Les 'révolutions vertes' des 50 dernières années ont permis à l'agriculture de répondre à une demande croissante en produits agricoles, grâce aux progrès génétiques et à l'apport généralisé d'intrants permettant de lever des contraintes à la croissance des cultures. Ces pratiques n'ont toutefois pas été sans conséquences pour les écosystèmes, mettant en danger leur capacité à fournir leurs services actuels: production de nourriture et d'énergie, purification de l'eau, régulation du climat, etc... L'agriculture se trouve ainsi face à un dilemme: peut-on concilier la satisfaction de besoins en constante augmentation avec la préservation de l'environnement?<br /><br />Mes recherches s'inscrivent dans cette problématique, et sont centrées sur l'évaluation des systèmes de grandes cultures, avec une approche intégrée sous forme de bilan environnemental. Le bilan prend en compte de façon simultanée les impacts des pratiques culturales sur les milieux sol, eau, et atmosphère, pour un niveau de production donné, permettant ainsi de minimiser les transferts de pollution entre compartiments. Les impacts envisagés concernent les éléments carbone et azote, ainsi que les pesticides, à la fois pour les échanges gazeux, la rétention dans les sols et le rejet vers les eaux souterraines. La quantification des pertes environnementales repose sur une modélisation des cycles bio-géochimiques dans les systèmes sol-plante.<br /><br />Le développement de modèles intégrés de simulation des processus d'émission de polluants, avec un accent particulier sur les échanges gazeux, a constitué la majeure partie de mon activité, et dans ses différentes facettes: intégration de processus, test sur jeux de données expérimentales, extrapolation dans le temps et dans l'espace, et enfin application au diagnostic environnemental dans des contextes finalisés. Ces derniers ont impliqué des domaines comme les bio-énergies, le recyclage de déchets urbains en agriculture, ou l'introduction de cultures tolérantes aux herbicides à large spectre.<br /><br />La conclusion de ces analyses est que les marges de manoeuvre sont: i/ relativement faibles si l'on raisonne les pratiques de façon incrémentale dans le paradigme actuel, relativement intensif, ou ii/ intéressantes mais uniquement sur certains enjeux (eg, effet de serre pour bio-énergie), les autres enjeux étant plus difficiles à quantifier car tributaires des contextes locaux. Mes recherches futures vont donc porter sur une approche plus systémique des productions ou fonctions évaluées, intégrant des disciplines comme la micro-économie ou l'agronomie, et se déroulant dans un territoire décrit de façon explicite.

La maîtrise des épidémies fongiques par l'utilisation de résistances génétiques occupe une place centrale dans mon parcours de recherches. En tant qu'épidémiologiste, j'étudie la biologie et la génétique des populations du champignon responsable du phoma (Leptosphaeria maculans) en relation avec la stabilité de l'efficacité des résistances du colza dans les agro-écosystèmes. Comme trame à mon rapport d'HDR, je propose de revenir sur ce parcours en montrant en quoi l'utilisation du concept d'"épidémie" verrouillait notre conception d'épidémiologistes en focalisant les travaux sur l'échelle de la parcelle pendant la saison culturale ; puis comment mes travaux sur les populations naturelles (d'escargots) m'ont permis d'enrichir ma vision d'agronome. Ces connaissances m'ont permis de travailler à renforcer la prise en compte conjointe de l'épidémiologie et de la génétique des populations en étudiant la transmission de descendants entre saisons culturales. J'ai en particulier produit des connaissances sur la production d'inoculum à l'issue de la saison culturale et sur la dissémination entre parcelles. En parallèle à la production de connaissances, mon investissement théorique m'a permis de proposer un cadre dans lequel l'épidémiologie - à condition de la penser en termes d'"épidémies cycliques" - peut permettre le dialogue entre génétique et agronomie, entre dynamique et évolution des populations. Ceci ouvre la perspective de travailler dans les agro-écosystèmes, sur la coévolution entre métapopulations pathogènes (les champignons) et métapopulations hôtes (les plantes), sous l'influence des actions humaines.

