dans des formulations d'engrais organo-minéraux incluant des engrais minéraux acides, et (iv) le PTH+ selon l'expression intégrale pourrait être estimé à l'aide de la teneur en Ca (total et échangeable) et du pHcaci2 (CaCk 0,01 mol L"1 ); des données que l'on peut facilement obtenir dans les rapports d'analyses courantes des AEO, permettant en conséquence de faire des économies de ressources.

L'intérêt croissant pour l'agriculture biologique, la valorisation des ressources, et la souveraineté et sécurité alimentaire a su faire valoir l'importance de l'agriculture durable, qui explore notamment le rôle du microbiome et des processus biologiques. Toutefois, des lacunes persistent dans la compréhension de la minéralisation de l'azote avec des engrais organiques en culture hors-sol. Ce projet visait à comprendre cette dynamique en examinant la minéralisation des engrais d'origine organique dans divers substrats de culture à base de tourbe (axe 1) et également dans des sols arctiques (axe 2). Dans l'axe 1, deux volets d'étude ont été menés : des essais *in vitro* mesurant l'activité microbienne et les taux de minéralisation de l'azote pour cinq substrats de culture, et des essais *in vivo* évaluant la performance agronomique de trois substrats et de trois types de fertilisation organique sous régie biologique. Nos résultats ont montré que la plupart des fertilisants organiques ont connu un pic d'azote minéralisé au quatorzième jour d'incubation, sans différences significatives entre les substrats de culture tourbeux. Cependant, le substrat tourbeux âgé de 5 ans avait une activité microbienne inférieure aux substrats neufs. L'azote minéralisé a varié de 30 % à 80 % selon les sources fertilisantes. Dans les essais *in vivo*, la concentration en nitrate et l'activité microbienne ont diminué après la stérilisation à la vapeur des substrats de culture. La fertilisation d'origine animale a montré la plus faible concentration en azote dans le substrat de culture, tandis que le substrat avec fibres de bois et la fertilisation mixte (animale et végétale) ont favorisé la croissance des plantes. Dans l'axe 2 de recherche, l'évaluation de la performance d'un fertilisant liquide biologique dérivé de la biofermentation de frass a montré sa capacité à augmenter l'activité microbienne et à influencer la minéralisation de l'azote. D'autre part, des sols arctiques ont démontré leur potentiel en tant que substituts aux substrats de culture tourbeux importés pour la production de fruits et légumes au Nunavut. / In recent years, organic agriculture, resource revaluation, and food security have sparked growing interest among consumers in Quebec. Sustainable agriculture explores the role of the microbiome and biological processes. However, only limited research has been conducted on nitrogen mineralization using organic fertilizers in soilless cultivation or on the connection between culture medium components and nitrogen mineralization in organic horticulture. Therefore, this project aimed to better understand the mineralization dynamics of organic fertilizers in various peat-based growing media (GM) (Part 1), and in Arctic soils (Part 2). In part 1, two aspects were investigated: (i) *in vitro* trials measuring microbial activity and nitrogen mineralization rates of eleven organic fertilizers in three growing media, and (ii) *in vivo* trials to assess the agronomic performance of three GM amended with different organic fertilizations. Our results demonstrated that the nitrogen mineralization curve for the majority of the studied fertilizers exhibited a peak of mineralized nitrogen on the fourteenth day of incubation. No significant differences were observed among the growing media. The 5-year-old growing medium displayed lower microbial activity compared to the fresh growing media. Plant protein hydrolysates released a significant amount of NH4-N during the initial weeks. Overall, mineralized nitrogen ranged from 30% to 80% of the applied nitrogen, depending on the organic fertilizers. In the *in vivo* trial, nitrate concentration and microbial activity decreased after sterilization of the growing medium. The animal-derived fertilization had the lowest nitrogen concentration, while wood fiber and mixed fertilization promoted plant growth. In part 2 of the study, an organic liquid fertilizer (OLF derived from biofermentation of frass was evaluated on a peat substrate. The addition of OLF increased growing medium microbial activity and influenced nitrogen mineralization by reducing immobilization effects. On the other hand, Arctic soils showed promising results as substitutes for imported growing medium in fruit and vegetable production, while local fertilizing sources can be as effective as commercial fertilizers.

