Titre de l'écran-titre (visionné le 29 février 2024) / Le phosphore (P) est un élément nutritif important pour la croissance des plantes. Cependant, les applications excessives du P dans les sols agricoles peuvent augmenter le risque de perte de cet élément par ruissellement de surface et contribuer à l'eutrophisation des cours d'eau. Ainsi, la gestion durable du P dans les sols de grandes cultures repose sur une fertilisation équilibrée entre la disponibilité en P du sol et la demande réelle du P des plantes. Il est donc important d'avoir une meilleure compréhension de la variabilité spatiale (VS) du P disponible pour les cultures, afin d'améliorer l'utilisation économique et rationnelle des engrais phosphatés, de promouvoir la rentabilité et la durabilité de l'entreprise agricole, tout en réduisant les pertes de P dans l'environnement. L'objectif général de cette thèse de doctorat a été d'évaluer la VS de la disponibilité du P des sols sous différents systèmes culturaux [ancienne prairie (AP) vs jeune prairie (JP)] et pratiques culturales [travail conventionnel (TC) vs semis direct (SD)] à l'aide d'outils statistiques et géostatistiques à des fins de recommandations agroenvironnementales. Pour répondre aux objectifs de la thèse, quatre champs en cultures commerciales ont été utilisés dont deux situés dans la région de Chaudière-Appalaches et les deux en Montérégie (province du Québec). Deux sols de la région de Chaudière-Appalaches, un sous jeune prairie (JP; 2.4 ha; 2 ans) et un sous ancienne prairie (AP; 2.5 ha; 10 ans sous pâturage permanent), classés comme podzols humo-ferriques, ont reçu des amendements organiques (fumier, lisier de bovin). Les résultats ont révélé un indice de saturation en P (ISP, (P/Al)$_\textup{M3}$) moyen de 3 % dans les deux couches (0-5 cm et 5-20 cm) sous JP contre 7 % dans la couche 0-5 cm et 4 % dans la couche 5-20 cm sous AP, suite à des applications à long terme de fumier. Pour les deux champs sous prairies (JP et AP), nous avons observé une intensité élevée de la variabilité du P (CV > 50 %) et une structure spatiale modérée (25-75 %). Les applications répétées de fumier et lisier de bovin peuvent avoir un impact à long terme sur l'accumulation de P du sol, réduisant ainsi la variabilité et la dépendance spatiales du P dans les prairies permanentes. En raison de la stratification de P observée, une stratégie d'échantillonnage du sol axée sur la couche 0-5 cm doit être retenue dans les prairies permanentes (AP) pour des recommandations durables d'engrais P dans les sols de la Province du Québec. De plus, cette étude a examiné les impacts du travail du sol sur la variabilité spatiale du P disponible de deux champs commerciaux en rotation maïs-soja depuis 20 ans, notés TC (10,8 ha) et SD (9,5 ha), à des fins d'amélioration des recommandations d'engrais phosphatés dans la région de Montérégie. Les résultats ont montré que la variabilité du P disponible du sol des deux champs allait de modérée à très élevée (32-60 %) sous TC et SD. Un ISP moyen de 3 % a été mesuré dans les deux couches sous TC, contre 8 % dans la couche 0-5 cm et 6 % dans la couche 5-20 cm sous SD. Les relations entre les indices de P et les autres propriétés physico-chimiques (CT, Fe$_\textup{M3}$, pH$_\textup{eau}$, Ca$_\textup{M3}$) différaient selon les pratiques de travail du sol. Cette étude a démontré l'importance de l'application à taux variable (ATV) à des fins d'amélioration des recommandations d'engrais P dans la Province du Québec. Par ailleurs, la délimitation des zones d'aménagement (ZAs) a été réalisée dans le champ sous SD (9,5 ha). Cette délimitation des ZAs est basée sur la relation conductivité électrique apparente (CEa)-P du sol afin de réduire la variabilité spatiale du P du sol pour des recommandations d'engrais P spécifiques au champ. Les données de la CEa (CEa₃₀; CEa₁₀₀) ont été mesurées sur deux profondeurs (0-30; 0-100 cm) à l'aide du Veris. Les ZAs ont été délimitées à l'aide de la méthode ISODATA selon trois stratégies de délimitation : mesures de l'ISP, mesures de la CEa, ou mesures combinées de l'ISP+CEa. Les résultats ont montré que l'ISP moyen était de 7,9 % sous SD. La variabilité du P du sol était modérée (32-36 %), indiquant qu'une recommandation uniforme d'engrais P ne peut pas être appliquée au champ. Les valeurs moyennes de CEa₃₀ et CEa₁₀₀ étaient respectivement de 15,8 et 32,6 mS m$^\textup{-1}$. Une corrélation significative entre la CEa₃₀ et le P du sol (0,22-0,23) a été observée. La délimitation en deux-trois ZAs à l'aide de mesures de l'ISP a généré les réductions plus importantes en P (40-74 kg P₂O₅), représentant ainsi la meilleure stratégie agronomique de délimitation des ZAs. Cette étude a mis en évidence le potentiel de réduction de la variabilité spatiale du P du sol, à l'aide de la stratégie de délimitation des ZAs, réduisant les pertes en P sous SD. Ainsi, l'ATV a généré 366 kg P₂O₅, tandis que la délimitation en deux-trois ZAs a généré 306 et 341 kg P₂O₅ dans le champ sous SD, soit des gains respectifs de 60 et 25 kg P₂O₅ comparativement à l'ATV dans la culture du maïs-grain. Par conséquent, la stratégie de délimitation en deux-trois ZAs a semblé plus efficace comparativement à l'ATV en termes de gain en P₂O₅ dans ce champ. Globalement, les résultats de cette thèse ont démontré l'importance de la prise en compte de la VS du P à des fins de gestion