L'agriculture biologique vise à améliorer la durabilité des systèmes culturaux, cependant, certaines pratiques de conservation des sols utilisées peuvent augmenter les émissions de gaz à effet de serre (GES), sous certaines conditions environnementales. L'objectif de ce projet était de déterminer l'effet de différents systèmes culturaux en grandes cultures biologiques sur les émissions de GES et sur le rendement des cultures. Un essai au champ a été réalisé à l'Institut national d'agriculture biologique, au cours de deux saisons de croissance (26 avril au 31 octobre 2019 et 29 avril au 12 novembre 2020), sur un loam sableux. Le dispositif expérimental en blocs complets aléatoire incluait deux témoins comparatifs (prairie permanente et jachère en sol nu [JSN]) et cinq systèmes culturaux combinant différentes (i) séquences culturales (orge [Hordeum vulgare L.]-maïs [Zea mays L.], soya [Glycine max (L.) Merr.]-blé de printemps [Triticum aestivum L.], maïs-soya); (ii) sources fertilisantes (fumier de poulet [FP] et/ou engrais vert en dérobée [EV] ou aucun apport); et (iii) intensités de travail primaire du sol (labour avec charrue à versoirs [LB] ou chisel [CH]). La température, la teneur en eau et les concentrations en azote minéral du sol ont été mesurées périodiquement, de même que les émissions de protoxyde d'azote (N₂O) et méthane (CH₄) à l'aide de chambres statiques à régime variable. Le système CH-EV a généré les plus faibles émissions de N₂O cumulatives en 2019 et 2020 et les systèmes LB-FP en 2019 et JSN en 2020 ont généré les émissions les plus élevées. Les émissions de CH₄ ont été équivalentes entre les différents systèmes. Le système CH-EV a minimisé les émissions de N₂O à l'échelle de la superficie sans augmenter les émissions de N₂O à l'échelle du rendement. Cependant, l'évaluation à long terme de ces systèmes culturaux est nécessaire pour déterminer les bénéfices agronomiques, économiques et environnementaux. / Organic farming aims to enhance the sustainability of cropping systems, but some soil conservation practices implemented may increase greenhouse gas (GHG) emissions. The main objective of this study was to determine the effects of various organic cropping systems on GHG emissions and crop yields, in Québec, Canada. A field experiment was conducted at the Institut national d'agriculture biologique, over two growing seasons (26 April to 31 October 2019 and 29 April to 12 November 2020), on a sandy loam soil. The randomized complete block design included two controls (perennial forage and bare fallow [BF]) and five organic cropping systems combining different: (i) crop sequences (barley [Hordeum vulgare L.]- grain corn [Zea mays L.], soybean [Glycine max (L.) Merr.]- spring wheat [Triticum aestivum L.], grain corn-soybean); (ii) sources of fertilizers (poultry manure [PM] and/or a fall-seeded green manure [GM] or no source); and (iii) primary tillage intensities (moldboard plough [MP] or chisel plough [CP]). Soil temperature, water content, and mineral N concentrations were evaluated periodically, as well as direct nitrous oxide (N₂O) and methane (CH₄) emissions, which were quantified using non-flow-through non-steady-state chambers and gas chromatography. The lowest cumulative N₂O emissions were found in CP-GM (0.52 ± 0.11 and 3.55 ± 0.72 kg N ha⁻¹ in 2019 and 0.47 ± 0.06 kg N ha⁻¹ in 2020), whereas the highest emissions were found in MP-PM in 2019 (3.55 ± 0.72 kg N ha⁻¹) and BF in 2020 (1.44 ± 0.20 kg N ha⁻¹). During both years, CH₄ emissions varied from -0.65 to +0.18 kg C ha⁻¹ and were similar between cropping systems. Organic cropping system CP-GM minimized the area-scaled N₂O emissions without increasing the yield-scaled N₂O emissions. However, long-term assessment is necessary to determine the agronomic, economic, and environmental benefits of these cropping systems.

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.

