YOUNES MACHRAFI

IMPACT DES RESIDUS DE DESENCRAGE DU PAPIER ET DES STRATGIES DE DSHERBAGE

SUR LA ROTATION SOYA (GLYCINE MAX (L.) MERR)-MAS (ZEA MAYS L.)

Thse prsente la Facult des tudes suprieures et postdoctorales de l'Universit Laval dans le cadre du programme de doctorat en microbiologie agroalimentaire

pour l'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)

DEPARTEMENT DE PHYTOLOGIE FACULT DES SCIENCES DE L'AGRICULTURE ET DE L'ALIMENTATION

UNIVERSIT LAVAL QUBEC

2012

Younes Machrafi, 2012

Rsum

Dans une rotation soya mas-grain, les rsidus de dsencrage (RDD) ont montr un

effet rpressif des adventices dicotyldones annuelles. Les causes de cette rpression

demeurent inconnues. Ainsi, le premier objectif de cette thse tait de contribuer les

lucider. L'impact des RDD sur le carbone (C), l'azote (N), le rapport C:N, le nitrate,

l'ammonium et les composs phnoliques du sol a t tudi. La phytotoxicit des solutions

simulant les composs phnoliques des RDD frais et du sol amend a t investigue. Suite

l'application des RDD, le carbone total et le rapport C:N ont augment, alors que la

teneur du sol en nitrate a diminu. Douze composs phnoliques ont t quantifis dans les

RDD. Suite l'application des RDD, la vanilline et l'acide 3-hydroxy-4-methoxycinnamic

ont augment dans le sol. Cependant, leurs concentrations sont demeures sous le seuil de

sensibilit des espces vgtales tudies. Les rsultats de cette tude montrent que

l'immobilisation du nitrate est en cause pour expliquer la diminution de l'tablissement de

certaines espces vgtales. Cependant, l'impact des composs phnoliques des RDD, sur

les plantes, n'est pas exclure. Ces molcules sont connues pour leur implication dans

l'inhibition de la nitrification et la squestration du nitrate dans la matire organique.

Le deuxime objectif de cette thse tait d'valuer les paramtres de qualit et le

rendement du soya et du mas, cultivs en rotation de courte dure, sous trois doses des

RDD combines trois stratgies de dsherbage et trois doses d'azote appliques au mas.

Pour le soya, le rendement en grain a pu augmenter, rester inchang ou diminu, en

fonction de la dose de RDD, de l'absence ou de la prsence des mauvaises herbes, de

l'anne de la rotation et de l'effet rsiduel de l'azote appliqu au mas. Bas sur les

signatures isotopiques 813C et 15N du grain, les RDD auraient empch la diminution du

rendement lors des saisons sches et ils auraient favoris la fixation du N2. Chez le mas, le

rendement en grains a augment avec l'augmentation de la fertilisation azote et il a

diminu avec l'augmentation du taux des RDD appliqu, alors que les herbicides ont pu

augmenter le rendement.

Ill

Cette tude confirme la possibilit d'intgrer les RDD dans une stratgie de lutte

aux mauvaises herbes dans la rotation soya-mas. En revanche, d'autres recherches sont

ncessaires afin d'optimiser les doses d'herbicides. Il serait aussi pertinent de dterminer

les effets bnfiques des RDD sur les cosystmes aquatiques limitrophes aux zones

agricoles.

IV

Abstract

De-inking paper sludge (DPS) was recently found to inhibit the development of

annual broadleaf weeds in a short term soybean-corn rotation; however, the mechanisms of

this repression remain unknown. Thus, the primary goal of this work is to elucidate them

using field and laboratory experiments. The effects of soil-applied DPS on total carbon (C),

nitrogen (N), C:N ratio, nitrate, ammonium, and phenolic compounds were studied for two

years. The phytotoxicity of simulated phenolic solutions of raw DPS and DPS-amended

soil were investigated. Total soil C and the C:N ratio increased with DPS applications,

while nitrate soil content decreased. Twelve phenolic compounds were quantified in raw

DPS. Vanillin and 3-hydroxy-4-methoxycinnamic acids increased with DPS applications in

amended soil for both years. However, these increases have remained under the reported

threshold of phytotoxicity for soybean and com. This study highlights the lack of

availability of nitrate as the main factor involved in the inhibiting effect of DPS. However,

other inhibiting effects of phenolic compounds cannot be ruled out since they are known to

inhibit nitrification and to trap nitrate into organic N compounds.

The second goal of this work is to evaluate the yield and quality parameters of

soybean and com, in a short-term rotation, under three DPS levels combined with three

weeding strategies and three levels of nitrogen fertiliser applied to com. For soybean crop,

when DPS is applied to soil, grain yields can be increased, unchanged or decreased due to

the applied DPS rate, the absence or the presence of weeds, the year of the rotation and the

residual effect of N applied for com production. Considering the 13C- and 515N-isotopic

signatures, the presence of DPS in the rotation prevented strong yield decreases under dry

conditions and favored N2 fixation. For corn crop, grain yields increased linearly with the N

rate and decreased linearly with the DPS rate, whereas the application of herbicide

treatments could give an additional yield increase.

This study confirms the possibility to use DPS as a strategy of weed management in

the soybean-corn rotation. However, further research is needed to optimize applied DPS

and herbicide rates and to determine other impacts of DPS.

Avant-Propos

Cette recherche, finance par le Conseil des recherches en pche et en agro-

alimentaire du Qubec (CORPAQ) et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en

gnie du Canada (CRSNG), a t ralise dans le but de dterminer l'impact des rsidus de

dsencrage du papier et des stratgies de dsherbage sur les rendements et la qualit du

soya et du mas grain cultivs en rotation de courte dure.

Cette thse avec insertion d'articles est structure en quatre chapitres. Le premier

comprend une introduction gnrale et une revue de la littrature axe sur les thmes de

recherche abords dans cette tude. Les chapitres II, III et IV prsentent les rsultats du

projet et ils sont rdigs en anglais pour faciliter leur publication dans des revues

scientifiques. Un rsum en franais prcde chacun de ces chapitres.

Le manuscrit prsent au chapitre II sous le titre : Short-term Effects of De-inking

Paper Sludge on the Dynamics of Soil Carbon, Nitrogen, and Phenolic Compounds a

t publi dans la revue

Vil

conjointement avec mes directeurs de recherche, la rdaction du manuscrit et

l'interprtation des rsultats.

Le manuscrit prsent au chapitre IV sous le titre : Nitrogen, de-inking paper

sludge application and weeding strategies effects on corn (Zea mays L.) grain yield

and quality in a soybean (Glycine max (L.) Merr.)-corn rotation et dont les auteurs

sont : Y. Machrafi, F.-P. Chalifour, G. Tremblay and CJ. Beauchamp sera soumis une

revue scientifique. Comme premier auteur, j 'ai tabli le contenu de cet article en concert

avec ma directrice et mon codirecteur. J'ai effectu une revue de la littrature. J'ai excut

les travaux de laboratoire et les analyses statistiques. Enfin, j 'ai ralis la rdaction du

manuscrit et l'interprtation des rsultats. Les connaissances fondamentales et pratiques de

ma directrice de thse Dre Chantai J. Beauchamp et de mon codirecteur Dr Franois-P.

Chalifour se refltent tout au long de cet article. Leurs commentaires et leurs corrections

ont permis de bonifier l'ensemble du manuscrit.

Les expriences aux champs ont eu lieu de 1997 2000 inclusivement, St-

Augustin et de 1998 2000, inclusivement, St-Hyacinthe. La planification a t ralise

par les chercheurs ayant obtenu une subvention CORPAQ (Dr Franois-P. Chalifour, Dr

Gilles Leroux, Dre Chantai J. Beauchamp et M. Gilles Tremblay). Les travaux aux champs

(c.--d., les plans des champs, les pandages des rsidus de dsencrage, les semis, les

applications d'herbicides, le suivi des populations des mauvaises herbes) ont t excuts

par les professionnels de recherche, aids par des tudiants du premier cycle et de M. Josu

Wamegni, tudiant du deuxime cycle, sous la supervision des chercheurs responsables du

projet.

