L’objectif de cette étude était d’évaluer les effets à long terme (28 ans) de huit itinéraires agronomiques sur les stocks de carbone organique du sol (COS) et d’azote (N) du sol, et leur répartition dans les fractions de la matière organique (MOS) par un fractionnement granulo-densimétrique (fraction légère [MOL] et fractions lourdes > 53, 53-20, 20-2 et < 2 µm) à deux profondeurs(0-10, 10-30 cm). Le projet, établi en 1989 à Normandin (Québec), consiste en un dispositif en tiroirs à trois facteurs combinant la rotation (monoculture d’orge ou rotation orge grainée-prairie-prairie), le travail du sol (labour ou chisel) et la source fertilisante (engrais minéral ou lisier de bovin). Les résultats ont démontré que les effets de la source fertilisante et du travail de sol sur les stocks de COS et N diffèrent selon la rotation établie. Dans la monoculture d’orge, le chisel a favorisé une accumulation de N en surface alors que l’enfouissement des résidus de cultures par le labour a entrainé des gains de COS et de N en profondeur à la fois dans la fraction légère ainsi que dans les fractions lourdes et fines. Toujours dans la monoculture d’orge, le lisier a enrichi le sol en N dans les10 premiers cm seulement, particulièrement dans les fractions lourdes > 53, 2-20 et < 2 µm. Les mêmes tendances ont été observées dans la rotation orge-prairies, mais les écarts n’étaient pas significatifs, probablement parce que le sol sous prairie était déjà très riche en MOS. À long terme, les itinéraires à prédominance de prairies représentent des systèmes capables d’atteindre de hauts niveaux de MOS, sans égal aux itinéraires composés strictement de cultures annuelles. De ce fait, l’absence d’augmentation significative du COS et du N selon la source fertilisante dans la rotation orge-prairies suggère que l’accumulation de MOS dans le sol soit sujette à saturation.

La respiration microbienne du carbone ancien stocké dans le pergélisol représente une rétroaction positive au réchauffement climatique. Toutefois, l’avancée récente des arbustes dans l’Arctique pourrait en partie compenser ces émissions, compte tenu de leur biomasse supérieure à celle de la végétation de la toundra et à la litière qui s’accumule. Il est cependant difficile de quantifier ce puits de carbone puisque la minéralisation concomitante du carbone ancien rend l’attribution des changements de la teneur en carbone des sols incertaine. Dans cette étude, la contribution des arbustes au réservoir de carbone terrestre est quantifiée dans un site au Nunavik, pour lequel les teneurs en carbone ancien des sols sont parmi les plus faibles de la région Arctique. Nous rapportons que l’avancée des arbustes Betula gladulosa Michx. dans la toundra lichénique augmente les stocks de carbone terrestre de 3.9 ± 1.3 kg m-2. Dans les milieux plus humides, les arbustes massifs et le remplacement des lichens par des mousses ont induit un gain de 6.6 ± 3.6 kg m-2 de carbone. Le puits de carbone issu de l’avancée des arbustes dans la région d’étude de 1994 à 2010 est estimé à 2.4 ± 0.8 Gg. Des études par pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (pyGCMS) démontrent que l’avancée des arbustes modifie la nature chimique du réservoir de carbone des sols. Deux biomarqueurs potentiels ont ensuite été étudiés par pyGCMS, l’acide usnique et l’acide bétulinique, dans le but de développer une méthode pour comparer la labilité de la MO des sols de la toundra de lichens à celle de la toundra arbustive de la région. Notre étude sur l’avancée des arbustes à Umiujaq indique que ce processus peut constituer un puits de carbone. Son intensité à l'échelle de l'Arctique mérite donc des études supplémentaires, mais les données obtenues sur un seul site ne peuvent pas être extrapolées à l'ensemble de l'Arctique pour évaluer si ce puits est susceptible de compenser les émissions de carbone ancien liées au dégel du pergélisol. / The microbial respiration of ancient carbon stored in permafrost represents a positive feedback to climate warming. However, the recent expansion of shrubs in circumpolar latitudes may partly compensate for this carbon release, due to greater biomass and litter inputs than that of tundra vegetation. Quantifying this carbon sink is challenging, as the concomitant mineralization of ancient carbon often renders the attribution of changes in soil carbon stocks uncertain. Here, we measure the contribution of shrubs to the terrestrial carbon reservoir in a Low-Arctic tundra site in Nunavik where soil ancient carbon stocks are among the lowest in the Arctic. We find that the emergence of Betula glandulosa Michx. shrubs increased the terrestrial carbon stocks by 3.9 ± 1.3 kg m-2. Further increases in carbon were mostly found along water tracks, where the more massive shrubs and the replacement of the lichen understory by mosses resulted in an addition of 6.6 ± 3.6 kg m-2 of carbon. From 1994 to 2010, we estimate the carbon sink provided by shrub expansion in our study area to be of 2.4 ± 0.8 Gg. The analysis of soil organic matter (SOM) using pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (pyGCMS) revealed that this recent shrub expansion has modified the chemical nature of the soil organic carbon (SOC) reservoir. Lastly, two potential biomarkers for shrub and lichen biomass, betulinic acid and usnic acid, were studied using pyGCMS in hopes of developing a method to compare the lability of the various soil carbon pools of the region. This natural case study in Umiujaq shows that shrub expansion represents a carbon sink. However, further studies throughout the Arctic are needed to evaluate the significance of this sink with respect to permafrost ancient carbon emissions, as the result of one local study cannot be extrapolated to the entire Arctic.

