Le cycle hydrologique est une composante clef du climat de la Terre et sa compréhension repose à la fois sur les observations et sur les simulations de ses différents aspects, tels le transport, les changements de phase ou encore ses interactions avec le rayonnement. Les satellites géostationnaires METEOSAT ont, à leur bord, des radiomètres qui observent, dans l'infrarouge, la vapeur d'eau d'une large couche de la troposphère des régions tropicales et subtropicales de la région Afrique / Océan Atlantique. Disponibles depuis les années 80, ces observations dites "Vapeur d'Eau" donnent ainsi la possibilité d'étudier la distribution de la vapeur d'eau de la troposphère libre tropicale et sa variabilité depuis des échelles de temps journalières jusqu'à des échelles décennales. Dans cette thèse, une archive d'humidité de la troposphère libre (Free Tropospheric Humidity -FTH-), de haute résolution spatiale (0,625°x0,625°) et temporelle (3h), est élaborée à partir des observations IR de la succession des satellites METEOSAT (MET-2 à MET-5), dont l'étalonnage est ajusté sur celui du canal 12 du sondeur HIRS (NOAA-12) pris comme référence. En ciel clair, nous montrons que les mesures "VE" des régions tropicales et subtropicales s'interprètent en terme d'humidité relative moyenne d'une couche variable de l'atmosphère, définie de façon précise par le jacobien d'humidité relative, décrivant la sensibilité de la mesure à des perturbations locales relatives du profil d'humidité relative. Les nuages de basse altitude affectant la mesure "VE" de façon négligeable, ceux-ci sont échantillonnés, en plus du ciel clair, à partir des informations sur la nébulosité issues de l'analyse multi-spectrale ISCCP. Cette sélection des nuages bas amène une meilleure représentation des régions subtropicales et du proche environnement convectif. Des analyses de la distribution de la vapeur d'eau troposphérique sont menées et révèlent l'importance de la variabilité relative de la FTH des zones sèches subtropicales, notamment pour la région de l'Est de la Méditerranée. A l'échelle intrasaisonnière, l'utilisation d'un modèle de transport lagrangien permet de montrer que l'humidité relative à 500hPa de cette région de subsidence est caractérisée par un mélange de masses d'air tropicales et extra-tropicales, provenant de zones plus ou moins froides de la troposphère. La base de données est également utilisée dans le but d'évaluer les simulations de modèles de climat, dans le cadre d'un exercice international d'intercomparaison, montrant la difficulté des modèles à reproduire la variabilité interannuelle de la FTH des régions sèches subtropicales.

La nécessité d'effectuer des prévisions climatiques fiables renforce le besoin de représenter correctement notre système Terre dans les modèles de climat. Or, les interactions entre la surface continentale et l'atmosphère restent simplistes dans la plupart des modèles de circulation générale atmosphérique (MCGAs). L'objectif de cette thèse était ainsi de contribuer à la compréhension du rôle de la surface sur le climat des régions boréales, particulièrement sensibles aux changements climatiques, et sur leur sensibilité climatique. L'introduction dans le MCGA LMDz de deux caractéristiques des terres boréales, les sols gelés et les zones inondées (lacs et zones humides), a permis de quantifier leurs impacts respectifs sur différents climats (présent, Dernier Maximum Glaciaire, futur). Les émissions de méthane atmosphérique provenant des zones humides simulées par LMDz ont été estimées depuis le DMG. Le régime thermique des sols gelés a été examiné dans les récentes réanalyses européennes.

Une connaissance approfondie de la variabilité spatiale du climat est essentielle en agronomie et agroforesterie, afin d'évaluer les capacités de production d'une région ou encore la pression phytosanitaire potentielle d'un ravageur. En viticulture, le climat conditionne largement la cinétique de développement de la vigne ainsi que la maturation du raisin. L'objectif de ce travail était de caractériser la variabilité spatiale du climat à méso-échelle en utilisant différentes techniques de spatialisation au pas de temps quotidien de variables climatiques et d'indices agroclimatiques, afin d'évaluer ses conséquences sur le développement de la vigne et sur la maturation du raisin. La région considérée est la Gironde viticole (aire de production des vins de Bordeaux). Six variables ont été étudiées : les températures minimales et maximales, le rayonnement global, l'évapotranspiration potentielle, les précipitations et le bilan hydrique. Pour chaque variable, la méthode de spatialisation fournissant les résultats les plus pertinents à des coûts informatique et temporel raisonnables a été sélectionnée. La propagation des erreurs produites par la spatialisation des variables climatiques au pas de temps quotidien dans les modèles agroclimatiques a ensuite été évaluée. Cette propagation est non négligeable dans le calcul des sommes de températures et des bilans hydriques. La cartographie des variables climatiques a permis de caractériser la variabilité spatiale du climat en Gironde viticole et de bien quantifier des différences entre aires d'appellation qui n'étaient connues que de manière très empirique. Les résultats de cette étude permettront de mieux adapter les techniques viticoles et le choix du matériel végétal aux possibilités offertes par le milieu.

