Les écosystèmes produisent de nombreux biens et services contribuant au bien-être des sociétés. Cependant, l'utilisation intensive des ressources naturelles a compromis le fonctionnement de certains de ces écosystèmes ainsi que les services qu'ils rendent. La dégradation de certains services tels que le climat et la biodiversité a entraîné une prise de conscience de leur rôle dans fonctionnement des sociétés ainsi qu'une croissance de la valeur qui leur est accordée.Pour contrecarrer la dégradation des services rendus par les écosystèmes, des mécanismes de rémunération de leur production ont été mis en place tels que le marché européen du carbone ou les obligations de compensation lorsque des ouvrages ou infrastructures dégradent la biodiversité. Toutefois, lorsque les mécanismes mis en oeuvre ne concernent qu'un seul service, ils peuvent avoir des effets, positifs ou négatifs, sur la fourniture d'autres services produits conjointement. Afin d'éviter les effets indésirables, tels que la destruction d'un service pour en produire un autre, ou des inefficacités comme le double-paiement d'une même activité, il est nécessaire de mieux connaître les relations entre les productions des écosystèmes. Par cette thèse, nous contribuons à l'identification de ces relations entre produits et services en développant une approche par la simulation de la production jointe de bois et de non-bois en forêt.

Les sols constituent le principal réservoir de carbone, avec près de deux fois plus de carbone que le pool atmosphérique. Afin de pouvoir prédire et anticiper le devenir du carbone dans le contexte actuel de changement climatique et de changement d'usage des terres, il apparaît nécessaire de mieux comprendre les processus qui régulent la décomposition des matières organiques dans les sols. Cette thèse se propose donc d'étudier deux types de régulateurs de la dynamique du carbone du sol : les propriétés de l'habitat microbien et celles des communautés microbiennes. En effet, puisque directement affectées par les changements climatiques d'une part, et les changements d'usage des terres et de pratiques culturales d'autre part, l'habitat microbien et les communautés microbiennes apparaissent comme des régulateurs clés de la dynamique du carbone du sol. Des dispositifs expérimentaux permettant de faire varier les propriétés de l'habitat microbien et celles des communautés microbiennes de façon indépendante ou simultanée ont été mis en place. Dans un premier temps, des microcosmes dont la structure du sol a été manipulée afin d'obtenir des gradients de déstructuration, ont été incubés. Dans un second temps ce sont des microcosmes mettant en jeu des gradients de diversité microbienne qui ont été incubés. Enfin, une incubation utilisant les différences naturelles de propriétés de l'habitat microbien et de communautés microbiennes a été mise en place pour tenter de hiérarchiser ces régulateurs de la décomposition des matières organiques du sol. Les résultats obtenus ont mis en évidence que l'activité microbienne de décomposition du carbone organique du sol semble plus contrôlée par les conditions environnementales (comme le pH, la texture et l'approvisionnement en substrat) que par la structure des communautés microbiennes ou leurs capacités métaboliques. En plus de cela, la fonction de minéralisation ne semble être affectée que dans le cas d'une très grande érosion de la biodiversité suggérant la présence d'un effet seuil, et que l'importance de la redondance fonctionnelle n'est pas toujours aussi grande que ce que le suggère de nombreuses études. D'autre part, dans des conditions d'aération suffisante, les mécanismes qui réguleraient la dynamique du carbone organique des sols se passeraient à des échelles très fines.