Les travaux au laboratoire ont t raliss par moi dans les laboratoires du Dre

Chantai J. Beauchamp et du Dr Franois-P. Chalifour au Dpartement de phytologie la

Facult des sciences de l'agriculture et de l'alimentation de l'Universit Laval.

Remerciements

Mes remerciements l'endroit du Dre Chantai J. Beauchamp pour son encadrement,

et son soutien financier. Un merci spcial mon co-directeur le Dr Franois-P. Chalifour

pour ses conseils, sa disponibilit et son aide financire.

Je tiens aussi remercier le Dr Gilles Leroux et M. Gilles Tremblay pour leur

support technique et leurs rponses mes questions.

Je suis reconnaissant envers le Dr Hani Antoun pour son coute, sa disponibilit,

son aide administrative et acadmique.

Je rserve un remerciement particulier mes parents qui m'ont toujours encourag

entreprendre mes tudes doctorales. Ces quelques lignes ne suffisent pas, mais je tiens

leur exprimer ma reconnaissance temelle.

J'exprime ma reconnaissance au personnel et mes collgues de laboratoire pour

leur appui et leur dynamisme. Un merci spcial mes amis pour leur support constant et

leurs encouragements tout au long de mes tudes.

Je tiens exprimer ma gratitude au Conseil des recherches en pche et en agro-

alimentaire du Qubec (CORPAQ) et au Conseil de recherches en sciences naturelles et en

gnie du Canada (CRSNG); pour leur support financier. Finalement, je remercie la

compagnie Stadaconna Inc. pour son implication dans ce projet.

Table des matires

Rsum ii Abstract iv AvantPropos vi Remerciements viii Liste des tableaux xii Liste des figures xv Introduction 1

CHAPITRE 1 Revue de littrature 3 1.1 Rotation des cultures 3 1.2 Culture du mas et du soya 5 1.3 Lutte aux mauvaises herbes 5 1.4 Utilisation des paillis en agriculture 7 1.5 Rsidus de dsencrage 8

1.5.1 Description 8 1.5.2 Immobilisation de l'azote du sol en prsence des RDD 9 1.5.3 Dcomposition des RDD 10

1.6 Nutrition azote des plantes 12 1.6.1 valuation de la contribution en azote de la symbiose 12

1.7 Fixation du carbone 14 1.7.1 Assimilation du carbone 14

S 1T

1.7.2 Evaluation de l'abondance naturelle en C et fractionnement isotopique 14 1.8 Problmatique de recherche 15 1.9 Hypothses 15 1.10 Objectifs 16 1.11 Rfrences 18

CHAPITRE 2 Effets court terme des rsidus de dsencrage sur la dynamique du carbone, de l'azote et des composs phnoliques du sol 27

2.1 Abstract 29 2.2 Introduction 30 2.3 Materials and methods 31

2.3.1 Site management and soil sampling 31 2.3.2 Soil carbon and nitrogen 32 2.3.3 Phenolic compound extraction and characterization 32 2.3.4 Phytotoxicity tests 34 2.3.5 Statistical analyses 34

2.4 Results 35 2.4.1 Soil carbon and nitrogen 35 2.4.2 DPS phenolic compound characterization 36 2.4.3 Soil phenolic compounds 37

2.4.4 Phytotoxicity tests 38 2.5 Discussion 39

2.5.1 Soil carbon and nitrogen 39 2.5.2 De-inking paper sludge phenolic compounds 40 2.5.3 Soil phenolic compounds 41 2.5.4 Phytotoxicity test 42

2.6 Acknowledgements 44 2.7 References 45

CHAPITRE 3 Effets des rsidus de dsencrage de papier sur la production et la qualit du soya (Glycine max (L). [Merr.]) sous trois stratgies de dsherbage dans une rotation de soya-mas (Zea mays L.) 55

3.1 Abstract 57 3.2 Introduction 58 3.3 Materials and methods 59

3.3.1 Site description 59 3.3.2 Site preparation and seeding 60 3.3.3 Experimental design and treatments 60 3.3.4 Crop measurements 61 3.3.5 Isotopic analyses 61 3.3.6 Statistical analyses 62

3.4 Results 63 3.4.1 Growing seasons 63 3.4.2 Grain yield 63 3.4.3 Hundred-seed weight 65 3.4.4 Grain oil concentration 65 3.4.5 Grain protein concentration 66 3.4.6 Grain and stover

XI

4.3.1 Site description 91 4.3.2 Site preparation and seeding 92 4.3.3 Experimental design and treatments 92 4.3.4 Crop measurements 93 4.3.5 Analyses 94

4.4 Results 94 4.4.1 Grain yield 94 4.4.2 Stover yield 95 4.4.3 Quality parameters 97

4.5 Discussion 103 4.5.1 Grain and stover yield 103 4.5.2 Quality parameters 106

4.6 Acknowledgements 110 4.7 References I l l

CHAPITRE 5 Conclusion gnrale 128 ANNEXE A 134 ANNEXE B 139 ANNEXE C 145

Liste des tableaux

CHAPITRE 2 : Effets court terme des rsidus de dsencrage sur la dynamique du carbone, de l'azote et des composs phnoliques du sol

Table 1. Phenolic compounds present in de-inking paper sludge (DPS), control soil, and soil amended with two applications of DPS 48

CHAPITRE 3:

Effets des rsidus de dsencrage de papier et de l'azote rsiduel sur la production et la qualit du soya (Glycine max (L). [Merr.]) sous trois stratgies de dsherbage dans une rotation de soya-mas (Zea mays L.)

Table 1. Monthly air temperature and rainfall at St. Hyacinthe and St. Augustin 81

Table 2. Means and summary from the analyses of variance for soybean yields and grain quality parameters at St. Augustin (1997) and St. Hyacinthe (1998) the first year of the rotation 82

Table 3. Means and summary from the analyses of variance for soybean yields and grain quality parameters at St. Augustin (1999) and St. Hyacinthe (2000) the third year of the rotation 83

CHAPITRE 4 :

Effets de l'azote, des rsidus de dsencrage de papier et des stratgies de dsherbage sur la qualit et le rendement en grain du mas (Zea mays L.) dans une rotation soya (Glycine max (L.) Merr.)-mas

Table 1. Monthly air temperature and rainfall at St. Hyacinthe and St. Augustin 115

Table 2. Means and summary from the analyses of variance for corn grain and stover yields, and their moisture concentrations at St. Hyacinthe in 1999 116

Table 3. Means and summary from the analyses of variance for corn grain and stover yields at St. Augustin the second (1998) and fourth years (2000) cropped with com in a soybean-corn rotation 118

Xlll

Table 4. Means and summary from the analyses of variance for corn grain and stover moisture concentrations at St. Augustin the first (1998) and second year (2000) cropped with corn in a soybean-corn rotation 120

Table 5. Means and summary from the analyses of variance for nitrogen concentration and uptake of corn grain and stover at St. Hyacinthe in 1999 122

Table 6. Means and summary from the analyses of variance for nitrogen concentration and uptake of corn grain and stover at St. Augustin the first year (1998) cropped with corn in the soybean-corn rotation 124

Table 7. Means and summary from the analyses of variance for nitrogen concentration and uptake of corn grain and stover at St. Augustin the second year (2000) cropped with corn in the soybean-corn rotation 126

ANNEXE A

Table A.l. Summary from the analyses of variance for the soil phenolic compounds in 1999 135

Table A.2. Summary from the analyses of variance for the soil phenolic compounds in 2000 136

Table A.3. Summary from the analyses of variance for the soil carbon, total nitrogen, C:N ratio and nitrate soil in 1999 137

Table A.4. Summary from the analyses of variance for the soil carbon, total nitrogen, C:N ratio and nitrate in 2000 138

ANNEXE B

Table B.l. Summary from the analyses of variance for soybean grain yield (kg/ha), weight of 100 seeds (g), grain oil concentration (g/kg) and grain protein concentration (g/kg) at St. Augustin in 1997 and at St. Hyacinthe in 1998 140

Table B.2. Summary from the analyses of variance for soybean grain yield (kg/ha) and weight of 100 seeds (g) at St. Augustin (1999) and St. Hyacinthe (2000) the third year of the rotation 141

