Afin de comprendre, caractériser et prédire l’évolution des cycles biogéochimiques océaniques face au changement climatique global, il est nécessaire d’appréhender au mieux la dynamique de la matière organique (MO) au niveau des interfaces « terre/océan ». Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse était d’améliorer les connaissances sur la dynamique de la fraction dissoute chromophorique de la MO (CDOM) des eaux de surface côtières méditerranéennes et arctiques, et d’en déterminer l’impact sur l’atténuation du rayonnement UV (UVR) et visible (PAR) sous-marin. Pour cela, l’étude des propriétés optiques d’absorbance et de fluorescence de la CDOM, couplée à des mesures radiométriques atmosphériques et sous-marines, ont été réalisées lors d’un cycle saisonnier en Baie de Marseille (station SOFCOM), et lors d’une mission océanographique en Mer de Beaufort durant l’été 2009. La Baie de Marseille est caractérisée par des quantités de CDOM faibles (aCDOM(350) = 0,10 ± 0,02 m-1), particulièrement à la fin de la période estivale de stratification, à cause de l’intensité de l’éclairement solaire, enrichi en UVR-B, qui dégrade et blanchie cette CDOM (SCDOM = 0,023 ± 0,003 nm-1). Dans cette zone côtière fortement urbanisée, la dynamique de la CDOM est pilotée par des processus biotiques (production biologique in situ et induite par les intrusions épisodiques du panache du Rhône) et abiotiques (photo-blanchiment et brassage). La CDOM est essentiellement d’origine autochtone, même lors d’événements d’intrusion du panache du Rhône (photo-dégradation de la CDOM terrestre durant son transit). Lors des périodes d’efflorescences algales, la CDOM se compose principalement de matériel récent, de type protéique (pic T), qui absorbe préférentiellement les courts UVR. Ces pulses de CDOM récente se superposent à un persistent signal de fond de CDOM composé majoritairement de matériel âgé, de type humique (pics M et C), qui absorbe les UVR et également le PAR. Au niveau du plateau Canadien de la Mer de Beaufort, la CDOM est très abondante (aCDOMmax(350) = 6,36 m-1), fortement influencée par les apports allochtones du Mackenzie (pics A-C et M) et décroit de manière conservatrice avec la salinité. Dans les eaux marines (salinité >25), la CDOM, qui présente de plus faibles concentrations (aCDOM(350) = 0,21 ± 0,13 m-1), provient d’une production biologique in situ récente favorisée par des upwellings ainsi que d’injections de CDOM (pics B-T et M) lors de la formation/fonte de la glace de mer. Etonnamment, la source principale du composé « humique marin » (pic M) n’est pas autochtone. Elle est issue d’apports allochtones provenant du Mackenzie. Celui-ci draine en effet de nombreux lacs qui sont le siège d’une intense activité biologique, et il est proposé dans cette thèse que les macrophytes qui s’y développent seraient à l’origine du pic M. Cette source de CDOM biologique allochtone, couplée aux processus de photo-blanchiment et d’absorption sur les particules de la CDOM terrestre, pourraient expliquer les valeurs élevées de SCDOM (≈ 0,020 nm-1) du Mackenzie en été. / To understand, characterize, and predict the evolution of oceanic biogeochemical cycles in relation to the global climate change, it is necessary to better understand the dynamics of organic matter (OM). In this context, the overall objective of this thesis was to get more insights chromophoric dissolved fraction of OM (CDOM) dynamics in surface Mediterranean and Arctic coastal waters and to determine the impact on attenuation of ultraviolet (UVR) and visible (PAR) underwater radiation. For this, the study of optical properties of absorbance and fluorescence of CDOM, coupled with atmospheric and underwater radiometric measurements, were made during a seasonal cycle in the Bay of Marseille (SOFCOM station), and in the Beaufort Sea during summer 2009. The Bay of Marseilles is characterized by low amounts of CDOM (aCDOM(350) = 0.10 ± 0.02 m-1), particularly in end summer stratification period due to the intensity of the solar irradiance, enriched in UVR-B, which degrades and bleaches CDOM (SCDOM = 0.023 ± 0.003 nm-1). In this highly urbanized coastal area, the dynamics of CDOM are driven by biotic processes (in situ biological production and within the Rhône River plume) and abiotic (photo-bleaching and mixing). Our results showed that CDOM is mostly of autochthonous origin, even during Rhône plume intrusion events (photo-degradation of terrestrial CDOM during the transit). During bloom periods, the CDOM consists mainly of a recent type protein (peak T), which preferentially absorbs in the short UVR. These pulses of recent CDOM are superimposed on a persistent background of CDOM mainly composed of aged material, humic-type (peaks M and C), which absorbs UVR and PAR. Over the Canadian shelf of the Beaufort Sea, CDOM is highly abundant (aCDOMmax (350) = 6.36 m-1) and strongly influenced by allochthonous inputs from the Mackenzie (peaks A-C and M) decreasing conservatively with salinity. In marine waters (salinity> 25), CDOM had lower concentrations (aCDOM(350) = 0.21 ± 0.13 m-1) and originated from a recent in situ biological production favored by upwelling and brine injections (peaks B-T and M). Surprisingly, the main source of the marine humic-like component (peak M) was not autochthonous. This material originates from allochthonous inputs from the Mackenzie River, which traverses numerous lakes where intense biological activity occurs. We suggest that this activity is mainly due to the macrophytes development, which may in part explain the origin of the peak M. This source of organic allochthonous CDOM coupled to other processes such as photobleaching and absorption on the particles of terrestrial CDOM, could explain the high values of SCDOM (≈ 0.020 nm-1) recorded in the Mackenzie during summertime.