Cette étude a été réalisée avec comme objectif principal d'identifier les processus mis en cause dans l'hypoxie récente de l'estuaire maritime du Saint-Laurent. Cette zone d'hypoxie existe depuis une vingtaine d'années et engendre des conséquences néfastes pour cet écosystème. Il devient donc critique de comprendre les mécanismes qui sont responsables du taux d'oxygénation dans l'optique de proposer des solutions d'adaptation réalistes. Pour ce faire, nous avons ciblé deux des processus qui ont probablement le plus d'impact sur les concentrations en oxygène dissous de cet écosystème, c'est-à-dire le réchauffement des eaux profondes et l'eutrophisation possible des eaux de surface de l'estuaire. Pour bien comprendre le rôle du réchauffement sur l'hypoxie, il est important d'avoir accès à des séries temporelles plus étendues que celles que nous offrent les données instrumentales. L'étude de carottes de sédiment nous permet d'obtenir des renseignements précieux sur les conditions environnementales du passé. Nous avons étudié deux carottes sédimentaires provenant de l'estuaire du Saint-Laurent dans le but d'estimer les variations de température survenues depuis le dernier siècle voire même depuis le dernier millénaire. Dans ces carottes, nous avons mesuré la composition isotopique en oxygène (δ18O) des tests de foraminifères benthiques. Cette mesure enregistre, entre autres, la température de calcification de l'organisme, et donc de l'eau dans lequel il se trouve. En comparant le δ18O avec les données de température instrumentales, nous avons validé l'utilisation du δ18O comme paléothermomètre dans l'estuaire du Saint-Laurent. De ce fait, nous avons utilisé le δ18O pour reconstruire les variations de température du dernier millénaire. Les résultats nous permettent de conclure que les eaux de fond de l'estuaire du Saint-Laurent se sont réchauffées d'environ 1.7°C depuis le dernier siècle. Cela constitue le plus important réchauffement des 1 000 dernières années. L'eutrophisation des eaux de surface en milieu estuarien est généralement due à un apport accru en nitrate, nutriment limitant dans ce type de milieu. Les sources d'azote ayant déjà été étudiées, nous avons donc mesuré les puits de façon à pouvoir établir un bilan régional. Deux approches ont été privilégiées: 1) une série de mesures de dénitrification sédimentaire ponctuelles et 2) une approche intégratrice se basant sur les concentrations d'azote et de phosphore dans la colonne d'eau. Les mesures nous permettent de conclure que la majorité de la dénitrification benthique est produite par le couplage nitrification-dénitrification. De plus, les résultats sont cohérents avec l'hypothèse que le processus de bioirrigation joue un rôle très important dans l'élimination sédimentaire de l'azote. L'approche intégratrice semble indiquer que le bilan régional de l'azote est proche de l'équilibre, ce qui suggère que cette région ne peut être considérée comme globalement soumise au phénomène d'eutrophisation. Ceci impliquerait donc que si l'augmentation de la productivité primaire observée dans l'estuaire du Saint-Laurent est due à une augmentation de l'apport en azote, celui-ci est par la suite éliminé naturellement par le système sans avoir d'impact en aval. Dans l'optique de proposer des solutions au problème de l'hypoxie, nous devons mieux connaître les sources d'azote qui fertilisent le Saint-Laurent ainsi que le taux de recyclage in situ. Par conséquent, nous avons mesuré la composition isotopique des nitrates dissous dans la ville de Québec pour identifier les différentes sources d'azote qui se retrouvent dans le Saint-Laurent. De plus, cette méthode nous permet d'identifier les mécanismes du cycle de l'azote qui sont actifs dans cette région. Les résultats sont typiques d'un environnement ou la composition isotopique des nitrates est principalement contrôlée par la saisonnalité et où les processus internes ne semblent pas avoir un impact significatif. Par contre, le peu de données sur la signature isotopique des différentes sources potentielles nous empêche de quantifier leur importance dans le flux de nitrate du Saint-Laurent. ______________________________________________________________________________

