Les sols agricoles représentent près de 66 % des émissions anthropiques de protoxyde d’azote (N₂O), 3ème gaz responsable de l’effet de serre additionnel. La variabilité des émissions mesurées au champ est élevée. La structure du sol impacte à la fois la production et le transport du N₂O dans le profil de sol. L’objectif de cette thèse était de comprendre le rôle de l’état structural du sol sur la variabilité spatiale des émissions de N₂O. La démarche utilisée associe deux types d’expérimentations en laboratoire - à l’échelle d’un bac de 0,3 m² x 0,1 m et sur une maquette de parcelle agricole de 10 m² x 0,3 m en sol nu - à un travail de modélisation intégrant des processus physiques, chimiques et biologiques dans le profil de sol et le ruissellement, le tout à une résolution temporelle fine. Ce travail a mis en évidence une hiérarchie entre les processus de production et de transport, qui évolue avec le temps et les conditions environnementales : dans des conditions favorables à la dénitrification, la production de N₂O augmente avec la masse volumique en lien avec une augmentation de la part de porosité remplie d’eau, jusqu’à une certaine limite. Le modèle déterministe a montré que la dynamique de la pluie et du ruissellement associé modifie l’intensité et la dynamique des émissions de N₂O, celles-ci étant plus tardives dans les zones avales recevant du ruissellement. Enfin, ce travail a confirmé la complexité du déterminisme des émissions de N₂O et a permis de souligner l’intérêt de caractériser la structure du sol et les émissions à une haute résolution spatiale pour améliorer la qualité des modèles prédictifs. / Agricultural soils account for 66 % of anthropogenic nitrous oxide emissions (N₂O), the 3rd greenhouse gas emitted from anthropogenic activities. N₂O emissions variability measured in-situ is quite high. Soil structure affects both N₂O production processes and N₂O movements through the soil profile. The main goal of this work was to understand the part of soil structure in soil N₂O spatial variability. Two kinds of laboratory experiments were designed: rainfall experiments on soil trays of 0.3 m² x 0.1 m and on a 10 m² x 0.3 m box with a slope. A modelling approach with a short time step was combined, involving representation of physical, chemical and biological soil processes as well as a representation of surface runoff.This work highlighted a hierarchy between N₂O production and N₂O transportation processes, which evolve with time and environmental conditions: under conditions that favor denitrification, N₂O production increases with soil bulk density due to an increase in the water-filled pore space, until a threshold limit. The deterministic modelling approach showed that rainfall dynamic and resulting runoff affect soil N₂O emissions, those emissions occurring later downslope. Finally, this work highlighted the complexity of soil N₂O emissions determinism and we pointed out that the description of soil structure at a high spatial resolution would be useful to improve modelling quality.

Dans le cadre de l’évaluation multicritère des systèmes en protection intégrée contre les adventices (PIC-Adventices), cette étude a eu pour objectif d’étudier l’impact de la combinaison de pratiques alternatives à l’usage d’herbicides sur les émissions de N2O par les sols. L’étude a été conduite sur quatre systèmes de culture, un système de référence en agriculture raisonnée (S1) et trois systèmes PIC-Adventices (S2, S3, S5), sur le site expérimental Dijon-Epoisses (47°20'N, 5°2'E). La mise en place de dispositifs de mesure à haute résolution, alliant la méthode des chambres d’accumulation de gaz en surface du sol aux analyses de gaz par infrarouge, a permis d’estimer l’intensité des émissions de N2O pour les sols argilo-calcaires caractéristiques de la plaine dijonnaise, avec des flux moyens compris entre -6 et 257 g N-N2O ha-1 jour-1. Cette intensité s’est avérée étroitement liée à certains paramètres environnementaux (température, part de porosité occupée par l’eau, teneur en azote), et certaines pratiques agricoles, induisant des différences significatives entre les systèmes. Les émissions de N2O ont