La dynamique du carbone en forêt boréale est contrôlée par celle des incendies qui consument partiellement la biomasse et la matière organique du sol, libérant du carbone dans l’atmosphère. À long terme, une perte de résilience peut conduire les forêts brûlées à évoluer vers des écosystèmes présentant différentes compositions, structures et cycles biogéochimiques. Les modèles prédictifs de la dynamique du carbone en forêt boréale simulent rarement ces différentes trajectoires successionnelles, ce qui biaise les prévisions à long terme. Nous avons étudié la résilience aux incendies et la dynamique du carbone des pessières à mousses du Québec. La régénération de l’épinette noire, du pin gris et du sous-bois a été inventoriée suite à trois années d’importante activité des feux dans la province. Trois à cinq ans après feu, une épaisse couche de matière organique résiduelle avait compromis l’établissement de l’épinette noire, provoquant une ouverture du couvert et un changement de dominance vers le pin gris. Les éricacées s’étaient régénérées en abondance dans la plupart des parcelles. La composition du sous-bois après feu était principalement déterminée par les caractéristiques du site et du peuplement. Elle reflétait les assemblages d’origine, les legs biologiques ayant été préservés par la faible sévérité des incendies. Nous avons ensuite modélisé les feux, la succession et la dynamique du carbone à l’échelle du paysage pour quantifier l’impact de la sévérité du feu et de la régénération des arbres sur le cycle du carbone. Une diminution de 13 % du carbone stocké dans le paysage était prédite au bout de 500 ans lorsqu’on simulait la sévérité du feu et son impact sur la régénération. Cette diminution était plus fortement liée à la faible régénération de l’épinette noire qu’à la combustion de la matière organique en elle-même. Les émissions liées au feu étaient déterminées par les variations de la surface annuelle brûlée. Ainsi, la perte de résilience des pessières à mousses suite aux feux légers affecte fortement le stockage du carbone à long terme. Le modèle utilisé pourrait encore être amélioré en incorporant la dynamique du sous-bois. / Wildfire is a major driver of carbon dynamics in boreal forests. Immediate effects of wildfires include partial consumption of aboveground biomass and the forest floor, and carbon emissions to the atmosphere. Wildfires can also have long-term effect on carbon cycling. Indeed, when resilience of burned forests is exceeded, regenerating ecosystems differ from that of the pre-fire stands in composition, structure and biogeochemical cycles. Predictive models of carbon dynamics in boreal forests rarely take into account such multiple post-fire successional trajectories, which could bias long-term predictions of carbon storage and emissions. This study examined post-fire ecosystem resilience and carbon dynamics of black spruce-feathermoss forests of Quebec. Regeneration of black spruce, jack pine and understory plant communities were inventoried three to five years after the occurrence of a three-year episode of major fire activity in the province. In the studied plots, low burn severity had left intact a thick residual organic layer that impeded black spruce establishment. As a result, stem density of the burned stand decreased, while jack pine became dominant. Ericales resprouted abundantly. Understory regeneration was mainly driven by pre-fire site and stand characteristics. Post-fire understory composition reflected pre-fire species assemblages, because biological legacies were preserved by the low-severity fires. A model was used to simulate wildfires, succession and carbon dynamics at the landscape level, in order to assess the influence of forest floor combustion and post-fire tree regeneration on carbon cycling. After 500 years of simulation, modelling of burn severity and its influence on post-fire tree establishment caused a 13% decrease in predicted landscape carbon stocks. Simulation of the forest floor combustion alone caused a lower decrease in predicted carbon stocks than simulation of low spruce regeneration rates. Modelled fire emissions were mainly driven by variations in annual area burned. Loss of resilience of black spruce-feathermoss forests can have long-term consequences on carbon stocks. The model used in the present study could be further improved by incorporating explicit simulation of understory species dynamics.

