Les cultures à haute valeur ajoutée comme la pomme de terre (Solanum tuberosum L.), sont de bons candidats pour l'adoption de l'agriculture de précision en raison des coûts de production particulièrement élevés. Les quantités de fertilisants requises alimentent le défi permanent de la recherche de l’optimisation de fertilisation spécifique à chaque agroécosystème. La modélisation fournit une trousse d’outils pour l’aide à la décision. En ce qui concerne la fertilisation, le rendement est habituellement relié à des doses variables d’un fertilisant à l'aide de fonctions simples(quadratique, linéaire ou linéaire-quadratique,Mitscherlich ou autres). Même si ces fonctions ne devraient être utilisées que pour décrire le comportement des données expérimentales, elles ont été largement utilisées pour prédire les doses optimales de fertilisants. Ce projet de recherche a proposé un modèle de recommandation des doses optimales d’azote (N), de phosphore (P) et de potassium (K)pour la culture de pomme de terre en exploitant les techniques d’autoapprentissage. Dans une première partie, il a d’abord été question de regrouper les cultivars sur la base de la composition chimique de la feuille diagnostique en utilisant une classification non supervisée. Ce regroupement a permis de montrer que les cultivars étudiés sont associés à une composition ionomique spécifique. Ensuite, dans une perspective de prédiction de catégories de rendement en fonction de la composition foliaire, les algorithmes des k plus proches voisins (KNN), des forêts aléatoires (RF) et des machines à vecteurs de supports(SVM) ont montré un potentiel de diagnostic acceptable, avec une précision de 70 %,pour détecter un déséquilibre nutritionnel en cours de saison. Enfin, le vecteur de perturbation de l’espace de composition d’Aitchison pourrait être un bon indicateur pour détecter la présence et l’ampleur d’un déséquilibre nutritionnel en cours de saison. Dans la deuxième partie, les modèles d’autoapprentissage utilisant les algorithmes des KNN,des RF, des réseaux neuronaux (NN) et des processus gaussiens (PG), ont prédit le rendement et le poids spécifique en fonction des conditions expérimentales de façon pratiquement similaire avec des coefficients de détermination (R²) supérieurs à celui du modèle de Mitscherlich. Les R² étaient de 0,52 pour les KNN, de 0,59 pour les RF, de 0,49 pour les NN, de 0,58 pour les PG et de 0,37 pour le modèle de Mitscherlich. Les R² des modèles de prédiction de la balance des tubercules de taille moyenne (R² = 0,60 –0,69) et du poids spécifique (R² = 0,58 – 0,67) étaient plus élevés comparés aux R² de la balance des tubercules de grande taille (R² = 0,55 – 0,64) et du rendement vendable. Des dissemblances importantes sont apparues entre les modèles dans le rendu des courbes de réponse et la prédiction des doses agroéconomiques optimales de N, P et K. C'est prédictions étaient spécifiques au site. Les processus gaussiens étaient plus appropriés en raison de leur capacité d’élaborer des surfaces de réponse lisses et des recommandations probabilistes. / High-value crops, like potato (Solanum tuberosumL.), are good candidates for the adoption of Precision Agriculture because of the high cost of inputs.The large amount of potato fertilizers requirement makes it economically and environmentally important for producers to determinate site-specific fertilizers dosages. Crop performance responses to fertilizer inputs have yet been modeled using simple functions like quadratic, linear-plateau or Mitscherlich. Even though they should only be used to describe experimental data, such models are used to predict optimal fertilizer doses considering the cost of the fertilizer and crop sales. As large amounts of data are being assembled in repeated observational data sets, machine learning models can become useful to predict and detect patterns in data without hardly presuming how a response curve should behave.This project generated models