L'application des bois raméaux fragmentés (BRF) dans les pratiques agricoles constitue une technique durable de restauration de la fertilité des sols. Et pourtant, la lignine qui lui confère majoritairement la capacité de formation de l'humus et de stabilisation du carbone organique du sol n'a pas encore fait objet d'une étude scientifique approfondie. L'objectif général de cette thèse de doctorat est de caractériser les lignines organosolv isolées des BRF de Gmelina arborea et Sarcocephalus latifolius et d'évaluer l'effet des amendements de ces BRF sur les propriétés physico-chimiques et la diversité fongique du sol ainsi que le rendement des cultures maraichères (tomate et gombo) sur deux sites agricoles au Bénin. Les objectifs spécifiques sont : (i) de déterminer les constituants et les propriétés chimiques du bois et des BRF des essences G. arborea et S. latifolius à partir des méthodes de chimie du bois; (ii) d'isoler et caractériser les lignines organosolv de ces essences par le procédé catalytique et suivre son devenir dans les sols sur deux sites au Bénin après deux ans ; (iii) d'évaluer les effets des amendements des sols avec les BRF sur le stock du carbone, la formation des substances humiques stables et la diversité fongique du sol; et (iv) d'évaluer les effets des amendements des sols avec les BRF sur les propriétés physico-chimiques et hydriques du sol ainsi que sur la production de la tomate et du gombo sur deux sites au Bénin. L'essence Gmelina arborea a été retenue pour le site de Sékou, et celle de Sarcocephalus latifolius pour celui de Kika. Les bois de tronc et BRF ont été caractérisés pour leur composition élément³¹aire et en lignines. La moitié des BRF était enfouie dans le sol, et l'autre moitié était utilisée comme paillis. L'effet des traitements a été évalué sur la production de la tomate et du gombo. Les BRF ont été échantillonnés après 0, 6, 12 et 18 mois d'incubation dans le sol afin d'isoler et caractériser leur lignine organosolv par des analyses spectroscopiques (FTIR, ³¹P RMN, 2D HSQC) et pyrolytique (Py-GC-MS-TMAH). Les résultats ont montré que les lignines organosolv des BRF des deux essences étaient de types guaiacyl-syringyl (G-S). Les analyses chimiques des BRF ont montré que la teneur en glucides totaux diminuait, tandis que la teneur en lignine totale augmentait au fur et à mesure de la décomposition des BRF dans le sol. Un enrichissement significatif en azote (N) des BRF a été déterminé après 18 mois d'incubation dans les sols, atteignant 2,6 et 1,9 fois la teneur initiale en N pour G. arborea et S. latifolius, respectivement. En outre, les BRF ont amélioré l'humidité volumique du sol, régulé la température du sol et diminué la tension hydrique du sol par rapport aux LV et témoins sur 24 mois. Par ailleurs, les traitements à base des BRF (BRF et BRF_LV) ont contribué de manière significative au stockage du carbone organique du sol et à l'augmentation des nutriments du sol (N, P, K, Ca, Mg) (cette dernière jusqu'à 1,5 fois) par rapport au témoin. Les résultats d'analyse de l'acide humique (HA) extrait des sols, purifié et analysé ont révélé que les sols amendés avec le BRF ont produit des quantités significatives d'HA constitués majoritairement des composés dérivés de lignine. En outre, en utilisant le séquençage de la région ITS2 sur la plateforme Illumina Miseq, l'application des BRF a considérablement modifié la composition fongique avec une augmentation de l'abondance relative des Ascomycota (jusqu'à 92% de la communauté fongique totale), Mucoromycota, Basidiomycota et Rozellomycota. Les résultats ont montré que l'amendement au BRF a réduit significativement le rendement de la tomate (sauf sur le site de Kika) et du gombo pendant la première production de culture et que l'amélioration de la croissance et du rendement de ces légumes a été significative qu'à partir de la deuxième production de culture. Cette recherche démontre ainsi le rôle positif des BRF à travers leur lignine à former de l'humus stable et à favoriser une production agricole durable. / Application of RCW in agriculture is a sustainable technique for restoring soil fertility. However, the lignin from the RCW, which contributes to the formation of humus and to the soil organic carbon storage, has not yet been thoroughly studied. The general objective of this PhD thesis is to characterize the organosolv lignins isolated from RCWs of G. arborea and S. latifolius and to evaluate the effect of RCW amendments on the physico-chemical properties and fungal diversity of the soil as well as on the yield of vegetable crops (tomato and okra) on two agricultural sites in Benin. The specific objectives are: (i) to determine the constituents and chemical properties of trunk wood and RCW of G. arborea and S. latifolius using wood chemistry