L'utilisation de données de conductivité électrique (CEA) du sol pour délimiter des zones d'aménagement (ZA) intra parcellaires en agriculture de précision semble très prometteuse. L'objectif de cette étude était de vérifier l'efficacité de la CEA du sol à délimiter des ZA intra parcellaires constituées de sols homogènes et principalement basées sur la qualité des sols en prévision de leur utilisation pour la gestion spécifique de N dans une culture de la pomme de terre (Solarium tuberosum L.). Dans un premier temps, la CEA du sol a été mesurée intensivement avec la technologie Geonics EM38 selon une grille en quinconce de 15 m par 15 m dans un champ en culture commerciale de pomme de terre de 13,8 ha. Une description des profils pédologiques (1,2 m) ainsi qu'un échantillonnage intensif de la couche de surface des sols (0-0,2 m) ont aussi été effectués sur un sous-ensemble de cette grille d'échantillonnage (30 m x 30 m). Les échantillons de sol ont été analysés pour déterminer les principales propriétés physico-chimiques des sols (texture, matière organique, pH, éléments extraits au Mehlich-3). Les rendements en tubercules ont été mesurés avec un capteur de rendement pour les années 1998, 1999 et 2000. L'algorithme de classification «k-moyenne» a été utilisé pour délimiter les ZA à partir de la matrice des données de CEA du sol issue d'une interpolation par krigeage. Deux ZA ont été jugées optimales pour implanter dans ce champ une gestion des pommes de terre spécifique aux sols. Ces deux ZA présentaient des propriétés hydriques (épaisseur du dépôt sableux sur le substratum argileux, profondeur de la nappe phréatique, capacité de rétention d'eau) et certaines propriétés chimiques de sol (matière organique, P et pH) contrastantes. Une différence moyenne (5,9 t ha"1 ) significative de rendement en pomme de terre a été notée de 1998 à 2000 entre les deux ZA et attribuée à la différence de la réserve en eau entre les ZA. Cette étude démontre que la CEA peut délimiter avec efficacité des ZA intra parcellaires présentant des sols aux propriétés hydriques et aux potentiels de rendement contrastants. Dans un deuxième temps, la réponse spécifique de N à chacun des sites choisis pour représenter les deux ZA préalablement identifiées, a été testée d'un point de vue tant agronomique qu’environnemental. Cette étude évaluait donc les effets de la dose et du fractionnement du fertilisant azoté sur le rendement, le calibre et le poids spécifique des tubercules de pomme de terre ainsi que sur le recouvrement apparent en N des tubercules (Nrec), l'azote résiduel du sol (RSN) à la récolte et la concentration en nitrate de l'eau du sol (SWN) dans les deux sites de 1999 à 2001. L'essai a été établi aux deux sites représentatifs des ZA préalablement délimitées avec la CEA du sol et présentant des différences de teneur en eau disponible du sol contrôlée par la profondeur au substratum argileux. Chaque essai comportait 21 traitements incluant cinq doses de nitrate d'ammonium (0-200 kg N ha-1 en 1999 et 0-240 kg N ha-1 en 2000 et 2001), chacune appliquée selon cinq modes de fractionnement (100, 75, 50, 25 ou 0 % de N à la plantation et le reste au buttage). Le rendement a été mesuré ainsi que le poids spécifique et le calibre des tubercules. La teneur en N des tubercules a été analysée. Des échantillons de sol (0-0,7 m) ont été prélevés au moment de la récolte et la teneur en nitrates a été analysée. De plus, des lysimètres à succion ont été utilisés tout au long de la saison et après la récolte pour évaluer la SWN. D'un point de vue agronomique, les résultats ont révélé que l'accroissement de la dose de N augmentait le rendement total et commercialisable aux deux sites. La dose de N requise pour optimiser le retour économique variait de 167 à 239 kg N ha-1 dépendamment de l'année et des sites. L'application de la totalité des fertilisants azotés à la plantation ou au buttage diminuait les rendements en tubercules aux deux sites comparativement à une application fractionnée. Le pourcentage de la dose de N appliqué à la plantation pour atteindre le rendement commercialisable maximum variait de 34 à 61% dépendamment de l'année et permettait une augmentation de rendement de l'ordre