Le recyclage des résidus organiques sur les sols cultivés d'un territoire pourrait-il rendre possible la substitution au moins partielle des engrais azotés dans la conduite des cultures ? Cette question a été traitée dans le cas de la conduite des grandes cultures dans une zone périurbaine caractérisée par une forte diversité de résidus organiques. Le territoire étudié est la "Plaine de Versailles et le Plateau des Alluets" (PVPA), situé en Ile de France, à l'ouest de Versailles. Il représente 178km2 dont 9900ha cultivés par 82 agriculteurs dont 60 en grande culture. Il y a peu d'élevage dans la région d'étude et les sols les plus fréquents sont les luvisols et cambisols. Dans ce territoire on a mis au point une démarche d'analyse des substitutions possibles des fertilisants chimiques par des PRO (produits résiduaires organiques) qui comprend plusieurs étapes. Tout d'abord un inventaire de tous les PRO disponibles ou potentiellement disponibles sur le territoire a été réalisé et tous les PRO ont été échantillonnés et caractérisés sur un plan physicochimique : en particulier, la disponibilité du N a été évaluée via la minéralisation potentielle de l'azote organique dans des conditions contrôlées au laboratoire (norme française XPU 44-163). Les résidus organiques du territoire ont été classés en (i) PRO « amendants » (26320 tonnes de matière sèche et 442 tonnes de Ntot) caractérisés par une matière organique stabilisée, ayant un potentiel important d'entretien et d'augmentation des teneurs en matière organique des sols et (ii) les PRO « fertilisants » ayant une forte disponibilité de N (5686 tonnes de matières sèches et 361 tonnes de Ntot). Parmi les PRO recensés, les boues de stations d'épuration (séchées et chaulées), un produit commercial correspondant à un lisier de porc en provenance de Bretagne et les fientes de volailles sont les PRO ayant les valeurs fertilisantes les plus intéressantes. Des PRO à forte valeur amendante ont aussi été recensés, dont des fumiers de chevaux compostés ou non et des composts de déchets verts.[...] Suite et fin du résumé dans la thèse. / Did the recyling of organic residues of a territory on cultivated soils could make possible, at least, partial substitution of nitrogen fertilizers in crop management? This issue was treated in the case of cereal crops in a suburban area characterized by a high diversity of organic residues. The study area is the “Plaine de Versailles and the Plateau Alluets”, located in Ile de France, west of Versailles. The total surface is about 178km2 including 9900ha cultivated by 82 farmers from which 60 cultivate cereals. The animal breeding is scarce in the study area and the most common soils are Cambisols and Luvisols. We tried to develop an approach for analyzing possible substitutions of chemical fertilizers by OWP (organic waste products) use. This approach involves several steps. First an inventory of the entire OWP available or potentially available in the territory has been achieved and all OWP were sampled and characterized: in particular, the availability of N was evaluated using the potential mineralization of the organic nitrogen under controlled conditions in the laboratory (French standard XPU 44-163). Organic residues territory were classified into (i) "organic amendments" (26320 tons of dry matter and 442 tons of total N) characterized by a stabilized organic matter, with significant potential maintenance and increasing levels of soil organic matter and (ii) "organic fertilizers" with a high availability of N (5686 tons of dry matter and 361 tons of total N) . Among the identified OWP, sludge from sewage treatment (dried and limed), and a commercial product corresponding to dried pig slurry from Britain and poultry manure are OWP with the most interesting fertilizing values. Organic amendments with high stabilized organic matter value were also identified, including composted or not horse manure, and green waste compost. Last and final summary in the thesis.

