L'azote (N) et le phosphore (P) sont au coeur des défis visant à concilier production alimentaire et qualité d'eau. Si N et P sont essentiels à la production agricole, l'enrichissement des écosystèmes aquatiques par ces éléments nutritifs peut occasionner une perte d'oxygène dans le milieu, une perturbation des réseaux trophiques, la prolifération d'algues nuisibles toxiques et une perte de biodiversité. Ce processus d'eutrophisation entraîne donc d’importantes conséquences sur la santé humaine et les économies locales. L'objectif de cette thèse est d'améliorer notre compréhension des facteurs anthropiques et naturels régissant les flux de N et P à l'échelle des bassins hydrographiques, et ce en voie d’une meilleure gestion des nutriments au nexus eau-alimentation. D'abord, nous nous penchons sur l’impact des activités humaines sur les flux de N et P dans 76 bassins versants du Saint-Laurent, et ce dans une perspective historique couvrant le dernier siècle. Nous montrons que depuis 1901 les surplus de N et P au bassin du Saint-Laurent (BSL) ont augmenté respectivement de 4,5 fois et 3,8 fois, avec un pic en 1991 principalement dû aux dépôts de N atmosphérique et à l'application d'engrais phosphatés. Ces apports nets anthropiques au territoire sont fortement liés aux charges fluviales où ~22% des surplus de N et ~17% des surplus de P sont exportés par les rivières. En suivant les principales sources d'intrants au territoire à travers le temps, cette étude souligne que les stratégies devront être spécifiques à chaque région, bien qu'elle montre aussi clairement l’impact positif de législations à grande échelle (Goyette et al. 2016). Si nous savons que les apports anthropiques de N et P au territoire favorisent l'export fluvial, notre compréhension d'autres facteurs contrôlant ces transferts demeure limitée. Aussi, au-delà des apports absolus au milieu aquatique, les concentrations relatives de N et P influencent la qualité de l’eau. Nous montrons que les précipitations et la capacité de rétention d’eau du territoire agissent comme principales forces de contrôle et de découplage des flux de N et P et que les lacs et réservoirs jouent un rôle second, mais significatif. Nous observons un effet de legs historique, et ce particulièrement lors de précipitations extrêmes, et concluons que face aux changements climatiques, l'augmentation de capacité de rétention d'eau des territoires sera essentielle à l'atténuation de l'eutrophisation (Goyette et al. in review a).  L'effet de legs en P est une problématique majeure de l'eutrophisation. Cependant, les décalages temporels des flux de P encourus par cet effet demeurent incertains. Aussi, l’existence d’un seuil d’accumulation au-delà duquel un bassin dépasse sa capacité optimale de rétention de P est inconnue. Nous nous penchons donc sur la capacité tampon en P des bassins versants, tant durant la phase d’accumulation que celle d’épuisement des stocks accumulés. Nous montrons que le seuil d'accumulation pour une rétention optimale de P par les bassins versants est particulièrement bas et qu’il peut être atteint en moins de 10 ans aux taux actuels d'intrants dans les régions fortement agricoles. À l'inverse, le retour aux conditions initiales pourrait prendre plusieurs siècles. L'étude présente pour la première fois un seuil de saturation en P à l'échelle du bassin versant et met en lumière la nécessité d’exploiter  les stocks de P accumulés dans les sols (et sédiments) afin de concilier production alimentaire et qualité d'eau (Goyette et al. in review b). Parmi différentes mesures d’atténuation de pollution par les nutriments, l’augmentation d’efficience d’utilisation de N et P dans le secteur agricole apparaît comme une stratégie clé. Nous dressons donc un portrait des tendances temporelles d’efficience d’utilisation de N et P dans la filière agroalimentaire du BSL au cours du dernier siècle. Nous montrons que l’agriculture de cette région était non durable entre 1901 et 1960 épuisant graduellement les sols de leurs nutriments, et que par l’utilisation de fertilisants, le système a rapidement basculé vers un système inefficient où ~70% et ~90% des apports en N et P respectivement sont aujourd'hui perdus vers l'environnement. Nous observons que la simple augmentation d'efficience au sein du système agroalimentaire n'est pas garante d'une diminution des pertes en nutriments vers l'environnement et concluons donc, qu'en parallèle aux gains d'efficience, un seuil maximal de pertes vers l'environnement doit être quantifié et imposé, afin de respecter la capacité de support des écosystèmes (Goyette et al. in prep). En quantifiant l'effet différentiel des activités humaines, du climat et de certaines caractéristiques du territoire sur les flux de N et P, cette thèse dégage de l’information pertinente à une meilleure gestion de ces nutriments au sein des systèmes socio-écologiques.

Mots-clés : azote , phosphore , eutrophisation , anthropique , charges fluviales , qualité d'eau , territoire , lacs , barrages , climat , bassin du Saint-Laurent , historique