Accroître la diversité végétale au sein d'une culture par l'utilisation d'associations variétales est une stratégie qui permet de limiter la sévérité des maladies à dispersion éolienne. Les potentialités de cette pratique culturale restent à être caractérisées de manière précise dans le cas des maladies à dispersion pluviale, telle que la septoriose du blé durant sa phase épidémique. Cette maladie foliaire, due au champignon pathogène Mycosphaerella graminicola, est prédominante sur blé et est capable de causer des pertes substantielles de rendement, allant jusqu'à -40 %. Des expérimentations au champ ont été menées durant cinq années, de 2008 à 2012, sur le site INRA de Grignon (Yvelines, France), avec une association constituée de deux variétés de blé ayant des niveaux contrastés de résistance à M. graminicola, et dont les proportions étaient de une plante sensible pour trois assez résistantes. Par rapport à leur culture monovariétale respective, nous avons observé une diminution de la sévérité de la septoriose sur la plus sensible des variétés (en moyenne, 45 % de surface pycnidiale foliaire en moins sur les trois dernières feuilles), sans affecter significativement la variété plus résistante. Une méthodologie originale semi-automatisée a été développée pour quantifier le flux de spores dispersés par la pluie en conditions naturelles. Les mesures expérimentales ont permis de corréler l'intensité de plusieurs épisodes pluvieux avec la dispersion de spores au sein de différents couverts incluant des associations variétales. Un modèle mécaniste et stochastique a été développé afin de décrire la progression du potentiel de maladie au sein d'un couvert végétal hétérogène en trois dimensions. Cette approche théorique combine physique et épidémiologie, d'une part, (i) pour calculer l'interception des gouttes de pluie avec les organes végétaux et la trajectoire des gouttelettes d'éclaboussement au sein du couvert et, d'autre part, (ii) pour prendre en compte les niveaux de résistance variétale et la nature polycyclique de l'épidémie. À partir de ce modèle, il a été mis en évidence pour des associations de deux variétés que les proportions, ainsi que le différentiel de résistance entre les variétés à associer, pouvaient être optimisées pour réduire la sévérité de la maladie. Par ailleurs, ce modèle permet d'évaluer et d'identifier les distributions spatiales des variétés les plus propices à une réduction de la progression d'une maladie à dispersion pluviale. Parmi les précédents travaux traitant des potentialités des associations de variétés pour lutter contre des pathogènes dispersés par l'action mécanique de la pluie, certains avançaient des conclusions souvent contradictoires et peu en faveur de cette pratique. Nous avons montré ici qu'il est possible sous certaines conditions d'association de variétés (proportions, agencement spatial, différentiel de résistance globale) et de pluviométrie d'obtenir un effet significatif en termes de réduction de la maladie.

La dernière décennie a vu l'émergence de la prévision probabiliste de débits en tant qu'approche plus adaptée pour l'anticipation des risques et la mise en vigilance pour lasécurité des personnes et des biens. Cependant, au delà du gain en sécurité, la valeur ajoutée de l'information probabiliste se traduit également en gains économiques ou en une gestion optimale de la ressource en eau disponible pour les activités économiques qui en dépendent. Dans la chaîne de prévision de débits, l'incertitude des modèles météorologiques de prévision de pluies joue un rôle important. Pour pouvoir aller au-delà des limites de prévisibilité classiques, les services météorologiques font appel aux systèmes de prévision d'ensemble,générés sur la base de variations imposées dans les conditions initiales des modèlesnumériques et de variations stochastiques de leur paramétrisation. Des scénarioséquiprobables de l'évolution de l'atmosphère pour des horizons de prévision pouvant aller jusqu'à 10-15 jours sont ainsi proposés. L'intégration des prévisions météorologiques d'ensemble dans la chaîne de prévision hydrologique se présente comme une approche séduisante pour produire des prévisions probabilistes de débits et quantifier l'incertitude prédictive totale en hydrologie.