Tableau d'honneur de la FÉSP / Les tourbières jouent un rôle important dans le cycle du carbone à l’échelle de la planète, principalement par la captation de dioxyde de carbone (CO₂) et l’accumulation de carbone dans la tourbe et par de considérables émissions de méthane (CH₄). Les activités d’extraction de tourbe horticole causent la dégradation des tourbières qui fournissent des services écologiques, dont la régulation du climat. Une méthode de restauration significative, robuste et efficace a été développée pour les tourbières acides dominées par les sphaignes. Il arrive toutefois que les conditions physico-chimiques de la tourbe résiduelle après extraction soient caractéristiques des tourbières minérotrophes (fens). Lorsqu’appliquée dans un contexte de restauration de fens, la méthode de restauration par transfert de la strate muscinale s’est avérée peu efficace pour le retour des espèces vasculaires et muscinales typiques des fens. Dans certains contextes, la technique de remouillage sans autre action de restauration pourrait s’avérer efficace pour restaurer les fens post-extraction. Le but de cette étude est d’évaluer l’efficacité du remouillage à rétablir la végétation caractéristique des fens, ainsi que leur fonction de séquestration du carbone, et cela une et dix saisons de croissance après remouillage. Le site à l’étude se trouve dans le sud-est du Manitoba, au Canada. Les données ont été récoltées durant les étés 2016 et 2017. Le remouillage peut rapidement mener à des échanges de CO₂ typiques des tourbières naturelles. Le remouillage a résulté en des écosystèmes dominés par des espèces vasculaires typiques des milieux humides et des tourbières minérotrophes et ombrotrophes. Dix saisons de croissance après remouillage, un tapis discontinu de mousses typiques des tourbières minérotrophes s’est rétabli. Le remouillage peut être utilisé de manière efficace pour la restauration de fens après extraction. La gestion des niveaux d’eau s’avère primordiale pour favoriser une structure de végétation semblable à celle retrouvée dans les fens naturels. De trop hauts niveaux d’eau sont à éviter pour empêcher de générer de très hautes émissions de CH₄ et maximiser la fonction de séquestration du carbone. Ce mémoire se divise en trois chapitres : une introduction générale au sujet, suivie d'un corps de mémoire sous forme d'article scientifique puis d’une courte conclusion

Il a été récemment montré que le rapport B/Ca des foraminifères planctoniques dépend du pH des eaux de surface, tandis que celui des foraminifères benthiques dépend de la saturation en ions carbonates des eaux de fond. Ce nouveau traceur pourrait permettre de mieux contraindre les variations du cycle océanique du carbone, en particulier lors des changements glaciaire-interglaciaires (G/IG) du Pléistocène. Les objectifs de cette thèse étaient donc (1) de développer l'analyse du B/Ca des foraminifères par spectrométrie de masse (ICP-QMS) au LSCE ; (2) d'identifier certains biais potentiels de ce traceur pour en apprécier les limites; et (3) d'appliquer le B/Ca à des reconstructions paléocéanographiques. Les contaminations et la facilité avec laquelle le bore s'adsorbe (effet mémoire) rendent difficile son analyse dans les coquilles de foraminifères où le rapport B/Ca est faible, typiquement compris autour de ~ 40-120 µmol/mol pour les foraminifères planctoniques et ~ 100-250 µmol/mol pour les foraminifères benthiques. Les techniques de nettoyage des foraminifères et d'analyse par ICP-QMS que j'ai employées et améliorées permettent au final de mesurer le B/Ca des foraminifères avec une précision de l'ordre de 3.5%.A partir de l'étude de sédiments de surface prélevés le long d'un profil bathymétrique dans l'Atlantique (Sierra Leone Rise), j'ai pu montrer que la dissolution des tests de l'espèce planctonique Globigerinoides sacculifer se traduit par une perte préférentielle du bore. La dissolution croissante des coquilles de G. sacculifer le long du profil se traduit ainsi par une diminution de ~ 0.1 unités dans les estimations du pH des eaux de surface à partir du B/Ca, un ordre de grandeur similaire aux variations G/IG. Pour s 'affranchir de cet effet de la dissolution, je propose une procédure de correction basée sur le B/Ca des foraminifères benthiques (ΔCO₃²⁻ des eaux de fond). Cependant, au-delà de l'effet de la dissolution, la reconstruction du paléo-pH des eaux de surface se heurte surtout aux contradictions des études récentes concernant la calibration du coefficient apparent de partition (KD) du bore dans la calcite des foraminifères planctoniques. Pour s'affranchir de la co-variance de la température, de la salinité et du CO₃²⁻ dans les eaux de surface Atlantique, qui peut masquer le(s) facteur(s) important(s) pour la calibration du KD, j'ai réalisé l'analyse du B/Ca de l'espèce Globigerinoides ruber sur des sommets de carottes de l'Atlantique et de l'Indo-Pacifique. Mes données suggèrent qu'il n'y a pas de relation robuste entre le KD et la température ou le CO₃²⁻ des eaux de surface. Pour souligner les incertitudes sur les reconstructions de paléo-pH depuis le dernier stade glaciaire, j'ai effectué une étude de sensibilité basée sur les données B/Ca de l'espèce G. ruber prélevée dans une carotte du Canal du Mozambique et je propose plusieurs pistes pour tenter d'améliorer, à terme, la compréhension du proxy B/Ca dans les foraminifères planctoniques.Si l'utilisation du B/Ca des foraminifères planctoniques est complexe et demande encore un gros travail de compréhension et de calibration, celle du B/Ca des foraminifères benthiques est plus simple, le B/Ca étant directement lié à la saturation en ions carbonates des eaux de fond. L'analyse du B/Ca de Cibicidoides wuellestorfi à travers deux transitions G/IG (MIS16/15 et MIS12/11) au site ODP 849 (Pacifique équatorial) m'a permis de montrer que les changements de la chimie des eaux de fond estimés à partir de traceurs sédimentaires de la dissolution (e.g. teneur en CaCO3, poids et fragmentation des foraminifères,..) ont des amplitudes erronées et présentent des biais temporels. Les profils de B/Ca et du d13C des foraminifères benthiques permettent de mettre en évidence i) le lien entre dégazage océanique de CO2 et préservation des carbonates et ii) la dynamique de la compensation des carbonates sédimentaires marins.

