Human activities may have, through land use and management changes, an impact on the large amounts of carbon sequestered in soils. Increasingly, inventories of Soil Organic Carbon (SOC) stocks are requested at the regional/national level for countries involved in the Kyoto Protocol and as input in biogeochemical models. However, SOC is characterised by a high spatial variability and a slow temporal dynamic, which reduce our ability to detect and explain SOC stock changes. At the regional scale, local (e.g. land use, topography) and global (e.g. climate) driving factors interact in a complex way and are likely to generate high uncertainties. This thesis represents an effort in assessing and detecting SOC stocks and SOC stock changes at the regional scale. Specifically, our objective was to explore two possible strategies to cope with spatial variability: (i) increase the sampling density using a fast analytical technique (reflectance spectroscopy) and (ii) use information on land use change history to decrease spatial variability in landscape units. In the first part of the thesis, we investigate the capabilities of laboratory, portable and imaging spectroscopy to determine SOC concentrations in croplands. It is shown that laboratory and portable spectroscopy can reach accuracy levels comparable to a standard analytical method (Walkley & Black). Imaging spectroscopy, even with somewhat lower performance, can enhance the estimation of mean SOC stocks by providing a very large sampling density. Outside of the controlled environment of a laboratory, portable and imaging spectroscopy fail to demonstrate reasonable calibration stability over a range of soil types and surface conditions. In the second part of the thesis, we found after re-sampling a soil database collected in 1950-1960 that land use change history has a significant impact on SOC dynamic in forest. Building on this, a bookkeeping model based on historical land use maps (1868-2005) and SOC response curves was developed to assess the temporal evolution SOC stocks. A small carbon sink was observed in the study area due to the reclamation of heathland and the establishment of coniferous plantations.

Les systèmes agroforestiers stockent du carbone dans la biomasse des arbres. Cependant leur intérêt ne se limite pas à ce carbone stocké sous forme de bois. En effet, les arbres produisent de grandes quantités de litières, et apportent également du carbone dans les horizons profonds du sol par la mortalité et l’exsudation racinaire. Or, les sols agricoles, ayant de très faibles teneurs en matière organique, ont un potentiel de stockage en carbone bien plus important que les sols forestiers. A ce jour, il n’existe pratiquement pas de travaux permettant d’avoir une estimation de l’impact des arbres agroforestiers sur le carbone du sol. La plupart des études sont en effet menées sur le stockage de carbone dans la biomasse aérienne des arbres. Une étude a ainsi estimé qu’en climat tempéré et pour des densités comprises entre 50 et 100 arbres/ha, le stockage de carbone serait compris entre 1.5 et 4 tC/ha/an, ce qui est très important comparé au potentiel de stockage d’autres systèmes de culture. On se propose donc dans ce travail de contribuer significativement à la connaissance sur les possibilités de stockage de C dans les sols en agroforesterie. Tout d’abord, nous quantifierons les stocks de C dans les parcelles agroforestières et les comparerons aux témoins agricoles. Nous étudierons également l’hétérogénéité spatiale de ces stocks, sous la ligne d’arbres ou sous la culture intercalaire, et ce à différentes profondeurs. Dans un deuxième temps, nous étudierons les entrées de carbone au sol, notamment via la mortalité racinaire des arbres. Puis, nous étudierons les processus liés à la stabilisation de ce carbone dans les horizons profonds du sol. Enfin, nous chercherons à savoir si l’apport de carbone frais dans les horizons du sol ne pourrait pas entraîner une minéralisation d’une partie du carbone stable du sol, phénomène connu sous le nom du priming effect, et qui pourrait jouer un rôle non négligeable dans le bilan de carbone de ces systèmes. La modélisation sera utilisée afin d’estimer le stockage de carbone sur le long terme. L’étude sera menée dans un contexte de système de culture méditerranéen, sur un site expérimental d’exception. L’analyse mécaniste fournira le cadre conceptuel pour la compréhension de la dynamique du C dans d’autres systèmes agroforestiers à l’avenir. / Agroforestry is a land use type where trees are associated with crops and/or animals within the same field. This agroecosystem could help mitigating climate change, and also contribute to its adaptation. The goal of this thesis was to evaluate the potential of soil organic carbon storage under agroforestry systems. This study was performped at the oldest experimental site in France, a trial supervised by INRA since 1995, but also at farmers' fields. Soil organic carbon stocks were compared between agroforestry and agricultural plots, down to 2 m soil depth. All organic inputs to the soil were quantified (tree roots, leaf litter, crop roots and residues). The stability of additionnal stored carbon was caracterised with soil organic matter fractionation, and soil incubations. A model of soil organic carbon dynamic was described in order to better undrestand this dynamic in agroforestry, especially in deep soil layers. This study revealed the interest and the potential of agroforestry systems in increasing soil organic carbon stocks, with accumulation rates of 0.09 to 0.46 t C ha -1 yr -1. It also reveals the role of tree rows in this storage, and the importance of carbon inputs from root mortality. However, it raises concerns about the stability of this storage.