spécifique du P, pour une réduction des pertes en P dans les sols sous grandes cultures en agriculture de précision. / Phosphorus (P) represents an important soil nutrient for plant growth. However, excess P applications in agricultural soils relative to crop requirements may increase P loss risk through runoff, contributing to water eutrophication. Thus, field-scale sustainable management of soil P should be based on balanced fertilization between soil P supply and P real demand from crop requirements. Therefore, it is important to have a better understanding of spatial variability of soil available P under intensive managed crops, aiming to improve economic and rational use of P fertilizers, to promote profitability and sustainability of agricultural companies, while reducing P losses in the environment. The main goal of this PhD dissertation was to evaluate spatial variability of soil available P under contrasted crops [old grassland (OG) vs young grassland (YG)] and tillage systems [conventional (CT) vs no-tillage (NT)] using statistical and geostatistical tools, aiming to provide agrienvironmental recommendations. To reach the goals of this PhD dissertation, four commercial fields were used. Two fields were located in Chaudière-Appalaches region and two other in Montérégie region (Eastern Canada). Thus, the study aimed to investigate the field-scale variability of soil-test P (STP) under two contrasting grassland fields in Chaudière-Appalaches region using descriptive statistics and geostatistics for accurate recommedations on soil sampling strategy and sustainable approaches to P management. A young grassland (YG; 2 years) and an old grassland (OG; 10 years under permanent pasture) were classified as humo-ferric podzol and received organic fertilizers. Soil samples were collected in 16-m by 16-m triangular grids at two depths (0-5 and 5-20 cm). Results showed a P saturation index (PSI, (P/Al)$_\textup{M3}$) mean value of 3% in both YG soil layers (0-5 cm and 5-20 cm) against 7% in OG 0-5 cm layer and 4% in OG layer 5-20 cm, owing to long-term manure applications. Variability of soil P was high (CV > 50%) and spatial structure of soil P was moderate (25-75%) under both contrasted fields. Repeated applications of cattle and slurry manure may have a long-term impact on soil P accumulation, thereby reducing spatial variability and dependence of soil P under permanent grasslands. Owing to P stratification, a soil sampling strategy focused on 0-5 cm layer should be retained under permanent grasslands (OG) for sustainable P fertilizer recommendations in Eastern Canada. Moreover, the study examined tillage impacts on spatial variability of soil-available P, in two commercial fields under 20 years maize-soybean rotation, denoted CT (10.8 ha) and NT (9.5 ha), aiming to improve P fertilizer recommendations in Eastern Canada. Blends of NPK fertilizers were applied to the soils (Humic Gleysols) following local recommendations. Results showed that the variability of soil available P ranged from moderate to very high (32-60%) under CT and NT. The mean PSI value was 3% under both CT layers, against 8% and 6% under the 0-5 cm and 5-20 cm NT layers, respectively. Relationships between P indices and other soil chemical properties (TC, Fe$_\textup{M3}$, pH$_\textup{water}$, and Ca$_\textup{M3}$) differed between contrasted tillage practices. This study highlighted the importance of variable rate application (VRA) to improve P fertilizer recommendations in Eastern Canada. Furthermore, delineating management zones (MZs) was performed within the 9.5 ha NT field. This MZ delineation approach was based on apparent electrical conductivity (ECa)-soil P relationship, aiming to reduce spatial variability of soil P for predicting field-specific P fertilizer recommendations. The ECa data (ECa₃₀; ECa₁₀₀) were measured at two soil depths (0-30; 0-100 cm) using Veris system. The MZs were delineated using ISODATA method following three delineation strategies: ISP, ECa, and combined ISP+ECa measurements. Results showed that mean ISP value was 7.9% under NT field. Variability of soil P was moderate (32-36%), indicating that uniform P fertilizer recommendation cannot be applied in the field. The ECa₃₀ and ECa₁₀₀ mean values were 15.8 and 32.6 mSm$^\textup{-1}$, respectively. A significant correlation between ECa₃₀ and soil P (0.22-0.23) was observed. Delineating the field into two-three MZs using ISP measurements generated the highest P reductions (40-74 kg P₂O₅), thus representing the best agronomic strategy for delineating MZs. This study highlighted the importance of using MZ delineation strategy to reduce the spatial variability of soil P, decreasing P fertilizer applications and P losses under the NT field. Thus, VRA agronomy strategy generated 366 kg P₂O₅ , while delineation strategy into two-three MZs generated 306 and 341 kg P₂O₅, respectively under the NT field. This represented 60 and 25 kg P₂O₅ reductions compared to the VRA under corn-grain NT field. Therefore, delineation strategy into two-three MZs seemed more effective compared to VRA strategy in terms of P₂O₅ reduction in this field-scale. The results of this PhD dissertation demonstrated the importance for taking into account the spatial variability of soil P for field-specific P management, aiming to reduce P losses under large crop fields in precision agriculture.