Les coccolithophoridés sont des algues marines photosynthétiques et planctoniques qui produisent des plaques micrométriques de carbonate de calcium (CaCO3) appelés coccolithes. Ces algues sont apparues il y 210 Ma et produisent actuellement la majeure partie du CaCO3 dans les océans modernes, jouant ainsi un rôle majeur dans le cycle du carbone. Cependant, l’émergence de la production de CaCO3 océanique par les coccolithophoridés au cours du Jurassique, ainsi que son impact sur le cycle du carbone, restent très mal compris. Cette étude s’est donc focalisée sur une période du Jurassique Moyen (Bajocien inférieur, -170 Ma) enregistrant la diversification de Watznaueria, un genre de coccolithophoridé qui a ensuite dominé la production de CaCO3 océanique pendant plus de 80 Ma. L’analyse des assemblages de coccolithes du Jurassique Moyen du Portugal et du sud de la France, réalisée à l’aide d’une méthode de reconnaissance automatique appliquée pour la première fois aux coccolithes du Jurassique, a permis de quantifier l’importance de cette période de diversification sur la production de CaCO3 pélagique. En outre, la durée de cet intervalle clé a été réévaluée grâce à l’analyse cyclostratigraphique des séries sédimentaires du Sud de la France. Les variations de production de CaCO3 pélagique ainsi reconstituées ont été comparées aux perturbations du cycle du carbone enregistrées par les rapports des isotopes du carbone, et indiquent un lien probable avec une augmentation marquée de la fertilité des océans. Par ailleurs, l’analyse paléontologique montre que cette diversification correspond à l’apparition successive de différentes espèces vraisemblablement opportunistes du genre Watznaueria. Enfin, les flux obtenus de CaCO3 pélagiques, largement inférieurs à ceux observés dans les océans actuels, semblent insuffisants pour avoir eu une influence significative sur le cycle global du carbone du Jurassique Moyen. / Coccolithophorids are photosynthetic and planktonic marine algae that produce micrometric calcium carbonate (CaCO3) platelets called coccoliths. These algae appeared about 210 Ma ago and produce today most of the CaCO3 in the modern oceans, hence playing a major role in the carbon cycle. Nevertheless, the onset of oceanic CaCO3 production by these organisms during the Jurassic and its impact on carbon cycling remain poorly understood. This study therefore focused on the Middle Jurassic interval (Early Bajocian, -170 Ma) which records the diversification of Watznaueria, an evolutionary important coccolith genus that subsequently dominated oceanic CaCO3 production for more than 80 Myr. The analysis of coccolith assemblages from the Middle Jurassic of southern France and Portugal, based on an automaticcoccolith recognition device used for the first time on Jurassic coccoliths, allowed quantifying the impact of this diversification on CaCO3 production. In addition, the duration of this key interval has been revaluated by the cyclostratigraphic analysis of sedimentary strata from southern France. The reconstructed changes in CaCO3 production were compared to carbon cycle perturbations recorded by carbon isotope ratios and indicate a probable link with a marked increase of ocean fertility. Besides, paleontological analyses show that this diversification episode correspond to the successive appearance of different, probably opportunistic Watznaueria species. The obtained fluxes of pelagic CaCO3 production, by far lower than those recorded in modern oceans, seems too low to have significantly impacted theMiddle Jurassic carbon cycle.

Il a été récemment montré que le rapport B/Ca des foraminifères planctoniques dépend du pH des eaux de surface, tandis que celui des foraminifères benthiques dépend de la saturation en ions carbonates des eaux de fond. Ce nouveau traceur pourrait permettre de mieux contraindre les variations du cycle océanique du carbone, en particulier lors des changements glaciaire-interglaciaires (G/IG) du Pléistocène. Les objectifs de cette thèse étaient donc (1) de développer l’analyse du B/Ca des foraminifères par spectrométrie de masse (ICP-QMS) au LSCE ; (2) d’identifier certains biais potentiels de ce traceur pour en apprécier les limites; et (3) d’appliquer le B/Ca à des reconstructions paléocéanographiques. Les contaminations et la facilité avec laquelle le bore s’adsorbe (effet mémoire) rendent difficile son analyse dans les coquilles de foraminifères où le rapport B/Ca est faible, typiquement compris autour de ~ 40-120 µmol/mol pour les foraminifères planctoniques et ~ 100-250 µmol/mol pour les foraminifères benthiques. Les techniques de nettoyage des foraminifères et d’analyse par ICP-QMS que j’ai employées et améliorées permettent au final de mesurer le B/Ca des foraminifères avec une précision de l’ordre de 3.5%.A partir de l’étude de sédiments de surface prélevés le long d’un profil bathymétrique dans l’Atlantique (Sierra Leone Rise), j’ai pu montrer que la dissolution des tests de l’espèce planctonique Globigerinoides sacculifer se traduit par une perte préférentielle du bore. La dissolution croissante des coquilles de G. sacculifer le long du profil se traduit ainsi par une diminution de ~ 0.1 unités dans les estimations du pH des eaux de surface à partir du B/Ca, un ordre de grandeur similaire aux variations G/IG. Pour s ‘affranchir de cet effet de la dissolution, je propose une procédure de correction basée sur le B/Ca des foraminifères benthiques (ΔCO₃²⁻ des eaux de fond). Cependant, au-delà de