Le sol représente un puits de carbone important, dont les entrées et les sorties sont gouvernées par de nombreux facteurs biotiques et abiotiques. Nous nous intéressons à deux facteurs biotiques essentiels : la qualité de la litière, principale source des MOS; et les vers de terre, ingénieurs clés des sols tempérés. Nous étudions le devenir de parties racinaires et aériennes, marquées au carbone 13, dans le sol et des turricules de Lumbricus terrestris, au cours d'une expérimentation en mésocosmes d'une année. Nous utilisons une approche pluridisciplinaire à différentes échelles spatio-temporelles pour quantifier, localiser et caractériser le carbone organique incorporé dans le sol et les turricules, pendant les 54 semaines d'expérimentation. La composition chimique des parties racinaires et aériennes a un impact significatif sur le devenir du carbone dans le sol et semble influencer la palatabilité de la litière pour les vers de terre. Après une année d'expérience, la contribution des racines, par rapport aux parties aériennes est plus importante dans le sol et les turricules. Les interactions physiques semblent également jouer un rôle important dans la formation et l'évolution des turricules. Les vers de terre minimisent l'effet contrasté des parties racinaires et aériennes sur le carbone du sol et des turricules. Les invertébrés du sol doivent être pris en compte lors de l'étude des processus d'incorporation, de décomposition et de stabilisation du carbone dans le sol. Les microorganismes jouent un rôle essentiel dans la décomposition de la litière et semblent contribuer au carbone stable du sol, et ce particulièrement dans les turricules. / Soil represents an important carbon sink, which inputs and outputs are governed by numerous biotic and abiotic factors. We focused on two essential biotic factors: litter inputs, the main source of SOM; and earthworms, key soil engineers in temperate regions. We investigated the fate of 13C-labelled Ryegrass root and shoot litter, in soil and epi-anecic earthworm casts (Lumbricus terrestris), based on a one year mesocosm experiment. Soil samples were collected at two depths, as well as surface casts, regularly during the 54 weeks of experiment. SOM complexity and heterogeneous composition was considered, using a multidisciplinary approach at different spatio-temporal scales to quantify, localize and characterize the organic carbon incorporated in soil and earthworm casts. The chemical composition of roots and shoots had a significant impact on the fate of carbon in soil, with an increased contribution from root-derived carbon in soil and casts after one year. The chemical composition tended to influence the litter palatability for earthworms. As organo-mineral associations tended to increase during drying and ageing of casts, physical interactions might have also played an important role in cast formation and evolution. Earthworms tended to minimize the diverging fate of root and shoot residues on both soil and cast carbon, after the year of experiment. Thus, while studying soil carbon incorporation, decomposition and stabilization, the role of soil invertebrates should be particularly considered. We also observed the crucial role of microorganisms in decomposing litter and their potentially high participation to stable carbon pool in soil and particularly in casts.