Les lombriciens remplissent, dans les agrosystèmes, de nombreux services, importants pour la production et le bon fonctionnement du sol. Cependant, on manque de connaissances sur la manière dont les facteurs jouent, au champ, sur la densité et la diversité spécifique. Cela rend difficile la prévision des effets des pratiques sur la macrofaune du sol et la mise au point de systèmes de culture en Agriculture Biologique, favorables aux populations de vers endogés.L'objectif de cette thèse était d'analyser, au champ, les variations au cours de l'année de l'abondance des lombriciens dans le contexte de l'Agriculture Biologique du Bassin Parisien. Nous nous sommes tout particulièrement interessés au cas des espèces endogées dont nous avons suivi les abondances dans 5 parcelles pendant 2 ans (2009 et 2010). L'analyse de ces données (et de la littérature scientifique) nous a amené à proposer un modèle simulant la dynamique des populations de vers de l'espèce la plus fréquemment rencontrée sur ces parcelles, A. Caliginosa. Ce modèle est basé sur celui de C. Pelosi (Pelosi et al., 2008).L'analyse des données de suivi des populations a montré qu'il existait un schéma général décrivant l'évolution annuelle de l'abondance (i.e. la densité de vers endogés actifs dans la couche 0-30 cm) de ces parcelles labourées et cultivées en céréales. Ce schéma général est caractérisé par une première phase de décroissance (ou de stabilité) en fin de printemps, suivie d'une période estivale pendant laquelle la population est stable, avant d'augmenter à nouveau à l'automne, pour atteindre un niveau maximal supérieur à celui de l'entrée de l'été. Enfin, l'hiver, l'abondance chute à nouveau. Ce travail, qui confirme les données générales de la littérature sur les endogés, a cependant montré que par rapport à ce schéma il existait d'importantes variations d'une année sur l'autre, entre A. caliginosa et A. rosea et en fonction des parcelles. Les causes de ces variations, complexes, sont discutées dans cette thèse.Parmi ces causes, le travail du sol, et tout particulièrement le labour, joue un rôle important. Cela nous a amené à mettre en place un essai, sur deux des parcelles du suivi, pour étudier les effets de cette opération sur la dynamique des populations des deux espèces endogées citées ci-dessus. Les résultats obtenus suggèrent que les effets du labour sont variables en fonction de l'espèce considérée. A. caliginosa s'est révélée plus sensible qu'A. rosea, dont les abondances n'ont pas été systématiquement affectées. Celles d'A. caliginosa ont été réduites, juste après le labour en 2009, avec un certain retard (deux mois environ) après cette opération. Ces résultats soulignent ainsi la nécessité d'étudier l'effet des techniques culturales à travers leur impact sur la dynamique des populations (et non sur le niveau d'abondance moyen).La troisième partie de notre travail a été consacrée à l'amélioration du modèle Wormdyn. Nous l'avons tout d'abord adapté au cas de l'espèce A. caliginosa en nous basant sur une étude bibliographique approfondie pour fixer la valeur des paramètres du cycle de vie. Nous avons ensuite introduit une fonction décrivant l'effet de la densité dépendance sur l'abondance. Le modèle a correctement simulé le niveau moyen des abondances mesurées dans les parcelles suivies, malgré une tendance générale à la surestimation des effectifs lorsque les conditions du milieu sont favorables. L'ajout de la densité dépendance a corrigé partiellement ce biais et ouvre à la prise en compte d'autres facteurs de variation des populations, au premier rang desquels la qualité et la quantité des ressources trophiques.

Malgré l'impact économique et les enjeux environnementaux liés à la production d'énergie renouvelable par combustion de la biomasse de canne à sucre, les systèmes de culture canniers ne sont optimisés que pour maximiser la production de sucre. Ce travail contribue à l'élaboration d'un module de simulation de l'évolution des composantes du rendement énergétique (CRE) de la biomasse de canne à sucre qui à terme servira à la conception et l'optimisation de systèmes de culture innovants visant une production multi-usages. Les deux critères retenus dans le cadre de ces systèmes de culture sont les rendements énergétique (MJ m-2) et sucrier (kg m-2). En préalable à la formalisation des dynamiques d'évolution des CRE(fractions anatomiques, structures et lignocelluloses) dans la biomasse de canne à sucre, l'influence de facteurs de variations agro-climatiques sur ces dynamiques d'évolution a du être testé. La vérification de cette hypothèse supposant la collecte massive de données au champ, un modèle proche infrarouge de prédiction des CRE dans la biomasse de canne à sucre a été développé. Ce modèle a permis de quantifier les CRE et de suivre leurs évolutions pour 3 cultivars de canne à sucre (R570, R579 et R585) cultivés dans des environnements contrastés (4 sites) durant deux cycles de culture (vierge et première repousse). Cette étude a révélé des différences significatives entre cycles de culture, sites, cultivars, méthodes coupe et composantes anatomiques pour les CRE et le rendement énergétique. Cependant, lerendement en biomasse aérienne de canne à sucre explique 97% de la variabilité du rendement énergétique à la récolte. La maximisation du rendement en biomasse aérienne s'avère être le principal paramètre à optimiser pour maximiser le rendement énergétique de la production. Toutefois, ces nouveaux objectifs de production peuvent être à l'origine de diminution importantes des rendements en sucre par pertes lors du procédé d'extraction. Ces antagonismes doivent être quantifiés et pris en compte dans l'évaluation de performances de système de culture tant que le sucre sera la principale source de rémunération.