l’effet de la dissolution, la reconstruction du paléo-pH des eaux de surface se heurte surtout aux contradictions des études récentes concernant la calibration du coefficient apparent de partition (KD) du bore dans la calcite des foraminifères planctoniques. Pour s’affranchir de la co-variance de la température, de la salinité et du CO₃²⁻ dans les eaux de surface Atlantique, qui peut masquer le(s) facteur(s) important(s) pour la calibration du KD, j’ai réalisé l’analyse du B/Ca de l’espèce Globigerinoides ruber sur des sommets de carottes de l’Atlantique et de l’Indo-Pacifique. Mes données suggèrent qu’il n’y a pas de relation robuste entre le KD et la température ou le CO₃²⁻ des eaux de surface. Pour souligner les incertitudes sur les reconstructions de paléo-pH depuis le dernier stade glaciaire, j’ai effectué une étude de sensibilité basée sur les données B/Ca de l’espèce G. ruber prélevée dans une carotte du Canal du Mozambique et je propose plusieurs pistes pour tenter d’améliorer, à terme, la compréhension du proxy B/Ca dans les foraminifères planctoniques.Si l’utilisation du B/Ca des foraminifères planctoniques est complexe et demande encore un gros travail de compréhension et de calibration, celle du B/Ca des foraminifères benthiques est plus simple, le B/Ca étant directement lié à la saturation en ions carbonates des eaux de fond. L’analyse du B/Ca de Cibicidoides wuellestorfi à travers deux transitions G/IG (MIS16/15 et MIS12/11) au site ODP 849 (Pacifique équatorial) m’a permis de montrer que les changements de la chimie des eaux de fond estimés à partir de traceurs sédimentaires de la dissolution (e.g. teneur en CaCO3, poids et fragmentation des foraminifères,..) ont des amplitudes erronées et présentent des biais temporels. Les profils de B/Ca et du d13C des foraminifères benthiques permettent de mettre en évidence i) le lien entre dégazage océanique de CO2 et préservation des carbonates et ii) la dynamique de la compensation des carbonates sédimentaires marins. / It has been shown recently that the B/Ca ratio of planktonic foraminifers depends on the seasurface water pH, while benthic foraminifer B/Ca depends on the carbonate ion saturation of deep water. This new tracer could allow to better constrain the variations of oceanic carbon cycle, especially during the glacial-interglacial transitions (G/IG) of the Pleistocene. The objectives of this thesis were therefore : (1) to develop the foraminiferal B/Ca analysis by mass spectrometry (ICP-QMS) at LSCE, (2) to identify some potential biases of this tracer to assess its limits and (3) to apply the B/Ca proxy to paleoceanographic reconstructions. Contaminations and the ease with which the boron may be adsorbed (memory effect) make it difficult to analyze it in foraminifer’s shells, which have low B/Ca, typically in the range ~40-120 µmol/mol for planktonic foraminifers and ~100-250 µmol/mol for benthic foraminifers. Foraminifers cleaning techniques and analysis by ICP-QMS that I used and improved now allow the foraminiferal B/Ca measure with an accuracy of about 3.5%. Based upon the study of surface sediments collected along a depth transect in the Atlantic (Sierra Leone Rise), I was able to show that dissolution of the planktonic species Globigerinoides sacculifer results in the preferential loss of boron. The increasing G. sacculifer dissolution with depth of deposition results, therefore, in a ~0.1 units decrease of the seasurface pH estimated from B/Ca, an order of magnitude similar to the expected G/IG variations. To overcome this dissolution effect, I propose a correction procedure based on the B/Ca of benthic foraminifera (bottom water ΔCO₃²⁻). However, the dissolution effect is not the only problem. When trying to reconstruct surface water paleo-pH, we also have to deal with the severe contradictions between recent studies which dealt with the calibration of the apparent boron partition coefficien (KD) in the calcite of planktonic foraminifers. To overcome the co-variance of temperature, salinity and CO₃²⁻ in Atlantic surface waters, which can mask the real important(s) factor(s) for KD calibration, I analyzed the B/Ca of Globigerinoides ruber picked from both Atlantic and Indo-Pacific core-tops. My data suggest that there is no robust relationship between KD and temperature or CO₃²⁻ water surface. To emphasize the uncertainties on the reconstruction of paleo-pH since the last glacial stage, I conducted a sensitivity test based on G. ruber B/Ca data from a Mozambic Channel core. I propose several ways to try to improve our understanding of the B/Ca proxy in planktonic foraminifers. If the use of planktonic foraminifer B/Ca is complex and still requires some dedicated work to understand the problems and improve the calibrations, the use of benthic foraminifer B/Ca is more simple, the B/Ca being directly related to the carbonate ion saturation of bottom waters. Analyses of Cibicidoides wuellestorfi B/Ca through two G/IG transitions (MIS16/15 and MIS12/11) on ODP Site 849 (equatorial Pacific) allowed me to show that changes in deep water chemistry estimated from the sedimentological dissolution proxies (e.g. %CaCO3, foraminifer shell weight and fragmentation, …) display incorrect amplitudes and temporal biases. Based on the comparison of benthic foraminifer B/Ca and δ¹³C, I was able (i) to highlight the link between oceanic CO2 degassing and deep-sea carbonate preservation in the Pacific and (ii) better unravel the dynamics of pelagic carbonate compensation.