Les Hohokam et leurs descendants les Akimel O'Odham ont exploité et irrigué la basse vallée de la Salt et la moyenne vallée de la Gila dans le bassin semi-désertique de Phoenix en Arizona depuis presque deux millénaires. Leur histoire culturelle repose sur une interaction constante de ses membres avec une ressource rare, l'eau. Pour comprendre les dynamiques socio-environnementales, résultats de cette interaction sur la longue durée, nous avons adopté une approche géoarchéologique, chronologique et paléoenvironnementale des systèmes hydrauliques et des formations alluviales, approche affinée par les méthodes géophysiques et micromorphologiques. La reconstruction de l'agro et de l'hydrosystème met en relief un développement de l'irrigation autour de 300 apr. J.-C. lors de conditions environnementales stables mais sèches. De 300 à 1050 apr. J.-C. (période pré-Classique), l'agrosystème Hohokam est caractérisé par une irrigation efficace de la plaine alluviale et des basses terrasses, qui s'exhaussent puis se stabilisent entre 850 et 1000 apr. J.-C. (Petit Optimum Climatique Médiéval) Un épisode d'élargissement puis d'incision est enregistré entre 1050-1150 apr. J.-C. Malgré un entretien poussé des structures hydrauliques, l'organisation du territoire évolue. Les basses terres sont abandonnées, de nouveaux systèmes d'irrigation sont construits et les pratiques agraires se diversifient. L'exhaussement du lit est à nouveau attesté à partir du 13ème s. et le fonctionnement de l'irrigation est optimal entre 1150 et 1450 apr. J.-C. (période Classique). Le bassin de Phoenix est toutefois abandonné jusqu'au 17ème s. Cette déprise agraire est associée à une phase de stabilité du paysage, entre 1450 et 1600 apr. J.-C, puis par une reprise rapide de l'aggradation associée à une forte mobilité fluviale jusqu'en 1870 (Petit Age Glaciaire), date après laquelle le système s'incise à nouveau. L'agrosystème Akimel O'Odham fonctionne de façon optimale du 17ème jusqu'à l'arrivée massive des pionniers (circa 1870), après laquelle il évolue de façon presque irréversible (réduction de la superficie irrigable, coupe du bois, pratique de l'agriculture sèche). Ces résultats permettent d'aborder les modalités de la morphogénèse en contexte semi-aride mais également les concepts de rupture et de stabilité socio-environnementale. Nous réfutons l'hypothèse d'un déclin d'origine environnementale autour de 1450 apr. J.-C. Par contre, une crise environnementale autour de 1000-1150 apr. J.-C., associée à des conditions climatiques contraignantes (changements climatiques rapides avec épisodes El Niño) conduisant à des migrations massives et une surexploitation du territoire dans un milieu déjà fragilisé car trop spécialisé, pourrait être responsable du lent déclin de la communauté d'irrigation Hohokam, 200 à 300 ans plus tard. Le système socio-environnemental des Akimel O'Odham au 19ème s. semble reproduire le même schéma sur une échelle spatiale et temporelle plus réduite.