Au Québec, on retrouve près de 9000 ha de sols organiques cultivés dans la région de la Montérégie. Ces sols très fertiles produisent près de 50% des légumes de champs de la province. Toutefois, leur durée de vie est menacée par des processus de décomposition, de compaction et d'érosion causant des pertes de sol de l'ordre de 0,3 à 4,3 cm an$^\textup{-1}$. L'objectif de cette thèse était de développer et d'optimiser des stratégies de conservation des sols organiques cultivés basées sur des amendements en pailles, en copeaux de bois, en cuivre et en lignosulfonate dans le but de compenser et de réduire les pertes de sol causées par la décomposition. Afin de répondre à cet objectif, trois volets d'étude ont été développés : (1) fertilité chimique, (2) efficacité à compenser ou à ralentir la décomposition, et (3) fertilité chimique et efficacité en contexte de culture. Au volet 1, l'apport de cuivre a montré peu d'effet sur les paramètres liés à la décomposition. Les réductions les plus marquées mesurées au cours d'une incubation en pot et d'une expérience en colonnes ont été, respectivement, de 11% pour la teneur en carbone organique dissous et de 16% pour la teneur en azote organique soluble, alors que la recommandation en cuivre s'appuie sur une réduction de 70% de la décomposition. L'application de pailles et de copeaux de bois a un taux représentatif d'un apport de 9 t ha$^\textup{-1}$ incorporé sur 20 cm a réduit de 57% la teneur en azote minéral et de 8% la teneur en phosphore au cours d'une incubation en pots de 56 jours. Au cours d'une expérience en colonnes, l'application d'une dose de 30 t ha$^\textup{-1}$ incorporée sur 40 cm a réduit la teneur en azote minéral de 50% et la teneur en phosphore Mehlich-3 de 16% après 166 jours d'incubation. Au volet 2, une incubation en conditions contrôlées d'un sol humique et d'un sol mésique, tous deux représentatifs des deux extrémités du spectre de dégradation des sols organiques de la Montérégie, a permis d'estimer une fourchette d'émission potentielle de 0,7 à 7,3 t C-CO₂ ha$^\textup{-1}$ an$^\textup{-1}$ pour ces sols. Les applications de cuivre et de lignosulfonate n'ont pas réduit les émissions de CO₂ du sol humique, mais ont réduit celle du sol mésique de 37% et de 61%, respectivement. L'effet régulateur du cuivre et du lignosulfonate sur les émissions de CO₂ du sol mésique a toutefois été temporaire. L'application de pailles et de copeaux de bois sur ces sols a aussi permis d'estimer que de 52% à 81% du carbone appliqué avec les biomasses pourrait être conservé dans les sols après un an. Ces valeurs ont, à leurs tours, permis d'estimer une fourchette de besoin en biomasse de 2 à 32 t ha$^\textup{-1}$ an$^\textup{-1}$ pour maintenir la quantité de sol intact Au volet 3, une expérience en colonne a montré une absence d'effet à long terme du lignosulfonate sur le taux d'augmentation en azote minéral et sur l'activité microbienne totale, suggérant que ce produit n'a pas ralenti la vitesse de décomposition des sols testés. Le lignosulfonate a aussi eu des effets négatifs et positifs sur les rendements, mais ces effets n'ont pas pu être reliés à des variations marquées de disponibilité en azote et en phosphore, suggérant une action de ce traitement sur d'autres paramètres du sol. L'application de miscanthus et de pin pressé à un taux de 15 t ha$^\textup{-1}$ incorporé sur 20 cm sans fertilisation additionnelle à la fertilisation de base a réduit la disponibilité en azote et les rendements d'épinard et de roquette de 4% à 46%. L'application de biomasse a aussi augmenté la teneur en matière organique des sols, bien que son effet sur le stock de carbone n'ait pas pu être quantifié. Ces résultats amènent à conclure que l'application systématique de cuivre n'est pas une approche efficace de conservation des sols organiques cultivés. Bien que l'application de lignosulfonate ait montré un potentiel à ralentir la décomposition, son effet régulateur ne semble pas pouvoir être généralisé à l'ensemble des sols organiques. En revanche, l'apport de pailles et de copeaux de bois s'est révélé prometteur pour compenser les pertes de sol causées par la décomposition. Un ajustement de la régie de l'azote devra toutefois être envisagé lors de l'implémentation de cette méthode afin de prévenir les carences et les chutes de rendement. / In the province of Quebec, nearly 9000 hectares of organic soils in the Montérégie region are dedicated to horticultural activities. These exceptionally fertile soils contribute to the production of approximately 50% of the province's field vegetables. However, their lifespan is under threat due to three degradation processes: decomposition, compaction, and erosion. These processes leading to annual soil losses ranging from 0.3 to 4.3 cm. The primary objective of this thesis was to develop and optimize strategies for conserving cultivated organic soils based on amendments with straw, wood chips, copper, and lignosulfonate in order to compensate for and reduce soil losses resulting from decomposition. This study was divided into three parts to address this objective: (1) chemical fertility, (2) efficiency, and (3) chemical fertility and efficiency in the context