Le recyclage des résidus organiques sur les sols cultivés d'un territoire pourrait-il rendre possible la substitution au moins partielle des engrais azotés dans la conduite des cultures ? Cette question a été traitée dans le cas de la conduite des grandes cultures dans une zone périurbaine caractérisée par une forte diversité de résidus organiques. Le territoire étudié est la "Plaine de Versailles et le Plateau des Alluets" (PVPA), situé en Ile de France, à l'ouest de Versailles. Il représente 178km2 dont 9900ha cultivés par 82 agriculteurs dont 60 en grande culture. Il y a peu d'élevage dans la région d'étude et les sols les plus fréquents sont les luvisols et cambisols. Dans ce territoire on a mis au point une démarche d'analyse des substitutions possibles des fertilisants chimiques par des PRO (produits résiduaires organiques) qui comprend plusieurs étapes. Tout d'abord un inventaire de tous les PRO disponibles ou potentiellement disponibles sur le territoire a été réalisé et tous les PRO ont été échantillonnés et caractérisés sur un plan physicochimique : en particulier, la disponibilité du N a été évaluée via la minéralisation potentielle de l'azote organique dans des conditions contrôlées au laboratoire (norme française XPU 44-163). Les résidus organiques du territoire ont été classés en (i) PRO « amendants » (26320 tonnes de matière sèche et 442 tonnes de Ntot) caractérisés par une matière organique stabilisée, ayant un potentiel important d'entretien et d'augmentation des teneurs en matière organique des sols et (ii) les PRO « fertilisants » ayant une forte disponibilité de N (5686 tonnes de matières sèches et 361 tonnes de Ntot). Parmi les PRO recensés, les boues de stations d'épuration (séchées et chaulées), un produit commercial correspondant à un lisier de porc en provenance de Bretagne et les fientes de volailles sont les PRO ayant les valeurs fertilisantes les plus intéressantes. Des PRO à forte valeur amendante ont aussi été recensés, dont des fumiers de chevaux compostés ou non et des composts de déchets verts.[...] Suite et fin du résumé dans la thèse. / Did the recyling of organic residues of a territory on cultivated soils could make possible, at least, partial substitution of nitrogen fertilizers in crop management? This issue was treated in the case of cereal crops in a suburban area characterized by a high diversity of organic residues. The study area is the “Plaine de Versailles and the Plateau Alluets”, located in Ile de France, west of Versailles. The total surface is about 178km2 including 9900ha cultivated by 82 farmers from which 60 cultivate cereals. The animal breeding is scarce in the study area and the most common soils are Cambisols and Luvisols. We tried to develop an approach for analyzing possible substitutions of chemical fertilizers by OWP (organic waste products) use. This approach involves several steps. First an inventory of the entire OWP available or potentially available in the territory has been achieved and all OWP were sampled and characterized: in particular, the availability of N was evaluated using the potential mineralization of the organic nitrogen under controlled conditions in the laboratory (French standard XPU 44-163). Organic residues territory were classified into (i) "organic amendments" (26320 tons of dry matter and 442 tons of total N) characterized by a stabilized organic matter, with significant potential maintenance and increasing levels of soil organic matter and (ii) "organic fertilizers" with a high availability of N (5686 tons of dry matter and 361 tons of total N) . Among the identified OWP, sludge from sewage treatment (dried and limed), and a commercial product corresponding to dried pig slurry from Britain and poultry manure are OWP with the most interesting fertilizing values. Organic amendments with high stabilized organic matter value were also identified, including composted or not horse manure, and green waste compost. Last and final summary in the thesis.