Les musées et centres de sciences se sont historiquement constitués comme des institutions scientifiques et culturelles détentrices d'un savoir savant qui leur confère une certaine autorité. Actuellement, des problèmes socioscientifiques (controverses sociotechniques ou questions socialement vives) et de nouveaux rapports entre sciences et société interrogent les modes de médiations de ces institutions. Dès lors, comment traitent-elles ces sujets ? Comment les professionnels du secteur se positionnent-ils ? Afin de répondre à ces questions, cette thèse prend l'exemple du changement climatique et mobilise deux cadres d'étude : les courants sur la médiation des sciences inspirés du champ STS (Sciences and Technology Studies) qui interrogent le deficit model et la théorie des arènes dans le cadre des études sur les problèmes publics. Quatre musées et centres de sciences sont étudiés : Science Animation à Toulouse, Cap Science à Bordeaux, la Cité des Sciences et de l'Industrie de Paris et le Science Museum de Londres. Le changement climatique, du moins en France jusqu'en 2009, fait l'objet d'une construction consensuelle dans les arènes scientifiques, politiques ou encore médiatiques. En effet, divers opérateurs convergent autour d'une même définition du problème. Les institutions muséales étudiées s'en détachent peu : relais du consensus incarné par les conclusions du GIEC, dépolitisation du problème, alerte et appel à l'action mais absence de focalisation sur la dimension individuelle des enjeux. Quatre modes de médiation muséale du changement climatique sont identifiés : un mode de rupture, un mode informatif, un mode réflexif et critique et un mode résolutique. Les professionnels rencontrés lors de l'enquête adoptent des postures diverses. Néanmoins, la plupart s'attachent à présenter des connaissances validées dans une posture d'impartialité et refusent les approches interventionnistes. Cependant, certains éléments des productions étudiées relèvent d'un tel mode de médiation en articulation avec des discours du type alerte et appel à l'action. Cette contradiction pourrait témoigner du poids de la définition dominante du problème climatique institué comme cause sans adversaire et plus largement de la prégnance du développement durable comme nouvelle norme sociopolitique.

Durant cette thèse, nous avons cherché à (1) déterminer le rôle du climat et de facteurs biotiques associés à celui-ci dans la sélection d'adaptations locales chez des parasitoides de drosophiles (2) comprendre comment la plasticité phénotypique des traits d'histoire de vie a évolué en réponse à l'environnement et aux stratégies de maturation de ces organismes. Contrairement aux consommateurs primaires pour lesquels la température d'origine affecte directement l'évolution des histoires de vie, il semblerait que les facteurs biotiques dépendants du climat comme la distribution des hôtes et la compétition interspécifique soient le moteur principal de la sélection naturelle chez les parasitoides. La distribution des hôtes expliquerait les très fortes variations géographiques observées sur des échelles fines, comme l'existence de populations proovogéniques ou synovogéniques au sein d'une même espèce, ainsi que de populations capables ou non de lipogenèse à l'age adulte. Cette dernière variation aurait notamment affecté les compromis entre traits et l'évolution du taux de métabolisme. La force de la plasticité phénotypique présente également de fortes variations géographiques. Celles-ci peuvent être attribuées à la variabilité de l'environnement d'origine et non aux histoires de vie des organismes. Prédire l'évolution des parasitoides en réponse au réchauffement global nécessite donc d'intégrer non pas seulement un effet direct du climat, mais également les facteurs biotiques et la variabilité environnementale associés au climat.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer les connaissances sur les processus et les facteurs de contrôle des flux d'altération chimiques à l'échelle d'un petit bassin versant tropical (Mule Hole, Inde du Sud). Le rôle de la minéralogie et du climat est étudié grâce à la modélisation. Dans la première partie du travail, les sols (fersialsols, vertisols) et la roche mère (gneiss) sont caractérisés minéralogiquement et chimiquement afin de procéder, dans la seconde partie, à la modélisation des processus. Le modèle géochimique est couplé avec un modèle hydrologique. Premièrement, les processus actuels sont étudiés. Le modèle est calibré grâce à la composition chimique du ruisseau et de la nappe. Les flux d'altération à l'échelle du bassin sont reproduits. Ils mettent en évidence le rôle prépondérant de l'altération des smectites (5% volumique dans les sols) sur le bilan d'altération du bassin. Finalement, des tests de sensibilité à la minéralogie et au climat sont réalisés.