methods; (ii) to isolate and characterize the organosolv lignins of these species by the catalytic process and to follow its fate in soils on two sites in Benin after two years; (iii) to evaluate the effects of soil amendments with RCWs on carbon stock, formation of stable humic substances and soil fungal diversity; and (iv) to evaluate the effects of soil amendments with RCWs on soil physicochemical and hydric properties as well as on tomato and okra production on two sites in Benin. The G. arborea species was selected for the Sékou site, and S. latifolius for the Kika site. The trunk wood and RCW were characterized for their elemental and lignin composition. Half of the RCWs was incorporated in the soil, while the other half was put as mulch. The effect of the treatments was evaluated on tomato and okra production. RCWs were sampled after 0, 6, 12 and 18 months of incubation in the soil to isolate and characterize their organosolv lignins by spectroscopic (FTIR, 31P NMR, 2D HSQC) and chromatographic (Py-GC-MS-TMAH) analyses. The results showed that the organosolv lignins from RCWs of both species were of guaiacyl-syringyl (G-S) types. Chemical analyses of the RCWs showed that total carbohydrate content decreased, while total lignin content increased as RCWs decomposed in the soils. Significant nitrogen (N) enrichment of RCWs was determined after 18 months of incubation in soils, reaching 2.6 and 1.9 times the initial N content for G. arborea and S. latifolius. In addition, RCWs improved soil water content, regulated soil temperature, and decreased soil hydric tension compared to PL treated soils and controls over 24 months. Furthermore, RCW treatments (RCW and RCW_PL) contributed significantly to soil organic carbon storage and increased soil nutrients (N, P, K, Ca, Mg) (the latter up to 1.5 times) compared to the control. The humic acid (HA) was extracted from soils, purified, and analyzed by NMR spectroscopic and Py-GC-MS chromatography. The obtained results revealed that soils amended with RCWs produced significant amounts of HA containing a significant amount of lignin-related structures. Furthermore, using ITS2 region sequencing on the Illumina Miseq platform, RCW application significantly altered the fungal composition with an increase in the relative abundance of Ascomycota (up to 92% of the total fungal community), Mucoromycota, Basidiomycota and Rozellomycota. The obtained results showed that RCW amendment significantly reduced the yield of tomato (except at Kika site) and okra during the first crop production and that the improvement in growth and yield of these vegetables was significant only from the second crop production. This research thus demonstrates the positive role of RCWs through their lignin in forming stable humus and promoting sustainable agricultural production.

La jachère agroforestière améliorée consiste à planter des arbres, après une série de cultures, dans le but de rapidement restaurer la fertilité des sols. Cette pratique est encouragée car elle permettrait, entre autres, de raccourcir le temps des jachères; d’améliorer la fertilité des sols; d’augmenter les rendements des cultures. De plus, cette dernière aurait un bon potentiel d’adoption par les agriculteurs car sa pratique est proche de la jachère traditionnelle. En République Démocratique du Congo, un projet datant de la fin des années 90 a permis à plus de 300 agriculteurs de pratiquer des jachères agroforestières à Acacia auriculiformis afin d’améliorer le rendement des cultures de manioc – principal aliment de cette région. La présente thèse s’était fixée comme but d’étudier le potentiel des jachères agroforestières en approfondissant certains aspects de cette pratique notamment ceux liés aux effets que pourraient avoir l’âge des arbres sur les sols. Plus spécifiquement, les objectifs étaient de: i) évaluer et comparer les effets des jachères agroforestières à A. auriculiformis dont les classes d’âge étaient 1 à 3 ans, 3 à 5 ans et 5 à 7 ans ainsi que des jachères traditionnelles de 5 ans sur la fertilité et les stocks de carbone des sols ; ii) évaluer et comparer les rendements de manioc et les contenus en nutriments de leurs feuilles et farines; et iii) identifier les facteurs socio-économiques liés à la continuité de la pratique de la jachère agroforestière à A. auriculiformis par les agriculteurs. Les résultats obtenus permettent de conclure que les jachères successives à A. auriculiformis âgées de 1 à 7 ans après la première récolte d’une plantation mature d’acacias de 7 ans améliorent les propriétés physico-chimiques ainsi que les stocks de carbone des sols comparativement aux jachères traditionnelles de 5 ans. Les effets de l’âge de jachères sur les propriétés physico-chimiques et les stocks de carbone n’étaient pas significatifs. Des essais de