XIV

Table B.3. Summary from the analyses of variance for soybean grain oil concentration (g/kg) and grain protein concentration (g/kg) at St. Augustin (1999) and St. Hyacinthe (2000) the third year of the rotation 142

Table B.4. Summary from the analyses of variance for soybean carbon and nitrogen content at St. Augustin in 1997 and at St. Hyacinthe in 1998 143

Table B.5. Summary from the analyses of variance for soybean grain and stover 5l5C and 15N-values at St. Augustin (1999) and St. Hyacinthe (2000) in the pre-emergence herbicide treatment after three years of annual application of DPS 144

ANNEXE C

Table C.l. Summary from the analyses of variance for the grain and stover com yields and their moisture concentrations at St. Hyacinthe in 1999 146

Table C.2. Summary from the analyses of variance for com dry-matter yields and moisture concentration at St. Augustin in 1998 147

Table C.3. Summary from the analyses of variance for corn dry-matter yield and moisture concentration at St. Augustin in 2000 148

Table C.4. Summary from the analyses of variance for corn N concentration and uptake at St. Hyacinthe in 1999 149

Table C.5. Summary from the analyses of variance for com N concentrations of grain and stover at St. Augustin in 1998 and 2000 150

Table C.6. Summary from the analyses of variance for N uptake of grain and stover corn at St. Augustin in 1998 and 2000 151

Liste des figures

CHAPITRE 2 :

Effets court terme des rsidus de dsencrage sur la dynamique du carbone, de l'azote et des composs phnoliques du sol

Figure 1. Total carbon, carbon:nitrogen ratio and nitrate content in control soil (0 Mg C ha"1) and soils amended with de-inking paper sludge (8 or 16 Mg C ha"1) in 1999 and 2000. Means of four replicates standard error of mean 49

Figure 2. Chromatogram of de-inking paper sludge phenolic compounds 50

Figure 3. Precipitation and evolution of total phenolic compounds in the soil over time and accumulated crop heat units in 1999 and 2000 51

Figure 4. Germination index of cress that received a water control treatment, a simulated solution of phenolic compounds found in soil amended with the highest level of DPS application (16 Mg C ha" ), and a simulated solution of phenolic compounds found in DPS. Means of four replicates standard error of mean. Means followed by a common letter are not significantly different at the 5% level by LSD test 52

Figure 5. Germination index of three dicotyledonous species. Means of four replicates standard error of mean. Means followed by a common letter are not significantly different at the 5% level by LSD test 53

Figure 6. Germination index of the three monocotyledonous species. Means of four replicates standard error of mean. Means followed by a common letter are not significantly different at the 5% level by LSD test 54

Introduction

La prise de conscience mondiale des risques environnementaux encourus par la

plante a t symbolise par le sommet de la Terre de Rio de Janeiro, en 1992. Cette

conscience a abouti des engagements internationaux dans tous les domaines et

notamment, en agriculture pour un dveloppement durable au XXIe sicle. Par dfinition, le

dveloppement durable est un dveloppement qui rpond aux besoins du prsent sans

compromettre la capacit des gnrations futures rpondre aux leurs (Brundtland, 1987).

Ce dveloppement doit tre conomiquement efficace, socialement quitable et

cologiquement soutenable. Appliqu l'agriculture, ce concept engendre un ensemble de

pratiques sociales et techniques qui visent prenniser l'activit agricole dans ses milieux

physiques, sociaux, conomiques et environnementaux. Ainsi, l'agriculture durable doit

rpondre entre-autres aux objectifs de la promotion de la qualit et le respect de

l'environnement tout en assurant un avenir aux gnrations suivantes.

Ainsi, au cours de cette dernire dcennie, plusieurs recherches agronomiques ont

vu le jour pour optimiser la production vgtale dans un cadre respectueux de

l'environnement. La prsente tude cadre avec cette philosophie et fait partie d'un projet de

recherche ax sur la rpression des mauvaises herbes par l'utilisation des rsidus de

dsencrage (RDD), un sous-produit issu du procd de recyclage du papier. Ce projet a

deux objectifs. En premier lieu, il vise le dveloppement d'un systme cultural durable pour

la production du mas-grain (Zea mays L.) en rotation avec le soya (Glycine max [L.] Merr.)

et, en deuxime lieu, il propose une nouvelle avenue pour valoriser une portion des rsidus

gnrs par l'industrie des ptes et papiers en les utilisant comme moyen de lutte contre les

mauvaises herbes.

Le projet de recherche duquel dcoule cette thse comporte trois volets : un volet

malherbologie , un volet sol et un volet culture principale .

Les dnombrements des mauvaiss herbes et de leur identification ne font pas partie

de la prsente thse. Ils ont servi la rdaction d'un mmoire de matrise (Wamegni, 2001)

ainsi qu' un article scientifique (Machrafi et al., 2010). Cette recherche a montr que les

RDD ont un effet rpressif sur la biomasse et le nombre des dicotyldones annuelles et que

cet effet augmente avec la dose des RDD. De mme, une rpression, bien que moins

accentue, a t note sur les mauvaises herbes monocotyldones annuelles.

Le volet sol ainsi que le volet culture principale constituent le pivot de cette

thse. Les rsultats de ces deux volets, d'une part, ont apport des explications aux causes

de la rduction de l'tablissement de certaines plantes suite l'application des RDD et,

d'autre part, ils ont montr les impacts de ces rsidus sur les paramtres agronomiques de

deux cultures principales, savoir le soya et le mas-grain cultivs en rotation de courte

dure.

CHAPITRE 1

Revue de littrature

1.1 Rotation des cultures

La rotation culturale est une succession de diffrentes espces vgtales cultives

sur un mme sol. Les avantages de celle-ci sont connus depuis trs longtemps. L'un des

principaux effets de cette pratique est celui reli l'efficience de l'utilisation de l'azote. En

premier lieu, ceci est d au fait qu'on peut, en choisissant correctement l'ordre de

succession des cultures, limiter les priodes de risque lev de perte d'azote par lessivage.

Cet effet est galement attribuable la diffrence d'enracinement des espces successives

(Lpez-Bellido et Lpez-Bellido, 2001; Soon et Arshad, 2004). Des exprimentations

long terme ont montr que, l'introduction systmatique de diverses cultures dans la rotation

augmente lgrement le taux d'azote organique total et rduit significativement la

concentration en nitrates de l'eau draine tout en augmentant le rendement de la culture

principale (Mary et al., 2002). titre d'exemple, il a t dmontr que la culture du mas,

aprs une rcolte de soya, permet un rendement d'environ 10 % suprieur celui du mas

produit en monoculture (CLA, 2006a). La complmentarit entre les cultures s'applique

galement d'autres lments tels que le phosphore (Bullock, 1992; Copeland et

Crookston, 1992) ou le potassium (Hargrove, 1986) pour lesquels la rotation amliore

l'efficacit d'utilisation. Certains autres effets positifs de la rotation s'exercent par

l'augmentation de la formation et de la stabilit des agrgats due l'accroissement de

l'activit biologique du sol (Cosentino et al., 2006) ou par l'accroissement de la rserve

d'humus (Rychcik et al., 2006).

Par ailleurs, la littrature regorge de travaux mettant en vidence le rle de la

rotation dans l'attnuation des problmes de mauvaises herbes. En effet, la production

intensive en monoculture entraine la slection d'une combinaison d'espces adventices

hautement adaptes ces systmes agricoles spcifiques; ces espces sont souvent trs

comptitives et difficiles liminer. titre d'exemple, Leroux et al. (1990) ont not un

accroissement des populations de gramines annuelles, plus difficiles rprimer, dans les

monocultures de mas combines l'utilisation des triazines. l'oppos, la rotation

culturale provoque une diversification des conditions daphiques du sol limitant ainsi le

maintien des conditions favorables l'tablissement des adventices. cet effet, les

rotations les plus efficaces sont celles impliquant des cultures ayant des dates de semis

distinctes, des priodes de croissance de longueurs variables et des faons culturales

diffrentes. Par exemple, Blackshaw (1994) a rapport que la densit du brome (Bromus

tectorum L.) est demeure relativement stable dans une culture de bl tendre (Triticum

aestivum L.) en rotation avec le canola (Brassica napus L.) comparativement la

monoculture du bl. D'une faon similaire, Covarelli et Tei (1988) ont not que la densit

de la population et des semences de l'chinochloa pied-de-coq (Echinochloa crusgalli L.) a

t faible dans une rotation bl-mas comparativement la monoculture de mas. De mme,

Schreiber (1992) a montr que le degr d'infestation par la staire gante (Setaria faberi

Herrm.) a t important dans la monoculture du mas, intermdiaire dans le cas d'une

rotation soya-mas bisannuelle et faible dans un assolement trisannuel soya-mas-bl. Par

ailleurs, Chamanabad et al. (2009), dans une tude long terme sur la culture d'orge

(Hordeum vulgare L.), ont rapport que la rotation culturale permet une diminution notable

de la population des mauvaises herbes vivaces.