Les nuages jouent un rôle capital dans la modulation des échanges énergétiques du système terre-atmosphère. En effet, ils réfléchissent une partie du rayonnement solaire contribuant ainsi au refroidissement de l'atmosphère, et ils piègent une partie du rayonnement infrarouge terrestre contribuant ainsi au réchauffement de la terre. La compétition entre ces deux effets opposés est gouvernée par les propriétés physiques et microphysiques des nuages. En général, les nuages bas avec leurs faibles altitudes et leurs fortes épaisseurs optiques réfléchissent davantage de rayonnement solaire et ont ainsi une tendance au refroidissement. Par contre, les cirrus, à cause de leurs faibles épaisseurs optiques, sont relativement transparents au rayonnement solaire et en même temps captent une partie du rayonnement tellurique infrarouge et le réémettent vers le sol contribuant ainsi au réchauffement de l'atmosphère et de la surface terrestre. L'étude du climat et de son évolution, par les modèles de climat, nécessite une bonne prise en compte des effets radiatifs des nuages. Pour le moment, la détermination de ces effets radiatifs a été identifiée par le IPCC « Panel Intergouvernemental sur le changement de climat » comme l'une des sources principale d'incertitude sur la prédiction du climat. L'impact radiatif des cirrus (nuages des hautes altitudes) est en particulier mal pris en compte dans certains modèles à cause de l'extrême variabilité des tailles et formes des cristaux de glace de ces nuages. En effet, dans certains modèles, la distribution de taille et de forme de ces cristaux est remplacée par un diamètre effectif en supposant les cristaux de forme sphérique. Des études de Kristjansson et al. (2000) sur la sensibilité de deux modèles de climat aux hypothèses sur les propriétés microphysiques des cirrus ont montré que l'incertitude résultante sur l'effet radiatif associé à un doublement de la concentration atmosphérique en dioxyde de carbone est de l'ordre de 50%. Les résultats de telles études expliquent la grande motivation de la communauté scientifique à approfondir nos connaissances sur la microphysique des nuages. Seule l'observation des propriétés des cirrus à différentes échelles permet de comprendre, et donc de mieux représenter, leur impact sur le climat. Les observations satellitaires offrent la possibilité d'étudier les propriétés des cirrus à une échelle globale et sur de longues périodes de temps. Les sondeurs TOVS (TIROS-N Operational Vertical Sounder) embarqués à bord des plate-formes de la NOAA ont déjà démontré leur capacité de restitution des propriétés physiques (altitude, température et émissivité) et microphysiques (taille des cristaux et épaisseur en glace) des cirrus grâce à leur bonne résolution spectrale dans le domaine thermique. Le travail de ma thèse s'est inscrit dans le cadre du projet Européen CIRAMOSA (CIrrus microphysical properties and their effect on RAdiation : survey and integration into climate MOdels from a combination of SAtellite observations), une collaboration entre le Laboratoire de Météorologie Dynamique, le MetOffice à Exeter en Grande Bretagne, l'Institut pour la recherche marine à Kiel en Allemagne et le Laboratoire d'Optique Atmosphérique à Lille. Ce projet avait pour objectif d'étudier les propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir d'observations de différents instruments satellitales ainsi que de mesures in-situ. Des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère ont pu être démontrées à échelle globale, ce qui va contribuer à l'amélioration des paramétrisations des propriétés microphysiques des cirrus dans les modèles de climat pour une meilleure évaluation de leurs effets radiatifs. Le LMD a participé à ce projet par l'élaboration d'une base climatique des propriétés physiques et microphysiques des cirrus à partir des mesures des sondeurs verticaux TOVS. Cette climatologie est la première dans son genre. La première étape de mon travail de thèse (chapitre 2) est consacrée à l'évaluation de l'altitude des nuages de la base climatique TOVS Path-B, une variable très importante pour le calcul des flux radiatifs. Pour cette évaluation j'ai combiné des données TOVS Path-B avec les observations du lidar LITE proches en temps et en espace. Cette analyse a démontré qu'en général l'altitude de nuage de TOVS Path-B correspond bien au milieu de nuage. L'accord est