Les apports fluviaux en éléments nutritifs comme l'azote (N) le phosphore (P) et la Silice (Si) sont indispensables au fonctionnement des écosystèmes côtiers et en conditionnent la productivité. Cependant, l'intensité et le déséquilibre des flux de nutriments peuvent conduire à l'eutrophisation de ces zones de transition marines. En Manche – Mer du Nord cet enrichissement excessif se caractérise par des blooms phytoplanctoniques qui apparaissent sous l'influence des apports de la Seine, de la Somme et de l'Escaut. Ces trois hydrosystèmes, qui diffèrent largement par leur morphologie, leurs débits mais également les pressions anthropiques qui s'y exercent, offrent un cas d'étude exemplaire pour analyser les flux d'éléments nutritifs dans les bassins versants et leurs impacts à la zone côtière. L'objectif de cette thèse a été d'implémenter, pour ce continuum aquatique drainant plus de 100 000 km2 de surface continentale, une modélisation déterministe du fonctionnement des hydrosystèmes, s'attachant à décrire l'ensemble des processus microscopiques impliqués dans le transport, la rétention et la transformation des éléments N, P et Si. Validé sur la période récente (1996-2001), le modèle Sénèque-Riverstrahler a permis un calcul détaillé des transferts de nutriments, nécessaire pour quantifier le déséquilibre des flux d'azote et de phosphore exportés à la zone côtière franco-belge, par rapport à la silice. Différents scenarios, incluant des mesures de gestion concrètes, du type de celles préconisées par la directive Cadre Européenne sur l'eau (DCE), mais également des prospectives plus théoriques sur long terme, ont été élaborées et simulées. L'évaluation de ces scénarios porte sur la possibilité de rééquilibrer les apports fluviaux, en se basant sur les rapports de Redfield, de limiter la contamination azotée et phosphatée dans les réseaux hydrographiques et de réduire l'ouverture des cycles biogéochimiques qui a prévalu depuis plus de 30 ans. Dans le cadre d'une approche intégrée ‘rivière – zone côtière', ces résultats ont été couplés avec un modèle du fonctionnement des écosystèmes marins côtiers, permettant ainsi de traduire l'impact des mesures implémentées à l'échelle des bassins versants, en terme de développement algal atteint dans la zone côtière.

Les objectifs de ce travail de thèse étaient : (i) identifier les principaux compromis et covariations d'un ensemble de traits foliaires relatifs à l'acquisition du carbone et (ii) caractériser la variabilité de ces traits en réponse à l'éclairement (plasticité phénotypique) et la diversité interspécifique de cette plasticité chez des espèces de forêt tropicale humide. Les mesures ont été réalisées sur des semis de 13 espèces d'arbres élevés en conditions contrôlées dans 3 traitements d'éclairements relatifs distincts. Une analyse coût-bénéfice des traits du bilan de carbone foliaire a été centrée sur les coûts de construction du métamère (CCmetm), le temps de retour sur investissement (PBT) et la mesure des durées de vie des feuilles (LLS). Une forte diversité interspécifique a été observée pour l'ensemble des traits étudiés. Les espèces se répartissent le long d'un axe opposant durée de vie des feuilles et LMA (masse surfacique) d'un côté, aux capacités photosynthétiques (Asat), PNUE (Asat/N), respiration (Rd) et teneurs en azote (Nm) de l'autre. Ces résultats sont en adéquation avec le schéma universel d'acquisition des ressources proposé par Wright et al. (2004). Les relations entre LLS et PBT sont faibles et l'ensemble des espèces amortissent très largement leur CCmetm. De manière générale, le classement des espèces est maintenu d'un traitement à l'autre et, à l'exception des coûts de construction, seuls de faibles effets d'interaction ont été observés entre espèces et traitements. Le calcul d'un indice de plasticité a également permis de montrer qu'en dépit d'une certaine diversité interspécifique de la plasticité phénotypique, aucune espèce n'était globalement plus « plastique » que les autres sur l'ensemble des traits considérés. Enfin, si les espèces pionnières se distinguent nettement par leurs attributs, leur degré de plasticité n'est pas différent de celui des espèces de sous-bois.

Depuis la fin du VIIe millénaire av. J.-C., le nord-ouest de la Méditerranée connaît de nombreux changements socioéconomiques et culturels inhérents aux processus de néolithisation. L'acquisition de techniques agropastorales entraîne des modifications dans les modes de subsistance des premières populations néolithiques, transformations principalement mises en évidence par les études archéologiques, archéozoologiques et archéobotaniques. L'utilisation de méthodes biochimiques tels que le dosage des isotopes stables (d13C et d15N) du collagène osseux, témoins directs de l'alimentation protéinique, permet de nouvelles investigations anthropologiques. Des analyses isotopiques ont été réalisées sur une centaine d'individus humains du Néolithique ancien et moyen, provenant de onze sites archéologiques du sud de la France et de la Ligurie. Ces dernières ont contribué à mieux percevoir l'influence de facteurs biologiques et culturels sur les choix alimentaires. Il ressort notamment de cette étude que malgré la proximité du milieu marin, les ressources halieutiques sont peu présentes dans l'alimentation et qu'il existe quelques différences intra et inter populationnelles pouvant être mis en relation avec des critères biologiques et archéologiques.