Autrefois, la rotation tait fortement adopte dans le cadre des systmes de

polyculture-levage. Cependant, l'attrait des agriculteurs pour cette pratique a diminu avec

l'avnement de l'agriculture intensive base sur l'usage des fertilisants azots et

l'application des herbicides plus ou moins slectifs (Leroux, 1998). Selon Stoate et al.

(2001), il a dcoul de cette simplification des systmes culturaux, des consquences

majeures pour la biodiversit des cosystmes arables et, sur un plan paysager, un dclin de

la diversit des paysages. Mais aujourd'hui, les pressions de plus en plus fortes pour la

conservation de l'environnement et le souci de produire des denres agricoles plus saines,

amenrent les instances gouvernementales de plusieurs pays encourager les agriculteurs et

les leveurs renouer avec la rotation culturale. Le Canada ne fait pas exception.

D'ailleurs, le centre pour la lutte antiparasitaire considre cette pratique comme une

mthode prophylactique de lutte contre les mauvaises herbes, les insectes et les maladies

(CLA, 2006b). De plus, Agriculture et Agroalimentaire Canada (AAC, 2001), dans sa

stratgie de dveloppement durable, encourage les agriculteurs et les leveurs adopter

cette pratique.

1.2 Culture du mas et du soya

Avec une superficie de 453 000 hectares, le mas-grain est une culture de grande

importance au Qubec (Institut de la statistique du Qubec, 2007). Cette production est

souvent cultive sur des exploitations spcialises de grande envergure o la monoculture

et les pratiques culturales intensives sont prdominantes. En parallle, la culture du soya a

pris un essor considrable depuis 1991, passant de 25 271 ha plus de 176 000 ha en 2007

(Institut de la statistique du Qubec, 2007). Le soya constitue une espce de choix comme

culture de rotation avec le mas. Cette pratique est couramment utilise en Ontario et au

Qubec (CLA, 2006a). Cependant, le soya est considr comme une culture ncessitant

l'application d'une quantit trs importante d'herbicides pour contrer les adventices. En

plus, l'existence de mauvaises herbes rsistantes aux herbicides constitue l'un des enjeux

auxquels font face les producteurs de soya. D'ailleurs, des cas de rsistance certains

groupes d'herbicides, habituellement utiliss dans la culture de soya, ont dj t

rpertoris au Qubec (MAPAQ, 2007).

1.3 Lutte aux mauvaises herbes

Les mauvaises herbes continuent d'tre le principal problme phytosanitaire auquel

font face les producteurs. l'chelle canadienne, les dgts provoqus par les adventices

dans les cultures et les pturages et la lutte qui leur est faite sont estims 2,2 milliards de

dollars par an pour un territoire agricole qui produit annuellement pour 15 milliards de

dollars de produits vgtaux (ACIA, 2008). En plus des pertes de rendement, les mauvaises

herbes peuvent aussi tre nuisibles la sant humaine et constituer des htes pour les

agents pathognes et les insectes ravageurs des cultures (Leroux, 1998). Pour limiter la

prolifration des mauvaises herbes et diminuer leurs effets ngatifs, la majorit des

producteurs utilise des herbicides slectifs. En 2004, cette pratique a cot, aux agriculteurs

canadiens, un milliard de dollars canadiens (CropLife Canada, 2004). Il faut noter, que 77

% des pesticides utiliss la ferme sont des herbicides (CropLife Canada, 2004) et la

majorit de ces produits est applique chez les grandes cultures (Duke, 1996; Macias et al.,

1997). Bien que nous ne puissions prdire l'avenir, nous pouvons sans doute affirmer que

les herbicides continueront d'tre une composante cl dans la plupart des systmes de lutte

intgre aux mauvaises herbes. Il y a toutefois certains aspects ngatifs lis l'emploi

intensif de ces produits chimiques. Parmi ceux-ci, notons l'augmentation du cot de la

production, l'apparition de biotypes de mauvaises herbes rsistants, les risques

environnementaux comme la pollution de l'eau, et les risques pour la sant des humains et

des animaux (Chevalier, 1993). Le mtolachlore, le bentazone, le dicamba, le 2,4-D et le

dimthnamide sont les principaux herbicides se retrouvant souvent dans les cours d'eau

(MDDEP, 2006). Il est noter que tous ces pesticides sont utiliss dans la culture du mas.

Ils sont gnralement appliqus sur un sol nu au printemps; ils prsentent donc davantage

de risques d'atteindre les cours d'eau ou la nappe phratique, surtout si une pluie survient

suite l'application. Par ailleurs, le cot lev et le faible taux de succs dans la dcouverte

et le dveloppement de nouveaux produits ont forc prs de la moiti des compagnies agro-

chimiques fermer leur volet herbicide au cours des quinze dernires annes (Liebhardt et

al., 1989; Duke 1995; Macias et al., 1997). Ces donnes environnementales, conomiques

et statistiques illustrent la part considrable des herbicides dans les cots de production des

cultures agricoles. Compte tenu des problmes mentionns ci-haut, il serait avantageux de

rduire le taux d'utilisation de ces xnobiotiques. Une solution rationnelle pour rduire

l'intensit du dsherbage dans le mas serait l'application des produits de post-leve en

fonction des populations d'adventices prsentes dans la culture. D'autres approches

envisageables seraient la rotation de deux ou plusieurs cultures ou encore l'utilisation des

paillis organiques.

1.4 Utilisation des paillis en agriculture

Le paillis se dfinit comme un ensemble de matriaux couvre-sol utiliss en

agriculture. Il existe deux sortes de paillis : synthtiques et organiques. Les paillis

synthtiques sont base de matriaux de synthse, tels que les plastiques, et se prsentent

sous forme de pellicules destines tre tendues sur le sol et fixes avec des crampons

(MRNO, 1994). Les paillis organiques sont base de matriaux organiques. Ils peuvent se

prsenter sous forme de matriaux dtachs, tels que les copeaux de bois, de l'corce et de

la paille ou sous forme de pellicule en fibres naturelles agglomres l'aide d'un liant

base de cire (CDA, 2008).

Plusieurs recherches ont dmontr l'utilit des paillis organiques en agriculture. Ces

matriaux, en plus d'offrir au sol une protection mcanique contre l'action de la pluie et

l'irrigation, permettent la rtention de l'humidit, la rgulation de la temprature et

l'homognisation de l'infiltration de l'eau (Steiner, 1994). Il en rsulte une diminution de

la compaction et de l'rosion du sol (MAA, 1996). Un autre rle important connu des

paillis est la lutte aux mauvaises herbes (Crutchfield et al., 1986; Niggli et al., 1990 ; Bilalis

et al., 2003). titre d'exemple, lors d'une tude au champ de huit annes, Niggli et al.

(1990) ont tudi la lutte envers les mauvaises herbes en utilisant des paillis organiques de

diffrentes sources. Ces auteurs ont constat l'inefficacit des paillis haute valeur

nutritive, tels que les composts base d'corce ou de litire. l'oppos, ils ont obtenu une

rpression des adventices aussi efficace que celle des herbicides conventionnels suite

l'utilisation des paillis d'corces, non compostes, de conifres, de chnes et de la paille de

colza. Ces paillis, seuls ou combins avec les herbicides, ont caus l'inhibition de la

germination des semences des mauvaises herbes et ont frein la croissance des jeunes

plantules. L'efficacit de ces paillis a augment avec l'augmentation de la dose applique

malgr une adsorption croissante des herbicides par ceux-ci (Ghadiri et al., 1984; Bauman

and Ross, 1983). Des rsultats similaires ont t obtenus par Prihar et al. (1975). Ces

derniers ont constat, qu'en prsence d'atrazine, la rpression des mauvaises herbes a t

plus efficace dans les parcelles pailles comparativement celles non pailles. De mme,

Liebl et Worsham (1983) ont not que l'alachlore est plus efficace dans un sol paill

comparativement un sol nu.

