La transition agroécologique vise la triple performance agronomique, écologique et sociétale des exploitations agricoles. Un certain nombre de pratiques agricoles permet d’envisager la construction et le développement de systèmes de culture répondant à ces contraintes. Les légumineuses, par leur capacité à fixer l’azote atmosphérique, sont une alternative intéressante aux intrants azotés. Outre l’absence de fertilisation lors de leur culture, elles fournissent de l’azote à la culture suivante. Il existe cependant un manque de références sur certaines légumineuses à graines et notamment la culture du pois d’hiver. En effet, si des données acquises dans différentes régions françaises sont disponibles, aucune référence n’a été publiée pour la Normandie où la culture du pois d’hiver connaît un récent regain d’intérêt. Cette thèse propose d’évaluer, sur une période de deux ans, l’effet du remplacement du colza par le pois d’hiver en tête de rotation en réalisant une analyse comparative de ces deux successions (pois d’hiver-blé et colza-blé). L’objectif était d’évaluer l’effet de ce changement de tête de rotation (pois d’hiver vs colza) sur l’état biologique du sol et les flux d’azote à différentes échelles spatiotemporelles. Les résultats ont révélé une forte variabilité spatio-temporelle dans la réponse des communautés microbiennes du sol, et mis en évidence l’importance du contexte pédoclimatique dans le déterminisme de l’abondance et de l’activité des communautés microbiennes du sol. Ils ont montré par ailleurs, l’effet positif du pois d’hiver sur la disponibilité de l’azote minéral au cours du cycle cultural et pour les cultures suivantes, ici le blé puis l’orge. Les apports d’azote minéral dans le sol lié à la contribution des parties racinaires via la rhizodéposition et à la dégradation des résidus de culture après récolte ont été évalués au cours de ce travail de thèse. En effet, si la rhizodéposition s’est révélée plus importante sous pois d’hiver, elle n’a pas eu d’impact significatif sur les communautés microbiennes rhizosphériques. Contrairement à ces observations, la dégradation des résidus de culture a significativement modifié la composition des communautés bactériennes en lien avec leur composition biochimique initiale. La succession culturale incluant le pois a enrichi le sol en azote minéral mais des risques de perte d’azote par lixiviation de l’ordre de 23 kg N. ha-1 ont été estimés. Ces constats soulignent l’importance d’adapter la conduite des systèmes de culture incluant le pois d’hiver, en limitant les pertes d’azote par lixiviation et en maximisant son utilisation par les cultures suivantes. Les résultats de ces travaux ont confirmé la diminution des quantités d’engrais azoté utilisées dans la succession contenant le pois, sans préjudice de productivité, ni pour le pois, ni pour la culture suivante, ici, le blé. Finalement, introduire le pois d’hiver dans la rotation de culture en région Normandie, semble permettre de répondre à la problématique d’augmentation du coût des intrants, et aux enjeux de transition agroécologique et d’autonomie protéique régionale.