Les sols de montagne représentent d'importants réservoirs de carbone (C) potentiellement vulnérables aux changements climatiques et changements d'usage qui les affectent de manière amplifiée. Or la grande variabilité de ces milieux, leur faible accessibilité ainsi que le manque d'outils de mesure appropriés limitent nos connaissances qui restent aujourd'hui très fragmentaires en ce qui concerne les stocks, la chimie et la réactivité du carbone organique des sols (COS). Ces informations sont pourtant nécessaires pour appréhender l'évolution de ces sols et de leur C dans ce contexte de changements globaux. Les objectifs de ce travail de thèse étaient (i) d'accéder à une meilleure compréhension de la nature, de la stabilité et de la vulnérabilité du COS dans une mosaïque d'écosystèmes des Préalpes calcaires (massif du Vercors), (ii) de rechercher des outils de caractérisation rapides et fiables adaptés à l'étude et au suivi du COS à l'échelle du paysage, et enfin (iii) de proposer des indices pour l'évaluation et le suivi de la qualité des sols en milieu de montagne. Dans un premier temps, nous avons testé l'application de la pyrolyse Rock-Eval pour l'étude du COS à grande échelle sur un ensemble d'unités écosystémiques. Nous avons ensuite comparé la pyrolyse Rock-Eval à deux techniques classiques d'étude de la matière organique du sol (MOS) : le fractionnement granulodensimétrique de la MOS et la spectroscopie moyen infrarouge. Ces approches analytiques couplées nous ont permis de quantifier les stocks de C à l'échelle de la zone d'étude et d'expliquer la stabilité et la vulnérabilité du COS sous des angles variés. Les facteurs responsables des patrons observés dans les différentes unités écosystémiques sont discutés. Ce travail a également confirmé la pertinence de l'outil Rock-Eval pour répondre aux objectifs fixés. Parallèlement, des approches biologiques nous ont permis d'évaluer l'importance de la composante microbienne dans ces sols. Enfin, des indices évaluant le statut organique des sols (stockage de COS, fertilité des sols, vulnérabilité du COS) sont proposés pour constituer des outils de gestion et d'aide à la décision.

L'évolution de la législation en matière de valorisation des déchets organiques incite au développement de filières de valorisation, parmi lesquelles le compostage présente un intérêt d'amendement pour les sols, lié notamment à la présence de substances humiques. La matière organique (MO) est une composante importante du sol en raison de son rôle dans les équilibres physiques, chimiques et biologiques, ainsi que par son implication dans le comportement des métaux et métaux traces (MMT). Les objectifs de cette thèse étaient de développer une approche méthodologique afin de caractériser la MO du sol (MOS) et étudier son évolution spatio-temporelle suite à l’apport d’un compost sur une année et 2 profondeurs, et d'approcher son impact sur le comportement des MMT. Une procédure d’extraction séquentielle en 4 étapes (eau, acide, soude, pyrophosphate) a été réalisée afin de fractionner la MOS. Des analyses quantitatives et qualitatives, ont été effectuées sur les extraits. La procédure de fractionnent chimique a permis de distinguer plusieurs catégories de composés organiques (labiles, fulviques et humiques plus ou moins aromatiques). Les analyses quantitatives et les réponses spectrales sur les extraits ont révélé un effet compost essentiellement les trois premiers mois après l’épandage et en été, avec un impact des paramètres climatiques au cours de l'année, mais pas au-delà de 15 cm. Le compost peut apporter au sol une charge supplémentaire en MMT, notamment potentiellement mobilisables, avec un risque de contamination modéré, mais non négligeable lié aux effets potentiels d’accumulation et de concentration sur le long terme. / The evolution of the legislation regarding the valorization of biowaste (green manure) induces the development of valorization chains, among which amending soils with compost is of particular interest, due to the presence of humic substances. Organic matter (OM) is an important component of the soil due to its physical, chemical and biological participation, and its implication in the behaviour of metals and trace metals (MTM).The aims of this thesis were to develop a methodological approach to characterize OM of soil (SOM) and to study its spatiotemporal evolution over one year at two different depths following the addition of compost, and its impact on the behaviour of MTM. A 4-step sequential extraction procedure (water, acid, sodium hydroxide, pyrophosphate) was used to the SOM fractionation. Quantitative and qualitative analysis were applied on extracts. Solubilization kinetics of MTM was also carried out to refine the study of their mobility.The chemical fractionation procedure allowed distinguishing several classes of organic compounds (labile, fulvic and humic with various aromaticity). Quantitative analyzes and spectral responses of the extracts revealed an effect of the compost (organic carbon, metals, aromaticity and molecular weight compounds) essentially during the first three months after spreading and during the summer period, with a climate parameter effect during the year, but not beyond 15 cm of depth. Compost can bring to the soil an additional load of MTM, including potentially mobilized forms, with a moderate, but not negligible risk of contamination, due to the potential effects of accumulation and concentration over the long term.