En grandes cultures, l'emploi de paillis organiques base d'intrants conventionnels

(paille, corces et copeaux de bois ...) est limit par leurs cots et surtout par leurs

disponibilits (CDA, 2008). Il serait donc judicieux d'tudier la possibilit d'utiliser

d'autres matriaux. Cette stratgie a t adopte par certaines industries dsirant

l'laboration et la commercialisation d'un ensemble de paillis biodgradables. Par exemple,

au dbut des annes 1990, la papetire Cascades s'est lance dans la mise au point d'un

paillis base de fibres cellulosiques issues du recyclage du papier (Parent, 1998; DPSA,

2003). Ces produits ont dmontr une rpression efficace des mauvaises herbes. Cependant,

leur usage est limit par leur cot relativement lev. Par ailleurs, Emballages Smurfit-

Stone Canada inc. a expriment l'usage de boues papetires primaires pour contrer les

mauvaises herbes dans de nouvelles plantations de peupliers hybrides (Granger et al.,

2006). Les essais ont montr que l'utilisation de ce type de paillis a permis une lutte

efficace aux adventices sur une priode de trois ans. Par ailleurs, lors des expriences axes

sur l'application massive des rsidus de dsencrage (RDD) dans des cultures de

lgumineuses fourragres, Allahdadi et al. (2004) ont constat que la production en matire

sche du mlilot et du trfle rouge n'a pas t affecte par l'application des RDD. En

revanche, sous les mmes conditions, la biomasse sche produite par la luzerne et le lotier a

t rduite. En plus, l'tablissement du brome a t fortement rprim un taux lev des

RDD. Au cours de cette tude, il a aussi t observ que le nombre et la biomasse de

certaines mauvaises herbes semblaient tre fortement rduits lors de l'tablissement des

espces fourragres. Finalement, Machrafi et al. (2010) ont montr que les RDD ont un

effet rpressif du nombre et de la biomasse des dicotyldones annuelles dans une rotation

soya-mas grain. L'effet rpressif caus par ces rsidus augmente avec la dose applique.

1.5 Rsidus de dsencrage

1.5.1 Description

Le recyclage du papier produit chaque anne d'importantes quantits de RDD.

Diffrentes stratgies ont t adoptes afin de les liminer. L'enfouissement est la pratique

la plus utilise, bien qu'elle engendre des cots levs (Norrie et Gosselin, 1996). cette

contrainte s'ajoute le resserrement des normes gouvernementales rgissant les sites

d'enfouissement (Zhang et al., 1993; Chong et al., 1998). La combustion et l'incinration

sont aussi utilises, mais elles produisent des cendres qui doivent tre enfouies. Des

mthodes d'importance secondaire ont donc t dveloppes. En effet, certains RDD

entrent dans la fabrication de la litire chat, du ciment et des briques (NCASI, 1991). Ces

mthodes demeurent cependant des avenues importance limite, car elles ne parviennent

pas recycler la totalit des rsidus papetiers gnrs par l'industrie du papier.

L'origine des RDD affecte fortement leurs caractristiques physiques et chimiques

(c.--d., le ratio entre la fraction organique et la fraction non organique, la teneur en eau et

des contaminants indsirables) (Chong, 1993; Bellamy et al., 1995). Les RDD utiliss dans

cette tude rpondent cependant aux exigences du ministre de l'Environnement du Qubec

en matire d'innocuit environnementale (MDDEP, 2008). La caractrisation de ces rsidus

a montr une faible teneur en composs toxiques, tels que les dioxines, les furannes et les

lments traces (Beauchamp et al., 2002). Les concentrations en macronutriments ayant une

valeur fertilisante varient sur une base sche de 0,14 4,10 % d'azote, de 0,001 2,540 %

de phosphore et de 0,012 1,000 % de potassium (NCASI, 1984). Le calcium est

habituellement prsent dans les RDD en raison du processus de recyclage du papier

(Beauchamp et al., 2002). La valorisation agricole des RDD est une option cologique qui

peut tre ralise par l'application l'tat frais ou par le compostage. Plusieurs tudes

menes en ce sens, dmontrent les impacts positifs des RDD sur les proprits physiques,

chimiques et microbiennes du sol, ainsi que sur la productivit vgtale (Chantigny et al.,

2000a, Fierro et al.,1999 et 2000, Filiatrault et al., 2006, Simard et al., 1998). Puisque les

RDD diffrent dans leurs caractristiques physiques et chimiques (Zhang et al., 1993), leur

taux d'application doit tre bas sur leur composition chimique, le type de sol et les besoins

des plantes cultives. De mme, le ratio C:N lev de ces rsidus ncessite l'adoption d'une

stratgie de fertilisation azote adquate afin de contrecarrer l'immobilisation de l'azote

(Filiatrault et al., 2006).

1.5.2 Immobilisation de l'azote du sol en prsence des RDD

Les microorganismes du sol ncessitent une certaine quantit d'azote pour

dcomposer la matire organique frache. Les rsidus ayant un rapport carbone : azote

(C:N) infrieur 30, contiennent suffisamment d'azote pour se dcomposer sans utiliser

10

l'azote du sol (Alexander, 1977). Par contre, avec un rapport C:N suprieur 30, ce qui est

le cas des RDD, une certaine quantit d'azote du sol peut tre utilise par les micro-

organismes, ce qui rend cet azote non disponible aux autres organismes dans cet

environnement et risque de causer des problmes de carence azote chez les plantes en

croissance. Toutefois, cette immobilisation n'est que temporaire. Des essais au champ ont

dmontr, qu'avec des quantits de rsidus de 105 Mg/ha ajoutes au sol, la priode

d'immobilisation de l'azote se termine aprs une accumulation d'environ 1500 degrs-jours

suivant l'incorporation des rsidus au sol (Fierro et al., 2000). Cela correspond une

priode de trois quatre mois sans gel. Aprs cette priode, les risques de carence en azote

chez les plantes semblent minimes. Donc, un supplment d'azote devra tre apport pour

combler le dficit cr par le phnomne d'immobilisation si une culture exigeante en azote

est tablie au cours des quatre premiers mois sans gel suivant l'incorporation des rsidus.

Enfin, il faut signaler qu'un pandage de rsidus pourrait se faire avec un apport d'azote

supplmentaire minime, si la culture tablir est une lgumineuse, puisque ces plantes sont

indpendantes de la disponibilit de l'azote du sol lorsqu'elles sont en symbiose avec des

bactries fixatrices d'azote atmosphrique (Allahdadi et al., 2004).

1.5.3 Dcomposition des RDD

Le devenir des RDD est li d'une faon trs troite aux conditions prvalentes dans

l'environnement. En effet, un grand nombre de facteurs physiques, chimiques et

biologiques exercent simultanment leur influence sur la dcomposition de ces rsidus. Par

ailleurs, le rapport C:N lev des RDD rend leur dcomposition dpendante de la

disponibilit de l'azote. Le suivi de l'volution des RDD dans le sol a permis de montrer

que leur dcomposition se droule selon deux phases distinctes, soit une phase de

dcomposition rapide, au cours des quatre premiers mois, suivie d'une phase de

dcomposition lente (Chantigny et al., 1999; Fierro et al., 2000). Cette dcomposition

biphasique est relie au fait que la matire organique des RDD se divise en deux fractions.

La premire fraction (environ 50 % de la matire organique frache) comprend la cellulose

et se dcompose rapidement. Cette dgradation s'accompagne de la libration de certains

carbohydrates simples hydrosolubles tels que le glucose et le xylose (Charest et al. 2004).