En réponse aux pertes de biodiversité et à une insécurité alimentaire croissante, l’agriculture moderne doit se tourner vers une gestion plus durable des paysages agricoles. L’Agriculture Biologique (AB) est considérée comme une solution prometteuse à ces enjeux. En effet, ses pratiques agricoles étant globalement plus favorables aux ennemis naturels de ravageurs que celles de l’Agriculture Conventionnelle (AC), elle pourrait permettre de remplacer l'utilisation des pesticides par celle du contrôle biologique. Cependant, les études évaluant ces effets restent contradictoires, probablement car elles ne tiennent pas compte de la diversité des pratiques réalisées en AB et en AC. A plus large échelle, les pratiques ont par ailleurs rarement été considérées dans la description de l’hétérogénéité paysagère, bien que la nature et l’organisation spatiale de la matrice agricole soit susceptible d’affecter les espèces qui y vivent. L’objectif de ce travail de thèse est d’évaluer les effets de la diversité et de l’organisation spatiale des pratiques en AB et en AC sur les insectes auxiliaires, à l’échelle de la parcelle et du paysage. Un travail de terrain a été réalisé en 2012 et 2013 en Ille et Vilaine. Quarante paires de parcelles de blé d’hiver en AB et en AC ont été sélectionnées, réparties le long d’un gradient paysager de surfaces en AB. Dans chaque parcelle, les communautés d'ennemis naturels de pucerons (coccinelles, carabes, parasitoïdes) ont été échantillonnées. Des enquêtes ont permis de caractériser les pratiques agricoles réalisées par les agriculteurs dans les parcelles suivies et dans leur environnement paysager. Nous avons mis en évidence l’existence d’une large diversité de pratiques agricoles dans les systèmes en AB et en AC. A l’échelle parcellaire, les effets des pratiques sur la diversité des insectes auxiliaires sont forts, les systèmes en AB leur étant globalement plus favorables. Considérer un niveau plus fin de description des pratiques nous a permis d’identifier celles qui affectent réellement les insectes et de montrer qu’il est possible de favoriser leur présence, quel que soit le mode de production. A l’échelle du paysage, nous n’avons mis en évidence aucun effet de l’étendue et de l’organisation de l’AB sur les ennemis naturels. Une description plus fine des pratiques nous a malgré tout permis de souligner l’importance de certaines stratégies de pratiques, à certaines échelles. A partir de ces résultats, nous proposons des pistes pour l’aménagement des paysages agricoles. Les problèmes méthodologiques liés à la description des pratiques agricoles à l’échelle du paysage sont également discutés. / Due to the loss of biodiversity and increasing food insecurity, modern agriculture must evolve toward a more sustainable management of agricultural landscapes. Organic Farming (OF) is considered as a promising solution to meet this challenge. Organic practices are indeed generally more favorable to pest natural enemies than Conventional Farming (CF), suggesting that pesticides could be replaced by biological control. However, studies evaluating these effects are contradictory, probably because they do not consider the diversity of practices implemented in OF and CF. On a broader scale, practices have rarely been considered in the description of landscape heterogeneity, although the nature and configuration of farmland must affect species. The target of this PhD work is to evaluate the effects of the diversity and spatial organization of organic and conventional farming practices on insect natural enemies, at field and landscape scales. A fieldwork was conducted in 2012 and 2013 in Brittany. Forty pairs of organic and conventional winter wheat fields were selected, distributed along a landscape gradient of OF area. In each field, aphid natural enemies (ladybirds, carabid beetles, parasitoids) were sampled. We interviewed farmers to characterize farming practices implemented in fields and their surrounding landscape. We observed a wide diversity of farming practices in OF and CF. At field scale, effects of practices on the diversity of natural enemies were strong, OF being overall more favorable. Considering a finer description of practices allowed us identifying those really affecting insects, and showing they can be enhanced regardless of the farming type. At landscape scale, we found no effect of the OF area and configuration on natural enemies. With a more detailed description of practices, we however highlighted the importance of some farming strategies, at some scales. Based on these results, we open up avenues to manage agricultural landscapes. Methodological issues related to the description of farming practices on large areas are also discussed.