Dans la majeure partie de cette thèse, nous nous sommes consacrés à l'étude de la forme des arbres phylogénétiques et plus particulièrement à leur déséquilibre. Une phylogénie est dite déséquilibrée, si la plupart des noeuds internes (les ancêtres communs) séparent l'arbre en deux sous-arbres de tailles sensiblement différentes. Les deux modèles de phylogénies aléatoires les plus classiques sont le modèle de Yule qui suppose que toutes les espèces ont la même probabilité de spéciation, et le modèle uniforme qui suppose que toutes les phylogénies de même taille sont équiprobables. Dans ces deux modèles, nous avons pu identifier les distributions limites des mesures de déséquilibre les plus utilisées par les biologistes. Les démonstrations sont inspirées de méthodes apparues récemment dans l'analyse des algorithmes. En génétique des populations, nous avons montré que le déséquilibre des généalogies de gènes est le signal d'un phénomène culturel : l'héritage de la fertilité. Nous avons mis en évidence la présence de ce trait culturel dans les populations de chasseurs-cueilleurs en utilisant le déséquilibre de généalogies reconstruites à partir d'ADN mitochondrial. Dans une dernière partie, la théorie de la coalescence a été appliquée à la génétique spatiale. Trois méthodes d'inférence d'un paramètre de dispersion spatiale ont été proposées. La vitesse de dispersion des ours bruns de Scandinavie a été estimée par une de ces trois méthodes.

Ce document présente une synthèse des activités de recherche menées depuis une dizaine d'années en premier lieu dans le cadre du Laboratoire Ifremer-IRD de Sclérochronologie des Animaux Aquatiques et du département Sciences et Technologies Halieutiques de l'Ifremer puis au sein du département Signal & Communications de Télécom Bretagne et du Laboratoire en Sciences et Techniques de l'Information, de la Communication et de la Connaissance. De manière générale, ces activités se situent à l'interface des STIC1 et de l'océanographie. Dans le cadre d'approches interdisciplinaires, ces travaux ont visé à exploiter et développer des outils et méthodes de traitement du signal et des images pour (i) fournir de nouvelles représentations des processus/scènes observés, (ii) exploiter ces représentations pour inférer ou reconstruire des informations d'intérêt du point de vue thématique. Trois domaines thématiques relevant de la télédétection de l'océan au sens large ont été privilégiés : initialement, les otolithes comme marqueurs des traits de vie individuels des poissons et la télédétection acoustique des fonds marins et de l'écosystème pélagique, et plus récemment la télédétection satellitaire de la surface de l'océan. Ces problématiques conduisent notamment à aborder différentes problématiques génériques du traitement du signal et des images telles que l'analyse de la géométrie de signaux multivariés (y compris des formes), l'analyse et la reconnaissance de textures, l'interpolation de données manquantes, la reconnaissance de scènes et d'objets à travers différents cadres méthodologiques (modèles probabilistes, inférence bayésienne, approches variationnelles, apprentissage statistique,...). A partir de cette expertise est envisagé le potentiel, encore largement inexploré, d'une exploration des bases d'observations multi-échelles et multi-modales de l'océan, pour la caractérisation et la modélisation des processus clés déterminant les dynamiques des écosystèmes marins. Cette analyse met en évidence les enjeux réels du traitement de l'information dans ce contexte thématique et permet de dégager des problématiques scientifiques que l'on cherchera à développer dans les prochaines années.

