La rareté de la ressource en eau est maintenant reconnue comme une limitation critique à la progression de la production agricole des prochaines décennies. De plus, la demande de nourriture sera sujette à l'augmentation, alors qu'il est attendu que la population mondiale atteigne 8.6 milliards en 2030 et 9.8 milliards en 2050. La pomme de terre est la 4e culture la plus importante au monde derrière le blé, le maïs et le riz. Parmi ces cultures, la pomme de terre est la plus efficace en production de calorie par litre d'eau. Cependant, les rendements de pommes de terre sont reconnus comme sensibles aux manques d'eau. La pression exercée par la production agricole peut aussi compromettre la santé du sol en affectant divers indicateurs tels que la stabilité structurale du sol, la masse volumique, la conductivité hydraulique et le taux de carbone organique. Préserver la santé du sol est un enjeu critique afin de maintenir les services écosystémiques des sols comme la filtration et le stockage de l’eau, le cyclage des nutriments du sol et le stockage du carbone. L'objectif de cette thèse était de concevoir une approche d’irrigation intégrée appliquée à la production de pommes de terre qui permettrait une utilisation efficace de l'eau et l'atteinte de rendements optimaux tout en minimisant les externalités environnementales négatives de l'irrigation. Dans cette étude, les effets de la gestion de l'irrigation sur les rendements de différentes variétés de pommes de terre, sur l'efficacité d'utilisation de l'eau, sur la distribution des tubercules et sur la dynamique du carbone organique ont été analysés et temporalisé. Pour ce faire, six expériences en serre ont été menées à l'aide d’un système d’irrigation automatisé contrôlé à partir des données d’un réseau de tensiomètres. Dans les chapitres deux et trois, l’impact de seuil d'irrigation de précision a été évalué sur les rendements de quatre variétés ayant des classes de maturité différente (Envol : très hâtive, Kalmia : hâtive, Goldrush : mi-saison, et Red Maria : tardive). Une zone de confort hydrique optimale pour les plants de pommes de terre a été identifiée entre−10 et −24 kP a. Les seuils identifiés ne sont pas dépendants de la classe de maturité, de la hauteur des plants ou de la production potentielle de tubercule. Le seuil de −24 kP a est celui qui a permis d’atteindre des rendements maximaux tout en optimisant l’efficacité de l'utilisation de l’eau. Le temps passé dans la zone de confort a aussi été identifié comme critique pour le développement des rendements de la pomme de terre. L'analyse de l'effet temporel des seuils d'irrigation sur les rendements de pomme de terre effectuée dans le chapitre trois a aussi montré qu’une gestion précise de l'irrigation est nécessaire dès le stade du développement foliaire et qu'elle devrait être maintenue jusqu'à la maturité. Une gestion appropriée de l'irrigation a permis une augmentation des rendements entre 25 et 40%. L'impact de quatre seuils de potentiel matriciel (−10, −20, −30, et −45 kP a) sur la distribution spatiale des tubercules a été évalué à l'aide de la tomodensitométrie à rayonX (CT-scan) dans le chapitre quatre. Une relation linéaire entre les seuils d'irrigation et la profondeur des tubercules a été identifiée. Une gestion de l'irrigation à des seuils entre −20 et −30 kP a a permis une profondeur des tubercules optimale permettant une meilleure efficacité de récolte et limitant la prépondérance des maladies en surface. Les seuils de potentiel matriciel utilisé dans cette étude ont influencé le taux de décomposition du carbone organique du sol, évalué dans le chapitre cinq. Une décomposition plus élevée a été observée au seuil de −15 kP a. Les seuils d'irrigation se sont démarqués dans le second quart de la saison de croissance, aux stades d’initiation et de grossissement des tubercules, des stades à forte croissance et de fréquence d’irrigation accélérée. La création d’une approche de gestion de l'irrigation intégrée permettra au producteur de pommes de terre d’adapter leur gestion de l’eau à la ferme et d’intégrer des pratiques plus durables tout en atteignant des rendements plus élevés et une plus grande efficacité de l'utilisation de l'eau. L'amélioration de leur gestion de l'eau du sol pourrait aussi permettre d'optimiser la distribution spatiale des tubercules, d’augmenter l'efficacité de la récolte et de réduire la décomposition du carbone créant un système de culture qui favoriserait une meilleure conservation de la santé du sol. / Water scarcity is increasingly recognized as the most pressing limitation to improvement in agricultural production over the upcoming decades. It is expected that the world population will reach 8.6 billion by 2030 and 9.8 billion by 2050, increasing the demand for both food and agriculture production. Therefore, increasing overall water productivity is one of the most critical challenges of the twenty-first century. Potato isthe fourth most cultivated food crop behind wheat, maize, and rice. Among the major crops, potato is the most efficient in calory production by water liter, but potato yields are recognized as sensitive to water stress. Therefore, the precise control of the amount of irrigation water, water application timing, and prevailing micro-meteorological conditions are critical factors that influence the plant health and yield. However, the increasing pressure on agricultural systems can endanger soil health, as several soil health indicators are affected by agricultural production, like soil structural stability, bulk density, hydraulic conductivity, and soil organic carbon. Maintaining soil healthis critical to preserve soil ecosystemic functions like water infiltration, filtration andstorage, nutrient cycling, and carbon storage, impacting plants productivity, and wateruse efficiency. The objective of this thesis was to create an integrated irrigation approach for the potato crop, allowing optimal potato yield, water use efficiency, and minimizing the environmental impact of irrigation. Through six green house experiments using an automatic irrigation system managed using a soil sensors network, the effect of irrigation management on