Les exploitations mixtes d'agriculture-élevage sont le pilier des systèmes agricoles des pays en développement. Dans les hauts plateaux de Madagascar, les exploitations familiales d'agriculture-élevage sont basées sur l'association riz et élevage bovin. Les bovins ont un rôle central dans l'économie et la reconnaissance sociale de ces exploitations malgaches. Cependant ces exploitations sont souvent confrontées à des problèmes de faibles productivités liés à la dégradation de la fertilité des sols et à un accès limité aux intrants. Dans ce contexte, les exploitants doivent gérer les ressources végétales pour trouver un compromis entre alimentation humaine, alimentation animale et retours aux sols. Certaines pratiques de gestion des biomasses peuvent aggraver les phénomènes de dégradation de la fertilité des sols et remettre alors en cause la durabilité des exploitations. L'objectif de cette thèse est de montrer que la diversité des pratiques de gestion des biomasses au sein des exploitations familiales d'agriculture-élevage des hauts plateaux de Madagascar conditionne la durabilité des systèmes en termes de fertilité des sols, de recyclage des éléments nutritifs, de revenus et de sécurité alimentaire. Pour cela, il a été nécessaire de : i) caractériser au préalable la diversité des exploitations familiales d'agriculture-élevage du Vakinankaratra et de comprendre le fonctionnement de ces exploitations mixtes ; ii) étudier les effets des pratiques de gestion des parcelles sur la variabilité de la fertilité des sols des exploitations ; iii) évaluer la durabilité des exploitations d'agriculture-élevage et tester l'impact d'améliorations des pratiques d'alimentation animale, de gestion des effluents et de fertilisation sur la durabilité des exploitation. Quatre exploitations d'agriculture-élevage du Vakinankaratra, sélectionnées à dires d'experts, ont été enquêtées par immersion. Une étude typologique des exploitations d'agriculture-élevage du Vakinankaratra a été effectuée. Des prélèvements de sol ont été effectués pour l'ensemble des parcelles des quatre exploitations d'agriculture-élevage étudiées. Un outil de calcul des flux d'azote au sein des exploitations a été élaboré, puis a été associé aux matrices du Network Analysis afin de générer des indicateurs environnementaux, sociaux et économiques. Cet outil a été utilisé pour simuler les options d'améliorations des pratiques d'alimentation animale, de gestion des effluents et de fertilisation.L'étude typologique a identifié six types d'exploitations d'agriculture-élevage au Vakinankaratra. L'étude du fonctionnement des exploitations sélectionnées a mis en évidence d'une grande diversité des pratiques d'alimentation des animaux, de gestion des effluents d'élevage et de fertilisation. Une hétérogénéité de la fertilité des sols induite par les pratiques de gestion des parcelles a été révélée. Pour les quatre exploitations étudiées, l'amélioration des pratiques d'alimentation du troupeau bovin laitier associée à l'amélioration des pratiques de gestion des effluents d'élevage a permis d'améliorer la durabilité environnementale (efficience azotée globale, recyclage de l'azote, bilan azoté du sol), économique (marge brute agricole) et sociale (autosuffisance alimentaire).Ce travail a permis de caractériser la diversité des exploitations d'agriculture-élevage du Vakinankaratra, la diversité des pratiques et leurs effets sur la fertilité du/des sol. Cette étude s'est avérée être une approche intéressante pour évaluer des options d'amélioration de la durabilité des exploitations d'agriculture-élevage dans un contexte peu documenté. / Mixed crop-livestock systems constitute the backbone of agriculture in developing countries. In highlands of Madagascar, crop–livestock systems are based on rice and cattle. Cattle play a major role in the economy and the social recognition of these smallholder farms. Smallholder farms used to face with low crop productivity related to soil fertility degradation and to low access to inputs. In this context, smallholders have to manage plant resources in order to find a trade-off between food, feed and soil returns. Some biomass management may increase soil fertility degradation and then compromise farms sustainability.The objective of this thesis is to show that the diversity of biomass management on smallholder crop–livestock systems of highlands of Madagascar determines the sustainability of farming systems in terms of