Les inventaires d'émissions biogéniques dans les modèles de qualité de l'air sont peu adaptés, car basés sur l'utilisation de facteurs d'émission (FE) moyens ils intègrent partiellement les variables environnementales et techniques pilotant ces émissions. Le but de cette thèse a été d'améliorer la prise en compte des émissions de NO par les sols agricoles dans le modèle de chimie transport CHIMERE. Ce travail se base sur un modèle d'agro-écosystème CERES-EGC, qui simule la dynamique de l'azote dans le système sol-plante. Un module d'émission de NO y a été intégré et le test sur des données expérimentales a montré la nécessité de modéliser les échanges de masse et de chaleur près de la surface du sol. Des simulations annuelles ont révélé une variabilité saisonnière des émissions selon le climat et les pratiques culturales. Les émissions varient de 1 à 4 kg N-NO ha-1 sur un an, soit à des FEs de 1-2% selon les doses de fertilisation. Puis, une cartographie des émissions a été réalisée pour l'Ile de France, en combinant l'utilisation de CERES-EGC à des méthodes de systèmes d'information géographique et diverses bases de données. La prise en compte des pédopaysages de la région a fortement influencé les émissions. Notre approche conduit à des émissions totales de 2.7 kt N-NO sur 14 mois et à une moyenne de 5.1 kg N-NO ha-1 (FE de 3.4%). Enfin, l'outil a été couplé à CHIMERE afin d'évaluer l'impact des émissions de NOx par les sols sur la formation d'O3. L'influence des émissions s'explique par les régimes chimiques (perte d'Ox dans le panache urbain et production d'Ox supplémentaire aux alentours) et varie de 1 à 8 ppb d'Ox pour des concentrations de fond de 50 à 100 ppb.

L'objectif de ce travail est d'étudier les relations entre la diversité des macro-invertébrés détritivores et la dynamique de la matière organique (MO) dans les sols limoneux des plateaux de Haute-Normandie. Ce travail vise à répondre à deux hypothèses : (H1) la biodiversité et les MO du sol sont influencées par les modifications environnementales induites par les gestions agricole et forestière et (H2) les assemblages de macro-détritivores influencent la dynamique de la MO du sol. Les systèmes étudiés incluent une culture intensive et des prairies d'âge croissant (0,5 à 33 ans), ainsi que des parcelles gérées en futaie régulière de hêtre (30 à 200 ans). La relation a été étudiée à l'échelle de la parcelle ainsi que dans des microcosmes réalisés au laboratoire. Dans les sols forestiers, la diversité spécifique des macro-détritivores diminue avec l'âge du peuplement. Les stocks de C dans le sol ne varient pas au cours de la rotation forestière, alors qu'ils augmentent dans l'episolum humifère jusqu'à 120-140 ans avant de se stabiliser. Si ces résultats empiriques ne permettent d'établir un lien entre diversité des macro-détritivores et stocks de C, une relation apparaît toutefois avec certaines fractions des horizons holorganiques. L'impact des macrodétritivores sur la biodégradation des feuilles de hêtre a donc été testé en conditions expérimentales. Les résultats expérimentaux permettent de classer les macro-détritivores en groupes distincts à partir de leurs effets spécifiques sur la biodégradation des feuilles. En faisant varier le nombre d'espèces dans les assemblages expérimentaux, nous mettons en évidence que la biodégradation est davantage liée à la diversité fonctionnelle (mesurée ici par la dissimilitude morphologique) qu'à la diversité spécifique. Les assemblages sont plus performants lorsqu'ils présentent une similarité morphologique intermédiaire. Ce niveau optimal de similarité pourrait correspondre à un point d'équilibre entre interactions compétitives et complémentarité au sein des assemblages. Dans les sols agricoles, il existe une augmentation simultanée de la diversité spécifique des vers de terre, des stocks de C et de la stabilité de la structure du sol dans les premières années de prairie. Cependant, dans les prairies plus âgées, le stock de C et la stabilité de la structure continuent d'augmenter alors que la diversité des lombriciens reste stable. Il n'y a donc pas de lien net entre la diversité des lombriciens et les stocks de C ou la stabilité structurale. Les résultats obtenus en conditions contrôlées montrent que les effets des vers de terre sur le dégagement de C-CO2, la teneur en MO et la stabilité structurale des gros macro-agrégats dépendent de l'espèce impliquée et du taux de MO initial du sol. De plus, dans un sol pauvre en MO (sol de culture intensive), l'augmentation de la diversité spécifique des lombriciens stabilise la