recommending optimal economic doses of nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) for potato crops using machine learning techniques. We assessed the validity of cultivar grouping as new predictive feature, and predicted potato tuber yields using foliar ionomes. A density-based clustering algorithm (dbscan) failed to delineate groups of high-yield cultivars linked to specific cultivar ionomic composition. Algorithms of k-nearest neighbors (KNN), random forests (RF) and support vector machines (SVM) showed a fair diagnostic potential to detect in-season nutritional imbalance, with practically similar accuracy of 70%. The perturbation vector of Aitchison compositional space appeared a good indicator indetecting the presence and magnitude of a nutritional imbalance. Moreover, machine-learning models using KNN, RF, neural networks (NN) and Gaussian processes (GP) algorithms returned almost similar coefficients of determination (R²) superior to that of the Mitscherlich model. The R² values were 0.52, 0.59, 0.49 and 0.58 respectively for the KNN, RF, ANN,and GP, and 0.37 with the Mitscherlich model to predict marketable yield.The models were somewhat more efficient to predict medium-size tubers (R²= 0.60–0.69) and tuber specific gravity (R²= 0.58–0.67) than large-size tubers (R²= 0.55–0.64) and marketable yield. Disagreements appeared between models in site-specific response curves and optimal economic or agronomic N, P, and K doses prediction. However, GP models stood up as the most promising algorithm due to its built-in ability to develop smooth response surfaces and recommendations within a probabilistic risk-assessment framework.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2003-2004 / La pomme de terre est une culture très exigeante en engrais phosphatés. Au Québec, elle est principalement cultivée dans des sols légers, acides, pauvres en matière organique et réputés pour leur pouvoir fixateur en phosphore très élevé. Dans cette étude, l'utilisation du LIOR, un lisier de porc bio-traité et déshydraté, a permis d'augmenter significativement l'efficacité des engrais phosphatés dans la culture de la pomme de terre tout en ayant l'avantage d'offrir un débouché intéressant pour les surplus de lisier de porc au Québec. C'est à partir de données recueillies lors d'essais de fertilisation réalisés de 1999 à 2002 dans les comtés de Portneuf et de Lotbinière et dans la région de Lanaudière, qu'un modèle de réponse de la pomme de terre aux différentes formulations minérales, organiques et organo-minérales à base de LIOR fut élaboré. À partir de ce modèle et des outils géostatistiques, une scénarisation de l'utilisation du LIOR à l'échelle du champ a amené une augmentation moyenne des rendements totaux de 2,4 Mg ha-1 dans la pomme de terre au-delà de l'erreur expérimentale déterminée dans les essais de fertilisation et dans le modèle de réponse.

Le potassium (K), le calcium (Ca) et le magnésium (Mg) sont en compétition pour saturer la CEC du sol. Le lessivage du K a été peu documenté. Cette étude porte sur l'effet de la fertilisation potassique sur le lessivage du K en lien avec celui du Ca et du Mg sous culture de pomme de terre en sols sableux. De 2012 à 2014, deux sites par année étaient établis sur des sols de texture sable loameux près de la ville de Québec. Les séries de sols étaient Morin, Orléans et Saint-Nicolas. Chaque site comprenait huit traitements potassiques constitués d’une combinaison de doses et de sources de KCl et de Sul-Po-Mag répétées trois fois. En 2012, le K fut appliqué à quatre doses (0, 70, 140 et 210 kg K2O ha-1). En 2013 et 2014, une dose de plus de K fut ajoutée (105 kg K2O ha-1) ainsi que trois doses de calcium (15, 125, 250 kg Ca ha-1) appliquées sous forme de CaSO4. L’échantillonnage de la solution du sol dans des lysimètres à succion a eu lieu toutes les deux semaines de la plantation à la récolte. Les concentrations en K (SSK), Ca (SSCa) et Mg (SSMg) furent dosées