of cultivation. In the first part, the addition of copper showed little effect on decomposition-related parameters. The most pronounced reductions measured during jar incubation and column experiments were 11% for dissolved organic carbon content and 16% for soluble organic nitrogen content, while copper recommendations are based on a 70% reduction in decomposition. The application of straw and wood chips, at a rate representing 9 t ha$^\textup{-1}$ of biomass incorporated over 20 cm, reduced mineral nitrogen content by 57% and phosphorus content by 8% during a 56-day jar incubation. In a column experiment, the application of 30 t ha$^\textup{-1}$ incorporated over 40 cm reduced mineral nitrogen content by 57% and Mehlich-3 extracted phosphorus content by 8% after 166 days of incubation. In the second part, incubation under controlled conditions of a humic soil and a mesic soil, representative of the two ends of the degradation spectrum of organic soils in Montérégie, enable us to estimate a potential range of emissions of 0.7 to 7.3 t C-CO₂ ha$^\textup{-1}$ yr$^\textup{-1}$ for these soils. Copper and lignosulfonate applications did not reduce CO₂ emissions from the humic soil but reduced emissions from the mesic soil by 37% and 61%, respectively. However, the regulatory effect of copper and lignosulfonate on CO₂ emissions from the mesic soil was temporary. Moreover, the application of straw and wood chips to these soils allowed us to estimate that between 52% and 81% of the carbon applied with the biomass could be retained in the soil over the course of a year. These findings led to biomass requirements estimation ranging from 2 to 32 t ha$^\textup{-1}$ yr$^\textup{-1}$. In the third part, a column experiment demonstrated the absence of a long-term effect of lignosulfonate on the rate of increase in mineral nitrogen and total microbial activity, suggesting that this product did not slow down the decomposition rate of the tested soils. Lignosulfonate also had both negative and positive effects on yields, but these effects could not be explained by the observed variations in nitrogen and phosphorus availability, suggesting an action of this treatment on other soil parameters. Furthermore, the application of miscanthus and pressed pine at a rate of 15 t ha$^\textup{-1}$ incorporated over 20 cm without additional fertilization beyond the standard resulted in reduced nitrogen availability and decreased yields of spinach and arugula by 4% to 46%. Biomass application also increased soil organic matter content, although its effect on soil carbon stock could not be quantified. These findings lead to the conclusion that the systematic application of copper is not an effective approach for conserving cultivated organic soils. While the application of lignosulfonate has shown potential in slowing decomposition, its regulatory effect does not appear universally applicable to all organic soils. Conversely, the repeated application of straw and wood chips has demonstrated promising for compensating soil losses caused by decomposition. However, modification in nitrogen management should be consider when implementing this method to prevent deficiencies and crop yield decrease.

La chicouté présente des rendements fruitiers faibles et variables possiblement liés à l’oligotrophie des tourbières ombrotrophes où elle croît. Deux techniques de fertilisation furent donc testées dans deux tourbières naturelles, en Basse-Côte-Nord (Québec). Un engrais organo-minéral (farines de crabe et de poisson, muriate de potassium) a été appliqué au sol annuellement pendant trois ans. Des applications foliaires de bore et de cuivre ont été effectuées la troisième année. Les engrais n’ont eu aucun impact sur la croissance et la productivité de la chicouté et l’engrais organo-minéral s’est très peu minéralisé et dispersé dans le sol. La capacité de minéralisation d’autres engrais organiques en tourbière ombrotrophe devra donc être testée. Le bore et le cuivre sont relativement abondants dans les fruits et pourraient limiter la production fruitière, mais de nouveaux essais seront nécessaires pour le confirmer. En conclusion, davantage d’informations sur les besoins nutritifs de la chicouté seront nécessaires pour sélectionner les engrais appropriés. / Cloudberry present low and variable fruit yields that are probably explained by the oligotrophy of the ombrotrophic peatlands where it grows. Two different fertilization techniques were tested in two natural bogs of the Quebec Lower-North-Shore. An organo-mineral fertilizer (crab and fish meal, potassium chloride) was applied annually in soil for three years. Foliar applications of boron and copper were tested during the third year. The fertilizers had no effect on cloudberry growth and productivity and the organo-mineral fertilizer hardly mineralized and dispersed in the soil. Mineralization capacity of other organic fertilizers in natural peatlands should thus be tested. Boron and copper are abundant in the fruits and are likely limiting fruit production, but new trials are needed to confirm it. In conclusion, more information on the nutrient requirements of cloudberry is needed to select suitable fertilizers.