Le cannabis médical et récréatif (Cannabis sativa L.) est une industrie en pleine expansion au Canada depuis sa légalisation en octobre 2018. Cependant, le peu de connaissance scientifique sur la fertilisation est un enjeu important pour les producteurs afin d'obtenir de meilleurs rendements et d'offrir un produit de qualité. Cela se traduit souvent par une fertilisation excessive ou non adaptée à cette espèce, ce qui impacte la qualité des produits et engendre des coûts plus élevés de production. Le but de cette étude était donc, dans un premier temps, de caractériser les taux de prélèvement des éléments nutritifs du Cannabis sativa lors de la phase de floraison et, dans un second temps, de déterminer pour un génotype l'effet de N, P et K sur la croissance, la productivité et la qualité des inflorescences. Pour ce faire, nous avons réalisé deux expériences. La première expérience s'est déroulée chez un producteur autorisé (IsoCanMed Inc.) utilisant des tours verticales aéroponiques et où deux doses de N (150 et 250 ppm) ont été comparées et l'absorption minérale des plantes caractérisée au cours de la phase de floraison, et ce, pour 2 cycles de production par niveau d'azote. La deuxième expérience s'est tenue dans une serre de l'Université Laval et a permis d'étudier les effets de cinq concentrations de P (25, 50, 100, 150 et 200 ppm) et deux concentrations de K (175 et 250 ppm) pour des plantes cultivées dans un système hydroponique en eau profonde. Nos résultats ont démontré qu'une concentration élevée en N (> 150 ppm) a entrainé une surcroissance des plantes (hauteur des plantes), a diminué la teneur en THC des inflorescences (-9,5%), mais a permis d'augmenter la biomasse florale (+29%) d'un des deux génotypes étudiés. Des concentrations supérieures à 25 ppm de P et 175 ppm de K n'ont toutefois pas amélioré la productivité et la qualité des inflorescences. Les résultats obtenus ainsi que la caractérisation des taux d'absorption des éléments nutritifs au cours du développement de la plante nous ont permis de suggérer une fertilisation de référence en N, P et K pour des plantes en phase de floraison et cultivées dans un système hydroponique. Il serait toutefois intéressant de poursuivre ces travaux avec un plus grand nombre de phénotypes et sous différentes conditions lumineuses. / Drug-type cannabis (Cannabis sativa L.) in a booming industry following its legalization in Canada in 2018. However, few scientific studies on the optimal fertilization is a main challenge for producers who aim to harvest high yields with a high cannabinoid content. Thus, this often results in the overuse of fertilizers or not well adapted fertilization that impact the quality and the cost of production. Thus, the aim of this study was to characterize the nutrient plant uptake during the flowering phase and to determine the impact of N, P and K on growth, productivity, and quality of the inflorescence. The first experiment was done within a plant factory at a licensed producer (IsoCanMed Inc.) who uses vertical aeroponic towers. Two levels of N (150 and 250 ppm) were used in two cycles for each treatment to identify their impact on Cannabis and to characterize the nutrient uptake throughout the flowering phase. The second experiment was conducted in a greenhouse located at Laval University in order to test five (25, 50, 100, 150 and 200 ppm) and two (175 and 250 ppm) concentrations of P and K, respectively, by using a deep-water system. Based on our results, N fertilization above 150 ppm resulted in an overgrowth (plant height), a reduction in THC content in the inflorescences (-9.5%), but an improvement in floral biomass productivity (+29%) for one genotype. Concentrations above 25 ppm P and 175 ppm K, however, did not improve the productivity and the quality of the inflorescences. The results obtained as well as the characterization of the absorption rates of nutrients during the development of the plant allowed us to suggest a reference N, P and K fertilization for flowering plants grown in a hydroponic system. However, it would be interesting to continue this work with a larger number of phenotypes and under different light conditions.

L'utilisation du biochar en agriculture permet une meilleure durabilité et productivité des cultures en améliorant la qualité et la structure du sol propice au développement de la flore microbienne, à une réduction du lessivage des nutriments et à une diminution des émissions de gaz à effet de serre. L'objectif de ce projet était d'évaluer l'impact du biochar (10 % v/v) pour six types de substrats biologiques sur la rétention en nutriments, l'activité biologique du sol et les émissions de gaz à effet de serre pour une culture de tomates (Solanum lycopersicum) sous serre. Les résultats ont montré que l'amendement en biochar a généré une meilleure réserve minérale et activité microbienne du sol, une réduction de 30 % des pertes de NO3-, une diminution des flux de CO2 et aucun impact sur les émissions de N2O. Somme toute, l'amendement en biochar des substrats biologiques a amélioré la durabilité de la culture.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2003-2004 / La pomme de terre est une culture très exigeante en engrais phosphatés. Au Québec, elle est principalement cultivée dans des sols légers, acides, pauvres en matière organique et réputés pour leur pouvoir fixateur en phosphore très élevé. Dans cette étude, l'utilisation du LIOR, un lisier de porc bio-traité et déshydraté, a permis d'augmenter significativement l'efficacité des engrais phosphatés dans la culture de la pomme de terre tout en ayant l'avantage d'offrir un débouché intéressant pour les surplus de lisier de porc au Québec. C'est à partir de données recueillies lors d'essais de fertilisation réalisés de 1999 à 2002 dans les comtés de Portneuf et de Lotbinière et dans la région de Lanaudière, qu'un modèle de réponse de la pomme de terre aux différentes formulations minérales, organiques et organo-minérales à base de LIOR fut élaboré. À partir de ce modèle et des outils géostatistiques, une scénarisation de l'utilisation du LIOR à l'échelle du champ a amené une augmentation moyenne des rendements totaux de 2,4 Mg ha-1 dans la pomme de terre au-delà de l'erreur expérimentale déterminée dans les essais de fertilisation et dans le modèle de réponse.