Par ailleurs, des extraits l'eau chaude ont montr la prsence de monosaccharides

11

d'origine microbienne indiquant ainsi qu'une fraction des RDD est resynthtise sous

forme de d'hydrates de carbone d'origine microbienne (Chantigny et al., 2000b). La

biodgradation de la cellulose peut tre accomplie en conditions arobie ou anarobie en

impliquant des bactries appartenant aux Clostridiales et Actinomycetales, ainsi qu'une

large varit de champignons (Amano et Kanda 2002, Burrell et al., 2004) appartenant aux

genres Pnicillium, Aspergillus, Humicola et Trichoderma (Charest et al., 2004). La

seconde fraction (l'autre moiti de la matire organique frache) se dcompose lentement et

elle comprend surtout de la lignine et de l'hemicellulose avec 25 % et 12 % de la masse

totale des RDD respectivement (Fierro et al., 2000). La lignine est trs stable et lentement

dgradable. Des tudes axes sur la dcomposition des RDD dans le sol ont indiqu que 40

% de la quantit des RDD applique au sol a persist deux ans plus tard (Fierro et al.,

2000). Ces auteurs attribuent cette persistance la fraction rcalcitrante majoritairement

compose de la lignine. Par ailleurs, Chantigny et al. (2000a) affirment que la vitesse de

dgradation des RDD dans le sol est lie au taux d'application et expliquent ceci, en bonne

partie, par le manque de nutriments dans le sol. La biodgradation de la lignine est

effectue par des champignons appartenant, en grande majorit, au groupe des

basidiomyctes ou des bactries Gram ngatif (Siqueira et al., 1991). Elle entrane la

formation de composs phnoliques de faible degr de polymrisation: les mthoxyphnols

et les phnols intermdiaires qui, leur tour, subissent une repolymrisation, une

oxydation, une hydroxylation ou une decarboxylation pour former, entre autres, des

composs phnoliques. Il est reconnu que les composs phnoliques ont un pouvoir

alllopathique affectant ainsi la germination et l'longation des racines (Machrafi et al.,

2006). Ils peuvent agir plusieurs niveaux, notamment sur : la division, l'longation et

l'ultrastructure cellulaire; la permabilit des membranes cellulaires; l'absorption des

minraux et la disponibilit du phosphore et du potassium; l'ouverture des stomates; la

respiration et la photosynthse; l'inhibition de la synthse des protines, de la biosynthse

des acides nucliques, ainsi que l'inhibition ou la stimulation de certains enzymes; le

mtabolisme des acides organiques et des lipides; la conductance de l'eau et les relations

plante-eau; la fixation de l'azote et la synthse des pigments et des phytohormones, etc.

(Rice, 1984; Putnam 1985; Putnam et Weston, 1986; Rice, 1995; Einhellig, 1996; Seigler,

1996).

12

1.6 Nutrition azote des plantes

L'azote est un lment important pour la croissance des plantes (Below, 1995). Il est

souvent un facteur limitant les rendements des espces vgtales non fixatrices d'azote, tel

que le mas, entre autres (Kamara et al., 2003). La teneur en azote du grain du mas peut

atteindre jusqu' 2 % (Carsky et Iwuafor, 1999). L'azote reprsente une partie importante

des acides amins qui sont l'unit de base des protines incluant les enzymes qui contrlent

tous les processus biologiques. Il entre aussi dans la composition des acides nucliques et la

chlorophylle implique dans la photosynthse. L'azote est prlev partir du sol sous

forme de nitrate (NO3) ou d'ammonium (NHV"). La faible teneur en azote, dans la majorit

des sols, oblige les agriculteurs appliquer des engrais azots afin de soutenir un

rendement adquat. Par ailleurs, le soya, l'instar des autres lgumineuses, est capable

d'tablir des associations symbiotiques avec des bactries du sol connues sous le nom de

Rhizobium. Par cette symbiose, les lgumineuses sont capables d'utiliser l'azote

atmosphrique et de l'intgrer dans le squelette des protines. Une estimation globale

indique que 90 130 x IO6 tonnes d'azote atmosphrique sont fixes biologiquement par

l'cosystme terrestre par an (Galloway et al., 1995).

1.6.1 Evaluation de la contribution en azote de la symbiose

Distinguer la contribution de la symbiose dans la nutrition azote des plantes

fixatrices d'azote est possible par plusieurs mthodes, dont: la mthode par diffrence

d'azote total, la valeur de remplacement en fertilisant azot, l'atmosphre enrichie en 15N2,

la dilution isotopique et l'abondance naturelle en 15N (Peoples et Herridge, 1990;

Hardarson et Danso, 1993; Peoples et al., 1995). Seule l'abondance naturelle en 15N est

aborde dans cette revue de la littrature, car c'est la mthode utilise dans cette tude.

A- Notion d'isotopes et rapport isotopique

Dans la nature, la majorit des lments chimiques naturels sont prsents sous

diffrentes formes isotopiques. Certains de ces isotopes sont stables et d'autres sont

radioactifs (Fry, 2006). Les proprits chimiques d'un lment sont conditionnes par la

structure de la couche lectronique externe. Celle-ci est la mme pour tous les isotopes d'un

mme lment ce qui leur confrent les mmes proprits chimiques mise part la

13

cintique ractionnelle. Cette dernire sera plus rapide pour les isotopes les plus lgers

comparativement leurs homologues lourds, on parle alors du phnomne de

fractionnement isotopique. L'tude de la distribution isotopique ne porte, en gnral, que

sur les isotopes stables car l'abondance naturelle des isotopes radioactifs est trs faible.

L'abondance des isotopes est mesure l'aide d'un spectromtre de masse source

gazeuse et elle est exprime sous forme de rapport isotopique (Girardin et Mariotti, 1991).

Par convention, le rapport isotopique est dfini de telle faon que l'isotope abondant se

trouve au dnominateur. A titre indicatif, l'atmosphre a une abondance naturelle en N de

99,63370% et en 15N de 0,36630% ce qui correspond un rapport isotopique 15N:14N de

0,0036765 (Fry, 2006). Un spectromtre de masse peut mesurer des rapports isotopiques

absolus, avec une assez bonne prcision sur un court intervalle de temps. Par contre, la

justesse de la mesure est toujours trs insuffisante, en raison notamment de la variabilit

instrumentale. Pour des raisons de standardisation, la mesure de la composition isotopique

d'un substrat donn est plutt exprime par la notation 15N dans le cas de l'azote. La

valeur N correspond la diffrence relative des rapports isotopiques de l'chantillon et

de la rfrence internationale (c.--d., rapport isotopique de l'azote atmosphrique)

exprime en part pour mille :

15N = [(Rchantillon/ Rfrence)-1]* 1000 .

O Rchantillon est le rapport isotopique de l'chantillon et Rfrence celui de la rfrence

internationale.

B- Assimilation de l'azote et fractionnement isotopique

En absence d'engrais azot, les lgumineuses fixatrices d'azote utilisent deux

sources d'azote : l'azote provenant du sol et de l'atmosphre. Cependant, en prsence

d'engrais azot, en plus des deux sources prcdemment mentionnes, elles utilisent l'azote

de l'engrais. Pour une espce vgtale donne associe une bactrie fixatrice d'azote, la

quantit d'azote fixe varie en fonction de certaines conditions daphiques, telles que le

type du sol, sa structure, sa temprature et sa teneur en humidit et en N minral. Sans

facteur limitant, la symbiose exprimerait pleinement son potentiel. Si un facteur limitant

intervient, la fixation symbiotique de l'azote est alors rduite (Mariotti et al., 1992). La

14

valeur N d'un chantillon est directement lie la source d'azote qu'il contient. Elle peut

tre utilise pour estimer l'efficacit de la symbiose rhizobium-lgumineuses (Unkovich et

Pte, 2000). Les sols et les engrais ont gnralement une abondance naturelle en 15N plus

leve que l'atmosphre. Par consquence, pour une espce fixatrice d'azote, l'abondance

en 15N diminue avec l'augmentation de la portion d'azote drive de l'atmosphre

incorpore par la plante (Hobbie et al., 2000). De mme, les plantes fixatrices d'azote ont

une abondance en N gnralement moins leve que les plantes non fixatrices d'azote.