de 2 à 20 %. La proportion de tubercules de taille large était toujours plus importante dans le site dont le substratum argileux était plus éloigné de la surface (DMZ) que dans le site dont le substratum argileux était plus près de la surface (SMZ). Le rendement en tubercules et le prélèvement en N étaient cependant supérieurs au site SMZ comparativement à ce qui était mesuré au site DMZ lorsque aucun fertilisant azoté n'était appliqué. Par contre, la réponse du rendement en tubercules suite à l'apport de fertilisant azoté était plus prononcée au site SMZ qu'au site DMZ pour une année. Cependant, ces différences n'étaient pas suffisantes pour justifier des gestions différentes de l'azote aux deux sites. Les deux sites différaient fréquemment en termes de rendement et de calibre des tubercules et aussi du poids spécifique, mais pour les deux ZA, la dose optimale de N et le niveau de fractionnement de N étaient similaires. Ces différences peuvent être cependant suffisamment grandes pour justifier des pratiques de gestion différentes de la pomme de terre (e.g. gestion des nutriments, espacement des tubercules) pour optimiser la production de pomme de terre pour le marché de la croustille. D'un point de vue environnemental, l'effet de la dose de N et du fractionnement sur Nrec, RSN et SWN différaient parfois selon le site. Le Nrec était moins sensible à la dose de N et au fractionnement au site SMZ qu'au site DMZ. L'application de la même dose de fertilisant azoté résultait généralement en une quantité plus importante de RSN à la récolte au site SMZ qu'au site DMZ. À plusieurs reprises en 1999 et 2001, le SWN du site DMZ était plus élevé que celui du site SMZ indiquant un lessivage plus élevé des nitrates au site DMZ comparativement au site SMZ. Différentes stratégies de gestion spécifique de l'azote pourraient être utilisées à ces deux sites pour améliorer l'efficacité de l'utilisation l'azote et limiter les risques de pertes de nitrates par lessivage. Cependant, la variabilité temporelle intra- et interannuelle contrôlée majoritairement par les conditions climatiques était supérieure à la variabilité spatiale de N. Ceci met en évidence le besoin d'un modèle dynamique et holistique du statut azoté dans le sol et/ou la culture pour aider le producteur à ajuster les niveaux de fertilisants azotés à l'intérieur d'un même champ et d'une même saison.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / Les transformations de l'azote pendant l'hiver et le potentiel des pertes à l'environnement pendant l'hiver ont été peu étudiés. Une incubation avec 15N a été effectuée pour mesurer l'effet des températures basses (-6 à 10 °C) sur la nitrification, la dénitrification et l'immobilisation de l'ammonium après épandage d'un lisier de porc avec ou sans ajout de paille de blé. Les nitrates, marqués et non marqués, se sont accumulés dans les sols à des températures > -2 °C, ce qui confirme une nitrification active dans les sols légèrement gelés. Une immobilisation nette de l'azote a été observée seulement dans les sols avec paille, mais a cessé entre -2 et 2 °C. La nitrification était le processus principal sous 0 °C. La nitrification dans les sols gelés augmente le risque d'accumulation et de perte d'azote par lessivage et dénitrification et ne semble pas pouvoir être atténuée par l'ajout de paille de blé. / Overwinter nitrogen transformations and the consequent potential for loss of slurry nitrogen to the environment have not been studied in depth. An incubation study using an N isotope was undertaken to measure the effect of cold temperature (-6 to 10 °C) on nitrification, denitrification and immobilization of ammonium in the soil following slurry application in the presence or absence of wheat straw. Labelled and unlabelled nitrate increased in soils incubated at temperatures > -2 °C, confirming active nitrification in lightly frozen soils. Net immobilization was observed only in soils with straw incorporation, but ceased between -2 and 2 °C. Nitrification was the predominant process below 0 °C. Nitrification in frozen soils increases the risk of nitrogen build-up and loss by leaching and denitrification and seems not to be mitigated by the addition of wheat straw.