Le cadmium (Cd) est l'un des métaux les plus toxiques car il produit des effets néfastes sur l'activité biologique du sol, les plantes, le métabolisme, et la santé de l'homme et des animaux. L'objectif de cette étude est de déterminer la sorption et la désorption du Cd dans deux sols, un sol sableux et un sol limono-argileux, amendés avec 10% de matériaux biologiques (quantité destinée à la restauration des sites contaminés). Les quatre matériaux biologiques mis à l'essai sont: i) un compost à base de bovins de boucherie et de sciure de bois (CBS), ii) un compost à base de bovins de boucherie et de paille (CBP), iii) un compost commercial à base de tourbe et de déchets de crevettes (CTC) et iv) une farine de coquilles d'oeufs de poules (FCO). L'application des matériaux biologiques a rehaussé la capacité des sols à retenir le Cd. Une augmentation progressive de la sorption a été observée avec les temps de contact allant de 0,5 h à 4 semaines. Le rehaussement de la température de 5 à 450C a augmenté la quantité de Cd sorbée. Les données de sorption pour des concentrations de Cd2+ ajoutée variant de 0 à 2000 mg Cd/kg ont été le mieux décrites par la forme linéaire de l'équation de Freundlich. La quantité de Cd sorbée a augmenté avec l'accroissement de sa concentration dans la solution d'équilibre. D'une manière générale, la capacité des sols à retenir le Cd augmentait dans l'ordre suivant: sols amendés de CBS ou de CBP < sols amendés de CTC < sols amendés de FCO. L'étude de désorption du Cd fraîchement sorbé a été réalisée au moyen d'extractions singulières utilisant la solution Mehlich-3 ou DTPA-TEA-CaCl2 et d'extraction séquentielle utilisant successivement les solutions Ca(NO3)2, TEA-DTPA-CaCl2 et HCl. La quantité de Cd désorbée est directement proportionnelle à la quantité de Cd fraîchement sorbée. Les résultats suggèrent que les amendements biologiques pourraient être appliqués aux sols afin de rehausser leurs propriétés de rétention du Cd.

Les biosolides et les cendres de combustion de boues (CCB) constituent des sources importantes d’éléments nutritifs (particulièrement l’azote et/ou le phosphore). Bien que plusieurs auteurs aient étudié la disponibilité de ces éléments dans les biosolides, ces études se sont concentrées sur des produits spécifiques et réalisées dans des conditions expérimentales différentes, générant des résultats très diversifiés. Ainsi, il n’existe actuellement aucun modèle de prédiction de la disponibilité de ces éléments pour les cultures. Concernant les CCB, elles ont été largement caractérisées chimiquement au cours des dernières années, mais il existe très peu d'études sur la réponse des cultures à cette source de phosphore. Cette étude fournit des modèles de prédiction de la disponibilité de l’azote et du phosphore dans ces produits afin d’améliorer l'efficacité de leur recyclage agricole et éviter les risques environnementaux. Deux modèles d’évaluation et de classification de la biodisponibilité de l’azote et du phosphore dans les biosolides ont été élaborés à partir des données de la littérature scientifique nationale et internationale. Le potentiel fertilisant de 12 CCB provenant de monoincinérateurs situés au Canada et aux États-Unis a été également testé dans une expérimentation réalisée en serre en utilisant deux types de sol. Ensuite, la modélisation par la méthode de forêt aléatoire a été utilisée pour déterminer un indicateur de prédiction de la disponibilité du P dans les CCB. En fonction du rapport C/N, la disponibilité de l’azote dans les matières résiduelles fertilisantes a été classée en deux grands systèmes : un minéralisateur et un immobilisateur, pour un total de six sous-systèmes: i) forte minéralisation : coefficient d’efficacité relative de l’azote (CERN) de +66% et C/N≤5, ii) minéralisation moyenne : CERN de +33% et 5<C/N≤16, iii) faible minéralisation : CERN de +9% et 16<C/N≤38, iv) faible immobilisation : CERN de -9% et 38<C/N≤90, v) immobilisation moyenne : CERN de -27% et 90<C/N≤140, vi) forte immobilisation : CERN de -55% et C/N>140. En fonction de la concentration molaire total en aluminium et en fer, la disponibilité