soil fertility, nutrients recycling, incomes and food security. For this, it was necessary to: i) characterize the diversity of crop-livestock systems in the region of Vakinankaratra and understand how smallholder farms are managed; ii) study the effects of soil management on the soil variability; iii) assess the farms sustainability and explore improvements of feeding, manure management and fertilization.Four crop-livestock farms of the Vakinankaratra (selected with local experts) were surveyed using participant observation methodology. A typology of crop-livestock farms was performed. Topsoil samples were collected in all plots of the four cases studies. A nitrogen flows calculating tool was developed and has been associated with Network Analysis matrices to generate environmental, social and economic indicators. This tool was used to simulate improvements in feeding, manure management and fertilization.The typology identified six farm types of crop-livestock systems in the Vakinankaratra. The farms study revealed a great diversity of animal feeding practices, manure management and fertilization. Heterogeneity of soil fertility induced by farmer management was shown. For the four case studies, improved feeding practices on dairy combined with improved manure management have increased environmental (farm nitrogen efficiency, nitrogen recycling, soil nitrogen balance), economic (agricultural gross margin) and social (food self-sufficiency) sustainability.This study characterized the diversity of crop-livestock farms of the Vakinankaratra, the diversity of practices and their effects on soil fertility. It proved to be an interesting approach to explore options for improving sustainability of crop-livestock farms in context of data scarcity.

Les forêts tropicales constituent le principal réservoir de biodiversité et de carbone (C). Cependant, la plupart des forêts tropicales, en particulier les forêts de Bornéo en Asie du Sud-Est, subissent une pression intense et sont menacées par des activités anthropiques telles que l'exploitation forestière, l'industrie minière l’agriculture et la conversion en plantations industrielles. En 2010, la superficie des forêts de production de Bornéo était de 26,8 millions d’ha (environ 36% de la superficie totale de l’île, dont 18 millions ha (environ 24%) déjà exploités. Par conséquent, les forêts de production occupent donc une place importante à Bornéo et jouent un rôle essentiel dans la compensation des biens fournis et la maintenance des services écosystémiques, tels que la conservation du C et de la biodiversité.L’exploitation sélective réduit la biomasse aérienne et souterraine par l’élimination de quelques grands arbres, et augmente les stocks de bois mort par des dommages collatéraux. En créant des trouées dans la canopée, le microclimat dans les sous-étages et au sol change localement et accélèrent la décomposition de la litière et de la matière organique. L'importance des dégâts, de l'ouverture de la canopée et de la rapidité du rétablissement du C s'est avéré principalement liée à l'intensité de l'exploitation forestière. Cependant, les évaluations empiriques de l'effet à long terme de l'intensité de l'exploitation forestière sur l'équilibre du C dans les forêts de production restent rares.La présente thèse se concentre principalement sur l'évaluation de l'effet à long terme de l'intensité de l'exploitation forestière sur la séquestration de carbone dans une forêt à Diptérocarpées de Nord Bornéo (District de Malinau, Kalimantan Nord) exploitée en 1999/2000. Cinq principaux réservoirs de C, à savoir le C aérien dans les arbres vivants (AGC), le C souterrain dans les arbres vivants (BGC), le bois mort, la litière et le C organique du sol (SOC) ont été estimés le long d’un gradient d'intensité d'exploitation (0-57% de la biomasse perdue).Nos résultats ont montré que les stocks totaux de C, 16 ans après l'exploitation, variaient de 218 à 554 Mg C ha-1 avec une moyenne de 314 Mg C ha-1. Une différence de 95 Mg C ha-1 a été observée entre une faible intensité d'exploitation forestière (<2,1% de la biomasse initiale perdue) et une intensité d'exploitation élevée (>19%). La plus grande partie du C (environ 77%) était présente dans les arbres vivants, suivie par les stocks du sol (15%), les stocks de bois mort (6%) et une fraction mineure des stocks de litière (1%). L'empreinte de l'intensité de l'exploitation forestière était encore détectable 16 ans après