Les écosystèmes forestiers jouent un rôle clé en régulant des cycles du carbone (C) et des nutriments et l’érosion en cours de la biodiversité peut affecter ces fonctions écosystémiques. Ces deux dernières décennies, un effort de recherche important a cherché à comprendre comment la biodiversité affecte la productivité primaire. Le processus inverse de minéralisation du C pendant la décomposition de la matière organique est en revanche beaucoup moins étudié. Dans cette thèse, j’ai cherché à démêler les différents mécanismes par lesquels la diversité des arbres et de leurs litières foliaires affecte la décomposition des litières dans les écosystèmes forestiers d’Europe, à travers trois approches.En utilisant un réseau de placettes forestières contenant des gradients de diversité dans six types de forêts à travers l’Europe, j’ai étudié les effets de la diversité des arbres sur la décomposition de la litière via (i) des modifications de l’environnement de décomposition et (ii) les conséquences directes de la diversité des litières foliaires, avec deux expériences en sachets de litière. A travers tous les sites, alors que la richesse spécifique des arbres a eu un effet limité, la fermeture de la canopée a positivement affecté la décomposition par une modification potentielle des conditions microclimatiques. De plus, les traits moyens de qualité physique et chimique de la chute de litière et la dissimilarité de traits entre les litières d’espèces différentes ont influencé les communautés de décomposeurs permettant dans une certaine mesure de prédire la décomposition de substrats standards. Une fois ces effets pris en compte, la qualité des litières en décomposition a eu un impact supplémentaire mais relativement plus faible sur la décomposition. Ces résultats suggèrent que les effets indirects de la diversité des arbres sur la modification des conditions microenvironnementales sont plus importants pour la décomposition que les effets directs de la qualité intrinsèque des litières en décomposition.J’ai ensuite exploré le rôle des composés solubles lessivés à partir de litière d’espèces différentes sur les processus microbiens du sol par une expérience en microcosmes. Les lessivats de litière d’arbres décidus étaient qualitativement et quantitativement différents de ceux des litières de conifères et ont induit une respiration microbienne du sol plus importante. Le mélange de lessivats des différentes espèces a donné lieu à des effets non-additifs sur les processus microbiens du sol, associés à la dissimilarité de stochiométrie des lessivats. Le lessivage étant un processus dominant pendant la phase initiale de décomposition, l’identité et la diversité des lessivats peut contribuer au contrôle du recyclage du C et des nutriments.Par une troisième approche, mon but a été de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent les forts effets observées des détritivores du sol sur la décomposition des litières et les effets de diversité. J’ai cherché à comprendre si la transformation de litière en fèces par le détritivores Glomeris marginata stimulait les décomposeurs microbiens, et si cette stimulation dépendait de la qualité de la litière ingérée. L’activité microbienne était stimulée pour les fèces issues de litières récalcitrantes, mais pas pour les fèces issus de litières de meilleure qualité initiale. Ainsi, les conséquences de la transformation de litière en fèces de macroarthropodes pour les décomposeurs microbiens dépend de l’espèce de litières et peut contribuer aux effets de diversité des litières.Les données collectées durant cette thèse montre que la diversité fonctionnelle des arbres peut affecter la décomposition des litières à travers plusieurs mécanismes à différentes étapes de la décomposition. Du fait de cette complexité, les conséquences des changements de diversité pour le cycle du C et des nutriments dans les forêts d’Europe peuvent être importantes, mais sont actuellement difficiles à prédire et à généraliser. / Forest ecosystems play a key role in regulating the global carbon (C) and nutrient cycles, and the ongoing erosion of biodiversity is susceptible to modify these ecosystem functions. Over the past two decades, a strong research effort was put into the understanding of how changing biodiversity impacts primary productivity. The reverse process of respiratory C loss during organic matter breakdown however, remained much less studied. In this PhD thesis, I aimed at teasing apart the different mechanisms of how tree and associated leaf litter diversity may affect litter decomposition in European forest ecosystems using three distinct approaches.First, using a network of forest plots with tree diversity gradients in six major forest types across Europe, I studied the effects of tree diversity on litter decomposition through (i) modifications of the decomposition environment and (ii) the direct consequences of leaf litter diversity, with two litterbag experiments. Across all sites, while tree species richness had only a limited effect, forest canopy closure affected decomposition positively by potentially improving microclimatic conditions. In addition, mean chemical and physical quality traits of the litterfall, and trait dissimilarity in leaf litter from different species influenced decomposer communities in a way that decomposition of the common substrates was predictable to a reasonable degree. Once these effects were accounted for, the quality of decomposing litter showed an additional, but comparatively small impact. Collectively, these results suggest that the indirect effects of tree diversity on decomposition through microenvironmental controls are more important than the direct effects of the inherent quality of decomposing litter.With a second approach using microcosms under controlled-conditions, I aimed at assessing the role of soluble compounds leached from decomposing litter of different species for microbial-driven soil processes. Leachates from litter of broadleaved deciduous species differed in composition and quantity and induced stronger soil microbial respiration than those from litter of coniferous species. When the species-specific leachates were mixed, I observed non-additive mixing effects on soil microbial processes associated to the dissimilarity in leachate stoichiometry. Since leaching is the dominant process during the initial stage of decomposition, litter leachate identity and diversity may significantly contribute to the control of carbon and nutrient cycling.Finally, in a third approach my goal was to better understand the underlying mechanisms of the observed strong effects of soil detritivores on litter decomposition and diversity effects. I investigated whether the transformation of litter into feces by the detritivore Glomeris marginata stimulated microbial decomposers, and whether this stimulation depended on the quality of the ingested litter. Microbial activity was stimulated in feces derived from recalcitrant litter, but not in feces derived from litter of higher initial quality. In conclusion, the consequences of litter transformation into macroarthropod feces for microbial decomposers is litter species-specific which may further contribute to litter diversity effects.The data collected during my PhD thesis shows that the functional diversity of trees can affect litter decomposition through various mechanisms during different stages of decomposition. As a result of this complexity, the consequences of changes in biodiversity for the carbon and nutrient cycles in European forests can be substantial, but are presently difficult to predict and to generalize.