L’utilisation des Produits Résiduaires Organiques (PRO) par l’agriculture peut permettre de substituer une partie des engrais minéraux et augmenter les niveaux de matière organique des sols. Elle peut également générer des pollutions azotées via la lixiviation de nitrate ou des émissions gazeuses. Mieux connaitre le devenir du carbone (C) et de l’azote (N) après applications de PRO sur les sols agricoles contribue à améliorer les bénéfices de cette pratique et à en limiter les impacts environnementaux. Cette thèse a pour objectif: (i) de prédire les dynamiques du C et du N en cas d’applications de PRO sur les sols agricoles, (ii) d’étudier les effets de scenarios d’apports de PRO sur les stocks de carbone dans les sols, la substitution des engrais azotés et les pollutions azotées dans le contexte du territoire de la Plaine de Versailles, en prenant en compte la diversité des sols, de leurs teneurs en C et des successions culturales, (iii) d’améliorer ces bénéfices à l’échelon du territoire via une distribution optimale des PRO. Le modèle CERES-EGC a été utilisé pour simuler les effets de 13 ans d’apports de PRO sur les dynamiques de C et de N dans le système sol-plante-atmosphère de l’expérimentation QualiAgro, située au cœur du territoire d’étude. Le sous-modèle NCSOIL a été paramétré à partir de cinétiques de minéralisation de C et N mesurées en conditions contrôlées de laboratoire. Le transfert de ces paramètres dans CERES-EGC a permis de simuler correctement les évolution des stocks de carbone dans les sols, les rendements et les prélèvements de N par les cultures ainsi que l’évolution des stocks de N minéral dans les sols. Les dynamiques de minéralisation de C et N des 18 PRO disponibles sur le territoire ont été déterminées. NCSOIL a été paramétré à partir des caractéristiques analytiques et des résultats de fractions biochimiques des PRO. Les types de sol du territoire n’ont pas impacté significativement le paramétrage. Les PRO ont été classés selon 4 types : (1) composts stables, (2) composts moins matures restant plus réactifs et les fumiers stables, (3) des fumiers très réactifs correspondant à des fumiers de chevaux, (4) des PRO très réactifs tels que des boues et des fientes pouvant plutôt être utilisés comme fertilisants. De nombreux scenarios d’apport de PRO, contraints par les flux de phosphore et de N apportés, ont été simulés sur 20 ans dans tous les contextes de sols, successions culturales et teneurs en C organique des sols du territoire. Le type de sol a impacté le plus le stockage de C et les lixiviations de nitrate tandis que les successions culturales étaient prépondérantes sur la substitution des engrais. Des composts ont permis de stocker 1.1 t C ha- 1 an-1 allant jusqu’63% du C apporté. Des substitutions de 74 kg N ha-1 an-1 ont été atteintes avec une boue mais aussi un compost en prenant en compte la substitution des engrais liée aux augmentations de matière organique dans les sols. La substitution des engrais a pu atteindre plus de 90% du N apporté par les PRO, ceci étant lié aux arrières-effets sur le stockage de matière organique dans les sols et dépendant des hypothèses de calcul de la substitution des engrais azotés. Un modèle d’optimisation a été développé pour sélectionner les scenarios d’apports de PRO pour chaque ilot du territoire (sol x succession de culture x teneur en C organique initiale x surface) tenant compte de la disponibilité des PRO et avec pour objectif de maximiser le stockage de C ou les substitutions en engrais azotés ou de minimiser la lixiviation de nitrate au niveau du territoire. En apportant préférentiellement les PRO les plus stables sur les sols à fort potentiel de stockage de C (fortes teneurs en argile et calcaire), jusqu’à 0.47 t C ha-1 an- 1 pourrait être stocké. En appliquant préférentiellement les PRO fertilisants sur les successions à maïs, et les PRO amendants sur les successions à colza jusqu’à 53 kg N ha-1 an-1 de N de synthèse pourrait être économisés. / The use of Exogenous Organic Matter (EOM) in agriculture could be an efficient way to substitute mineral fertilisation and increase soil organic matter (SOM) enhancing soil fertility and storing carbon (C). It could also cause nitrogen (N) pollutions such as nitrate leaching and gas emissions. Better understanding of C and N fate after EOM applications on cropped soils would allow improving these benefits while limiting environmental impacts. This thesis aims at: (i) predicting EOM impacts when applied on cropped soils, (ii) studying the effects of various scenarios of EOM applications in terms of C storage, synthetic N saving and N pollutions in the context of the Plain of Versailles region (221 km²) and taking into account soil diversity, crop successions and soil organic C contents, (ii) studying the potential for improving these benefits at the regional scale with an optimal distribution of EOM. The CERES-EGC crop model was used to simulate the effects of repeated applications of EOM over 13 years on both soil C and N dynamics in the soil-crop-water-air system of the long-term field experiment QualiAgro located within the region. The sub-model NCSOIL was parameterised from C and N mineralisation kinetics of EOM measured in laboratory conditions. When transposing the parameters into the CERES-EGC model, C storage at the field scale was well simulated, together with crop N uptake and yields, as well as soil mineral N contents. The kinetics of C and N mineralisation of the 18 EOM available in the region were used along with EOM biochemical fractionations for parameterising the NCSOIL model. The soil type did not significantly change EOM parameters. Four groups of EOM were distinguished based on their C and N dynamics: (i) stable composts, (2) more reactive and less mature composts and stable manures, (3) manures with reactive OM corresponding to horse manures and (4) very reactive EOM as sludges, litters that should be used as fertilisers. Numerous scenarios of EOM applications, constrained on the phosphorus and N quantities they bring (and limiting the input in trace elements), were simulated for 20 years in all regional contexts of soil, crop successions and soil organic C contents. The soil type was the main factor controlling C storage and N leaching while it was crop successions for N saving. Some composts allowed C storage up to 1.1 t C ha-1 yr -1 reaching 63% of C applied. N saving of 74 kg N ha-1 yr -1 were possible with a dried sewage sludge and a compost. N substitution could reach more than 90% of N applied with EOM, these high percentages being related with the indirect effect of EOM on soil OM and the hypothesis made for N substitution An optimisation model was developed to select EOM application scenario for each crop plot (soil x crop succession x initial soil OC content x area) accounting for EOM availability in the region with the objectives of maximising C storage or synthetic N saving or minimising N leaching at the regional scale. Applying preferentially the most stable EOM on soils with the highest potential for C storage i.e. with the highest calcareous and clay contents, up to 0.47 t C ha-1 yr-1 could be stored. Applying preferentially fertilising EOM on crop succession with maize and amending EOM on succession with rapeseed, up to 53 kg N ha-1 yr -1 could be saved.