L’apport de biosolides mixtes de papetières (BP) aux sols agricoles permet d’assurer l'approvisionnement en nutriments et d’améliorer les propriétés chimiques et biologiques du sol. Toutefois, l’acidification du sol, la mobilité des métaux et le lessivage des nutriments peuvent représenter un défi lorsque les BP sont appliqués sur les sols agricoles. Pour sa part, le biochar influence positivement le pH du sol et la rétention des nutriments et des métaux lourds, ce qui permet de prévenir le lessivage de certains nutriments et ainsi améliorer l’efficacité d’utilisation des fertilisants. La co-application de ces deux amendements sur les sols agricoles du Quebec a fait l’objet de peu d’etudes et pourrait représenter une option très intéressante pour améliorer leur efficacité agronomique. L’objectif de cette thèse était de déterminer comment la co-application des BP et du biochar de pin (Pinus strobus L.) affecte les propriétés chimiques et biologiques de deux sols agricoles. Spécifiquement, cette thèse a évalué l’effet de l’amendement de deux sols acides agricoles (argile et loam sablonneux) avec deux types de BP, variant par le rapport carbone (C)/azote (N) (BP1, C/N=24 et BP2, C/N=13) et le pH (BP1, pH = 7,80 et BP2, pH = 4,51), combinés chacun avec trois taux d’application (0%, 2,5% et 5% poids/poids) de biochar de pin produit à 700 °C. Une incubation a été réalisée dans des conditions contrôlées pendant 224 jours à 25 ºC en utilisant un dispositif en blocs complets aléatoires avec trois répétitions. Les résultats ont démontré que la co-application des BP et du biochar de pin a augmenté le pH du sol, l’activité et la biomasse microbienne et les concentrations de C total et du potassium (K) disponible et a diminué les concentrations de N minéral, et de cuivre (Cu) et de fer (Fe) disponible comparativement à l’application de BP uniquement. L’effet de la co-application des BP et du biochar de pin a été influencé par le taux de biochar, le type de BP et le temps d’incubation. Cette thèse a démontré que la co-application des BP et du biochar de pin s’avère plus bénéfique pour les sols agricoles qu’une application des BP seuls. Elle permet notamment l’augmentation de la matière organique, l’apport plus important en éléments nutritifs, l’amélioration de la rétention des ions nitrate, la prévention de la libération/désorption des métaux lourds en augmentant le pH du sol et l’amélioration du potentiel de recyclage des nutriments en favorisant l’activité et la biomasse microbienne du sol. / Paper mill biosolids (PB) supply plant nutrients and improve soil chemical and biological properties. However, soil acidification, metal mobility and nutrient leaching may present challenges in soil receiving PB. The application of biochar can increase soil pH and nutrient and metal retention, which helps prevent metal toxicity and nutrient leaching and improves the efficient fertilizer use. To our knowledge, the effect of co-applying PB and biochar on the properties of Quebec agricultural soils has not yet been evaluated and could be an interesting way to improve their agronomic efficiency. The objective of this thesis was to determine how co-applying PB and biochar affects soil chemical and biological properties. Specifically, this thesis evaluated the effect of amending two acidic soils, a clay and sandy loam, with two PB types varying in carbon (C)/nitrogen (N) ratio (PB1, C/N=24; and PB2, C/N=13) and pH (PB1, pH = 7.80; and PB2, pH = 4.51) co-applied with three rates (0%, 2.5%, and 5% w/w) of pine (Pinus strobus L.) biochar produced at 700 °C. A 224 days microcosm incubation study was conducted under controlled conditions at 25°C, using a randomized complete block design with three replicates. The results showed that the co-application of biochar and PB increased soil pH, microbial activity and biomass, and total C and available potassium (K) concentrations, and decreased mineral N, and available copper (Cu) and iron (Fe) concentrations compared to the application of PB only. The effect of the co-application of biochar and PB depended on biochar rate, PB type, and incubation time. This thesis showed that co-applying biochar and PB can be more beneficial to agricultural soils than application of PB alone by increasing organic matter, supplying nutrients, improving NO3-N retention, preventing metal toxicity by raising pH and improving the potential of nutrient cycling by promoting microbial activity and biomass.