Chaque année, les plantations de ligneux à croissance rapide augmentent de près d'un million d'hectares dans le monde, menaçant selon certains la fertilité des sols et les ressources hydriques. Cette thèse s'attache, au sein d'un projet en cours à l'Université de São Paulo, à étudier le sol et la solution du sol pendant les deux premières années de croissance d'une plantation d'Eucalyptus grandis afin d'identifier les processus gouvernant la chimie de la solution du sol, de quantifier les flux d'eau et d'éléments minéraux sortant de l'écosystème par drainage profond, et de préparer la modélisation des transferts réactifs par le modèle MIN3P. On observe que (i) dès six mois, les Eucalyptus prélèvent de grandes quantités d'eau : le drainage à 3 m de profondeur en est largement réduit, (ii) les flux d'éléments minéraux à 3m sont pratiquement nuls, (iii) les éléments minéraux apportés par fertilisation sont en partie prélevés par les arbres sans apparaître dans la solution du sol, (iv) après la coupe rase et les fertilisations, les éléments minéraux sont libérés en quantité dans les horizons supérieurs du sol et lixiviés jusqu'à 1 m (65-100 kg ha-1 de N-NO3), des processus d'acidification apparaissent mais les réserves d'aluminium et le pouvoir tampon de ces ferralsols restent élevés, (v) le soufre libéré par les fertilisants augmente la mobilité de Ca, Mg et P et réduit la libération d'H et d'Al dans la solution, (vi) ce soufre se retrouve largement adsorbé sur les constituants du sol : son éventuelle désorption serait synonyme d'acidification. La fertilisation azotée de la plantation pourrait probablement être réduite sans en altérer la productivité.

Le rejet des nutriments (phosphates et nitrates) issues des eaux usées domestiques entraînent la dégradation des écosystèmes (74 % du territoire français concerné en 2006). Compte tenu de la situation, l'Etat français a promulgué la Loi sur l'Eau et les Milieux Aquatiques le 30décembre 2006 qui vise à atteindre le " bon état écologique des eaux et des milieux aquatiques " d'ici 2015. Cette notion bien que difficilement intégrable a généré des normes plus strictes pour les stations d'épuration en termes de rejet de nutriments vers le milieu récepteur (jusque 15 mg NTOT.L-1 et 2 mg PTOT.L-1). Depuis la fin des années 1990, la technologie des filtres plantés de roseaux (FPR) est de plus en plus employée(> 2500 unités en 2012) pour le traitement des eaux usées domestiques des petites collectivités inférieures à 2000 Equivalent-Habitants. Cependant, des limites de traitement existent sur les concentrations résiduelles en azote (rejet de 70-80 mg NTOT.L-1) et en phosphore (rejet> 10 mg PTOT.L-1), en vue de répondre à la réglementation future. Ce travail a eu pour objectif de mettre en oeuvre des améliorations telles que la recirculation sur un étage de traitement pour le traitement de l'azote d'une part et l'emploi de matériaux réactifs pour piéger le phosphore d'autre part. La démarche scientifique expérimentale déployée a consisté à suivre des pilotes sur site réel et en laboratoire pendant 2 années. Le suivi des performances épuratoires et hydrauliques a été réalisé au cours du temps. Pour l'azote, 2 FPR (2,5 m²) garnis de schiste expansé (Mayennite®) ont été alimentés en effluent brut. L'effet de la hauteur de saturation en eau dans la partie drainante ainsi que l'effet de la recirculation ont été étudiés. Les résultats obtenus ont montré : une couche saturée à 38 % (rapporté à la hauteur totale) et un ratio de recirculation de 100 % permettent une meilleure élimination de la matière particulaire-carbonée (Arrêté du22 juin 2007) et de l'azote (< 20 mg NTK.L-1 ; < 45 mgNTOT.L-1). Deux laitiers de four à arc électrique ont été sélectionnés pour le traitement du phosphore. Ceux-ci ont été mis en œuvre dans 5 colonnes (6 L) en laboratoire alimentées en effluent synthétique en phosphore puis secondaire et dans 4 filtres réactifs pilote (0,3 m² ; 34 L) à flux horizontal sous surfacique alimentés en effluent secondaire. Il ressort de ces expériences: (i) des disparités existent entre les deux échelles en termes de performances (< 2 mg P.L-1 pendant 20 mois en colonne et variation saisonnière des performances en pilote) et mécanismes épuratoires (adsorption/précipitation P-Caen colonne ; P-Ca + P-Fe en pilote), (ii) l'augmentation de la température (> 15 °C) et/ou du temps de séjour (48h et plus) améliore la cinétique d'élimination du phosphore à échelle pilote et (iii) l'implantation d'un filtre réactif garni de laitier de four à arc électrique est limité par le degré de traitement souhaité et la distance du futur chantier (coût du transport).