du phosphore dans les biosolides a été divisée en 4 classes de disponibilité: i) très élevée (230-400 mmol kg-1), ii) élevée (401-1100 mmol kg-1), iii) moyenne (1101-2800 mmol kg-1) et iv) faible (2801-5132 mmol kg-1). Suite à l'application des CCB, l'augmentation de la biomasse aérienne du ray-grass par rapport au témoin varie de 4-29% et de 15-59% dans les sols argileux et loam sableux, respectivement. Cette augmentation est en moyenne 40% inférieure à celle du triple super phosphate (TSP) pour les deux types de sols. Les plus grandes augmentations de biomasse ont été obtenues pour les CCB ayant un pourcentage de solubilité du P (PSP) ≥ 54%. Un comportement similaire a été observé pour le prélèvement du P par la plante avec des augmentations maximales de 26% et de 165% pour le sol argileux et loam sableux, respectivement. Suite à l'application des CCB, l’augmentation de la biomasse et du prélèvement en P est supérieure à celle du phosphate naturel (PN) dans le sol argileux, mais similaire dans le sol loam sableux. La modélisation par la méthode de forêt aléatoire montre que l’extraction à l’oxalate est un indicateur pratique de prédiction de la disponibilité du phosphore des CCB et que l’aluminium est le facteur influençant le plus cette disponibilité. / Biosolids and sludges incinerated ashes (SIA) are valuables sources of nutrients (N, P) and organics matter. During the last decades, a considerable amount of research has been done on biosolids nutrients availability after their application onto agricultural land. But these studies are focused on specific products and performed under different experimental conditions, generating very different results. Therefore, so far, no model has been proposed to predict nitrogen and phosphorus plant availability for biosolids land application. Although the chemical characterization of SIA has been widely examined, there are only a few studies regarding crop responses to this source of P. This study has generated prediction models to evaluate nitrogen and phosphorus plant availability in these products in order to improve their agricultural recycling and avoid environmental risks of pollution. Data were collected from national and international literature in order to design two models to assess and classify nitrogen and phosphorus availability in SIA. Twelve SIA from mono-incinerators located in Canada and the USA were tested for their fertilizing potential in a greenhouse experiment. Then, random forest modeling was used to find out an indicator of prediction of SIA phosphorus availability. Depending on the C/N ratio of non-composted by-products, six categories were defined. i) high mineralization: +66 % relative N effectiveness (RNE) and 5 ≤ C/N, ii) moderate mineralization: +33 % RNE and 5 < C/N ≤ 16, iii) low mineralization: +9 % RNE and 16 < C/N ≤ 38, iv) low immobilization: −9% RNE and 38 < C/N ≤ 90, v) moderate immobilization: −27 % RNE and 90 < C/N ≤ 140, and vi) high immobilization: −55 % RNE and C/N > 140. According to the total molar concentration of Al and Fe in biosolids, phosphorus availability were divided into 4 classes: i) very high (230-400 mmol kg-1), ii) high (401-1100 mmol kg-1), iii) medium (1101-2800 mmol kg-1), and, iv), and low (2801-5132 mmol kg-1). The biomass increases following an SIA application were as high as 29 % and 59 % more than the control for the sandy loam and clayey soil, respectively, but 40% less than for the triple super phosphate (TSP), for both soils. The ray-grass biomass and P uptake increases due to SIA applications were larger than those of rock phosphate (RP) application in the clayey soil, but similar to those in the sandy loam soil. A similar behavior was observed for P uptake, with a maximum increase of 26 % for the clayey soil, and 165 % for the sandy loam soil. The SIA with a PSP of ≥ 54% significantly increased soil available P stocks and saturation. The random forest modeling shows that oxalate extraction is a practical indicator of prediction of SIA phosphorus availability. Also, this modeling shows that SIA Al content is the most influent factor of this availability.