dans la solution du sol. De 2012 à 2014, l’ajout de fertilisants potassiques n’a pas influencé significativement la SSK sauf à des dates précises. La perte du K était plus élevée au début de la saison de culture, ensuite elle diminuait progressivement mais augmentait à la sénescence de la plante. Pour les sites en 2013 et 2014, la SSCa et la SSMg, étaient significativement influencées par les traitements de K et la date d'échantillonnage. La dose de K n’a généralement pas eu d’impact sur le lessivage du K en sol sableux mais a augmenté le lessivage de SSCa et de SSMg. / Quantification of nutrient movement from agricultural soils is important for both fertilizer and environmental management. This study evaluated the impact of potassium (K) fertilization on K leaching in relation to calcium (Ca) and magnesium (Mg) leaching under potato crop in sandy soils. From 2012 to 2014, two sites per year were established on loamy-sand textured soils near Quebec City. Soil series were Morin, Orleans and Saint-Nicolas. Each site included eight K treatments as a combination of rates and sources of KCl and Sul-Po-Mag with three replications. In 2012, the K was applied at four rates (0, 70, 140 and 210 kg K2O ha-1). In 2013 and 2014, another K rate was added (105 kg K2O ha-1) as well as three rates of calcium (15, 125, 250 kg Ca ha-1) applied as CaSO4. The soil solution was sampled biweekly from planting to harvest using suction lysimeters and the concentrations of K (SSK), Ca (SSCa) and Mg (SSMg) in the soil solution were measured. From 2012 to 2014, adding K fertilizers did not significantly influence the SSK except on specific dates. K leaching was higher at the beginning of the growing season, then it gradually decreased but increased at the end of the growing season until plant reached senescence stage. For all the sites, SSCa and SSMg were significantly influenced by the K treatments and the sampling period. The rate of K generally had no impact on the leaching of K in sandy soils but increased SSCa and SSMg leaching.

Le phosphore (P) est indispensable pour la pomme de terre, la principale culture des provinces de l’Est canadien. La diminution des réserves phosphatées et le risque de perte de cet élément dans les cours d’eau constituent des contraintes majeures pour la sécurité alimentaire et pour l’environnement. L’objectif de ce projet de recherche est d’optimiser la dose et le type d’engrais phosphaté en vue de minimiser le risque d’accumulation du P dans le sol, et de substituer les engrais de synthèse par des engrais recyclés. Un total de 141 échantillons représentatifs des sols de l’Île-du-Prince-Édouard (ÎPE) a été d’abord analysé et a montré que l’acidité du sol influait grandement sur le pourcentage de saturation des sols en P. Ainsi, les seuils critiques environnementaux en terme d’indice de saturation en P, (P/Al)M3 ont été de 19% pour les sols très acides (pHeau<5,5), et de 14% pour les sols moins acides (pHeau>5,5), au-dessus desquels la fertilisation en P devrait être limitée aux besoins de la culture. Six classes de risque environnemental ont été identifiées et leur répartition spatiale a montré que la classe de risque modéré était prédominante à l’ÎPE. Nous avons ensuite développé un modèle agro-environnemental de P pour la pomme de terre basé sur 42 essais de fertilisation conduits dans les provinces maritimes (ÎPE, Nouveau-Brunswick (NB) et Nouvelle-Écosse (NÉ)). Ce modèle, basé sur l’indice (P/Al)M3, a été composé de sept classes de diagnostic et de recommandation pour la fertilisation phosphatée : (0-2,5%), (2,5%-5%), (5%-10%), (10%-14%), (14%-16%), (16%-23%) et (P/Al)M3>23% correspondant, respectivement, aux doses optimales en P de 105, 81, 70 kg P ha-1 pour les trois premières classes, et à une dose de 21 kg ha-1 pour les classes dont le (P/Al)M3 est supérieur à 10%. Finalement, pour évaluer l’efficacité d’un engrais phosphaté recyclé (Crystal Green®), nous avons conduit 8 essais de fertilisation