Des conditions d'hypoxie sont couramment rencontrées dans les eaux profondes de l'estuaire du Saint-Laurent, dû à une forte dégradation de matière organique particulaire (MOP) hautement réactive de même qu'à une eutrophisation généralisée de l'estuaire au cours des dernières décennies. On en connaît par contre peu sur la distribution et la composition de la MOP retrouvée dans les sédiments, ainsi que sur les facteurs qui gouvernent sa réactivité dans les différentes zones de l'estuaire. Les nutriments azotés, incluant l'azote organique dissous (AOD), sont un facteur limitant courant pour la productivité primaire estuarienne, et pourtant, l'AOD est presque systématiquement absent des budgets de nutriments estuariens et marins. Dans le Saint-Laurent, les sources et les puits de l'AOD ne sont pas bien définis, et les facteurs qui régulent le relargage benthique de l'AOD, en particulier, sont incertains. La mesure de la composition isotopique des différentes espèces d'azote est utile pour comprendre et quantifier les différents processus liés au cycle de l'azote, dans les sédiments et dans la colonne d'eau (incluant les processus qui affectent l'AOD), mais l'effet de la composition isotopique sur les dits processus, en contrepartie, doivent être éclaircis. En ce moment, aucune étude n'a documenté les liens existant entre la composition isotopique des différentes espèces d'azote et les échanges de nutriments entre les milieux benthique et pélagique estuariens et marins. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse est de déterminer la composition et la réactivité de la matière organique (MO) dans l'estuaire du Saint-Laurent, d'évaluer son impact sur les flux et les budgets d'azote, puis d'évaluer comment les propriétés isotopiques des espèces d'azote échangées lors des différents flux affecteront le pool d'azote dans la colonne d'eau. Les objectifs spécifiques sont donc, dans un premier temps, de déterminer la distribution de la MOP réactive au long de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent, ainsi que d'explorer les facteurs qui contrôlent cette distribution, tels que les sources de MOP, l'oxygène dissous et les régimes de déposition. Dans un deuxième temps, j'explore ici la distribution et les flux d'azote et de carbone organique dissous (AOD; COD) dans l'eau interstitielle entre les sédiments et la colonne d'eau, ainsi que les différences stœchiométriques qui en découlent, lesquelles sont probablement régulées par la réactivité de la MOP et les conditions environnementales. Le dernier objectif est de suivre la transformation des différentes espèces d'azote organique et inorganique dissous (AOD+AID) dans les eaux interstitielles, puis de déterminer l'effet qu'aura la séquence de reminéralisation-nitrification-dénitrification de l'azote sur le contenu en 15N du pool réactif d'azote dans la colonne d'eau. Pour répondre à ces objectifs, des échantillons provenant de l'eau et des sédiments de l'estuaire du Saint-Laurent ont été collectés lors de deux campagnes au long d'un gradient depuis l'estuaire vers l'océan. La composition en isotopes stables (N et C), le carbone organique total, l'azote total, les acides aminés et le contenu en chlore ont été mesuré dans les sédiments. Ces analyses sont à la base des calculs d'indices de réactivité de la matière organique, de l'indice de dégradation (ID) et de l'indice de chlore (IC) des sédiments. De plus, les nitrates (et nitrites), l'ammonium, le carbone organique dissous (COD) et l'AOD seront mesurés dans les eaux interstitielles des sédiments. Ces variables seront ensuite utilisées pour estimer les flux diffusifs à l'interface eaux-sédiments. Finalement, les compositions isotopiques des NO3- et de l'azote total dissous (ATD) ont été déterminées, et l'effet isotopique associé à leurs flux à l'interface eau-sédiment a été calculé. Les résultats de ce présent travail montrent clairement un gradient de la réactivité de MOP des sédiments et un début d'altération diagénétique au long de l'estuaire du golfe du Saint-Laurent, avec plus de MO réactive dans la partie peu profonde de l'estuaire moyen et dans la zone hypoxique et très productive de l'estuaire maritime. Les analyses de stéréo-isomères des acides aminés ont révélé un couplage entre l'ampleur de la diagénèse et l'accumulation et la préservation sélective de la matière dérivée des membranes de cellules bactériennes dans les sédiments. Le temps