meilleur pour les nuages bas que pour les nuages hauts. Ces derniers sont d'une part souvent plus hétérogènes et d'autre part, dans le cas d'un nuage sous-jacent, la structure verticale du nuage haut semble différente (avec un maximum du signal de rétro-diffusion plus haut). Dans le dernier cas, en moyenne, l'altitude de nuage de TOVS Path-B est sous-estimée d'environ 700m. Dans une seconde étape (chapitre 3), je me suis intéressée à l'étude des corrélations entre les propriétés microphysiques des cirrus et l'état de l'atmosphère. Les échelles spatio-temporelles mises en jeu par les processus physiques de formation des nuages se caractérisent par un large spectre de variabilité. Or, la résolution spatiale et temporelle des modèles de climat est réduite et ne permet pas de prendre en compte une telle variabilité. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir des paramétrisations permettant la représentation de ces propriétés microphysiques dans les modèles de climat. La conception et le développement de ces paramétrisations nécessitent une bonne compréhension des liens entre la composition microphysique des nuages et les processus de génération de ces nuages. Jusqu'à présent les corrélations entre les propriétés microphysiques des nuages et l'état de l'atmosphère ont été étudiées lors de campagnes de mesures in-situ et donc dans des zones et pour des périodes limitées. La base de données TOVS Path-B des propriétés microphysiques des cirrus, avec sa couverture globale et une durée de quatre années, nous a permis d'étudier à l'échelle du globe la cohérence de ces corrélations identifiées lors des campagnes régionales. Dans un certain nombre de modèles de climat, la taille effective des cristaux de glace ou l'épaisseur en glace des cirrus sont paramétrisées en fonction de la température de nuage. Nos analyses avec les données TOVS Path-B ont démontré que cette corrélation n'existe pas à échelle globale. Pour aller plus loin, j'ai cherché à étudier l'effet de la dynamique et la thermodynamique de l'atmosphère sur les propriétés microphysiques des cirrus. Pour cette étude, j'ai combiné les propriétés des cirrus de TOVS Path-B avec les paramètres atmosphériques des ré-analyses du ECMWF. Nos études ont démontré le rôle important que jouent les vents (horizontaux et verticaux) et l'humidité de l'air dans la modulation des propriétés microphysiques des cirrus. En général, dans les situations de forts vents verticaux et horizontaux, les cirrus ont une taille effective de cristaux de glace plutôt faible. De même, l'épaisseur en glace des cirrus baignant dans une atmosphère humide contenant de forts courants ascendants est plutôt grande. La dernière partie de ma thèse (chapitre 4) est dédiée à l'étude de la cohérence des paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace entre le domaine thermique et le domaine solaire. Ces propriétés de diffusion dépendent de la taille effective des cristaux de glace, de la forme de ces cristaux et de la longueur d'ondes. La non-régularité des formes de cristaux de glace des cirrus fait que le traitement de la diffusion et de l'absorption du rayonnement par ces cristaux ne peut se faire que par des méthodes approchées. Nous avons déterminé les flux radiatifs au sommet de l'atmosphère en présence de cirrus à partir du modèle de transfert radiatif utilisé dans le modèle de climat britannique du MetOffice. Les propriétés physiques des cirrus provenant de TOVS Path-B, ainsi que les propriétés microphysiques établies à partir des mesures dans le domaine thermique, ont été utilisées pour calculer les albédos, qui ensuite ont été comparés aux albédos observés de ces cirrus. Ces derniers ont été déterminés par le radiomètre ScaRaB. Trois paramétrisations des propriétés de diffusion des cristaux de glace ont été testées. Ces paramétrisations ont été développées à partir de principes physiques différents ainsi que de différentes hypothèses sur la forme des cristaux de glace. En supposant des cristaux en forme de colonnes hexagonales (Fu, 1998) les observations ne sont en accord avec les calculs que pour des cirrus de faible épaisseur en glace. Les albédos calculés à partir de la paramétrisation de Baran (2003) pour des cristaux en forme d'agrégats sont bien plus en accord avec les albédos observés pour autant que le diamètre effectif des cristaux augmente avec l'épaisseur en glace des cirrus.