Il est important de quantifier la réponse des stocks de carbone (C) du sol à l’application d’effluents d’élevage pour des enjeux agronomiques et environnementaux. Les objectifs de cette thèse étaient de : 1/ Mesurer la réponse des stocks de C du sol à l’application d’effluents d’élevage à partir d’études individuelles du monde entier et d’évaluer l’impact de différents facteurs (climat, propriétés du sol, utilisation des terres, caractéristiques de l’effluent) sur cette réponse; 2/ Évaluer l’influence du type de travail du sol et du système de culture sur la réponse des stocks de C après l’application de lisier; 3/ Déterminer l’impact à long terme de l’application de lisier sur le stock de C du sol et sur des formes de C de différents degrés de protection. Les résultats de la méta-analyse (chapitre 1) montrent qu’en moyenne à l’échelle globale, l’application d’effluents d’élevage mène à des stocks de C du sol plus élevés comparativement à la fertilisation minérale ou à un témoin non amendé. L’amplitude de la réponse du stock du C du sol à l’application d’effluents dépend principalement de la quantité de C apportée par l’effluent. Le climat a également influencé la réponse du stock de C mais son effet pourrait être confondu avec celui de la quantité totale de C apportée par l’effluent. À une échelle plus locale, 15 et 21 années d’application de lisier de bovins ont mené à des stocks de C plus élevés comparativement à un témoin non amendé (chapitre 3) ou à la fertilisation minérale (chapitres 2 et 3). Pour les deux sites, l’effet du lisier était limité à la surface du sol (20 et 30 premiers centimètres). Sur le site de Normandin (QC), la réponse du C du sol à l’application de lisier était différente selon la séquence de cultures avec une réponse plus forte pour la rotation à base de plantes pérennes que pour la monoculture de céréales. Sur le site d’Agassiz (CB), l’amplitude de la réponse du C du sol à l’application du lisier dépendait de la quantité de C apportée et cette réponse était atténuée lorsque cette application était combinée avec celle de la fertilisation minérale. De plus, l’application de lisier sur ce site a favorisé l’incorporation de C dans des fractions de matière organique relativement protégées. / For both agronomic and environmental purposes, it is important to quantify the response of soil organic carbon (SOC) stocks to animal manure application. The objectives of this PhD thesis were : 1/ To quantify the response of SOC stocks to manure application from a large worldwide pool of individual studies, and to assess the impact of explanatory factors such as climate, soil properties, land use and manure characteristics; 2/ To determine the influence of tillage and cropping systems on the response of SOC stocks to the application of liquid dairy manure (LDM); 3/ To determine the impact of LDM on SOC stocks in the whole soil and specific physical fractions corresponding to different levels of protection. The meta-analysis (chapter 1) suggests that overall, at the global scale, animal manure application results in significantly larger SOC stocks compared to mineral fertilization or unamended control. The magnitude of SOC stock response to manure application depends mainly on the cumulative manure-C input. Climate also influenced the SOC stock response but its effect could not be decoupled from that of manure-C input. At a local scale, 15 and 21 years of LDM application resulted in significantly higher SOC stocks compared to an unamended control (chapter 3) or mineral fertilization (chapters 2 and 3). For both sites, the LDM effect was limited to the topsoil (down to 20- or 30-cm). In Normandin (QC), the magnitude of the SOC stock response to LDM was dependent on crop sequence, with a much greater effect of LDM application in SOC stocks in the perennial-based rotation than in the cereal monoculture (chapter 2). In Agassiz (BC), the magnitude of the SOC stock response was dependent on manure C input and this response seemed to be smaller with the combined application of LDM and mineral fertilization (chapter 3). In addition, LDM application favoured the incorporation of C in relatively protected fractions of organic matter.

La fertilisation du pâturin des prés (Poa pratensis L.), utilisée fréquemment comme graminée à gazon, requiert un dosage de N, de P et de K permettant de répondre aux attentes d’entretien extensif, intermédiaire ou intensif des espaces verts établis sur des sols de diverses classes texturales mais généralement variant de loameuse à sableuse telles les verts et les allées des terrains de golf, les terrains sportifs et municipaux, les champs de gazonnières, les terrains de jeux, les espaces verts résidentiels et scolaires, les abords de routes, les cimetières, les cours de tennis, etc. Beaucoup d’études sur la fertilisation du pâturin des prés ont été menées aux États-Unis sous climat tempéré chaud. De plus, le diagnostic nutritif du pâturin des prés, basé sur des concentrations critiques, ne tient pas compte des interactions entre les éléments nutritifs, conduisant à des diagnostics peu fiables. Afin de guider la fertilisation des gazons au Québec, il y a un double besoin de calibrer les besoins nutritifs du pâturin des prés selon la texture du sol et de développer des normes diagnostiques qui intègrent les interactions multiples à l’aide de méthodes numériques robustes telles le diagnostic nutritif compositionnel (Compositional Nutrient Diagnosis CND). Cette thèse vise donc à produire de nouvelles connaissances sur la fertilisation azotée, phosphorique et potassique du pâturin des prés pour l’entretien extensif, intermédiaire ou intensif des espaces engazonnés sous climat tempéré froid, également à développer et à valider des normes nutritives permettant de détecter tout déséquilibre nutritif. Le but ultime de l’entretien du pâturin des prés en espace vert est de produire un gazon de haute qualité visuelle. En fait, le rendement maximum des rognures de tonte n’est pas un attribut recherché. L’équilibre nutritif N : K est particulièrement nécessaire pour atteindre ce but. Une étude en plein champ fut réalisée pendant trois années consécutives pour évaluer les réponses quantitatives (le rendement des rognures de tonte et la biomasse souterraine) et qualitatives (la densité de tallage et la couleur du feuillage) du pâturin des prés (Poa pratensis L.) aux ajouts de 0 ou 50 à 300 kg N ha-1 an-1, de 0 ou 21,8 à 87,3 kg P ha-1 an-1, et de 0 ou 41,7 à 250 kg K ha-1 an-1, épandus également six fois par période de croissance sur un site en sol sableux qualifié de Norme U.S.G.A. pour les verts de golf et sur un autre site adjacent d’un sol natif loameux. Les normes CND ont été élaborées à l’aide des essais de fertilisation et validées à l’aide d’une base de données sur 318 spécimens provenant des gazonnières commerciales. Une réponse quadratique significative du rendement des rognures de tonte fut obtenue avec un maximum à 200 kg N ha-1 en loam et 300 kg N ha-1 en