notamment été affectées par le mode de gestion des sols et la nature des cultures constituant la succession de chaque système. L’absence de travail du sol depuis 2008 dans le système S2 s’est traduite par une amplification des émissions de N2O d’un facteur multiplicatif d’au moins six par rapport aux autres systèmes pour l’année 2012. Par ailleurs, ces émissions équivalentes à 0.7 t C-CO2 ha-1 pourraient avoir compensé la séquestration de carbone additionnelle induite par le travail réduit du sol pendant la période de mesure. De la même manière, la dégradation des résidus de culture légumineuse, dans les systèmes S3 et S5 ont respectivement stimulé les émissions de N2O en 2011 et en 2012, en comparaison avec le système de référence S1. Par ailleurs, le suivi mensuel de la taille des communautés microbiennes du sol a également permis de mettre en évidence une variabilité temporelle liée aux pratiques culturales (travail du sol, récolte), en plus de la variabilité saisonnière. En revanche, dans cette étude les variations de taille des communautés microbiennes nitrifiantes et dénitrifiantes ne sont pas apparues comme un facteur d’explication de la variabilité des émissions de N2O, quel que soit le système. Enfin, l’approche par la modélisation des émissions de N2O sur les quatre systèmes, à l’aide des modèles NOE et DNDC, a permis d’identifier les principaux facteurs de régulation de ces émissions. De surcroît, le modèle NOE a bien identifié le système de culture S2, sans travail du sol, comme étant le système le plus émetteur de N2O, conformément aux observations de terrain. Cette étude renforce donc la pertinence de la modélisation pour estimer et analyser les émissions de N2O dans différents systèmes de culture. / In the context of the multicriteria evaluation of Integrated Weed Management (IWM) cropping systems, our study highlights the impacts of the combination of alternative agricultural practices to herbicide reliance on N2O emissions from soils. The study was located at the INRA experimental site of Dijon-Epoisses (47 ° 20'N, 5 ° 2'E) and considered 4 cropping systems, a reference system designed to maximize financial returns (S1) and three IWM systems (S2, S3, S5). The setup of high resolution measuring devices, combining the non-steady state chamber method with infrared gas analysis, allowed to estimate the intensity of N2O emissions from the calcareous clay soil, which is specific of Dijon plain, with average fluxes laying between -6 and 257 g N2O-N ha-1 day-1. The intensity of fluxes was closely related to environmental parameters (temperature, water filled pore space, inorganic N amount) and particular agricultural practices, leading to significant differences between systems. N2O emissions were notably affected by soil management and nature of crops. The conversion of S2 system to no-till in 2008 increased the N2O emissions, fluxes being at least 6 times more important than those emitted by the other cropping systems, during the year 2012. Moreover, these emissions, equivalent to 0.7 ha-1 C-CO2 ha-1, could have offset the soil additional carbon sequestration induced by reduced tillage during the studying period. Similarly, the degradation of legume crop residues in the S3 and S5 systems respectively enhanced N2O emissions in 2011 and 2012, by comparison with the S1 reference system. Elsewhere, the monthly monitoring of the soil microbial communities sizes has also helped to highlight temporal variability induced by the agricultural practices (tillage, harvest) as well as the seasonal variability. However, in this study the fluctuations of nitrifying and denitrifying communities sizes observed did not explain the variability of N2O emissions, whatever the considered cropping system. Finally, the modeling of N2O emitted from the 4 cropping systems, using NOE and DNDC models, allowed to identify the mains factors regulating the emissions. In addition, the NOE model accurately identified the S2 system, without tillage, as the most N2O emitter, in accordance with field observations. Thus, our study reinforces the relevance of modeling to estimate and explain N2O emissions in different cropping systems.