Limportance des différentes sources de variation phénotypique que sont ladaptation, la plasticité phénotypique, les effets maternels environnementaux, le niveau de ploïdie et la dérive génétique, a été analysée pour différents traits dhistoire de vie, au sein de laire colonisée par une espèce végétale invasive. A cette fin, plusieurs expériences en jardins communs ont été installées, dont deux en transplantations réciproques. Les populations considérées étaient localisées en Belgique, en France, ainsi que dans laire dindigénat de lespèce. Senecio inaequidens DC. (Asteraceae), lespèce étudiée dans ce travail, est une plante dorigine africaine accidentellement introduite en Europe par le commerce lainier, vers la fin du 19ème siècle. Dans son aire dindigénat, elle présente deux niveaux de ploïdie, diploïde et tétraploïde. Seuls des plants tétraploïdes sont recensés en Europe. Lespèce présente un historique de colonisation particulier, bien documenté, qui en fait un modèle idéal pour les études évolutives. Les traits dhistoire de vie considérés ont été scindés en deux groupes. Les premiers concernaient la germination, la croissance et la reproduction sexuée. Les sources de variation phénotypique dans ces traits ont été principalement analysées en relation avec les variations climatiques dans laire dinvasion, le long de gradients daltitude, ainsi quen relation avec le niveau de ploïdie et laire dorigine (aire dindigénat vs aire dinvasion). Le deuxième groupe de traits considérés concernaient les capacités de dispersion de lespèce. Celles-ci ont été modélisées. La variabilité phénotypique dans ces traits a ensuite été analysée, parmi les populations françaises, en relation avec léloignement depuis le site de première introduction. Les résultats ont montré des différences entre les cytotypes de lespèce, principalement dans les capacités de survie hivernale. Le long des gradients daltitude, les populations de S. inaequidens présentaient des différenciations phénotypiques de type clinal, dans les traits de croissance. Ces différenciations étaient dorigine génétique, même si les effets maternels environnementaux sont apparus comme des sources non-négligeables de variation phénotypique dans les zones à climat rigoureux. Parmi les traits liés à la dispersion, le plume loading était le mieux corrélé aux capacités de dispersion par le vent. Des différenciations clinales ont été détectées dans les traits de dispersion, en jardin commun, mais nont pas été vérifiées en populations naturelles.

In the 400-600 mm annual rainfall zone of the Sahel, soil fertility is the main determinant of yield in rainfed millet cropping systems in all but the driest years. Numerous on-farm and on-station experiments have addressed the issue of improving soil fertility. Yet the widespread use of the experimental results is restricted by the highly site specific millet response to fertility management practices due to high spatially variable soil properties as well as high intra- and inter-annual rainfall variability. Mathematical soil-crop growth simulation models could therefore suitably complement experimental research to support decision making regarding soil fertility under variable rainwater supply conditions. The objective of this thesis was therefore to develop the biophysical basis for the use of crop-soil models in decision support regarding water and soil fertility management and risk mitigation strategies in rainfed millet-based systems of Sahelian Niger. Because farmers rely on multiple cultivars with variable length of growing cycle due to sensitivity to temperature and photoperiod as part of their risk management strategies we first characterized seven Sahelian millet genotypes and parameterized the Agricultural Production Systems Simulator (APSIM-millet model). The cultivars include three improved cultivars (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) and four landraces (Ankoutes, Hainikirey, Maewa and Zongo). Our research showed that only one of the cultivars, Maewa, was very photosensitive contrary to the six others. The majority of the agronomic state variables (leaf number, leaf area, biomass and grain yield) were negatively affected by late sowing (associated with lower air temperatures). This characterization enabled to compute for the first time in the Sahel the principal eco-physiological or genetic millet parameters (thermal times of development phases, leaf area dynamics) of crop growth models (e.g. APSIM, DSSAT). To gain confidence in the use of the APSIM model for decision support in the Sahelian environment, it was successfully tested to reproduce the agronomic state variables under non-limiting water and nutrient supply conditions. Moreover the APSIM model satisfactorily reproduced the millet CIVT cultivar response to water x N interaction from the combined application of crop residue, cattle manure and mineral fertilizer during two years and for contrasted rainfall conditions. Using the model with site and cultivar specific parameterization, we implemented two applications for decision support. A 23-year, long term factorial numerical experiment showed that a moderate N application of 15 kg N/ha is more appropriate for smallholder, subsistence farmers than the usual 30 kg N/ha recommendation. Although it implies a lower long term average yield than at 30 kg N/ha, the application of 15 kg N/ha