L'objectif essentiel de ce travail est de déterminer les variations passées du CO2 atmosphérique à partir de l'analyse de l'air piégé dans la glace. Cette étude a été centrée sur deux époques du passé, à savoir : l'époque récente couvrant en particulier les derniers siècles, afin de déterminer le niveau en CO2 de l'atmosphère "pré-industrielle", la fin de la dernière glaciation (vers 18 000 B.P.) et la transition âge glaciaire-Holocène afin de préciser les résultats obtenus précédemment. Dans le premier chapitre, nous présentons les différents mécanismes conduisant au piégeage de l'air dans la glace et discutons les conditions à réunir pour que l'air analysé soit représentatif de l'atmosphère. Dans le deuxième chapitre, nous discutons la partie expérimentale de notre travail, en présentant en particulier les tests que nous avons faits sur notre méthode d'analyse et les résultats positifs de la comparaison de notre méthode avec celle utilisée par l'Institut de Physique de Berne. Nous concluons que la précision relative de nos résultats est inférieure à 4% et qu'ils sont représentatifs des variations en CO2 de l'atmosphère.

Compte tenu de la vulnérabilité de la population rurale de la région sahélienne aux aléas pluviométriques, et devant les ambitions de certains acteurs d'utiliser le levier de l'usage des terres pour contribuer à l'atténuation du changement climatique, il est important de comprendre les facteurs contribuant à la variabilité de la couverture végétale au Sahel. Une synthèse de la littérature expliquant l'évolution récente de la végétation au Sahel est donc d'abord présentée. Les études s'intéressant au paradigme qui souligne l'impact de l'usage des terres sur les précipitations en Afrique de l'Ouest évaluent principalement ces effets par le couplage de modèles dynamiques globaux de végétation - DGVM - avec des modèles de circulation générale. C'est à l'amélioration d'un tel DGVM, ORCHIDEE, développé à l'Institut Pierre Simon Laplace, que le reste du travail cherche à contribuer.Comme d'autres études ont montré qu'il était possible d'utiliser en première approximation les steppes pâturées et les jachères pour décrire le comportement global de la surface sahélienne, les écarts entre modèle et mesures sont caractérisés pour une jachère située à proximité de Wankama (Niger). Plus précisément, les forces et faiblesses de la paramétrisation et de la structure par défaut du modèle sont diagnostiquées, et l'importance de la réduction d'erreur permise par l'optimisation de certains des paramètres est donnée. En particulier, l'emploi d'une résolution aux différences finies de la diffusion de l'eau dans la colonne de sol est évalué, dans la mesure où cela permet de mieux simuler la réponse rapide du flux évaporatoire aux événements pluvieux que le schéma conceptuel utilisé par défaut dans ORCHIDEE. Le réalisme du modèle est également mesuré à l'échelle régionale, par la comparaison d'observations de NDVI GIMMS_3G à la couverture végétale simulée par le modèle en réponse à différents forçages climatiques. Si les modifications introduites au cours du travail ne permettent pas de mieux décrire les tendances de la végétation au cours des dernières décennies, tirer partie des leçons du présent travail pourra se révéler utile. Il en est de même des conclusions de l'étude de la transitivité des biais conditionnels du modèle réalisée avec Tao Wang et présentée en annexe B.