L'objectif de cette étude était de quantifier l'arrière-effet azoté d'apports répétés de fumier de poulet (FP), lisier de bovin laitier (LB), lisier de porc (LP) ou d'engrais minéral (NPK ou PK) en interaction avec le type de sol [loam sableux (LS), argile limoneuse (AL)] et l'intensité du travail de sol [labour(L), travail réduit (TR)]. À l'aide du traçage isotopique à l'azote-15 (¹⁵N), un bilan sol-plante du devenir du ¹⁵N des divers fertilisants ainsi que la contribution respective du N des fertilisants de l'année et des apports passés à la nutrition du blé ont été établis. Entre 10 % (LB) et 25 % (NPK) du ¹⁵N appliqué au printemps s'est retrouvé dans les grains à la récolte. L'azote minéral a été davantage récupéré par le blé dans le LS (jusqu'à 25 %) que dans l'AL (environ 15 %). Les proportions de ¹⁵N retrouvées dans les pailles et les racines étaient faibles et variaient entre 2 et 6 %. Les rendements en grains et en paille ainsi que la récupération de ¹⁵N par les grains étaient plus élevés sous TR que sous L. La récupération du ¹⁵N résiduel des effluents dans le sol a été très élevée dans l'AL (> 80 %) alors qu'elle avoisinait 50 % dans le LS, laissant croire que l'importance de l'arrière-effet pourrait varier selon la texture du sol. La proportion de N dérivée du sol dans la plante montre que la réserve de sol est la principale source de N (> 80 % du prélèvement total). Cependant, il n'y a pas eu de différence dans la contribution du sol entre les sources de N pour cette année de mesure, indiquant une absence d'arrière-effet malgré les différences enregistrées dans les quantités de ¹⁵N résiduel laissées dans le sol. / The objective of this study was to quantify the nitrogen legacy effect of repeated application of chicken manure (CM), dairy cattle slurry (CS), pig slurry (PS) or mineral fertilizer (NPK or PK) in interaction with soil type [sandy loam (SL), silty clay (SC)] and tillage intensity [ploughing (P), reduced tillage (RT)]. Using nitrogen-15 (¹⁵N) isotopic tracing, a ¹⁵N budget in the soil-plant system and the respective contribution of N from current year fertilization and past inputs to wheat nutrition were established for all fertilizer types. Between 10% (CS) and 25% (NPK) of the ¹⁵N applied in the spring ended up in the grains at harvest. More mineral nitrogen was recovered by wheat in SL (about 25%) compared to SC (about 15%). The proportions of ¹⁵N found in straws and roots were small and varied between 2 and 6%. Grain and straw yields, and ¹⁵N recovery from wheat grain were higher under RT than P. The recovery of ¹⁵N effluents was very high in SC (> 80%) while it was around 50% in SL. The proportion of N derived from the soil taken up by the crop shows that the soil reserve was the main source of N (> 80% of the total plant N uptake). However, there was no difference in the soil contribution among N sources for this measurement year, indicating a lack of legacy effect despite differences in the amounts of residual ¹⁵N found in the soil.

Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique. / Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.

Les couvertures de couverture (CC) sont des plantes utilisées périodiquement pour couvrir le sol et qui sont ensuite enfouies dans le sol pour enrichir celui-ci par l’augmentation de la quantité de matière organique à la suite d’un retour de résidus végétaux. Cette utilisation se fait généralement de deux façons : semées après ou avant la culture principale (en dérobée) ou semées en même temps que la culture principale (en intercalaire). Ce projet de recherche avait pour objectif général de déterminer l’effet des espèces de CC et des parties végétales (racines et parties aériennes) sur la décomposition de ces plantes enfouies dans le sol. Dans une expérience factorielle en tiroirs de 3 x 2 x 6 avec quatre blocs aléatoires complets, les parties aériennes et racinaires de trois espèces de CC dont le pois fourrager (Pisum sativum L.), le trèfle rouge (Trifolium pratense L.) et la vesce commune (Vicia sativa L.) ont été enfouies dans le sol, par la technique des sacs de résidus. Des sacs ont été prélevés à 0, 10, 20, 30, 60 et 90 jours après placement au champ. Initialement, la partie racinaire de la vesce commune était la plus riche en azote (N) tandis que la partie aérienne du trèfle rouge était la plus riche en N. Nos résultats démontrent que l’azote contenu dans les racines des CC se libère plus lentement que celui des parties aériennes. Le trèfle rouge est l’espèce qui s’est décomposée le plus rapidement. Après 90 jours de décomposition, il ne restait que 20 % et 11 % de la biomasse initiale pour le pois fourrager et la vesce commune, et le trèfle rouge, respectivement. La partie racinaire des CC était plus riche en N que leur partie aérienne. Nous n’avons pas trouvé de corrélation entre la biomasse et les paramètres de qualité des CC (N, carbone (C), C:N).