minéralisation du C et augmente la stabilité structurale et la teneur en MO des agrégats. Ce résultat peut être expliqué par l'augmentation de la protection physique de la MO dans des agrégats stables avec la diversité spécifique des vers. D'une façon générale, les résultats obtenus au champ montrent que la richesse spécifique des macro-détritivores est plus influencée par le type d'occupation du sol que par la dynamique des systèmes, réfutant ainsi en partie l'hypothèse H1. D'autre part, les stocks de C dans les sols ne varient pas avec l'âge du peuplement de hêtre alors qu'ils augmentent avec l'âge des prairies, réfutant ainsi en partie l'hypothèse H1. D'autre part, les résultats des expérimentations en microcosmes permettent de classer les espèces en fonction de leurs effets sur la dynamique de la MO. En outre, la dynamique de la MO est modifiée lorsque la diversité des macro-détritivores change, confirmant donc l'hypothèse H2. Les recherches futures devront maintenant se pencher sur les relations complexes qui relient : les traits fonctionnels des macro-détritivores, les interactions entre ces espèces et les processus écologiques dans le système sol.

L'objectif de cette thèse est de comprendre comment l'hétérogénéité du paysage (i.e. composition, structuration spatiale et dynamique temporelle) affecte les populations, notamment dans les paysages agricoles, fortement structurés par la mosaïque des parcelles et les rotations culturales. Nous abordons cette question à la fois de manière théorique (en simulant des dynamiques de populations dans des paysages aux propriétés spatiales et temporelles contrôlées) mais également empirique (en analysant la sélection d'habitat par la communauté de passereaux des paysages agricoles).Nous avons ainsi montré que la composition, la configuration spatiale et la dynamique temporelle étaient toutes trois importantes pour expliquer les dynamiques de population, et que la nature des réponses à l'hétérogénéité dépendait des traits des espèces (taux de croissance, dispersion, échelle de réponse au paysage). L'analyse sur la communauté de passereaux a montré que la composition en cultures influençait la sélection d'habitat chez certaines espèces, mais nos données ne nous ont pas permis de mettre en avant un effet significatif de la structuration spatiale des cultures sur les passereaux. Une analyse plus fine pour l'Alouette des champs (Alauda arvensis) a montré un effet positif de la diversité des cultures à l'échelle du territoire, expliqué par une complémentarité fonctionnelle entre les cultures, suggérant que des petites parcelles et un mélange des cultures dans le paysage seraient bénéfiques pour cette espèce. L'effet de la structuration spatiale et temporelle des cultures sur les populations mériterait d'être testé de façon plus approfondie à l'échelle adéquate sur de nombreux taxons. Une meilleure connaissance de l'effet des propriétés de la matrice cultivée sur les processus permettrait de prédire l'évolution des populations face à des modifications du paysage à l'aide de modèles mécanistes, et offrirait de nouvelles opportunités pour gérer la biodiversité. / The aim of this thesis is to understand how landscape heterogeneity (i.e. composition, configuration and temporal dynamics) affects populations, especially in farmlands, highly structured by the crop mosaic and rotations. We answer this question theoretically (simulating population dynamics in landscapes with controlled spatial and temporal properties) and empirically (analysing habitat selection by the farmland bird community).We found that landscape composition, configuration and temporal dynamics were all important to explain population dynamics and that the response to landscape heterogeneity depended on species traits (growth rate, dispersal, scale of response to the landscape). The analyse of farmland birds data revealed that crop composition influenced habitat selection for some species, but did not reveal a significant effect of crop configuration on birds. A finer analyse on Skylark showed a positive effect of crop diversity at the territory scale explained by a functional complementation among crops. It suggested that small fields and crop well mixed in the landscape would be beneficial for this species. The effect of spatial and temporal crop heterogeneity should be studied in depth at the right scale on many taxa. A good understanding of the effect of the cultivated matrix on processes would allow us to predict the change in populations when modifying the landscape and would offer new opportunities to manage biodiversity.