l'exploitation et a été le principal facteur expliquant la réduction des AGC>20, BGC>20, du bois mort et des stocks de C et une augmentation du bois mort. L'intensité de l'exploitation expliquait à elle seule 61%, 63%, 38% et 48% des variations des AGC>20, BGC>20, du bois mort et des stocks de C totaux, respectivement. L'intensité de l'abattage a également réduit considérablement les stocks de SOC dans la couche supérieure de 30 cm. Pour l'ensemble des stocks de SOC (0-100 cm), l'influence de l'intensité de l'exploitation était encore perceptible, en conjonction avec d'autres variables.Nos résultats quantifient l'effet à long terme de l'exploitation forestière sur les stocks de C forestier, en particulier sur les AGC et les bois morts. L'intensité élevée de l'exploitation forestière (réduction de 50% de la biomasse initiale) a réduit les stocks totaux de C de 27%. La récupération de l'AGC était plus faible dans les parcelles d'intensité d'exploitation forestière élevée, ce qui suggère une résilience plus faible de la forêt à l'exploitation forestière. Par conséquent, une intensité d'exploitation forestière inférieure à 20%, devrait être envisagé afin de limiter l'effet à long terme sur les AGC et le bois mort. / Tropical forests are a major reservoir of biodiversity and carbon (C), playing a pivotal role in global ecosystem function and climate regulation. However, most of the tropical forests, especially Bornean forests in Southeast Asia, are under intense pressure and threatened by anthropogenic activities such as logging, mining industry, agriculture and conversion to industrial plantation. In 2010, the area of production forests in Borneo was 26.8 million ha (approx. 36% of the total land area of Borneo) including 18 million ha (approx. 24%) of logged forests. Production forests are thus emerging as a dominant land-use, playing a crucial role in trading-off provision of goods and maintenance of ecosystem services, such as C and biodiversity retention.Selective logging is known to reduce both above- and below-ground biomass through the removal of a few large trees, while increasing deadwood stocks through collateral damages. By creating large gaps in the canopy, microclimates in the understory and on the forest floor change locally speeding up the decomposition of litter and organic matter. The extent of incidental damages, canopy openness, as well as the speed of C recovery, was shown to be primarily related to logging intensity. However, empirical evaluations of the long-term effect of logging intensity on C balance in production forests remain rare.The present thesis aims to assess the long-term effect of logging intensity on C sequestration in a north Bornean Dipterocarp forests (Malinau District, North Kalimantan) logged in 1999/2000. Five main C pools, namely above-ground (AGC) and below-ground (BGC) carbon in living trees, deadwood, litter, and soil organic carbon (SOC) were estimated along a logging intensity gradient (ranging from 0 to 57% of initial biomass removed).Our result showed that total C stocks 16 years after logging, ranged from 218-554 Mg C ha-1 with an average of 314 Mg C ha-1. A difference of 95 Mg C ha-1 was found between low logging intensity (<2.1% of initial biomass lost) and high logging intensity (>19%). Most C (approx. 77%) was found in living trees, followed by soil (15%), deadwood (6%), and a minor fraction in litter (1%). The imprint of logging intensity was still detectable 16 years after logging, and logging intensity thus was the main driver explaining the reduction of AGC>20, BGC>20, deadwood, and total C stocks and an increase in deadwood. Solely, logging intensity explained 61%, 63%, 38%, and 48% of variations of AGC>20, BGC>20, deadwood, and total C stocks, respectively. Logging intensity also significantly reduced SOC stocks in the upper 30 cm layer. For total SOC stocks (0-100 cm), the negative influence of logging intensity was still perceptible, being significant in conjunction with other variables.Our results quantify the long-term effect of logging on forest C stocks, especially on AGC and deadwood. High logging intensity (50% reduction of initial biomass) reduced total C stocks by 27%. AGC recovery was lower in high logging intensity plots, suggesting lowered forest resilience to logging. Our study showed that maintaining logging intensity, below 20% of the initial biomass, limit the long-term effect of logging on AGC and deadwood stocks.