au Québec et dans les provinces maritimes. Il a été conclu que la fertilisation phosphatée avec le Crystal Green® pourrait substituer le triple superphosphate (TSP) jusqu’à 75% sans que les niveaux de rendements en pomme de terre, le prélèvement du P, et le statut du P dans le sol et dans la plante ne soient changés / Phosphorus (P) is essential for potatoes, the main crop in the Canadian eastern provinces. The depletion of phosphate reserves and the risk of loss of this element in watercourses are major constraints for food security and for environment. The objective of this study is to optimize the rate and type of phosphate fertilizer in order to minimize the risk of P accumulation in the soil, and to substitute synthetic fertilizers with recycled ones. A total of 141 soil samples representative of Prince Edward Island (PEI) soils were first analyzed. It have been shown that soil acidity greatly influenced P soil saturation percentage. Thus, critical thresholds in terms of P saturation index, (P/Al)M3, were 19% for very acid soils (pHwater <5.5), and 14% for less acidic soils (pHwater>5.5), above which P fertilization should be limited to the crop’s requirement. Six environmental risk classes were identified and their spatial distribution showed that the moderate risk class was predominant in PEI. We then developed an agro-environmental model of P for potato based on 42 fertilization trials conducted in the Maritime provinces (PEI, New Brunswick (NB) and Nova Scotia (NS)). This model, based on the (P/Al)M3 index, was composed of seven fertility and environmental risk classes: (0-2.5%), (2.5%-5%), (5%-10%), (10%-14%), (14%-16%), (16%-23%) and (P/Al)M3>23% corresponding, respectively, to the optimal P rates of 105, 81, 70 kg P ha-1 for the first three classes, and to a P rate of 21 kg ha-1 for classes with (P/Al)M3 greater than 10%. Finally, to evaluate the effectiveness of a recycled P fertilizer (Crystal Green®), we conducted 8 fertilization trials in Quebec and in the Maritime provinces. It was concluded that P fertilization with Crystal Green® could substitute triple superphosphate (TSP) up to 75% without noticing any significant decrease in potato yield levels, P uptake, and P status in the soil and in the plant.

La gestion de l'azote (N) et de l'irrigation sont des facteurs importants affectant les pertes de N par lessivage de nitrates dans la production de pomme de terre (Solanum tuberosum L.) sur des sols à texture grossière. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'effet de la fertilisation azotée (dose et source) sur le lessivage intra-saisonnier et la teneur en nitrates du sol (RSN) ainsi que le rendement total (TY) et commercialisable (MY) dans la pomme de terre irriguée et non-irriguée cultivée en sols sableux. Une expérience de 5 ans (2008-2012) et une autre de 3 ans (2013-2015) ont été menées pour comparer l'application de l'urée enrobée de polymères (PCU) à la plantation avec celle fractionnée d'engrais azotés solubles à plusieurs doses équivalentes. Les résultats ont montré que, lorsque les déficits en eau sont faibles durant la saison de croissance, il ne résulte aucun avantage à apporter de l'eau supplémentaire par irrigation. L'irrigation a augmenté le lessivage intra-saisonnier des nitrates de 52%, mais n'a eu aucun effet sur le TY et le MY. Les rendements total et commercialisable n'ont pas répondu à la fertilisation azotée en raison d'un apport élevé en N du sol. Cependant, l'augmentation de la dose de N a entrainé une augmentation du lessivage intra-saisonnier de nitrates et du RSN. À doses équivalentes, l'apport du PCU a produit un TY et MY similaires par rapport à l'apport fractionné d'engrais conventionnels solubles. Les résultats ont montré que l'efficacité du PCU pour réduire le lessivage intra-saisonnier variait en fonction de la distribution des précipitations et de la période d'irrigation en raison des caractéristiques de libération de l'azote. L'apport