guarantees both a higher minimum yield in extreme dry years and a lower inter-annual variability, thereby increasing food security and reducing farmers vulnerability. In the second model application, we integrated GIS information (land tenure, spatially distributed weather data, fertility management) and the APSIM model in a 12-year yield simulation to show that the spatial dispersion of fields of a household throughout the village territory (farmer risk management strategy) leads to more uniform yields across households and reduces the inter-annual yield variability in the Fakara region of Niger. Our research breaks the ground for several other applications of the use of crop-soil simulation models in millet-based systems in the Sahel, e.g. climate change impact and food crisis mitigation. / Dans la zone Sahélienne avec 400 à 600 mm de précipitation annuelle, la fertilité des sols est le principal facteur déterminant des rendements du mil pluvial hormis lors des années plus sèches. De nombreuses expérimentations au champ et en station ont abordé la question de l’amélioration de la fertilité des sols. Cependant, l’extrapolation de ces résultats, et a forciori leur utilisation par les agriculteurs, est limitée par le fait que la réponse du mil à ces pratiques de fertilité dépend fortement des propriétés des sols très variables dans l’espace ainsi que de la pluviométrie annuelle et sa répartition intra-annuelle. Les modèles mathématiques et dynamiques de simulation de la croissance des plantes peuvent donc utilement compléter la recherche expérimentale pour l’aide à la décision en ce qui concerne la gestion de la fertilité des sols dans diverses conditions d’alimentation hydrique. L’objectif de cette thèse était donc de développer les bases biophysiques pour l’utilisation de modèles de croissance des cultures en vue de leur utilisation comme outils d’aide à la décision en matière de gestion de l’eau et la fertilité des sols dans les systèmes de culture à base de mil en zone sahélienne du Niger. Puisque les paysans utilisent de multiples variétés de mil avec des cycles de croissance variables en tant qu’élément dans leurs stratégies de gestion des risques, nous avons d’abord caractérisé sept génotypes de mil Sahelien en vue de la paramétrisation du model dynamique APSIM (Agricultural Production Systems Simulator). Trois variétés améliorées (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) et quatre variétés locales paysannes (Ankoutes, Hainikirey, Maewa et Zongo) ont été étudiées. Notre recherche a montré que seule une des variétés, l’écotype Maewa, est très photosensible contrairement aux six autres. La majorité des variables agronomiques (nombre de feuille, surface foliaire, biomasse et rendement en grain) ont été négativement affectées par un semis tardif (associés à des températures de l’air plus faibles). Cette caractérisation a permis de calculer pour la première fois au Sahel les principaux paramètres éco-physiologiques du mil (durée thermique des phases de développement, dynamique de la surface foliaire), indispensables aux modèles dynamiques de croissance des plantes tels qu’APSIM et DSSAT. Le modèle APSIM a permis de reproduire avec succès les variables agronomiques de 6 des 7 variétés de mil en condition nonlimitante d’apport en eau et en nutriments. De plus, le modèle APSIM a reproduit de manière satisfaisante la réponse de la variété améliorée CIVT à l’interaction de l’eau et de l’azote suite à l’apport combiné de résidus de récolte, de fumier de bétail et d’engrais minéral sur deux années ayant des pluviométries contrastées. Ceci a permis de renforcer la confiance dans l’utilisation du modèle APSIM comme outil d’aide à la décision dans l’environnement Sahélien. Sur base du modèle APSIM ainsi paramétrisé pour des conditions spécifiques de site et de variété, nous avons développé deux applications en matière d’aide à la décision. Une expérimentation factorielle numérique à long terme (23 ans) a révélé que l’application d’une dose modérée d’azote (15 kg N/ha) est plus appropriée dans le contexte d’une agriculture de subsistance que la recommandation habituelle de 30 kg N/ha. Bien qu’elle implique un rendement moyen à long terme inférieur à celui obtenu avec 30 kg N/ha, l’application de 15 kg N/ha garantit un plus grand rendement minimum pendant les années sèches extrêmes et une variabilité inter-annuelle plus faible, ce qui permet de garantir une meilleure sécurité alimentaire tout en réduisant la vulnérabilité des paysans. Dans la deuxième application du modèle, nous avons intégré des données SIG (parcellaire villageois, données climatiques et de pratiques de gestion de fertilité distribuées dans l’espace) et le modèle APSIM dans une simulation de rendement de mil sur 12 années. Ceci a permis de montrer que la dispersion spatiale des champs d’un ménage dans le terroir villageois (stratégie paysanne de gestion du risque) permet l’obtention de rendements plus uniformes entre ménages au sein du même village et de réduire la variabilité inter-annuelle des rendements de chaque ménage dans la région de Fakara au Niger. Notre recherche ouvre la voie à plusieurs autres applications de l’utilisation des modèles dynamiques de croissance des plantes dans les systèmes à base de mil au Sahel, par exemple dans l’étude de l’impact des changements climatiques et de prévention des crises alimentaires.