Le pâturage influence la production primaire et la qualité de la végétation et peut, ainsi, avoir un impact sur les flux d'éléments et les cycles biogéochimiques. La conséquence de cette interaction entre herbivores, plantes et sol sur le fonctionnement d'un écosystème peut être variée car l'impact du pâturage sur les fonctions de la végétation dépend des communautés végétales ainsi que de l'intensité du pâturage. L'objectif de cette thèse est d'analyser l'impact d'un gradient d'intensité de pâturage sur le fonctionnement d'une prairie humide. Le modèle biologique de cette étude est une prairie du Marais Poitevin, pâturée depuis le Xe siècle. Trois communautés végétales coexistent au sein de cette prairie, et les variations spatiales de l'intensité du pâturage ont conduit à la création d'une mosaïque de patchs de végétation au sein de chacune de ces communautés. Le gradient spatial d'intensité de pâturage conduit, au sein de chaque communauté, à une hétérogénéité spatiale des processus fonctionnels de la prairie en lien avec l'hétérogénéité de la végétation. De façon générale, on observe le long du gradient croissant d'intensité de pâturage, une diminution de la production primaire, une augmentation de la qualité de végétation ainsi qu'une augmentation du taux de minéralisation nette de l'azote du sol. Au sein de chaque communauté végétale, l'amplitude des variations spatiales du cycle de l'azote apparaît liée à l'amplitude des variations des fonctions de la végétation. L'impact de l'intensité du pâturage sur les fonctions de la végétation découle de deux mécanismes principaux. L'effet à long terme du pâturage influence la composition floristique de la végétation et se répercute sur les fonctions de la végétation. Le gradient croissant d'intensité de pâturage conduit à une modification importante de la composition floristique des communautés végétales. L'impact de ce gradient sur les fonctions de la végétation est plus important lorsque les types fonctionnels dominants en situation non pâturés, des graminoïdes pérennes, sont remplacés par d'autres types fonctionnels, des annuelles et des dicotylédones. En situation pâturée, les fonctions de la végétation sont modulées par une réponse de la végétation à la coupe. La défoliation stimule le taux de croissance de la végétation des patchs. L'intensité de cette stimulation est maximale pour une fréquence de coupe faible et permet une compensation plus ou moins forte de l'impact négatif de la coupe sur la production primaire. Cette réponse est caractéristique de chaque composition floristique. L'interaction entre les effets de la fréquence de défoliation et de la composition floristique conduit à observer, le long du gradient de pâturage, une diminution de production primaire beaucoup plus importante au sein de la communauté méso-hygrophile qu'au sein de la communauté mésophile. L'impact du gradient de pâturage sur les fonctions de la végétation détermine la qualité et la quantité des entrées de matière organique vers le sol et conduit à un impact sur le processus de minéralisation nette de l'azote. En particulier, la quantité de carbone en provenance de la litière végétale apparaît soutenir la croissance microbienne et stimuler le taux d'immobilisation de l'azote par les microorganismes ce qui diminue la quantité d'azote minéral disponible pour la végétation. En conséquence, la réduction des entrées de litières le long du gradient de pâturage conduit à une stimulation du taux de minéralisation nette de l'azote du sol. La stabilité ou la modifications des fonctions de production primaire et de qualité de végétation le long du gradient de pâturage conditionne donc l'impact du pâturage sur les cycles biogéochimiques.

Le succès des espèces invasives dépend de l'adéquation entre leurs traits d'histoire de vie et les caractéristiques environnementales (biotiques et abiotiques) de leurs nouveaux habitats. Le succès invasif d'une espèce peut donc reposer sur sa pré-adaptation, être déclenché par la levée de certaines pressions sélectives, les perturbations, ou encore la réponse rapide de l'organisme aux nouvelles contraintes sélectives. La plasticité phénotypique et les processus évolutifs sont ainsi des paramètres essentiels dans les invasions biologiques, en faisant des situations privilégiées pour observer les processus écologiques et évolutifs en temps réel. Nous nous sommes intéressés aux réponses morphologiques et écophysiologiques exprimées dans le temps et l'espace au cours de l'invasion des Îles Kerguelen (archipel subantarctique) par le carabique prédateur Merizodus soledadinus et la mouche saprophage Calliphora vicina, dont les stratégies de vie sont contrastées. Nous montrons la différenciation morphométrique de populations de M. soledadinus en fonction de leur temps de résidence, ainsi que les changements rapides de la morphologie de l'aile de C. vicina dans ces îles où l'inaptitude au vol est la règle. Une attention particulière est accordée au rôle de la plasticité phénotypique de M. soledadinus dans la colonisation de nouveaux habitats (plasticité physiologique à la salinité) et dans son maintien durable malgré l'impact qu'il exerce sur la disponibilité des proies (plasticité trophique). Ces ajustements à plus ou moins long terme sont des éléments déterminants du succès invasif de ces deux insectes à mesure qu'ils progressent et rencontrent de nouveaux régimes de sélection.