culture de manioc ont également été réalisés sur des sols de jachères agroforestières de 1 à 3 ans ; 3 à 5 ans et 5 à 7 ans ainsi que sur des sols de jachères traditionnelles âgées de 5 ans. À l’issue de 11 mois de culture, les rendements obtenus sur les jachères agroforestières longues (5 à 7 ans) ont été supérieurs à ceux de toutes les autres jachères de cette étude et ces derniers étaient également associés à des niveaux élevés de potassium contenu dans les feuilles ainsi que les farines de manioc. Cette étude a également permis, à travers la combinaison de méthodes qualitative et quantitative, de connaître les avantages et contraintes perçus par les agriculteurs. L’augmentation du rendement des cultures ainsi que la récolte d’A. auriculiformis pour la fabrication de charbon de bois ont été citées comme les avantages les plus importants par les agriculteurs. Les enquêtes ont également permis de mettre en évidence le fait que la disponibilité de la main d'œuvre en ce qui concerne le nombre des membres du ménage travaillant dans les champs était la variable qui expliquait le mieux la continuité de la pratique de la jachère agroforestière. En définitive, les jachères agroforestières à A. auriculiformis, notamment celles âgées entre 5 et 7 ans, ont permis d’améliorer la fertilité et les stocks de carbone des sols ainsi que les rendements de manioc. C’est également à cet âge que les arbres peuvent être récoltés pour la fabrication de charbon de bois, ce qui rejoindrait les attentes des agriculteurs. -- Mots clés : jachère agroforestière, Acacia auriculiformis, propriétés physico-chimiques du sol, carbone du sol, rendements de manioc, adoption, Plateau des Batéké. / Agroforestry improved fallow consists of planting trees after a series of crops in order to quickly restore soil fertility. This practice is encouraged because it would allow, among other things shorten the time of traditional fallows; improve soil fertility; and increase crop yields. In addition, the latter would have a good adoption potential because its practice is close to traditional fallow. In the Democratic Republic of Congo, a project dating back to the late 1990s enabled more than 300 farmers to practice agroforestry fallow of Acacia auriculiformis to improve the yield of cassava crops - the main food of this region. The aim of this thesis was to study the potential of agroforestry fallows with emphasis on certain aspects in connection with this practice, particularly those related to the effects that age of trees may have on soils. More specifically, the objectives were to: i) evaluate and compare the effects of A. auriculiformis agroforestry improved fallows with different class ages 1 to 3 years, 3 to 5 years, 5 to 7 years, as well as traditional fallows of 5 years on the soil fertility and carbon stocks; ii) evaluate and compare cassava yields and nutrient contents of cassava leaves and flours; and iii) identify the socio-economic factors linked to the continuity by farmers of this A. auriculiformis agroforestry improved fallow. The results of this study indicate that successive A. auriculiformis agroforestry improved fallows aged 1 to 7 years after the first harvesting of a 7-year old mature A. auriculiformis plantation, improve the soil physicochemical properties and soil carbon stocks compared to traditional 5-year traditional fallows. The effects of age on soil physico-chemical properties and carbon stocks were not significant. Cassava cultivation trials were conducted on 1 to 3, 3 to 5, and 5 to 7-year-old agroforestry fallow soils as well as on 5-year-old traditional fallow soils. After 11 months of cultivation, yields obtained on long agroforestry fallows (5 to 7 years) were higher than those of all other fallows in this study and these were also associated with high levels of potassium in the cassava leaves and flour. This study also made it possible, through the combination of qualitative and quantitative methods, to know the advantages and constraints perceived by farmers. Increased crop yield and the harvest of Acacia auriculiformis for charcoal production were cited as the most important benefits for farmers. The surveys also highlighted the fact that the availability of labor in terms of the number of household members working in the fields was the best explanatory variable for the continuity of the agroforestry fallow practice. In the end, A. auriculiformis agroforestry fallows, especially the ones between 5 and 7 yearold, can improve soil fertility and soil carbon stocks as well as cassava yields. It is also at this age class that trees can be harvested for charcoal making, which would meet farmers' expectations. Key words: agroforestry fallow, Acacia auriculiformis, soil physico-chemical properties, soil carbon, cassava yields, adoption, Batéké Plateau.