d'exposition à l'oxygène des sédiments semble déterminer fortement la réactivité de MO des sédiments dans l'estuaire du Saint-Laurent, plutôt que la source de la MOP. Dans l'ensemble de la zone d'étude, les sédiments représentent une source d'AOD dans la colonne d'eau (de 0,11 à 0,43 mmol m-2 j-1). Les flux d'AOD comptent pour 30 à 64% de la dénitrification benthique totale, et étaient significativement positivement corrélés avec la réactivité de la MO et négativement corrélés avec l'oxygène dissous des eaux recouvrant les sédiments. Les flux de COD étaient relativement constants (2,1 ± 0,1 mmol m-2 j-1) et n'ont pas démontré de patron de variation au long du gradient estuaire-océan, impliquant une partition des éléments prononcée et contrôlée par l'environnement durant l'hydrolyse et la reminéralisation de la MOP durant la diagénèse hâtive des sédiments. L'azote réduit dissous (ARD) des eaux interstitielles et les nitrates étaient tous les deux significativement enrichis en 15N dans les sédiments. Comme dans les autres environnements marins, le fractionnement isotopique biologique de la perte nette d'N fixé due à la dénitrification était à peine exprimé à l'échelle des échanges entre les sédiments et l'eau. Intégrer, pour la première fois, les flux d'ARD (AOD + NH4+) dans les calculs de l'effet isotopique de l'N total des sédiments génère des effets isotopique d'N légèrement plus élevé (4,6 ± 2 %o), qui semblent être contrôlés par la réactivité et la profondeur de pénétration de l'oxygène dans les sédiments. Les valeurs des effets isotopiques de l'N total des sédiments reportés ici sont plus élevés que les valeurs présumées, et occasionnent des incohérences dans le cycle global des isotopes d'N, car ils impliquent un plus grand ratio de dénitrification entre les sédiments et la colonne d'eau et, ainsi un plus grand débalancement du budget global de l'N qu'il n'est actuellement considéré. En résumé, cette étude souligne les liens étroits existant entre le régime de condition de préservation et de sédimentation, la composition et la réactivité de la MO et le remaniement bactérien, ainsi que les échanges de solutés à l'interface eau/sédiment, avec des implications à grand échelle pour l'effet des processus benthiques sur les éléments et le budget isotopique de l'N dans la colonne d'eau des estuaires marins. ______________________________________________________________________________

La thèse, inscrite dans le programme européen tempQsim, a pour objectif d'identifier des périodes critiques pour la qualité de l'eau - azote et phosphore, des rivières intermittentes. L'étude a été menée sur la Vène, tributaire de l'étang de Thau. Quatre composantes principales participent à l'écoulement: les zones urbaines, les zones agricoles, deux sources karstiques et les rejets de stations d'épurations (STEP).<br />Quatre modes hydrologiques ont été identifiés. (1) A l'étiage, la rivière s'assèche et les rejets des STEPs sont la seule contribution au débit de la rivière. (2) A la reprise de l'écoulement, des crues rapides se succèdent, liées soit au ruissellement sur les zones urbaines, voire agricoles, soit aux sources karstiques. (3) Les crues de hautes eaux sont provoquées par la mise en charge du karst. (4) Le tarissement commence quand la source karstique la plus en amont s'arrête. D'une année à l'autre, la durée et les caractéristiques des modes hydrologiques sont très variables.<br />La mise en œuvre d'une modélisation conceptuelle, axée sur les événements de crues rapides, a permis de reproduire convenablement les crues de reprise d'écoulement.<br />Le niveau de contamination de la rivière est faible et les variations de flux sont liées aux crues. Trois modes de dynamique des nutriments ont été distingués. (1) Lors des périodes d'accumulation, les nutriments issus des rejets des STEPs, sont stockés dans le lit de la rivière : le phosphore est précipité, l'azote est dénitrifié. (2) Lors des crues de reprise d'écoulement, les nutriments, surtout le phosphore, sont remobilisés dans le lit de la rivière. (3) Lors des crues de hautes eaux, les nutriments proviennent du bassin versant et des sources karstiques. <br />Cette étude montre comment la dynamique des nutriments est liée au fonctionnement hydrologique : l'étiage est une période critique du point de vue du niveau de contamination et de l'accumulation des nutriments, et les crues rapides provoquent leur remobilisation.