L'objectif principal de cette thèse est de déterminer le rôle des communautés microbiennes dans les émissions de N2O du sol, et plus précisément de définir dans quelle mesure les champignons sont impliqués. Par conséquent, leur structure communautaire à l'échelle micro, leur comportement dans la réduction de l'azote et la production de N2O, et leur interaction avec les communautés microbiennes impliquées dans le cycle de l'azote en tant que décomposeurs de matière organique dans le sol ont été étudiés. L'analyse des fractions de sol du parc Rothamsted a montré que les communautés fongiques changent au sein de fractions isolées, contrairement aux communautés bactériennes. De plus, des potentiels de nitrification, de dénitrification et de réduction de N2O ont été détectés dans toutes les fractions et se sont révélés liés à la chimie du carbone et de l'azote. Des expériences quantifiant la production de NO et N2O à partir de nitrite sur 24 souches de champignons de culture pure ont montré que les espèces de Fusarium sont de véritables producteurs de N2O parmi les champignons. Le suivit de NO a révélé que le milieu de nitrite est instable dans des conditions anoxiques et produit du NO abiotiquement, ce qui implique que des souches produisant du N2O à de faibles taux détoxifient ce NO plutôt que de le respirer, comme précédemment supposé. L’absence d’un nirK - p450nor dans la plupart des champignons a étayé cette hypothèse. Les relations interspécifiques entre champignons et bactéries ont été étudiées après l'addition de matière organique. Différentes modifications organiques ont déclenché des réponses distinctes en termes d’activité bactérienne et fongique sein d'une même communauté de sol. Les signatures fonctionnelles identifiées dans cette étude corroborent notre hypothèse selon laquelle les champignons sont impliqués dans la production de N2O en influençant les bactéries impliquées dans le cycle N par des processus de dégradation de glucides. Les résultats de cette thèse fournissent une base pour explorer les relations interspécifiques dans le cycle biogéochimique de l’azote dans le sol et marque une étape vers l'intégration de tous les membres de la communauté dans la recherche sur les écosystèmes du sol. / The main objective of this thesis is to determine the role of microbial communities in N2O emissions from soil, and more specifically to define to what extent fungi are involved. Therefore, their community structure at the micro scale, their behavior in reducing nitrogen and producing N2O, and their impact on nitrogen cycling communities as decomposers in soil were investigated. Analysis of soil fractions of unmanaged, pristine Rothamsted Park Grass soil showed that fungal communities change within isolated fractions in contrast to bacterial communities. Also, nitrifying, denitrifying and N2O reducing potentials were detected in all fractions and found to be linked to carbon and nitrogen chemistry. Pure culture experiments on 24 fungal strains quantifying NO and N2O production from nitrite showed that Fusarium species are true N2O producers among fungi. Monitoring NO revealed that nitrite medium is unstable under anoxic conditions and produces NO abiotically, which implies that low N2O producing strains are actually detoxifying this NO rather than respiring it, as previously assumed. The lack of a nirK - p450nor in most fungi supported this hypothesis. Interspecies relationships between fungi and bacteria were studied following community development after organic matter addition. Different organic amendments triggered distinct responses of a soil community with respect to bacterial and fungal activity. Functional signatures identified in this study corroborated our hypothesis that fungi are involved in N2O production by influencing a N-cycling bacterial community via carbohydrate degradation processes. The results from this thesis provide a basis for exploring interspecies relationships in nitrogen cycling processes in soil and mark a step towards integrating all members of the community in soil ecosystem research.

Les sols et les activités agricoles qu’ils supportent, contribueraient à environ 2/3 des émissions globales de protoxyde d’azote (N2O), un puissant gaz à effet de serre. L’objectif de la thèse était la compréhension des déterminismes des émissions de N2O liés aux propriétés hydriques des sols. Des expérimentations de laboratoire permettant le contrôle hydrique fin d’échantillons de sol, en saturation et en désaturation, et la mesure des flux de N₂O ont été menées. Un couplage avec la tomographie par rayons-X a par ailleurs permis de caractériser la connectivité gazeuse. Enfin, une démarche de modélisation a permis de tester les hypothèses de fonctionnement émises, et de poursuivre la démarche de réflexion sur le lien entre les propriétés hydriques des sols et les émissions de N₂O. On a mis en évidence le rôle des propriétés hydriques des sols dans la variabilité des émissions de N₂O couramment observées, et la nécessité de distinguer des périodes de production/consommation de N₂O et de transport. On retiendra ainsi le fort caractère dynamique des émissions de N₂O, en lien avec la phase hydrique (saturation ou désaturation), le fonctionnement hydrodynamique des sols, le transport gazeux et la configuration spatiale de l’air et de l’eau dans le réseau de pores. Afin de décrire l’intensité et le timing des pics de N₂O, il est apparu pertinent d’observer les paramètres potentiel matriciel, coefficient de diffusion gazeuse et connectivité gazeuse, en plus de la teneur en eau. Ces observations ont des implications sur la modélisation des flux de N₂O. On recommande ainsi l’utilisation couplée de modules de transport hydrique, de transport gazeux et en solution de N₂O, en plus de modules de production microbiologique, pour prédire efficacement les émissions de N₂O. / Soils and associated agricultural activities are estimated to account for about 2/3 of the global emissions of nitrous oxide (N₂O), a potent greenhouse gas. The aim of the thesis was to understand the controls linked to soil hydric properties on N₂O emissions. Laboratory experiments were designed to control the hydric status of soil samples during wetting and drying, and to measure N₂O fluxes. Moreover, a coupling with X-ray computed tomography allowed characterizing the gaseous connectivity. Finally, a modeling approach allowed testing the hypotheses of functioning, and to further discuss the links between hydric properties and N₂O emissions. We highlighted the role of soil hydric properties on the variability of N₂O emissions which is often measured, and the need to distinguish N₂O production/consumption and transport phases. The highly dynamic nature of N₂O emissions was linked to the hydric phase (wetting or drying), soil hydrodynamic functioning, gas transport, and spatial configuration of water and air in the pore network, in addition to the water-filled pore space parameter. These observations have implications for N₂O emission modeling. We recommend thus the coupled use of hydric transport, and modules of gas and liquid transport of N₂O, in addition to microbial production modules to efficiently predict N₂O emissions.