La concentration de Carbone organique de sol (COS) et les émissions de gaz à effet de serre (GES) ne sont pas uniformes à travers l’espace, mais se regroupent en “hotspots” dans des endroits spécifiques. Ces différences s’expliquent principalement par les activités anthropiques telles que la gestion agricole. 40-50% de la surface de la Terre est utilisé par l’agriculture, par exemple les terres cultivées, les prairies gérées et cultures permanentes, y compris l’agro-foresterie et de bio-cultures énergétiques. En outre, 62% du carbone globale est COS, et le sol conserve plus que 3 fois plus de C que l’atmosphère. Ainsi, la séquestration du carbone dans les sols agricoles joue un rôle potentiellement important dans l’augmentation de stockage de COS et l’atténuation des GES, et il y a un intérêt considérable pour comprendre les effets de la gestion agricole sur le COS et les flux de GES aux prairies et terres cultivées, afin de mieux évaluer l’incertitude et la vulnérabilité des réservoirs de COS. Afin de découvrir les pratiques de gestion agricole qui contribuent à la séquestration efficace et durable du carbone aux terres agricoles en Europe, il est essentiel de simuler les stocks futurs de carbone terrestriel et les budgets de GES par rapport aux systèmes de gestion agricole variés sur les grands écosystèmes européens. Dans ce contexte, la modélisation est une méthode utile, et la modélisation a déjà été utilisée dans beaucoup d’études. Cependant beaucoup de résultats de la modélisation n’ont pas encore été validés avec les données mesurées sur l’horizon long-terme, et d’ailleurs d’autres études ont constaté un fort impact de l’initialisation du modèle sur le résultat du modèle. Néanmoins, la variabilité des prévisions annuelles et décennales concernant le C et le GES en Europe dépendent des résultats du modèle. Par conséquence, il est important de trouver la meilleure méthode d’initialisation des modèles pour obtenir des résultats des modèles fiables, notamment pour les modèles d’écosystèmes dits “process-based”. Au cours des dernières années, Zimmermann et al. (2007) a réussit à initialiser le modèle de Rothamsted carbone (RothC) en utilisant une méthode (physique et chimique) de fractionation des sols. Pour cette raison, j’ai fait l’hypothèse que les données COS détaillées seraient utiles pour initialiser des modèles d’écosystème, et que cette hypothèse doit être testée avec les modèles différents par rapport aux gestions agricoles différentes. Les buts de cette thèse sont les suivants: i) évaluation des influences des gestions agricoles sur le stockage de COS, en utilisant des approches expérimentales et des approches de modélisation; et ii) déterminer la meilleur méthode d’initialisation des modèles. (...) / Soil organic carbon (SOC) concentrations and greenhouse gas (GHG) emissions are not uniform across the landscape, but assemble in “hotspots” in specific areas. These differences are mainly driven by human-induced activities such as agricultural management. 40-50% of the Earth’s land surface is under agricultural land-use, for instance cropland, managed grassland and permanent crops including agro-forestry and bio-energy crops. Furthermore, 62% of the global soil C stock is SOC and the soil stores more than 3 times more C than the atmosphere. Thus, C sequestration in agricultural soil has a potentially important role in increasing SOC storage and GHG mitigation, and there is considerable interest in understanding the effects of agricultural management on SOC and GHG fluxes in both grasslands and croplands, in order to better assess the uncertainty and vulnerability of terrestrial SOC reservoirs. For the sake of discovering the agricultural management practices relating to the effective and sustainable C sequestration in agricultural lands in Europe, simulating future terrestrial C stocks and GHG budgets under varied agricultural management systems in major European ecosystems is essential. Using models is a useful method with the purpose of this and abundant studies have carried out. However, many model results have not been validated with reliable observed long-term data, while other studies have reported a strong impact of model initialisation on model result. Nevertheless, predictions of annual to decadal variability in the European terrestrial C and GHG ressources largely rely on model results. Consequently, finding the most appropriate and comprehensive model initialisation method for obtaining reliable model simulations became important, especially for process-based ecosystem models. In recent years, Zimmermann et al. (2007) have succeed in initialising the Rothamsted Carbon model (RothC) using a physical and chemical soil fractionation method. For that reason, we hypothesised that measured detailed SOC data would be useful to initialise ecosystem models, and this hypothesis should be tested for different process-based models and agricultural land-use and management. (...)