Dans ce travail, nous avons développé une méthode générale pour l'étude spectroscopique des niveaux non liés : la diffusion élastique résonante en cinématique inverse. Cette méthode permet l'utilisation de cibles minces comme épaisses, et l'angle de la mesure est choisi égal à 0° par rapport à la direction de propagation du faisceau. Nous avons utilisé une cible gazeuse mince pour la mesure de la réaction 4He(15O,α)15O, puis une cible épaisse pour 1H(15O,p)15O. La seconde mesure a permis d'obtenir les propriétés (énergie, spin, largeur) des premiers états du noyau non lié 16F, ceci avec une résolution en énergie remarquable. Nous avons exploité ces nouveaux résultats dans le calcul du taux de la réaction 15O(p,β+)16O, que nous avons comparé avec le taux estimé pour la réaction 15O(α,γ)19Ne. Nous avons également considéré pour la première fois l'importance de la queue aux basses énergies d'une résonance dans un noyau non lié. Dans cette partie de la résonance on devrait observer un effet de piégeage par le champ coulombien, favorisant ainsi la décroissance bêta du 16F. Nous avons également mis en évidence la possibilité de peupler favorablement cette partie de la résonance par une transition gamma. Les réactions séquentielles 15O(p,γ)(β+)16O et 15O(p,γ)(p,γ)17Ne sont étudiées pour la première fois, et leur taux est comparé avec le taux estimé de la réaction 15O(α,γ)19Ne. Plusieurs conséquences de ces processus proposé pour la nucléosynthèse dans les novae et les sursauts X sont discutées.

Les plantes se développent dans un environnement dynamique, ce qui impose souvent des contraintes sur la croissance et le développement. Parmi les facteurs environnementaux adverses, fréquemment rencontrés par les plantes terrestres, l'inondation ou submersion temporaire qui impose une hypoxie racinaire (1-2% d'oxygène). La submersion du sol peut avoir un très fort impact sur la survie des plantes, et donc sur la production agricole ainsi que les écosystèmes naturels. La plupart des études antérieures sur les altérations biologiques et biochimiques chez les plantes, dues au stress hypoxique, ont porté sur le métabolisme des sucres. Toutefois, quelques données concernant les effets de l'hypoxie racinaire sur le métabolisme azoté (N) sont récemment devenues disponibles. Le but de notre travail est d'étudier les effets de l'hypoxie racinaire sur le métabolisme azoté chez la plante modèle "Medicago truncatula". Les résultats obtenus ont montré que l'hypoxie racinaire entraine une augmentation significative de la biomasse aérienne (MF et MS) avec allongement des tiges et augmentation du nombre de feuilles pendant une période transitoire allant jusqu'à 5 semaines avant d'engendrer la mort des plantes. Les effets sur le métabolisme primaire ont été suivis par des analyses métabolomiques (GC-MS), marquage à l'azote (15N) et expression de gènes impliqués dans le métabolisme azoté. Nos résultats montrent que si l'hypoxie racinaire entraine des modifications sommes toute attendues des métabolismes de l'azote et du carbone, elle entraine également des réarrangements de ces métabolismes dans la partie aérienne non soumise à l'hypoxie. La réponse des parties aériennes en termes de croissance et de modification métabolique a été obtenue même quand une partie minoritaire seulement du système racinaire a été soumise à l'hypoxie suggérant une communication racine - partie aérienne qui mériterait d'être plus étudiée dans l'avenir.