La disponibilité en eau est le principal facteur limitant le fonctionnement des écosystèmes méditerranéens. Des sècheresses plus marquées ou plus fréquentes pourraient avoir d'importantes répercussions sur l'activité et la diversité de la faune du sol qui régule la décomposition des litières et le cycle des nutriments. Dans cette thèse j'ai étudié expérimentalement les interactions entre une modification des apports en eau et l'impact de la macrofaune détritivore sur les processus de décomposition en conditions méditerranéennes. Dans une première partie, j'ai étudié l'effet d'une espèce de détritivore très abondante localement, Ommatoiuus sabulosus, sur la décomposition des litières d'arbustes de garrigue. Une expérience d'un mois en microcosmes a permis d'étudier ses effets directs (via la consommation de litière) et indirects (via l'activité microbienne dans ses fèces) sur la perte de masse des litières et les communautés microbiennes à deux niveaux d'humidité contrastés. Dans une autre expérience d'un an sur le terrain, la mise en place de sachets de litières et de fèces à deux profondeurs dans un sol de garrigue a permis d'étudier les effets d'Ommatoiulus à plus long terme. Les principaux résultats montrent que sa consommation de litière est moins affectée par la sècheresse que la décomposition microbienne, mais que, à court terme, Ommatoiulus ne stimule pas la minéralisation de la matière organique, quelles que soient les conditions d'humidité. En revanche, à plus long terme, Ommatoiulus peut accélérer la décomposition de certaines litières comme le chêne kermès, puisque des fèces issues de cette litière déposées à la surface du sol pendant un an perdent plus de masse que de la litière non-consommée. Cette stimulation semble liée à un lessivage plus important des composés organiques solubles dans les fèces et ne se produit qu'à la surface du sol. En profondeur, où l'humidité du sol est plus favorable à la décomposition, la perte de masse des fèces augmente. Ce résultat suggère qu'en facilitant l'enfouissement de la matière organique dans le sol, les détritivores peuvent accélérer la décomposition.Dans une seconde partie, j'ai cherché à évaluer l'importance de la diversité fonctionnelle des litières et des détritivores pour le processus de décomposition. Grâce à une approche basée sur les traits, des assemblages d'espèces représentant un fort gradient de dissimilarité fonctionnelle mais ayant une richesse spécifique constante, ont été créés pour étudier la réponse de la relation diversité-fonction à la sécheresse. Les résultats de cette expérience menée à l'Ecotron de Montpellier, montrent que la dissimilarité fonctionnelle des litières et des détritivores explique jusqu'à 20% de la variation observée dans plusieurs processus clefs du fonctionnement du sol, tels que la perte de masse des litières et le lessivage du carbone et de l'azote dans le sol superficiel. Toutefois, les effets de l'identité des espèces présentes aux deux niveaux trophiques restent plus importants que ceux de la dissimilarité fonctionnelle. Bien que la sécheresse influence fortement les processus étudiés, les relations diversité-fonction ne sont pas modifiées par un changement de la disponibilité en eau. Cependant, les assemblages d'espèces les plus performants en conditions d'humidité favorables sont aussi les plus fortement affectés par la sécheresse, ce qui suggère qu'il existe un compromis entre l'efficacité des organismes du sol et leur capacité à résister à une perturbation. / Water availability is a major limiting factor for the functioning of Mediterranean ecosystems. More pronounced drought could severely impact soil fauna activity and diversity that could in turn affect litter decomposition and nutrient cycling. In my PhD thesis I investigated experimentally the interactions between changing water availability and detritivorous macrofauna on decomposition and associated processes in a “garrigue”, a typical Mediterranean woody shrub dominated ecosystem.In the first part of my thesis, I studied the impact of Ommatoiulus sabulosus, an abundant diplopod species in garrigue ecosystems, on shrub litter decomposition. During a one month experiment, I studied the direct (litter consumption) and indirect (microbial activity in feces) effects of this detritivore on litter mass loss and microbial communities under two contrasted moisture levels. In a different experiment, I placed litterbags filled with litter or feces in the field at the soil surface or at 5cm soil depth during one year in order to study the long term impact of Ommatoiulus on decomposition. A key result was that detritivores maintain litter consumption in dry conditions when microbial driven decomposition drastically dropped. However, this detritivore effect do not lead to an overall increased organic matter mineralization irrespective of moisture conditions, at least in the short term. In contrast, under field conditions and over a longer time period, Ommatoiulus increases decomposition of certain species such as Quercus coccifera, since feces from this species decomposes faster than un-ingested litter after one year at the soil surface. This stimulation is likely due to a higher leaching of soluble compound in feces. Moreover, in depth feces decomposition increases relative to that of intact leaf litter, possibly indicating that more favorable soil humidity is more favorable to decomposition. Collectively, my results suggest that detritivores can strongly increase decomposition by transforming leaf litter into feces of different organic matter quality, and by facilitating the transfer of organic matter into the soil.In the second part, I evaluated the importance of functional dissimilarity of leaf litter and detritivores on decomposition processes. Using a trait based approach, species assemblages were constructed in order to obtain a gradient of functional dissimilarity of both, leaf litter and detritivore communities, while keeping species numbers constant. The different communities were kept under controlled conditions at the European Ecotron in Montpellier to study the effect of changing functional dissimilarity on process rates at two different moisture conditions. I found that detritivore and litter functional dissimilarity explain up to 20 % of the observed variation for several key soil processes including litter mass loss and the leaching of dissolved organic carbon and nitrogen from top soil. However, effects of species identity at both trophic levels have a larger impact on process rates than functional dissimilarity. In general, drought strongly affects soil processes but does not alter the diversity-function relationship. Species assemblages resulting in highest process rates at favorable moisture level are also the most negatively affected by drought, suggesting a tradeoff between the efficiency of soil organisms and their ability to resist perturbation.