La variété des pratiques de compostage et les différences de nature des substrats modifient la vitesse de dégradation de la matière organique (MO), la qualité finale du compost produit et la part d'émissions sous forme de polluants gazeux. L'optimisation du procédé nécessite la prédiction de ces transformations ou la réalisation d'essais empiriques. Cette thèse analyse les interactions entre les processus biologiques, biochimiques, physico-chimiques et thermodynamiques majeurs à l'origine de la stabilisation de la MO et des émissions gazeuses de CO2, H2O, NH3, N2O. Elle se focalise sur le compostage par aération passive en andain d'effluents d'élevage. La méthode s'appuie sur la modélisation dynamique et des expérimentations. L'impact des interactions entre la biodégradabilité du carbone, la disponibilité de l'azote, l'humidité et la porosité, sur la cinétique et la stœchiométrie des émissions gazeuses est analysé à partir d’observations en conditions contrôlées et sur une plateforme de compostage. Les écarts de répétabilité faibles en conditions contrôlées deviennent élevés en conditions de reproductibilité sur le terrain. Un modèle dynamique de compostage a été développé simulant la stabilisation de la MO et les émissions de CO2, H2O, NH3, N2O. Il est composé de quatre modules simulant les cinétiques d'oxydation de la MO par une population microbienne, les échanges thermiques et l'aération passive, le transfert d'oxygène, les transformations de l'azote. Lors de la phase thermophile, le facteur limitant le plus rapidement l'organisation de la MO est la disponibilité de l'azote. L'abaissement de la porosité entraîne une diminution des pertes gazeuses par l'augmentation de l'organisation de la MO. Le fractionnement initial de la MO ainsi que la teneur initiale en biomasse microbienne sont les facteurs clés pour prédire les cinétiques d'organisation de la MO. La calibration des paramètres d’initialisation du modèle reste à améliorer / The variety of the practices and the differences in nature of the substrates modify the kinetics of degradation of organic matter (OM), the final quality of the produced compost and the fraction emitted as gaseous pollutants. To optimize the composting process, it is required to predict these transformations or to do some empirical test. This thesis analyzes the interactions between the main biological, biochemical, physicochemical and thermodynamic processes which explain the OM stabilization and the gaseous emissions of CO2, H2O, NH3, N2O. Focus is done on windrow composting with passive aeration. The method is based on dynamic semi-empirical modeling of the process and experimentations. The impact of the interactions between bioavailability of carbon and nitrogen, moisture and porosity, on the kinetics and the stoechiometry of the gaseous emissions is analyzed with data gathered in controlled conditions and on a commercial composting plant. The repeatability differences are small in controlled conditions but higher in field conditions. A dynamic model of composting was developed simulating the stabilization of OM as well as the emissions of CO2, H2O, NH3, N2O. This model is composed of four coupled modules which simulate the kinetics of oxidation of OM by a heterotrophic microbial population, the heat transfers leading to the passive aeration, the transfer of oxygen, the transformations of nitrogen. During the thermopilic phase, the first factor limiting the organization of OM is the availability of nitrogen. The decrease in porosity induces a reduction in the gas losses through the increase in the organization of OM. The initial OM fractionation and the initial microbial biomass are the key factors to predict the kinetics of organization of OM. The calibration of the specific parameters used for model initialization needs a further implementation