1.7 Fixation du carbone

1.7.1 Assimilation du carbone

Le carbone utilis par les plantes suprieures provient du CO2 atmosphrique. Il est

assimil lors de la photosynthse via les stomates des feuilles. L'ouverture des stomates est

rgule par la disponibilit de l'eau dans l'environnement de la plante. Le stress hydrique

se traduit par la fermeture des stomates afin de minimiser les pertes d'eau par

vapotranspiration (Farquhar et al., 1989). Cette raction entrane aussi une diminution de

la diffusion du CO2, de l'atmosphre vers l'intrieur de la plante. Le ralentissement des

changes de CO2 entre les feuilles et l'atmosphre diminue la discrimination isotopique du

carbone.

1.7.2 Evaluation de l'abondance naturelle en C et fractionnement isotopique

La mesure de l'abondance isotopique du carbone se fait par spectromtrie de masse,

sur des instruments dits source gazeuse, dans lesquels l'lment tudi est pralablement

converti sous forme d'un gaz, chimiquement le plus inerte possible. Dans le cas du carbone,

du fait de sa facilit de synthse, le CO2 est la forme la plus utilise (Girardin et Mariotti,

1991). l'instar de l'azote et dans le but de standardiser les mesures, la composition

isotopique du carbone est dtermine par rapport une rfrence internationale appele le

PDB (Mariotti, 1991). Puisque les composs organiques et inorganiques sont pauvres en 13C par rapport au standard PDB, leur 13C est ngatif (Ghashghaie et al. 2001).

15

C = [(Rchantillon/ RrfrenceH)]*1000.

O Rchantillon et Rfrence sont respectivement les rapports isotopiques C/ C de

l'chantillon et ceux de la rfrence internationale (Mariotti, 1991).

La valeur 13C des tissus vgtaux est une mesure indirecte de la permabilit

stomatique pour le CO2 et de l'incorporation de cet lment lors de la photosynthse. Des

tudes ont dmontr l'existence d'une corrlation entre la composition isotopique des

lments carbons de la biomasse vgtale et les conditions climatiques dans lesquelles

cette dernire s'est dveloppe (Manzany et al., 1980; Francey et Farquhar, 1982). En effet,

Ferrio et al. (2003) indiquent que la valeur C des tissus vgtaux diminue avec

l'augmentation de la disponibilit d'eau lors de la saison de croissance du vgtal. Par

ailleurs, des mesures effectues par Laza et al. (2006) sur le riz ont montr une corrlation

ngative entre le rendement en grain et la valeur C de celui-ci. Ces auteurs ont reli cela

un meilleur statut hydrique. La mme tendance a t observe entre le rendement en grain

du bl et sa valeur 13C (Ferrio et al., 2007).

1.8 Problmatique de recherche

Les RDD ont un effet rpressif sur la biomasse et le nombre des dicotyldones

annuelles (Machrafi et al., 2010). Cependant, les connaissances des mcanismes d'action

des RDD sur les plantes ainsi que leurs impacts sur le rendement qualitatif et quantitatif du

soya et du mas-grain, cultivs en rotation, sont pratiquement inexistantes. Ces

connaissances sont fondamentales pour une valorisation agricole optimale des RDD dans ce

type de rotation, d'o l'intrt de la prsente tude.

1.9 Hypothses

Les hypothses la base de cette tude sont :

16

Le pouvoir herbicide des RDD est reli une modification de la dynamique du

carbone et de l'azote du sol ainsi qu'aux produits phnoliques, susceptibles de

perturber la croissance des plantes adventices;

Les RDD, utiliss comme agent de lutte additionnel ou non aux herbicides,

permettraient d'amliorer la lutte aux mauvaises herbes dans une rotation soya-

mas, sans nuire au rendement et la qualit :

du soya, du fait de son autonomie azote;

du mas, combin une fertilisation azote approprie sur les rangs.

1.10 Objectifs

Cette tude avait deux objectifs gnraux. Le premier tait d'identifier et

d'expliquer les causes de la rpression des adventices par les RDD. Le deuxime tait

d'valuer, sous trois stratgies de dsherbage, les effets de l'application annuelle des RDD

et de la fertilisation azote sur les rendements et la qualit du soya et du mas-grain cultivs

en rotation et o le soya est en tte de l'assolement. Pour atteindre ces deux objectifs

gnraux, les objectifs spcifiques viss taient de :

caractriser les composs phnoliques des RDD ainsi que d'tudier, au cours de

huit semaines, dans un sol amend avec trois doses de RDD, la dynamique du

carbone, de l'azote total, du rapport C:N, du nitrate, de l'ammonium et des

composs phnoliques et d'valuer le pouvoir phytotoxique de ces derniers;

tudier les effets des RDD sous trois stratgies de dsherbage sur (i) les

paramtres agronomiques du soya lors de la premire et de la troisime annes de

rotation soya-mas en prenant en compte la fertilisation azote rsiduelle

applique au mas lors de la deuxime anne de la rotation; (ii) le statut hydrique

et azot du soya par le bais des analyses isotopiques du carbone et de l'azote du

grain et de la paille;

17

tudier les effets de trois doses de fertilisation azote et trois doses de RDD

appliques annuellement combines trois stratgies de dsherbage sur le

rendement et la qualit du mas cultiv en rotation avec le soya.

1.11 Rfrences

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CHAPITRE 2

Effets court terme des rsidus de dsencrage sur la dynamique du carbone, de l'azote et des composs

phnoliques du sol

Rsum

L'utilisation des rsidus de dsencrage (RDD) comme amendement agricole diminue

l'tablissement de certaines plantes. Les causes de cette rpression demeurent inconnues.

Ainsi, l'objectif de la prsente tude tait de les lucider par des essais au champ et au

laboratoire. cet effet, l'impact de l'application des RDD sur le carbone total (C) du sol,

l'azote (N), le rapport C:N, le nitrate, l'ammonium et les composs phnoliques a t

tudi, en dbut de deux saisons culturales, pendant huit semaines deux sites diffrents.

Aussi, la phytotoxicit des solutions simulant les composs phnoliques des RDD frais et

du sol amend avec des RDD a t tudie. Douze composs phnoliques ont t quantifis

dans les RDD frais. La vanilline et l'acide 3-hydroxy-4-methoxycinnamic ont augment

dans le sol, suite l'application des RDD. L'azote total et l'ammonium du sol n'ont pas t

affects par les RDD. Le carbone total et le rapport C:N du sol ont augment avec la dose

des RDD, alors que la teneur du sol en nitrate a diminu. Les indices de germination des

espces vgtales l'tude ont t diffremment affects par les solutions simulant les

acides phnoliques provenant des RDD. Les rsultats de cette tude montrent que

l'immobilisation du nitrate est un facteur important pour expliquer la diminution de

l'tablissement de certaines espces vgtales. Cependant, il n'est pas vident d'exclure

l'implication des composs phnoliques du fait que ces derniers sont connus pour inhiber la

nitrification et par leur capacit de piger le nitrate dans des composs azots organiques.

Ce chapitre, avec diverses modifications, a t publi dans la revue Journal of Agricultural

and Food Chemistry 56: 11399-11406. Voir Machrafi et al , 2008.

28

Short-term Effects of De-inking Paper Sludge on the Dynamics of Soil Carbon,

Nitrogen, and Phenolic Compounds

Y. Machrafi1, F.-P. Chalifour1, J. Wamegni1 and CJ. Beauchamp1

'Dpartement de phytologie, Facult des sciences de l'agriculture et de l'alimentation,

Pavillon Paul-Comtois, 2425 rue de l'Agriculture, Universit Laval, QC, Canada G1V 0A6.

Reprinted and adapted with permission from Journal of Agricultural and Food Chemistry

56: 11399-11406. Copyright 2008 American Chemical Society.