du PCU au moment de la plantation était efficace pour réduire le lessivage intra-saisonnier lorsque les précipitations étaient élevées entre la plantation et le buttage. Le mélange PCU + urée appliqué à la plantation a entrainé une réduction du TY et du MY par rapport au PCU et aux engrais conventionnels solubles en raison d'une croissance végétative excessive et d'un retard dans l'initiation des tubercules. Par ailleurs, à doses équivalentes, le PCU+urée a augmenté le lessivage intra-saisonnier des nitrates en comparaison au PCU et aux engrais solubles appliqués. Les résultats ont aussi montré que le RSN était un bon indice du potentiel de lessivage post-récolte des nitrates dans la pomme de terre. Les pertes de N après la saison de croissance étaient plus élevées lorsque le RSN mesuré à l'automne était élevé. Le PCU+urée a été introduit dans le but de diminuer le risque de lessivage post-récolte lié à l'application du PCU. Toutefois, les résultats ont indiqué que l'application du PCU à la plantation, seul ou mélangé avec un engrais soluble, augmentait le risque de lessivage post-récolte par rapport aux engrais solubles. Globalement, les résultats de cette thèse suggèrent que la réduction de la dose de N est plus importante que le choix de la source de N pour minimiser le lessivage des nitrates. / Nitrogen (N) management and irrigation are important factors affecting yield and N losses through nitrate-N (NO₃-N) leaching in potato (Solanum tuberosum L.) production on sandy soils. The objective of this thesis was to investigate the effect of N fertilization (rate and source) on total (TY) and marketable (MY) yields, in-season NO₃-N leaching, and residual soil NO₃-N (RSN) for potatoes grown on sandy soils under two irrigation regimes (irrigated and non-irrigated). Two field experiments were conducted to compare split-applied conventional soluble N fertilizers (ammonium sulfate, ammonium nitrate, and calcium ammonium nitrate) and polymer-coated urea (PCU) products at several N rates during five (2008-2012) and three (2013-2015) years, respectively. The results showed that there was no benefit from additional water by irrigation when water deficits were low. Irrigation increased in-season NO₃-N leaching by 52% but had no effect on TY and MY. Results from the 3-year field experiment showed that TY and MY response to N fertilization were not significant when soil N supplied by soil N mineralization was high. However, increasing the fertilizer N rate increased in-season NO₃-N leaching and RSN. A single application of PCU resulted in similar TY and MY as split-applied conventional soluble N fertilizers at equivalent N rates. Results from both field experiments suggest that the potential of PCU to reduce in-season NO₃-N leaching may vary according to rainfall distribution and irrigation timing due to the N-release characteristics of the PCU. Application of PCU at planting was an effective strategy to reduce in-season NO₃-N leaching when there was significant rainfall during the period between planting and hilling. The results also indicated that PCU+urea applied at planting may reduce TY and MY compared to PCU and conventional soluble N fertilizers due to excessive vegetative growth and delayed tuber initiation. Furthermore, PCU+urea increased in-season NO₃-N leaching relative to PCU and conventional soluble N fertilizers applied at equivalent N rates. Residual soil NO₃-N was an effective index of the potential soil NO₃-N losses in the non-growing season, as overwinter NO₃-N losses were generally higher with greater RSN. The results indicated that a single application of PCU, alone or mixed with a conventional soluble N fertilizer at planting increases the risk of NO₃-N leaching in the non-growing season in comparison to conventional soluble N fertilizers. The overall results suggest that reducing the fertilizer N rate is more important than the choice of N sources to minimize NO₃-N leaching from potato production.

