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.

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.

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.

Malgré l’imposition de diverses normes environnementales strictes au Québec, la pollution agricole, et plus spécifiquement la qualité de l’eau, demeurent problématiques dans la région de Chaudière-Appalaches. Cette région est intensive en productions animale et végétale ce qui entraîne des surplus de phosphore, d’azote et de sédiments. L’objectif que nous poursuivons à travers cette étude est d’évaluer l’efficience technique et l'efficience environnementale des producteurs agricoles du bassin de la rivière Chaudière localisé au Sud de la ville de Québec. De plus, nous évaluons le degré de corrélation existant entre les deux mesures d’efficience. Nous analysons les liens entre les mesures d’efficience et les caractéristiques des fermes et des opérateurs. Nous adoptons une approche stochastique paramétrique appliquée aux fonctions de distance pour analyser les efficiences techniques et environnementales des exploitations agricoles. Les données utilisées ont été collectées en 2005 et portent sur 210 fermes agricoles. Les résultats obtenus montrent qu’il existe une forte corrélation entre les deux efficiences. De plus, comme le montrent d’autres études, la performance environnementale entraîne des coûts additionnels au niveau des exploitations agricoles.