the potato varieties, potato yield, water use efficiency, tuber spatial distribution, and soil organic carbon dynamics has been analyzed and temporalized. The second and third chapters of this study evaluated the effect of precision irrigation thresholds on the potato yields of four varieties with different maturity classes (Envol: very early, Kalmia: early, Goldrush: mid-season, and Red Maria: mid-late). Anoptimal comfort zone between −10 and −24 kP a has been identified. The optimal irrigation thresholds identified were not dependant on maturity class, plant height, or tuber potential production. The −24 kP a is the precision irrigation threshold that allowed higher yields and water use efficiency. The time spent in the comfort zone was identified as critical for the potato yield. The analysis of the irrigation thresholds'temporal effect made in the third chapter showed that precise irrigation managementis needed early in the season and should be maintained throughout all the growingseason as the critical period identified corresponded to the leaf expansion and tuber initiation stage. An appropriate irrigation management of potato crops has been shownto increase yield by a 25 to 40% margin. The fourth chapter evaluated the impact of four soil matric potential (−10, −20, −30,and −45 kP a) on potato tubers’ spatial distribution using an X-ray CT scanner. Alinear relationship between irrigation thresholds and potato tuber depth was identified.The deepest tuber distribution was observed with the −10 kP a treatment. Potato irrigation management using a SMP threshold between −20 and −30 kP a could reduce the harvest depth. Reducing the harvest depth could decrease the negative impacts of soil disturbance on soil structural stability. In the −45 kP a treatment, the tubers were too close to the soil surface, which could lead to a greater preponderance of tuber diseases like late blight or greening. The precision irrigation threshold used in this study affected the decomposition rate of soil organic carbon, evaluated in the fifth chapter. Faster decomposition of labile organic carbon was promoted by water excess (−15 kP a). The dryer (−30, −45, and −60 kP a) precision irrigation thresholds did not show any differences. The difference between the precision irrigation thresholds was made in the second quarter of the growing season,between 38 and 53 days after planting. This critical period occurred in a stage of strong vegetative growth and rapid irrigation cycles, the tuber initiation and tuber bulking stages. The determination of an integrated irrigation management approach will allow potato growers to adapt their farm management processes to integrate more sustainable water management practices and to achieve higher yields and water use efficiency. Improving soil water management may also optimize tuber spatial distribution, enhance harvest efficiency, reduce greenhouse gas emissions, soil carbon degradation, and soil disturbance in the cropping systems to benefit global soil health conservation.

La pomme de terre est l’un des principaux légumes et constitue un aliment de base dans l’alimentation mondiale. Les impacts du stress hydrique sur la pomme de terre sont généralement sévères; affectant son fonctionnement physiologique et en bout de compte la quantité et la qualité de ses tubercules. Ce travail a pour objectif d’étudier l’effet de plusieurs régies d’irrigation sur le temps de reprise des activités physiologiques de la pomme de terre et son rendement. Des traitements d’irrigation dont un Témoin (-20 kPa en continu), un seuil de potentiel matriciel du sol Sec (-40) et un Très-sec (-60) ont été appliqués aux plantes pendant des périodes de 1, 3 et 7 jours (Jr). Des paramètres ont été analysés pour suivre l’évolution de la réponse physiologique et les rendements ont été modélisés en fonction du stress pour estimer son impact sur la production. Pour Sec-1Jr, aucune différence significative de rendement n’a été observée en comparaison au Témoin. Une plus grande efficience d’utilisation de l’eau est observée pour Sec-1Jr puisqu’il consomme 10% moins d’eau. Une baisse des activités physiologiques a été enregistrée pour Sec-1Jr mais la récupération complète a été faite en moins d’une journée. Les plantes les plus stressées (Sec-7Jr et Très-sec–7 Jr) n’ont pas pu complètement récupérer. À l’exception de Sec-1Jr, les pertes de rendement sont sévères et ont été modélisées en fonction de l’indice de déficit hydrique (WDI). Des valeurs de WDI supérieures à 0.78 ont produit des pertes significatives de rendement par rapport au Témoin. En fonction de sa sévérité et sa durée, le stress hydrique influe considérablement sur le rendement de la pomme de terre et sa capacité de récupération après le réhumidification du sol. / Potato is one of the most important legumes and constitutes a dominant portion of the global diet. However, water stress affects the physiological activities, as well as the quantity and quality of the potato tubers. In this study, we evaluated the effect of several irrigation regimes on the recovery time of potato physiological activities and yield. The treatments investigated were by -40 (Dry) and -60 kPa (Very Dry) of soil matric potential (SMP) across three stress periods of 1 (1D), 3 (3D) and 7 (7D) days. A control treatment was included, which consisted in maintaining a SMP of -20 kPa during the experiment. Results showed a complete recovery of potato plants for the treatment consisting in applying a SMP of -40 kPa during 1 day, when compared with plants in the control treatment. Although a decrease in physiological activities was observed, potato plants consumed 10% less water in this scenario. Other treatments showed yield losses, especially the treatments under 7 days, where plants did not fully recover. Based on the results of yield loss and water stress, a Water Deficit Index (WDI) model was proposed. WDI values greater than 0.78 produced significant yield losses compared to the control. Depending on the severity and duration, water stress considerably influenced the potato yield and the capacity to recover after re-watering.

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.