Du biochar, de l’hydrogel et des symbiotes végétaux ont été testés comme amendements et biostimulants pour la croissance végétale de Festuca rubra, Trifolium repens L et Avena sativa L hydro-ensemencées sur des résidus aurifères fins et des roches stériles. Un essai de germination indique que les deux biochars ont favorisé la germination des plantes entre 61% et 91%, sauf dans le cas d’une combinaison du biochar BQ-Érable-500-3 avec le trèfle blanc. Une première expérience consistait en trois doses d’hydrogel (0g/kg, 10g/kg, 15g/kg de substrats) combinées avec 0% ou 15% v/v de biochar BQ-Érable-500-3 sur la croissance de A. sativa, F. rubra et T. repens hydro-ensemencées sur ces résidus en conditions contrôlées. L’ajout d’hydrogel avec du biochar a augmenté entre 20% et 27% la biomasse par rapport au témoin sans biochar. L’addition de biochar BQ-Érable-500-3 à 15% v/v aux résidus miniers n’a pas eu d’effets sur les biomasses aériennes et totales des plantes dans le mésocosme. Une interaction a été observée entre l’hydrogel et le biochar. Cependant, celle-ci a été négativement influencée par le taux élevé de biochar appliqué. Dans une deuxième expérience, les effets interactifs de deux biochars avec 15% v/v ou sans biochar (0%) et d’un consortium microbien constitué de deux souches de bactérie fixatrice d’azote (Rhizobium leguminosarum biovar trifoli FH345K et Rhizobium leguminosarum biovar trifoli USDA2046), une souche de bactérie fixatrice libre du diazote (Pseudomonas putida MBN 0213) et une souche de champignon mycorhizien arbusculaire (AMF) (Rhizophagus irregularis DAOM 197198) ont été observés en utilisant des mésocosmes en serre. Le biochar fait avec des écorces d’érable à 7000C a augmenté de 20% la masse totale des plantes comparativement au traitement sans biochar, mais pas avec l’autre biochar fait avec 75% de bois et d’écorces d’érable à 5000C. Il n’y avait pas d’interaction entre le biochar et le consortium microbien. Les deux mélanges végétaux avaient la même biomasse aérienne totale malgré un ratio de population de chaque espèce différente. Par conséquent, l’hydrogel et le biochar seraient bénéfiques pour la croissance végétale, avec l’un ou l’autre des mélanges végétaux, dans des milieux de croissance difficiles pour les plantes tels que les résidus miniers. Par contre, l’effet du biochar sur la croissance dépend du type de biochar. Mots clés : biochar, restauration minière, hydrogel, exploitation aurifère, Avena sativa, Trifolium repens L, Festuca rubra / Biochar, hydrogel and plant symbionts were tested as amendments and biostimulants for plant growth of Festuca rubra, Trifolium repens L and Avena sativa L hydro-seeded on gold mine fine tailings and waste rock. A germination test indicated that both biochars favored plant germination between 61% and 91%, except for combination BQ-Érable-500-3with white clover. A first experiment consisting of three hydrogel doses (0 g/kg, 10 g/kg, 15 g/kg of substrate) combined with 0% or 15% v / v of biochar was conducted on the growth of hydro-seeded A. sativa, F. rubra and T. repens planted together on these gold mine tailings under controlled conditions. The addition of hydrogel to biochar increased plant biomass between 20% and 27% compared to the control without biochar. The addition of biochar at 15% v/v to tailings had no effects on the aboveground and total biomass of plants in the mesocosm experiment. An interaction was observed between the hydrogel and the biochar. However, this interaction was negatively influenced by the high rate of biochar applied. In a second experiment, the interaction of both biochars with 15% v/v or without biochar (0%) and of a microbial consortium including two dinitrogen fixing symbiotic bacteria strains (Rhizobium leguminosarum biovar trifoli FH345K and Rhizobium leguminosarum biovar trifoli USDA2046), a free-free-living dinitrogen-fixing bacteria strain (Pseudomonas putida MBN 0213) and a fungal strain of arbuscular mycorrhizal (AMF) (Rhizophagus irregularis DAOM 197198) were observed in mesocosm greenhouse experiment. Biochar made with maple bark at 7000C increased plant biomass by 20% compared to treatment without biochar, but the other biochar made of 75% of wood and bark maple at 500 0C did not influence growth. There was no interaction between biochar and the microbial consortium. Despite their differences in individual biomass, the two plant mixtures did not behave differently in terms of total above ground biomass. These results suggest that hydrogel and biochar are beneficial for plant growth, with either of the plant mixtures, in environments difficult for plants growth such as tailings. On the other hand, the effect of biochar on plant growth depends of the biochar type. Keywords: Biochar, mine reclamation, hydrogel, gold mining, Avena sativa, Trifolium repens, Festuca rubra

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.

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.