L’eutrophisation en milieux côtiers et estuariens est souvent reliée à une augmentation des apports en nutriments aux systèmes stimulant leur productivité et représente, à ce jour, l’un des plus gros enjeux associés aux impacts de la pollution par les activités anthropiques. Le Saint-Laurent, considéré comme l’un des plus grands systèmes hydrographiques au monde, fait désormais l’objet d’études cherchant à mieux comprendre les causes du développement d’une zone hypoxique (i.e. zone déficitaire en oxygène dissous) en eau profonde au niveau de son estuaire. Deux grandes causes principales pourraient expliquer cette diminution d’oxygène : une variation au niveau des températures et des teneurs en oxygène des courants de l’Atlantique ainsi qu’une augmentation de la demande en oxygène expliquée par la décomposition de la matière organique. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet est de caractériser la répartition spatiale et saisonnière des éléments nutritifs de l’estuaire moyen et maritime, entre la ville de Québec et Pointe-des-Monts. Les données recueillies sont issues d’expéditions en mer menées au cours des quatre saisons entre l’automne 2017 et l’été 2019. Des incubations avec enrichissement de nitrate, d’ammonium ou d’urée marqué au ¹⁵N ont également été effectuées à différents points de l’estuaire afin de quantifier et de caractériser la prise d’azote par le phytoplancton. Les résultats indiquent la présence de gradients spatiaux dans les concentrations de nutriments associés à la zone de transition entre la portion d’eau douce et d’eau salée de l’estuaire. Les secteurs de Québec et de l’estuaire moyen présentent une variation saisonnière importante largement associée aux apports provenant de la portion fluviale du fleuve. Les données printanières suggèrent également que les concentrations de surface en nitrate de l’estuaire maritime sont influencées par la propagation des concentrations élevées observées en amont. Les ratios azote:phosphore (N:P) inorganiques dissous indiquent que la région de Québec est passée d’une limitation en phosphore à une limitation en azote depuis les années 1970. Les taux maximaux de prise d’azote par le phytoplancton ont été mesurés dans le secteur de Québec et de l’estuaire moyen au cours des quatre saisons. La contribution relative des différentes formes d’azote indique que le nitrate et l’ammonium sont préférés à l’urée quelle que soit la position dans l’estuaire. Ces travaux, qui pourront désormais servir de référence, permettent une meilleure compréhension de la dynamique des nutriments dans l’estuaire du Saint-Laurent. / Eutrophication in coastal and estuarine environments is often linked to an increase in nutrient inputs to ecosystems, stimulating their productivity and, to date, represents one of the biggest issues associated with the impacts of pollution from anthropogenic activities. The St. Lawrence System is considered one of the largest hydrographic systems in the world and is now the subject of studies that are looking into the causes of the development of a hypoxic zone (i.e. a zone lacking in dissolved oxygen) in the deep waters of its estuary. Two main causes have been identified to explain this decrease in dissolved oxygen: a variation in water temperature and oxygen levels in the Atlantic currents, and an increase in oxygen demand due to the decomposition of organic matter. In this context, the main objective of this project is to characterize the spatial and seasonal distribution of nutrients in the Upper and Lower Estuaries, between Quebec City and Pointe-des-Monts. The data has been collected on expeditions conducted in all four seasons between fall 2017 and summer 2019. Incubations with enrichment of ¹⁵N-labelled nitrate, ammonium or urea were also carried out at various stations in the estuary to quantify and characterize nitrogen uptake by phytoplankton. The results indicate the presence of spatial gradients in nutrients concentrations associated with the transition zone between the freshwater and marine portions of the estuary. The Quebec City and Upper Estuary sectors show significant seasonal variation largely associated with inputs from the upstream river. The spring data also suggest that surface nitrate concentrations in the Lower Estuary are influenced by the spread of high concentrations observed upstream. Dissolved in organic nitrogen:phosphorus ratios indicate that the Quebec City area has undergone a transition from phosphorus to nitrogen limitation since the 1970s. Maximum nitrogen uptake rates by phytoplankton were measured in the Quebec City area and the Upper Estuary in all four seasons. The relative contribution of the different forms of nitrogen indicates that nitrate and ammonium are preferred to urea regardless of position in the estuary. This work, which can now be used as a reference, provides a better understanding of the dynamics of nutrients in the St Lawrence Estuary.