29

2.1 Abstract

Applications of de-inking paper sludge (DPS) decreased the establishment of some

crops indicating that it may have inhibiting effects. The effects of soil-applied DPS on total

carbon (C), nitrogen (N), C:N ratio, and nitrate, ammonium, and phenolic compounds were

studied for two years. The phytotoxicity of simulated phenolic solutions of raw DPS and

DPS-amended soil was investigated. Twelve phenolic compounds were quantified in raw

DPS. Vanillin and 3-hydroxy-4-methoxycinnamic acid increased with DPS applications in

amended soil for both years. Total soil C and the C:N ratio increased with DPS

applications, while nitrate soil content decreased. Germination indices were affected

differently by the phenolic compound solution that simulated DPS. This study highlights

the lack of availability of nitrate as the main factor involved in the inhibiting effect of DPS.

However, other inhibiting effects of phenolic compounds cannot be ruled out since they are

known to inhibit nitrification and to trap nitrate into organic N compounds.

Keywords: Phytotoxicity; Paper waste; Phenolic acids; Nitrate; Ammonium; Lepidium

sativum; Glycine max; Zea mays.

30

2.2 Introduction

The de-inking process produces a waste by-product, de-inking paper sludge (DPS),

which contains mainly paper fibers (lignin, cellulose, etc.), clay particles, and inks (NCASI,

1992). Several million tonnes of pulp and paper waste are generated each year in North

America and are available for soil amendments. DPS is low in toxic products (i.e., dioxins

and furans) and trace elements (Beauchamp, et al., 2002) and meets Quebec quality

standards for the beneficial use of fertilizing residues (MDDEP, 2008). However, the high

carbon (C): nitrogen (N) ratio of DPS (ca. 300: 2) can limit its use compared with

combined paper sludge which has a lower C:N ratio. De-inking paper sludge often requires

an exogenous N source to decrease its C:N ratio for adequate plant growth (Fierro et al.,

1999; Filiatrault et al., 2006). In a field study that evaluated the effects of DPS application

on dinitrogen (N2)-fixing legume crops (Allahdadi et al., 2004), establishment differences

were noted for alfalfa (Medigago sativa L.) and birdsfoot trefoil (Lotus corniculatus L.)

compared with sweetclover (Melilotus officinalis L.) and red clover (Trifolium pratense L.);

the latter two species were unaffected. Also, initial establishment of bromegrass (Bromus

inernis L.) was suppressed with high levels of DPS applications (Allahdadi et al., 2004). In

that study, it was observed that weed growth appeared to be suppressed during

establishment of forage species. The reasons for these differences are not clear. One

hypothesis is that DPS, with its high C:N ratio, caused N immobilization and suppressed

the growth of some plant species. However, differences among the legume crops suggest

that DPS may have differential inhibiting effects on plants.

In Canada, wood is the main raw material used in paper manufacturing. Previous

studies identified water extractive compounds, including phenolic compounds, in wood and

their wastes (USDA, 1971; Machrafi, et al., 2006). In wood-derived wastes used in soil

amendments, we can assume the presence of some phenolic compounds and degraded by-

products; these substances are derived, in part, from the degradation of lignin, which is the

second most abundant compound of wood (Rice, 1984; Machrafi, et al., 2006). This

biodgradation occurs when wood waste comes in contact with microorganisms present in

the environment. Many studies report that phenolic compounds affect plant growth by

altering the uptake and transport of ions, thereby reducing chlorophyll content, protein

31

synthesis, enzymatic activity, respiration, and the water ratio (Baziramakenga et al., 1994;

Machrafi, et al., 2006).

For the most part, differences in legume establishment and the growth suppression

of some plant species with DPS application are not well understood. The objectives of this

study were to: 1) study the short-term dynamics of C, N, C:N ratio, nitrate, and ammonium

in soil following three applications of DPS (0 (control), 8, or 16 Mg C ha-1) without

additional N; 2) characterize the phenolic compound profile of DPS and the dynamics

during decomposition of DPS by-products in DPS-amended soil and; 3) investigate the

toxicity of a simulated solution of phenolic compounds contained in DPS, and in DPS-

amended soils, on the germination index of several crops.

2.3 Materials and methods

2.3.1 Site management and soil sampling

The experiment was conducted in 1999 and 2000 at two different field locations

previously not amended with DPS. Both sites were at St. Augustin de Desmaures

agronomic research station of Laval University, Quebec City, Quebec, Canada (46 38' 09"

N, 71 48' 56" W). The soil was well drained and its texture classified as Tilly sandy loam

(52 5% sand, 30 4% silt, 14 2% clay, 4.1% organic matter and pH: 5.9). Each year,

DPS (Papiers White Birch Division Stadacona, Quebec City, Quebec, Canada) was spread

uniformly on the soil surface of new plots and incorporated within the upper 0-15 cm of

soil, applied at 0 (control), 8, or 16 Mg C ha-1. Plots (4.5 x 6 m) were laid out in a split-plot

design. Since no crop was established, no fertilization was applied. The main plots were

DPS applications and the subplots were the seven sampling dates. Sampling started

immediately after the soil amendment was applied (week 0), at one-week intervals for the

next four weeks (weeks 1, 2, 3,4), and at two-week intervals until week 8. Sampling started

on June 17 in 1999, and on June 5 in 2000. Soil cores were collected to a depth of 15 cm

using metal cores (8-cm diameter x 10-cm long). Soil samples were sieved to pass through

a 2-mm screen, stored in plastic bags, and frozen prior to laboratory processing and

analyses.

32

2.3.2 Soil carbon and nitrogen

The soil samples were dried at 65 C for 24 h and ground at 0.12 mm (Retsch

Ultracentrifugal Mill, Brinkmann Instruments Canada, Ltd., Rexdale, Ontario).

Subsequently, total organic C and total N were determined by dry combustion (CNS-1000,

Leco; St. Joseph, Michigan). To extract nitrate and ammonium, 5 g of soil were added to 50

mL of 2 M KC1 and agitated for 30 min on a reciprocal shaker (Eberbach corp., Ann Arbor,

Michigan). Subsequently, the solutions were filtered through a Whatman No. 42 paper

filter. The nitrate extracts were diluted 10 times prior to HPLC quantification. The ion

chromatograph used was a Dionex DX 500 (Dionex Corp., Sunnyvale, CA).

Chromatography was carried out using an ionpac cation-exchange CS5 (4 x 250 mm)

column and CG5 (4 x 50 mm) guard column. Nitrate was isocratically eluted with a 35 mM

KC1 solution at 1 mL min-1 flow rate and characterized by its UV absorbance at 215 nm.

Nitrate was quantified by Peaknet software Release 4.30, using KNO3 as standard, and

reported as mg N3- kg-1 soil. Ammonium nitrogen was quantified by a colorimetric

method (Nkonge et al., 1982). Briefly, 1.5 mL of buffer reagent (14.25 g of Na2HP04;

50.70 g of KNaC4H406.4H20; 54 g of NaOH in 1000 mL of deionised water) and 0.4 mL

of sodium salicylate nitroprusside reagent were added to 0.5 mL of each filtered solution.

Mixtures were kept in a water bath at 25 C for 10 min, mixed with 0.2 mL of sodium

hypochlorite 1.2%, and incubated for another 30 min at 25C. Finally, the absorbance was

measured with a spectrophotometer (Pharmacia Biotech Ultrospec 3000 UV-visible

spectrophotometer, Cambridge, UK) at 645 nm.

2.3.3 Phenolic compound extraction and characterization

The extraction method is described in Machrafi et al. (2006). Briefly, for raw DPS,

20 g of DPS (wet basis (w.b.)) was suspended in 100 mL of NaOH 0.1 M and agitated for

16 h at ambient temperature on a reciprocal shaker (Eberbach Corp., Ann Arbor,

Michigan). For DPS-amended soil, 50 g of soil (w.b.) was used. All suspensions were

centrifuged and the supernatants filtered. The filtrates were acidified overnight at 4 C with

1 M HC1 to pH 2.5, centrifuged, and filtrated. The supernatants were washed three times

with 10-mL ethyl acetate for 5 min and the resulting 30-mL pooled solution was evaporated

33

to dryness. Solids were dissolved in 2 mL of 50% methanol and kept in darkness at -4 C

until undergoing chromatography.

Phenolic compounds were identified by injecting a 10-ul aliquot into a Dionex DX

500 chromatograph equipped with an AS40 Automated Sampler, a 10-pl valve loop

injector, a Dionex GP40 Gradient Pump, and an AD20 absorbance detector.

Chromatogra