Evaluation of STICS model performance for long-term simulation of biomass production and nitrogen nutrition of spring barley and timothy cultivated in two important agricultural regions in Quebec (Canada) | Évaluation de la simulation à long terme sur STICS de la production de biomasse et de la nutrition azotée d’orge de printemps et de fléole des prés cultivés dans deux zones de production agricole du Québec (Canada)

anglais. Spring barley (Hordeum vulgare L.) and timothy (Phleum pratense L.) are crops of prime economic importance for the province of Quebec and other regions with cold, humid continental climate (North America, Nordic countries, etc.). Soil-crop models are powerful tools for calculating, a wide range of agronomic and environmental variables, since they are designed to simulate the complex interactions between crops, water, and soil nitrogen (N) in the soil–plant–atmosphere continuum. Among other models, STICS is a process-based soil-crop model developed initially for temperate agropedoclimatic conditions. However, it can be adapted to conditions of other agrosystems.The objectives of this thesis were to analyze and extend the scope of application of STICS to these two economically important crops grown under agropedoclimatic conditions in the Province of Quebec, and to evaluate the model's predictive performance on long–term simulations. This thesis is a contribution to the study of the genericity of STICS for Quebec agrosystems. In addition to the climatic context, the originality of this work lies in the crops studied – spring barley and timothy – and the number of successive years of continuous simulations (without annual reinitialization). The predictive performances of STICS were analyzed for aboveground biomass production, N content and N export for i) a 31-year spring barley monoculture grown under two tillage systems and fertilized with two N sources (mineral N and liquid dairy manure); and ii) an 8-year timothy grassland, fertilized each year with four application N rates (0, 60, 120, 180 kg N ha-1). We used databases from two experimental field trials conducted by Agriculture and Agri-Food Canada.For the barley monoculture, the STICS calibration procedure required the adjustment of cultivar parameters in particular, thus confirming the genericity of most plant parameters defined in STICS. There is a good agreement between observed and predicted variables of interest with the various tillage systems and N sources during the 31 successive barley cropping years, but with greater dispersion for the N nutrition. Predictions of crop attributes were more accurate in years with rainfall close to the long-term average. For timothy grassland grown over 8 years, the agreement between observed and predicted values was satisfactory for the first harvest. STICS correctly simulated the positive effect of the N application rates on biomass production and plant N nutrition. Nevertheless, the predicted values were overestimated by the model in the absence of N fertilization. Except for this very specific situation, which is not representative of agronomic practices, STICS performed satisfactorily in the context of the two field experiments studied. In addition, STICS reproduced well decreasing trend in timothy productivity observed with the age of the sward. The results showed that this decrease in yield over time is strongly correlated with the reduction in metabolic reserve in the perennial organs.In conclusion, this thesis work has demonstrated the applicability and reliability of the STICS model for the long-term simulation of biomass production and N nutrition of spring barley and timothy under agropedoclimatic conditions in the Province of Quebec.

français. L’orge de printemps (Hordeum vulgare L.) et la fléole des prés (Phleum pratense L.) sont des cultures de première importance économique pour la Province du Québec et d’autres régions de climat continental froid et humide (Amérique du Nord, les pays nordiques…). Les modèles sol-culture sont des outils puissants capables de calculer de nombreuses variables d’intérêt agronomique et environnemental. Ils sont conçus pour simuler les interactions complexes entre les cultures, l'eau et l'azote (N) du sol dans le continuum sol–plante–atmosphère. Entre autres modèles, STICS est un modèle sol–culture basé sur les processus, qui a été développé initialement pour des conditions agropédoclimatiques de régions tempérées. Cependant, étant un modèle générique, il est possible de l’adapter aux conditions d’autres agrosystèmes.Les objectifs de cette thèse étaient d’analyser et d’élargir le domaine d’application de STICS à ces deux cultures d’importance économique cultivées dans des conditions agropédoclimatiques de la province de Québec et d’évaluer les performances prédictives du modèle sur des simulations sur le long terme. Cette thèse est une contribution à l’étude de la généricité de STICS pour des agrosystèmes québécois. Outre le contexte climatique, l’originalité de ce travail porte sur les cultures étudiées, orge de printemps et fléole des prés, et le nombre d’années successives de simulations en continu (sans réinitialisation annuelle). Les performances prédictives de STICS ont été analysées pour la production de biomasse aérienne annuelle, sa teneur en N et la quantité de N exporté pour i) une monoculture d’orge de printemps de 31 ans cultivée avec deux modes de travail du sol et fertilisée avec deux sources de N différentes (engrais azoté minéral et lisier de vaches laitières) ; et ii) une prairie de fléole des prés de 8 ans, fertilisée chaque année avec quatre doses d’engrais azoté minéral (0, 60, 120, 180 kg N ha-1). Nous avons utilisé les bases de données de deux dispositifs expérimentaux au champ d’Agriculture et Agroalimentaire Canada.Pour la monoculture d’orge, la procédure de calibration de STICS a nécessité l'ajustement des paramètres de cultivar en particulier, confirmant ainsi la généricité de la plupart des paramètres des plantes définis dans STICS. Les valeurs simulées sur une période de 31 ans se sont révélées être correctement en accord avec les valeurs observées des variables d’intérêt pour les différents traitements, mais avec une plus grande dispersion pour la nutrition azotée. Les résultats de la simulation des attributs de la production végétale au moment de la récolte étaient plus précis pour les années où les précipitations étaient proches de la normale. Pour la prairie de fléole des prés suivie pendant 8 ans, la correspondance entre les valeurs observées et simulées était satisfaisante pour la première coupe effectuée au printemps. STICS a correctement simulé l'effet positif de la dose de fertilisation azotée sur la production de biomasse et la nutrition azotée des plantes. Néanmoins, les valeurs simulées étaient surestimées par le modèle en l’absence de fertilisation azotée. Si l’on excepte cette situation très particulière, non représentative des pratiques agronomiques, les performances de STICS sont donc satisfaisantes dans le contexte dans le contexte des deux essais au champ étudiés. De plus, STICS a bien reproduit la tendance à la baisse de la productivité de la fléole des prés observée en fonction de l'âge de la prairie. Les résultats ont montré que cette baisse de rendement au fil du temps est fortement corrélée à la réduction de la réserve métabolique dans les organes de réserve.En conclusion, ce travail de thèse a montré l’applicabilité et la fiabilité du modèle STICS pour la simulation sur le long terme de la production de biomasse et de la nutrition azotée d'orge de printemps et de la fléole des prés dans des conditions agropédoclimatiques de la Province de Québec.