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Institut national supérieur des sciences agronomiques, agroalimentaires, horticoles et du paysage Rennes, France / L'objectif de cette étude était de comparer le rendement des cultures (maïs, soya, blé) et l'impact environnemental (santé du sol et stockage de C et de N) de 20 itinéraires techniques combinant le type de travail du sol (travail réduit, labour), la gestion des résidus de culture (récoltés ou retournés au sol) et cinq différentes sources fertilisantes(organiques et minérales) sur deux sols à texture contrastée (loam sableux et argile limoneuse) sur une période de neuf ans. Après une période de transition de six ans, les rendements sous travail réduit étaient de 8 à 30 % supérieurs qu'avec le labour dans l'argile limoneuse. Dans le loam sableux, l'effet du travail réduit variait (-20 à 13 %), principalement en fonction de la culture et de l'année. La concentration en C organique du sol, la biomasse microbienne et le diamètre moyen pondéré des agrégats dans les 10 premiers centimètres de sol étaient de 14 à 58 % plus élevés dans le travail réduit que dans le labour, mais le travail réduit du sol n'a eu aucun effet sur les stocks de C et de N lorsque tout le profil était considéré (0-60 cm). Les engrais de ferme permettaient d'obtenir des rendements semblables à l'engrais minéral dans le blé et ont même eu un arrière-effet positif sur le rendement du soya dans le loam sableux. Cependant, dans le maïs, les écarts de rendement observés entre l'engrais minéral et les engrais de ferme étaient parfois très importants, mais aussi très variables (0 à -38 %), en fonction des conditions météorologiques de la saison de croissance. Parmi les engrais de ferme, le lisier de porc donnait généralement de meilleurs rendements, mais le lisier de bovin et le fumier de volaille avaient des effets positifs plus marqués sur les indicateurs de santé du sol en surface. Le lisier de bovin et le fumier de volaille favorisaient l'accumulation de C et de N dans la fraction lourde et grossière de la matière organique (coarse-MAOM) des sols à l'étude. Dans l'argile limoneuse, le lisier de bovin et le fumier de volaille ont également permis l'accumulation de C et de N organique dans la fraction fine et stable de la matière organique du sol, contribuant ainsi à la stabilisation de C et de N sur le long terme dans la couche de surface. Inversement, les résidus de culture avec un rapport C/N plus élevé ont contribué également à la santé du sol, mais principalement via l'accumulation de C dans les fractions grossières de la matière organique. Lorsque tout le profil était considéré, l'effet des traitements sur les stocks de C était plus faible dans les 15 premiers cm de sol (0,36 à 0,76 kg C m⁻²) que dans les couches sous-jacentes (jusqu'à 2,3 kg C m⁻² pour la couche 30-45 cm). L'effet net des pratiques agricoles sur les stocks de C et de N, lorsque tout le profil était considéré(0-60 cm), dépendait donc principalement des changements en profondeur. Dans le loam sableux, ces changements étaient influencés par une interaction triple entre le travail du sol, la gestion des résidus de culture et la source fertilisante. Les stocks de C en profondeur étaient les plus élevés lorsque le labour du sol était combiné au retour des résidus de culture et à l'utilisation d'engrais de ferme liquide. Cependant, sous fertilisation minérale, les stocks étaient plus élevés en profondeur lorsque les résidus étaient récoltés. Les résultats de cette thèse montrent bien que les itinéraires techniques agricoles devraient être adaptés aux caractéristiques culturales et pédoclimatiques propres à chaque site. En plus de fournir une preuve terrain en soutien aux récentes théories expliquant les mécanismes de stabilisation du C dans le sol, cette thèse propose un modèle conceptuel permettant d'intégrer la notion de