sable. Aux deux sites, l’ajout d’azote a réduit linéairement la biomasse souterraine et a significativement augmenté de façon quadratique la densité de tallage et la couleur du feuillage. Les ajouts de P et de K ne montraient aucune réponse significative sur le rendement des rognures de tonte ni sur la biomasse souterraine aux deux sites, non plus sur la densité de tallage et la couleur du feuillage au site loameux. Par contre, les ajouts de P et de K ont montré de faibles effets significatifs sur la couleur foliaire au site sableux. La transformation logarithmique centrée (clr = centred log ratio) des concentrations d’azote des rognures de tonte a réduit le degré d’inter-corrélation de 0,6 à 0,1 entre les éléments nutritifs lors de l’analyse en composantes principales, facilitant ainsi l’atteinte d’une distribution χ2 des indices du diagnostic nutritif compositionnel CND. En utilisant l’indice de déséquilibre critique CND r2 de 5,6 et un indice critique CND IN 2 de 1,5 pour un simplexe de cinq éléments nutritifs (N, P, K, Ca, Mg), la méthodologie CND a diagnostiqué 179 spécimens provenant des gazonnières commerciales à succès de 99 % comme étant déséquilibrés dont 110 en azote. Le diagnostic CND s’est avéré efficace pour déceler les niveaux d’azote des rognures de tonte chez le pâturin des prés en régie de gazon. La composition minérale foliaire du pâturin des prés, particulièrement la variable azote (N), influence significativement la qualité esthétique telle la densité de tallage et la couleur du feuillage. L’excès d’azote diminue la biomasse souterraine du gazon tout en augmentant la couleur du feuillage et la densité de tallage. Pour une croissance harmonieuse, il ne faut pas que l’amélioration de la qualité esthétique soit au détriment de la biomasse souterraine du pâturin des prés. À cette fin, un modèle de diagnostic nutritif compositionnel comprenant onze éléments nutritifs (N, S, P, K, Ca, Mg, B, Cu, Zn, Mn, Fe) a été développé en se servant des ratios logarithmiques centrés clr ainsi que des ratios logarithmiques isométriques ilr par lesquels les intervalles critiques établis d’après la qualité esthétique (la densité de tallage et la couleur du feuillage) ont été assujettis à la biomasse souterraine du pâturin des prés en phase d’entretien. / The fertilization of Kentucky bluegrass (Poa pratensis L.), managed as turfgrass, requires a dosage of N, P and K to sustain the performance of extensive, intermediate or intensive maintenance of turfgrass grounds established in diverse soil textures from loam to sand such as golf greens and fairways, sports fields, commercial sod farms, road sides, tennis courts, municipal grounds, play grounds, residential and school green space... A three-year field study was conducted to evaluate the quantitative (clipping yield and underground turf biomass) and qualitative responses (shoot density and foliage colour) of Kentucky bluegrass turf to added (0 or 50 to 300 N); (0 or 21.8 to 87.3 P), and (0 or 41.7 to 250 K) kg ha-1 yr-1 equally broadcast six times per growing season on sand site that met the U.S.G.A. specifications and native loam site. Many studies related to fertilization of Kentucky bluegrass were conducted in the United States under a temperate climate. On the other hand, the nutritional diagnosis of Kentucky bluegrass, usually based on critical nutrient concentrations, does not account for nutrient interactions leading to less reliable conclusions. In order to obtain a fertilizer guide for turfgrasses in Quebec, calibration of nutrient needs must relate to soil texture to develop diagnostic norms for Kentucky bluegrass that include multiple interactions based on robust numeric methods such as the compositional nutrient diagnosis (CND). This thesis puts forth a new knowledge in nitrogen, phosphorus and potassium fertilization of Kentucky bluegrass under extensive, intermediate or intensive green space management in the cold area of the temperate climate then develops and validates nutritional norms enabling the user to identify any unbalanced nutrition. The ultimate goal in Kentucky bluegrass maintenance is to produce a visual high-quality turf from an aesthetic point of view. The maximum clipping yield is not a characteristic to strive for. Rather, nutritional balance N: K is necessary to reach this objective. A threeyear field study was carried out to evaluate the quantitative (clipping yield and underground biomass) and qualitative (shoot density and foliage colour) responses of Kentucky bluegrass (Poa pratensis L.) to added 0 or 50 à 300 kg N, 0 or 21.8 à 87.3 kg P and 0 or 41.7 à 250 kg K ha-1 yr-1 equally spread six times per growing period on a sand site that met the U.S.G.A. sand specifications for golf greens (United States Golf Association) and another site of native loam. CND norms were developed based on fertilization responses and validated using data of 318 qualified specimens from commercial sod farms in Quebec. Clipping yields showed significant quadratic responses at 200 kg N ha-1 in the loam and 300 kg N ha-1 in the sand. On both sites, added nitrogen linearly reduced the underground biomass and showed a quadratic increase in shoot density and foliage colour. Added P and K did not show any significant response on clipping yield and underground biomass on both sites, nor on shoot density and foliage colour in the loam. However, added P and K showed some weak significant effects on foliage colour in the sand. The centred logarithmic transformation (clr = centred log ratio) of nitrogen concentrations in the clippings have reduced the degree of inter-correlation between nutrients from 0.6 to 0.1 in the principal component analysis and was amenable to a χ2 distribution of CND indices. Using a critical imbalance index CND r2 of 5.6 as χ2 value and a critical CND IN 2 of 1.5 for a five-nutrient simplex (N, P, K, Ca, Mg), CND diagnosed 179 qualified specimens as imbalanced of which 110 specimens were excessively high in N level (with a success rate of 99 %) among the total 328 qualified specimens taken from commercial sod farms. Consequently, CND norms proved to be effective in diagnosing the N status in Kentucky bluegrass clippings. The composition of foliar nutrients in Kentucky bluegrass, particularly nitrogen (N), can significantly influence its aesthetic quality such as shoot density and foliage colour. As a result, an overdose of added nitrogen can increase shoot density and foliage colour while reducing the underground biomass. For a balanced growth, the improvement of aesthetic quality should not be at the expense of the underground biomass. To this end, a diagnostic compositional model of eleven nutrients (N, S, P, K, Ca, Mg, B, Cu, Zn, Mn, Fe) has been developed using log-centered ratios clr and log-isometric ratios ilr whereby the critical ranges found in the aesthetic quality (shoot density and foliage colour) have been subjugated to the underground biomass of Kentucky bluegrass during its maintenance stage.