Le rôle des écosystèmes agricoles - représentant environ 1/3 des terres émergées - dans la régulation du cycle du carbone est une question cruciale posée par la société aux scientifiques. L'étude de la respiration du sol, de ses composantes et de ses mécanismes doit permettre de fixer les bases de la compréhension du fonctionnement carboné du sol puis de l'écosystème agricole en lien avec les questions de réduction des émissions et de stockage de carbone atmosphérique. Les échanges de carbone du sol font d'ailleurs l'objet d'efforts de recherche récents très poussés, tant leur dynamique et leur variabilité sont encore mal connues. Aujourd'hui, il est difficile d'estimer l'efficacité des pratiques expérimentales et aucune méthode n'a encore été reconnue comme référence. La compréhension des sources des émissions et de leurs fluctuations est cruciale pour l'estimation du potentiel de séquestration du carbone par les sols agricoles via l'application de pratiques culturales appropriées. Dans ce contexte, la modélisation s'avère être un outil incontournable pour quantifier les flux (approche empirique) mais aussi pour orienter les recherches vers des domaines où la faible compréhension des mécanismes rend aléatoire l'établissement du bilan carboné (approche mécaniste). La démarche retenue pour ce travail fait appel à la modélisation théorique selon deux approches (empirique et mécaniste) définies pour satisfaire à différents compromis entre précision, généricité et réalité. Le développement de modèles empiriques, sur 5 sites d'étude aux conditions pédoclimatiques différentes, montre l'importance de lier la respiration à plusieurs facteurs abiotiques et biotiques afin d'obtenir des prédictions génériques et robustes. Ainsi, un modèle de respiration hétérotrophe Rh paramétré à l'aide des variables climatiques de température Ts et d'humidité θs s'est avéré convaincant alors que la modélisation de la respiration du sol Rs n'a pu être satisfaisante qu'à condition de prendre en compte un indice de croissance de végétation supplémentaire (GPP). L'approche empirique n'a cependant pas permis d'évaluer correctement les contributions des différentes composantes de Rs. Le modèle semi-mécaniste décrivant finement les processus a été validé sur 3 sites aux conditions pédoclimatiques contrastées et a permis l'estimation des contributions des sources hétérotrophe et autotrophe au sein de la respiration du sol. Ainsi, Rh représente entre 63 % et 66 % de Rs pour une saison de culture de blé d'hiver et entre 52 % et 56 % de Rs pour une saison de culture de blé de printemps. La contribution de la respiration du sol dans le bilan écosystémique est évaluée entre 33% et 43% pour une culture de blé d'hiver et à hauteur de 50 % pour du blé de printemps. Ce modèle, une fois développé pour intégrer différentes pratiques culturales (fertilisation et travail du sol), a aussi permis de démontrer que les dynamiques de stockage/déstockage du carbone du sol et des émissions de CO2 du sol sont davantage conditionnées par l'apport de matières organiques (fumier, résidus de cultures) que par le travail du sol lui-même.