fertilité du sol à ces concepts émergeants en considérant la coarse-MAOM comme une fraction pivot dans les cycles de C et de N du sol. Elle démontre également l'importance de considérer les stocks de C profond (>30 cm) afin de mesurer avec justesse l'effet des pratiques agricoles sur les stocks de C du sol, du moins sous des conditions froides et humides. Il faudra donc continuer d'approfondir notre compréhension des mécanismes biogéochimiques impliqués dans les interactions sol-plantes-atmosphère pour faciliter le développement de systèmes de production rentables, durables et résilients, tout en contribuant à la lutte aux changements climatiques. / The objective of this study was to compare the crops yield (corn, soybean wheat) and environmental effect (soil health and C and N storage) of 20 different crop management itineraries combining two tillage regimes (minimum tillage, moulboard plowing), crop residue management (harvested or returned to soil) and five different fertilizer sources (organic and mineral) on two soils with contrasting textures (sandy loam and silty clay) over a 9-year period. After a transition period of 6 years, reduced tillage yielded 8-30% more grain, than mouldboard plowing in the silty clay soil. In the sandy loam soil, the benefits of minimum tillage on crop yield varied (-20 to 13%), mainly according to crop type and meteorological conditions. Organic C concentration, microbial biomass and the mean weight diameter of stable aggregates in the first 10 cm of soil were 14-58% higher under reduced tillage than mouldboard plowing, but reduced tillage had no effect on C and N stocks when the entire profile was considered (0-60 cm). Similar wheat grain yields were obtained with the mineral fertilizer and farmyard manures and manures even had a positive legacy effect on soybean yield in sandy loam. For corn, however, the yield differences observed between mineral fertilizer and farmyard manures were highly variable (0-38%) and mostly depended on weather conditions. Among farmyard manures, the use of liquid swine manure generally resulted in greater yields, but cattle and poultry manures had a greater effects on surface soil health indicators. Cattle and poultry manures promoted the accumulation of C and N in the heavy and coarse fraction of soil organic matter (coarse-MAOM) of both soils. In the silty clay soil, cattle and poultry manures also fostered the accumulation of organic C and N in the fine and stable fraction of soil organic matter, thus contributing to the long-term stabilization of C and N in the surface soil layer. Conversely, crop residues with a higher C/N ratio contributed to soil health mainly through the accumulation of C in the coarse fractions of organic matter. When the entire profile was considered, the effect of treatments on C stocks was smaller in the first 15 cm of soil (0.36 to 0.76 kg C m⁻²) than in deeper soil layers (up to 2.3 kg C m⁻² for the 30-45 cm layer). The net effect of farming practices on C and N stocks when the entire profile was considered (0-60 cm) therefore mainly depended on changes at depth. In the sandy loam soil, these changes were influenced by a three-way interaction between tillage, crop residue management and fertilizer source. Deep C stocks were the highest when tillage was combined with crop residue return and the use of liquid farmyard manures. However, under mineral fertilization, deep C stocks were the highest when residues were harvested. This thesis highlights the fact that agricultural combinations of management practices should be adapted to the cultural and pedoclimatic characteristics of each site. In addition to providing field evidence in support of recent theories regarding soil organic matter formation and stabilization processes, this thesis proposes a way to integrate soil fertility concepts to these emerging theories by considering the coarse-MAOM as a pivotal fraction in both C and N cycles. It also demonstrates the importance of considering deep C stocks (>30 cm) to accurately measure the effect of agricultural practices on soil C stocks, at least under cold and humid conditions. It will therefore be necessary to keep deepening our understanding of the biogeochemical mechanisms involved in soil-plant-atmosphere interactions to ensure the profitability, sustainability, and resilience of our production systems while contributing to climate change mitigation.