De nos jours, les normes environnementales sont de plus en plus restrictives. En agriculture, ces restrictions environnementales sont souvent reliées à la quantité d’engrais utilisée dans les sols. Pour s’assurer du respect des normes en vigueur plusieurs analyses de sols et de cours d’eau sont nécessaires. La majorité de ces analyses de sols sont réalisées en laboratoire, ce qui occasionne un délai et des coûts importants. C’est pourquoi les analyses in situ sont de plus en plus envisagées, leur coût théorique étant moindre. L’inconvénient est que les technologies d’analyses in situ visant à réduire le coût d’analyse en laboratoire présentement disponibles deviennent rapidement coûteuses lors d’une utilisation à grande échelle comme dans un champ ou dans une serre hydroponique. L’élaboration d’une nouvelle technologie d’analyse ionique pour le phosphate est présentée dans ce mémoire. Le but de cette technologie est d’analyser le phosphate in situ. Son intérêt est de le réaliser à moindre coût. Cette technologie est basée sur le développement d’un senseur à membrane sélective, présenté ici, dans lequel sera mesurée avec précision l’impédance électrique. Comparativement aux systèmes potentiométriques existants, cette technologie électrique permet l’élimination de composantes coûteuses telles que les électrodes de calomel. La preuve de concept associée au projet sera présentée en première partie. Elle sera suivie de la présentation de l’élaboration d’un prototype, puis de son évolution vers le modèle céramique présentement testé. Les résultats des tests de développement, de la stabilité de la membrane, de la dégradation du senseur, de la sensibilité et de la sélectivité seront exposés. Puis, les résultats du senseur seront soumis à une comparaison et à une analyse en lien avec les quantités de phosphate nécessaires pour l’eutrophisation des eaux. Les standards d’eutrophisation sont des barèmes que notre senseur doit pouvoir atteindre pour permettre l’analyse environnementale. Finalement, un autre modèle de senseur sera présenté, le senseur plan, de même que ses avantages industriels et les tests préliminaires lui étant associés.

Les surfaces gazonnées occupent une superficie considérable du territoire nord-américain en plus de fournir de nombreux services écologiques. L'apport de fertilisants peut cependant affecter négativement la qualité de l'eau en raison des pertes en éléments nutritifs, principalement l'azote par lessivage. Afin de réduire les pertes sous forme de nitrate (N-NO₃) et d'ammonium (N-NH₄), on peut contrôler trois facteurs : la source d'azote, la dose et le fractionnement des applications. Pour ce faire, un dispositif en bloc complets de quatre répétitions a été établi en serre. Huit sources d'azote :urée, enrobages de polymères et/ou de soufre : Polyon® 8 ou 12 semaines de relâchement, Duration® 45 ou 90 jours de relâchement et XCU®, urée stabilisée par des inhibiteurs (UFLEXX®) et un engrais naturel (gluten de maïs); cinq doses d'azote (25, 50, 100, 150 et 200 kg N/ha) et deux fractionnements (une ou deux applications) sont à l'étude. Deux essais de 8 semaines ont été conduits dans trois types de sol (loam, argile, sable). Les résultats de ces essais ont permis d'identifier les traitements à évaluer lors d'une seconde expérience en utilisant une approche similaire, mais sur une plus longue période de 20 semaines. Des concentrations de N-NO₃ en moyenne inférieures à 4 et 2 mg/L ont été obtenues respectivement à court et à long-terme. Le XCU® et le UFLEXX® n'étaient pas aussi efficaces que les autres sources d'azote pour réduire le lessivage de N-NO₃ par rapport à l'urée. Les pertes de N-NO₃ ont été surtout affectées par l'établissement et les propriétés du sol dans le loam et l'argile, et ce, lors des essais courts et longs. Une dose de 150 kg N ha⁻¹ a été requise pour obtenir un gazon de bonne qualité tout en causant des pertes faibles. Les résultats obtenus au cours de cette étude devront être validés au champ. / Turfgrass-covered surfaces represent a considerable area in many cities and those provide several ecological services. Unfortunately, the supply of fertilizers to maintain these surfaces in residential areas can be a threat for water quality due to nutrient losses, mainly as nitrogen, through leaching. In order to reduce the environmental impact of this practice, the nitrogen source, rate and number of applications can be managed to reduce losses in the form of nitrate (N-NO₃) and ammonium (N-NH₄). An experiment consisting of a completely randomized block design with four replicates was established in a greenhouse. Eight sources of N: urea, coated urea: (Polyon® 8 or 12 weeks release, Duration® 45 or 90 days release and XCU®), stabilized urea (UFLEXX®) and a natural fertilizer (corn gluten) were evaluated under five rates (25, 50, 100, 150 and 200 kg N/ha) and two application patterns (one or two applications) using a factorial design. Two 8-week trials were conducted in three soil types (loam, clay, sand). Results from this experiment were used to identify treatments evaluated in a second experiment using a similar approach, but over a longer period of 20 weeks. Mean N-NO₃ concentrations below 4 and 2 mg/L were measured in the short and long-term experiments, respectively. XCU® and UFLEXX® were not as effective as other nitrogen sources to reduce N-NO₃ leaching compared to urea. Losses of NO₃-N were mostly affectedby establishment and soil properties in loam and clay in short and long trials. A rate of 150 kg N ha⁻¹ was generally required to obtain acceptable turf quality while resulting in low losses. The results obtained during this study should be validated in a field experiment.