Les sols de montagne représentent d'importants réservoirs de carbone (C) potentiellement vulnérables aux changements climatiques et changements d'usage qui les affectent de manière amplifiée. Or la grande variabilité de ces milieux, leur faible accessibilité ainsi que le manque d'outils de mesure appropriés limitent nos connaissances qui restent aujourd'hui très fragmentaires en ce qui concerne les stocks, la chimie et la réactivité du carbone organique des sols (COS). Ces informations sont pourtant nécessaires pour appréhender l'évolution de ces sols et de leur C dans ce contexte de changements globaux. Les objectifs de ce travail de thèse étaient (i) d'accéder à une meilleure compréhension de la nature, de la stabilité et de la vulnérabilité du COS dans une mosaïque d'écosystèmes des Préalpes calcaires (massif du Vercors), (ii) de rechercher des outils de caractérisation rapides et fiables adaptés à l'étude et au suivi du COS à l'échelle du paysage, et enfin (iii) de proposer des indices pour l'évaluation et le suivi de la qualité des sols en milieu de montagne. Dans un premier temps, nous avons testé l'application de la pyrolyse Rock-Eval pour l'étude du COS à grande échelle sur un ensemble d'unités écosystémiques. Nous avons ensuite comparé la pyrolyse Rock-Eval à deux techniques classiques d'étude de la matière organique du sol (MOS) : le fractionnement granulodensimétrique de la MOS et la spectroscopie moyen infrarouge. Ces approches analytiques couplées nous ont permis de quantifier les stocks de C à l'échelle de la zone d'étude et d'expliquer la stabilité et la vulnérabilité du COS sous des angles variés. Les facteurs responsables des patrons observés dans les différentes unités écosystémiques sont discutés. Ce travail a également confirmé la pertinence de l'outil Rock-Eval pour répondre aux objectifs fixés. Parallèlement, des approches biologiques nous ont permis d'évaluer l'importance de la composante microbienne dans ces sols. Enfin, des indices évaluant le statut organique des sols (stockage de COS, fertilité des sols, vulnérabilité du COS) sont proposés pour constituer des outils de gestion et d'aide à la décision. / Mountain soils are major reservoirs of carbon (C), potentially vulnerable to climate and land use changes that affect them significantly. However, the great variability of these soils, their limited accessibility and the lack of appropriate measurement tools restrict our knowledge. Today, our comprehension of the biogeochemistry of mountain soils remains very incomplete regarding stocks, chemistry and reactivity of soil organic carbon (SOC). Yet this information is necessary to understand the evolution of soil carbon in the current context of global change. The objectives of this work were (i) to gain a better understanding of the nature, stability and vulnerability of SOC in a mosaic of ecosystems in a calcareous massif in the Alps (Vercors massif), (ii) to search for fast and reliable characterization tools, suitable for the study and monitoring of COS at the landscape scale, and (iii) to propose indicators for the assessment and monitoring of soil quality in mountain regions. As a first step, we tested the application of Rock-Eval pyrolysis for the study of COS at large-scale on a set of ecosystem units. Then, we compared the Rock-Eval approach to two conventional techniques for soil organic matter (SOM) study: the particle-size fractionation of SOM, and the mid-infrared spectroscopy. These coupled analytical approaches allowed us to quantify C stocks across the study area, and explain the stability and the vulnerability of COS at various angles. Factors responsible for the patterns observed in the different eco-units are discussed. This work also confirmed the relevance of the Rock-Eval tool to achieve our previous objectives. Biological approaches allowed us to assess the significance of microbial pool in these soils. Finally, indices assessing the status of SOM (SOC storage, soil fertility, vulnerability COS) were proposed and constituted interesting management tools for decision-makers.