Eine biochemische Indikation des Anteils exogener organischer Kohlenstoffquellen (EOC), der nach dem Eintrag potenziell im Boden verbleibt (Cpot) wurde entwickelt. Haupthypothese dieser Studie war, dass der Abbau von EOC durch die biochemische Zusammensetzung vorhergesagt werden kann, welche bei Pflanzenrückständen von der Kulturart, dem Pflanzenrückstandstyp sowie dem Anbausystem und im Allgemeinen vom Ausgangssubstrat organischer Düngestoffe und der EOC-Kategorie (pyrogen , mikrobiell und pflanzlich) beeinflusst wird. Zunächst wurden Pflanzenrückstände im Energiepflanzenanbau zur Biogasgewinnung (Restpflanze / Stroh, Stoppeln, Grobwurzeln, Feinwurzeln, natürlicher Bestandsabfall) von Mais, Sorghum, Sudangras, Wintergetreide, Hafer, Erbse in Einzel-, Zwei- und Mischkultursystemen betrachtet. In einem zweiten Schritt wurden Pflanzenrückstände im Allgemeinen mit organischen Düngern, Komposten, Rückständen aus anaerober Vergärung in der Biogasproduktion (Gärrückstände) und Biokohlen verglichen. Die biochemische Zusammensetzung von EOC wurde durch die Konzentrationen von Kohlenstoff- (C), Stickstoff (N), wasserlöslicher Kohlehydrate (WSC), Hemizellulose (HEM), Zellulose (CEL) und Lignin (LIC) in g pro kg Trockenmasse dargestellt. In Inkubationsversuchen wurde EOC gleichmäßig mit Boden vermischt und über 310 Tage die Zugabe-induzierte Kohlendioxid-Freisetzung gemessen. Cpot wurde als Grenzwert der Modellschätzung für die Inkubationsdaten bestimmt. Die Beziehung zwischen biochemischer Zusammensetzung und Cpot wurde durch die Partial-Least-Squares-Regression-Methode abgeleitet. Cpot unterschied sich stärker zwischen verschiedenen organischen Düngestoffen, als speziell zwischen verschiedenen Pflanzenrückständen und konnte durch die biochemische Zusammensetzung vorhergesagt werden. Der Indikator für Cpot (in g C pro kg EOC) wurde als Ipot = 269 + 13 N – 0.5 WSC + 0.7 CEL + 1.5 LIC für Pflanzenrückstände und im Allgemeinen als Ipot = 924 – 1.9 C + 2.0 LIC vorgeschlagen. / A biochemical indication for the fraction of exogenous organic carbon (EOC), potentially remaining in soil after application (Cpot) has been developed. Main hypothesis of this study was that decomposition of EOC can be predicted by the biochemical composition, which in case of plant residues is influenced by the crop residue type, crop species and agricultural management and in general depends on the original substrate and category (pyrogen, microbial, and plant-derived EOC) of organic materials. A first set of EOC was created, containing plant residues in energy crop cultivation for biogas production (shoot / straw, stubble, coarse root, fine root, and litter) of maize, sorghum, sudan grass, winter cereal, pea, and oats in single-, double- and intercropping systems. In a second set of EOC, plant residues in general were compared with other organic fertilisers, urban composts, residues of anaerobic fermentation in biogas production (digestates), and biochar. The biochemical composition of EOC was characterised by the concentrations of carbon (C), nitrogen (N), water-soluble carbohydrates (WSC), hemicelluloses (HEM), cellulose (CEL), and lignin (LIC) in g per kg dry matter. In incubation experiments, EOC was homogeneously incorporated into soil and EOC-induced carbon dioxide-release was measured for 310 d. Cpot was determined as modelled limit for the incubation results. Finally, the relation between biochemical composition and Cpot of EOC was evaluated by the partial least squares regression method. Cpot largely varied between different types and categories of EOC, while less variation was obtained between different plant residues. The biochemical composition was predictive for Cpot (expressed as g C per kg EOC), proposing the biochemical indicator as Ipot = 269 + 13 N – 0.5 WSC + 0.7 CEL + 1.5 LIC specifically for plant residues and as Ipot = 924 – 1.9 C + 2.0 LIC for EOC in general.