La connaissance des sols est primordiale pour traiter des enjeux agronomiques et environnementaux comme ceux de la production de nourriture, de l’utilisation efficace des nutriments et de la conservation des sols. Ce projet de doctorat a comme objectif de proposer des modèles reliant les caractéristiques pédologiques à la gestion des pratiques de fertilisation et de conservation des sols, en particulier, des sols sous culture de pommes de terre (Solanum tuberosum L.). Il comprend trois parties. D’abord, la méthode du pH Shoemaker-McLean-Pratt (SMP), non respectueuse de l’environnement, s’est montré être inadéquat pour déterminer les besoins en chaux (LR) des sols nécessitant de faibles pHH2O cibles (< 6.5) ou pour maintenir des pH adéquats avec de faibles LR (< 1.5 g CaCO3 kg-1). La spectroscopie infrarouge a permis une estimation précise de la capacité d’échange cationique déterminée à l’acétate d’ammonium (pH 7.0) (CEC-NH4OAc). La CEC-NH4OAc inférée dans un intervalle de prédiction de ± 2.3 cmolc kg-1 permet d’élaborer un modèle d’estimation précis du LR pour atteindre le pH cible. Afin d’orienter les pratiques bénéfiques à la qualité des sols, des critères diagnostiques du degré d’agrégation des sols ont été élaborés en relation avec leur composition (texture, C organique) en utilisant la prairie comme système cultural de référence. Ensuite, les cultures annuelles ont montré un effet négatif plus important sur la stabilité des agrégats en sols argileux, alors que les sols loameux et sableux se sont montrés plus susceptibles à la dégradation de la structure à de faibles teneurs en C organique. Les indices courants d’agrégation basés sur le diamètre moyen des agrégats se sont montrés moins adéquats au développement de seuils critiques comparativement aux indices fractal et compositionnel. Afin d’intégrer les caractéristiques pédologiques aux modèles de réponse de la pomme de terre aux fertilisants, un regroupement numérique de séries de sols a finalement été développé à partir des descriptions morphologiques des profils modaux. Le gradient textural et les deux principaux processus pédogénétiques (podzolisation, gleyification) ont été synthétisés en trois classes d’appartenance floue permettant une expression graduelle des groupes de sols en appui aux modèles de réponse aux ajouts de fertilisants. Ce projet présente des approches innovantes de synthèse et d’interprétation des connaissances pédologiques appuyées par des techniques d’analyses numériques afin d’orienter les bonnes pratiques culturales contribuant à la pérennité des agroécosystèmes. / Soil knowledge base is fundamental to address environmental and agronomic issues such as food production, efficient use of nutrients and soil conservation. This project aimed to provide models linking pedological characteristics to management practices of crop fertilization and soil conservation, specifically to guide potato (Solanum tuberosum L.) cropping. This Ph.D. project comprises three parts. First, the Shoemaker-McLean-Pratt (SMP) pH buffer, that contains noxious substances, showed to be inappropriate to support lime requirement (LR) determination of soils requiring low target pHH2O (< 6.5) or to maintain adequate pH levels at low LRs (< 1.5 g CaCO3 kg-1). Cation exchange capacity determined by the ammonium acetate (pH 7.0) method (CEC-NH4OAc) can be accurately estimated from infrared spectroscopy (IR). The CEC-NH4OAc inferred by IR spectroscopy within a prediction interval of ± 2.3 cmolc kg-1 allowed supporting an accurate estimation model of LR to achieve a target pH as alternative to the SMP buffer method. To guide beneficial cultural practices that enhance soil quality, diagnostic criteria of soil aggregation degree were elaborated thereafter in relation with soil composition (texture and organic C) using grassland as reference cropping system. Annual cropping systems showed more deleterious effect on the aggregate stability of clayed soils compared to other textural classes, while loamy and sandy soils were shown to be more susceptible to soil structure degradation at lower organic C content. The current aggregation indices based on the weighted and geometric mean diameter of aggregates was less appropriate to develop critical values compared to fractal and compositional indices. Finally, to integrate pedological characteristics of subsoil into potato fertilization response models, a numerical clustering of soil series has been developed using morphological descriptions of modal profiles. The textural gradient and the two major pedogenic processes (podzolization, gleying), which are primarily associated with water regime, were synthesized into three continuous soil classes allowing a gradual expression of soil groups for integration into crop response nutrient models. This project presents innovative approaches to synthesize and interpret the pedological knowledge as supported by digital analysis techniques to guide good cultural practices that contribute to the sustainability of potato agro-ecosystems and their ecosystem services.