L'acidification des océans (AO) est un phénomène induit par l'augmentation de la pression partielle en CO2 (pCO2) atmosphérique d'origine anthropique caractérisé par une diminution du pH de l'eau de mer et une modification des paramètres de la chimie des carbonates. L'AO est susceptible d'impacter toutes les espèces marines mais les organismes calcifiants y seraient les plus sensibles. Dans le cadre de cette thèse, les réponses physiologiques des algues Corallinacées (algues rouges calcaires) et de la crépidule (mollusque gastéropode) ont été étudiées sous des conditions de pCO2 actuelles et prévues pour la fin du siècle. Les réponses des Corallinacées à l'AO en termes de production primaire et de calcification ont varié suivant les espèces, d'une absence de réponse chez Corallina elongata à une diminution de 80% de la calcification nette journalière chez le maërl Lithothamnion corallioides. La crépidule est en revanche une espèce très tolérante à l'augmentation de la pCO2. Aucune dépression métabolique n'a été observée chez les adultes malgré une diminution de la calcification nette induite par l'augmentation de la dissolution de la coquille externe. La taille des jeunes stades de son cycle de vie (embryons et larves) a été réduite sous conditions de pCO2 élevées mais aucune diminution de la respiration ou mortalité importante n'a été observée. Ces espèces calcifiantes ont une importance écologique majeure au sein des écosystèmes côtiers de Manche et Atlantique nord-est. Les changements physiologiques induits par l'AO sur ces espèces clé sont susceptibles de modifier les flux de matière et d'énergies au sein des écosystèmes dans lesquels elles sont des espèces ingénieures.

La température est un des principaux facteurs climatiques pilotant le développement des champignons pathogènes foliaires pendant les différentes étapes de leur cycle parasitaire. Puisque ces microorganismes se développent à la surface, puis à l'intérieur des feuilles, c'est la température de feuille (" body temperature " en écologie) qui pilote leur développement. En épidémiologie végétale, c'est toutefois la température d'air qui est utilisée pour caractériser l'effet de la température sur le développement des agents pathogènes foliaires. Or, la température de feuille peut différer significativement de la température d'air en fonction des conditions climatiques. La prise en compte de la température d'air pour étudier la dynamique des maladies foliaires ne peut donc s'affranchir de deux biais : la température mesurée n'est pas celle qui est réellement perçue par l'agent pathogène et l'hétérogénéité spatiale des températures au sein du peuplement n'est pas prise en compte. De plus, la relation entre la température et le développement des agents pathogènes est non linéaire, ce qui limite la gamme de validité autorisant l'utilisation des sommes de températures, pourtant largement employées en protestion des cultures. L'objectif général de cette thèse est de reconsidérer la prise en compte de la température pour l'étude du développement des champignons pathogènes foliaires.Le pathosystème blé-Mycosphaerella graminicola a été choisi en tant qu'objet d'étude. La stratégie adoptée pour atteindre les objectifs de la thèse combine deux approches complémentaires, l'expérimentation et la modélisation. Pour la première fois, la loi de réponse d'un agent pathogène foliaire à la température de feuille a été établie. Un dispositif expérimental innovant a permis d'établir la loi de réponse pour trois isolats sur une large gamme de températures foliaires, via la mesure en continu de la température de 191 feuilles (F et F) inoculées et l'utilisation d'un système de forçage thermique par lampe infrarouge. La loi de réponse de la période de latence de la septoriose à la température de feuille s'apparente au concept de courbe de performance thermique développé en écologie. Celle-ci étant non linéaire sur l'ensemble de la gamme de température étudiée, l'impact de l'amplitude de fluctuations de température de feuille a été caractérisé. Une amplitude élévée a conduit à plusieurs effets négatifs pour le développement de M. graminicola : l'augmentation de la durée du cycle de l'agent pathogène, la diminution de la surface sporulante des lésions et de la densité de pycnides. Les différences de cinétique de développement en fonction de l'amplitude des fluctuations ne sont que partiellement expliquées par l'effet Kaufmann (purement mathématiques), suggérant que M. graminicola atténue les conséquences négatives d'amplitudes de fluctuation plus élevées. Enfin, les simulations du développement de la septoriose réalisées à partir de données de températures foliaires diffèrent signicativement de celles réalisées à partir de températures d'air mesurées de façon standard par une station météorologique. Ces simulations ont également souligné le caractère déterminant du pas de temps considéré.Par le transfert de concepts d'écologie vers l'épidémiologie, cette thèse ouvre des pistes pour améliorer la prise en compte de la température dans les modèles épidémiologiques. Elle contribue au développement d'une meilleure compréhension des mécanismes par lesquels l'environnement affecte les microorganismes, point clé pour le développement de modèles mécanistes de réponses possibles au changement climatique

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.

Le mésozooplancton de la couche épipélagique (0-200 m) a été étudié dans deux écosystèmes contrastés ; le premier se situe au niveau de la partie sud du plateau des Kerguelen et d'une partie de la zone HNLC (High Nutrient Low Chlorophyll) de l'océan Austral, à la fin de floraison estivale entretenue par des apports naturels en fer (KEOPS : janvier-février 2005). La deuxième étude s'est intéressée à l'ensemble de la Méditerranée, le long d'une radiale de 3 000 km caractérisée par un degré d'oligotrophie croissant d'Ouest en Est (BOUM juin-juillet 2008). La communauté mésozooplanctonique a été caractérisée à la fois par la description des stocks (abondance et biomasse) et de sa structure (composition taxonomique et spectre de taille). La distribution spatiale à l'échelle régionale a été étudiée et mise en relation avec différents paramètres environnementaux et trophiques. L'impact de la communauté sur les producteurs primaires a été également estimé à partir de l'analyse de différents processus physiologiques (ingestion, respiration et excrétion). La communauté mésozooplanctonique australe était caractérisée par de fortes abondance et biomasse sur le plateau des Kerguelen et plus faible en zone HNLC. Elle était composée essentiellement de stades copépodites avec une présence importante de mues et des taux élevés de respiration indiquant une croissance active. Cependant l'impact du broutage sur la production primaire était faible ce qui suggère l'utilisation d'autres ressources alimentaires tel que le microzooplancton. En Méditerranée, l'abondance zooplanctonique présentait un gradient croissant est-ouest auquel s'ajoutait un gradient nord-sud décroissant dans le bassin occidental. Cette distribution était fortement liée à la quantité de chlorophylle a. Le broutage du mésozooplancton sur les producteurs primaires était important. Les flux de matière liés à l'activité métabolique supportaient plus de 100 % des besoins de la production primaire en carbone, azote et phosphore. L'étude des relations entre la diversité spécifique et les variables environnementales (physique, chimique et biologique) a révélé une forte régionalisation en Méditerranée alors que sur le plateau des Kerguelen ces relations sont faibles.

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.