Opportunity of digital tools to optimize wheat nitrogen fertilization on a territorial scale | Opportunité des outils numériques pour optimiser la fertilisation azotée du blé à l’échelle d’un territoire

anglais. The improvement of nitrogen (N) fertilization practices is an important lever in the transition to a more sustainable agriculture. The rationale behind fertilization is based on numerous factors, which are difficult to consider with the means currently available to farmers. In recent years, high-precision technologies have been introduced, offering new possibilities for finely characterizing the processes involved in crop development.In this thesis, we sought to evaluate the contribution of digital agriculture to improving N fertilization practices on the Walloon territory. This work addresses three themes, each corresponding to an element of the fertilization decision-making process. The first part aims to define a framework for rationalizing nitrogen fertilization. Based on the concept of phenotypic plasticity applied to wheat yield components, we have searched, in various experimental situations, for the yield composition that will allow high yields to be achieved while limiting nitrogen inputs. Two nitrogen fertilization schemes were selected. The first consisted of an initial low input of N followed by two high inputs of N. The second included a first and last application of high nitrogen, separated by a lower application. These fertilization schemes highlight the importance of balancing the expression of yield components to enable efficient practices. These results also provide a basis for adapting fertilization practices to subfield yield variations. The second part of this thesis was devoted to characterizing yield variations within agricultural plots. In this part, a first study aimed at adapting a management zone delineation method using satellite images from the Sentinel-2 program. The relationship between yield and a vegetation index calculated from these images was first assessed on an annual scale. Among the various indices, NDVI obtained the best results. A period of optimal detection of the index, observed at the end of May, was then used to evaluate the relationship on an interannual scale, by applying the delimitation method to each variable. An accuracy of 71% was achieved by adjusting the method to the characteristics of the NDVI. A second study aimed to deploy the delineation method at the scale of the Walloon territory, in order to assess the interest of delineation. On territorial scale, 15907 plots were delimited. Management zones, delineated on the basis of a yield proxy, were linked to soil properties such as useful reserve or clay-humus complex. Although a link was observed between plot size and heterogeneity, a group of small plots also showed variations, reinforcing the interest of the delimitation diagnosis.The third part used the territorial map of delineated plots, intersected with a soil database, to simulate fertilization patterns in each management zone, using the STICS model. The results confirmed the model's ability to represent the yield differences detected within the plots. The simulations also revealed a property of the management zones likely to modify the adaptation of N fertilization practices as initially envisaged.This thesis is the first large-scale evaluation of digital agriculture in the European context. It provides a basis for further research aiming to (1) improve management zone detection capabilities and (2) adapt N fertilization rationale to the precise characteristics of management zones.

français. L'amélioration des pratiques de fertilisation azotée (N) est un levier important de la transition vers une agriculture plus durable. Le raisonnement de la fertilisation repose sur de nombreux facteurs, difficiles à prendre en compte avec les moyens actuels à la disposition des agriculteurs. Ces dernières années, des technologies de haute précision ont vu le jour et offrent de nouvelles possibilités pour caractériser finement les processus impliqués dans le développement des cultures.Dans cette thèse, nous avons cherché à évaluer l'apport de l'agriculture numérique pour améliorer les pratiques de fertilisation N à l'échelle du territoire Wallon. Ce travail aborde trois thématiques qui chacune correspond à un élément du processus décisionnel de fertilisation.La première partie cherche à établir un cadre de raisonnement de la fertilisation N. A partir du concept de plasticité phénotypique appliqué aux composantes de rendement du blé, nous avons cherché, dans une diversité de situations expérimentales, la composition de rendement permettant à la fois d'atteindre des rendements élevés tout en limitant les apports d'azote. Deux schémas de fertilisation N ont été retenus. Le premier consistait en un apport d'azote initial faible suivi de deux apports élevés. Le second comportait une première et une dernière application d'azote élevée, séparées d'un apport plus faible. Ces schémas de fertilisation soulignent l'importance d'un équilibre dans l'expression des composantes de rendement pour permettre des pratiques efficientes. Ces résultats constituent aussi une base pour adapter les pratiques de fertilisation aux variations infra-parcellaires de rendement.La deuxième partie de ce travail était consacré à la caractérisation des variations de rendement à l'intérieur des parcelles agricoles. Dans cette partie, une première étude visait à adapter une méthode de délimitation de zones de management à partir d'images satellites du programme Sentinel-2. La relation entre le rendement et un indice de végétation calculé à partir de ces images a d'abord été évaluée à l'échelle annuelle. Parmi différents indices, le NDVI obtenait les meilleurs résultats. Une période de détection optimale de cet indice, observée à la fin du mois de mai, a ensuite permis d'évaluer cette relation à l'échelle interannuelle, en appliquant la méthode de délimitation à chaque variable. Une précision de 71% a été atteinte en adaptant la méthode aux caractéristiques du NDVI. Une seconde étude visait à déployer la méthode de délimitation à l'échelle du territoire Wallon pour évaluer l'intérêt de la délimitation dans ce contexte. A cette échelle, 15907 parcelles ont pu être délimité. Les zones de management, délimitées à partir d'un proxy du rendement, étaient liées à des propriétés de sol telles que la réserve utile ou le complexe argilo-humique. Bien qu'un lien soit observé entre la taille des parcelles et leur hétérogénéité, un ensemble de petites parcelles présentaient elles aussi des variations, renforçant l'intérêt du diagnostic de délimitation.La troisième partie s'appuyait sur la carte territoriale des parcelles délimitées, croisée avec une base de données de sols, pour simuler des schémas de fertilisation dans chaque zone de management, à l'aide du modèle STICS. Les résultats obtenus ont permis de confirmer la capacité du modèle à représenter les différences de rendement détectées au sein des parcelles. Ces simulations ont aussi révélé une propriété des zones de management susceptible de modifier l'adaptation des pratiques de fertilisation N telle qu'elle était initialement envisagée.Cette thèse constitue une première évaluation à grande échelle de l'agriculture numérique dans le contexte Européen. Elle constitue une base de recherche pour poursuivre des travaux visant à (1) améliorer les capacités de détection des zones de management et (2) adapter le raisonnement de fertilisation N aux caractéristiques précises des zones de management.