Le potassium est l’élément requis en plus grande quantité par la pomme de terre (Solanum tuberosum L.). L’effet de la fertilisation potassique sur la pomme de terre a été largement décrit en bibliographie. Cependant, aucune méta-analyse n’a encore été effectuée sur la base de données québécoise des essais de fertilisation potassique. L’objectif de ce projet est d’évaluer les performances de trois méthodes diagnostiques du potassium du sol en culture de pomme de terre au Québec, à savoir : la méthode du niveau de suffisance de nutriments disponibles (SLAN), la méthode de saturation en base (BCSR) et la méthode d’analyse compositionnelle, centred log ratio (CLR), afin de contribuer à des grilles de fertilisation pour cette culture. Pour ce faire, les résultats de 57 essais de fertilisation potassique réalisés au Québec entre 1970 à 2013 ont été compilés dans une base de données. La réponse de la pomme de terre aux ajouts de potassium a été analysée par la méthode de Cate-Nelson et traitée par méta-analyse. Le diagnostic par suffisance des nutriments du sol (SLAN) et l’analyse compositionnelle, l’indice log centré, étaient les plus précis lors de la répartition Cate-Nelson. Le BCSR s’est montré peu performant. Le SLAN a surévalué les cas de carences en K par rapport à l’indice log centré, soit 32 vrais positifs contre 21, et avait tendance à sous-évaluer les cas de faible réponse au K, avec 10 vs. 23 vrais négatifs. Le SLAN tendait à surévaluer la dose de K dans les sols de teneur intermédiaire en K échangeable par rapport au CLR.L’indice CLR montre une diminution graduelle des besoins en K avec l’augmentation du poids du K dans le ratio, et se prête donc mieux à la modélisation que l’indice SLAN. Il est suggéré que la dose de K dépasse les exportations de K par la récolte lorsque le log centré se situe sous -2,9 et qu’au-delà de -2,9, la fertilisation potassique complète la fourniture du sol. La recommandation potassique de la pomme de terre suggérée par le CRAAQ (2010) pourrait donc être améliorée avec l’indice CLR. / Potassium is the element required in largest quantities by the potato (Solanum tuberosum L.). The effect of potassium fertilization on potato yield and quality has been extensively described in the bibliography. However, no meta-analysis has yet been performed on the Quebec potato database on potassium fertilization trials. The objective of this project was to evaluate the performance of three diagnostic methods for soil potassium to improve fertilizer recommendation for potato in Quebec: the traditional sufficiency level of available nutrients (SLAN), basic catioon saturation ratios (BCSR) and and the new compositional data analysis method of centred log ratios (CLR). The results of 57 trials of potassium fertilization in Quebec between 1970 and2013 were compiled in a database. The database was analyzed by Cate-Nelson method and meta-analysis. Diagnosis by SLAN and CLR were more accurate compared to BCSR. SLAN generated 32 vs. 21true positive specimens compared to CLR but over estimated cases of K deficiency with10 vs. 23 true negative specimens, hence underestimating cases of small response to added K. The SLAN tended to overestimate the K requirements in the intermediate soil K fertility class compared to CLR. It is suggested that the dose of K should exceed K exportations through harvest when CLR is below -2,9 and that, above a CLR value of -2,9, K fertilization should complement soil K supply. The potassium recommendation potato suggested by CRAAQ (2010) could be improved with the index CLR.

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La pomme de terre est l’une des cultures les plus exigeantes en engrais et elle se cultive généralement sur des sols légers ayant de faibles réserves en N, P, K, Ca et Mg. Ces cinq éléments sont essentiels à la croissance des plants, à l’atteinte des bons rendements et à l’obtention de bonne qualité des tubercules de pomme de terre à la récolte et à l’entreposage. La recherche d’un équilibre entre ces cinq éléments constitue l’un des défis de pratiques agricoles de précision. La collecte de 168 échantillons de feuilles de pommes de terre selon une grille de 40 m × 60 m (densité d’échantillonnage de 2,9 échantillons ha-1) dans un champ de pommes de terre de 54 ha au Saguenay-Lac-Saint-Jean et la détermination de leur teneur en N, P, K, Ca et Mg au stade début floraison, jumelée à une lecture de l’indice de chlorophylle avec SPAD-502, a permis d’établir les faits suivants : parmi tous les indicateurs de diagnostic foliaire selon les 3 approches connues VMC, DRIS et CND, le contraste logarithmique entre les deux éléments nutritifs type anioniques (N et P) vs les trois éléments type cationiques (K, Ca et Mg), noté ilr (log ratio isométrique) du coda (Compositional Data Analysis) est l’indicateur le plus fortement relié à la lecture SPAD-502 (r=0,77). L’étude géostatique spatiale appliquée au Coda a montré une grande similitude entre le CND-ilr (anions vs cations) et la lecture SPAD-502. Ce CND-ilr devrait être interprété en termes de fertilisation de démarrage (N+P), en lien avec les apports des cations sous forme d’engrais (K, Ca et Mg) ou d’amendement (Ca et Mg).