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