Le feu est la principale perturbation en forêt boréale mixte. La sévérité des feux n'est pas spatialement homogène et épargne souvent partiellement ou entièrement des parties de la forêt appelées îlots résiduels. Ces îlots forestiers résiduels après feux sont étudiés depuis de nombreuses années, et ces études se sont surtout intéressées aux facteurs déterminant leur occurrence à l'échelle du paysage. Cependant, les travaux réalisés en Fennoscandinavie et aux États-Unis ont révélé la présence de peuplements forestiers (appelés refuges) ayant la capacité de se maintenir dans le territoire pendant plusieurs millénaires. L'objectif principal de cette thèse était de caractériser la dynamique temporelle et la structuration d'îlots forestiers localisés au sein de la forêt boréale mixte de l'est du Canada. Treize îlots forestiers qui ont échappé au dernier feu ont été échantillonnés. Des carottes de sols ont été extraites dans chacun des sites pour réaliser des analyses paléoécologiques (charbons et macrorestes). Les caractéristiques stationnelles de chaque site ont été échantillonnées pour déterminer si les refuges se distinguent des autres îlots résiduels. La charge en combustible des îlots a également été mesurée. Les données ont également servi à alimenter des modèles numériques de comportement du feu (Fire Behavior Prediction System, BehavePlus, FlamMap3) qui ont été utilisés afin de déterminer les caractéristiques stationnelles qui permettent aux refuges d'échapper au feu de façon récurrente. Les résultats ont mis en évidence l'existence de deux types d'îlots résiduels en forêt boréale mixte : les refuges et les autres îlots résiduels. Les refuges sont moins susceptibles au feu comparativement aux îlots résiduels qui ont échappé uniquement au dernier feu, probablement de façon fortuite. Les refuges ont en revanche la capacité de persister dans le paysage forestier durant plusieurs millénaires, ne brûlant uniquement durant des feux particulièrement sévères. Les analyses macrofossiles des refuges soulignent des changements majeurs au sein de la végétation locale, avec comme événement remarquable le passage de formations dominées par Larix laricina/Picea sp. vers des formations dominées par Abies balsamea/Thuja occidentalis. Ce changement de végétation s'est produit à différentes périodes selon les sites, soulignant un processus endogène dans cette transformation de la végétation. Le développement de Larix laricina s'est accompagné dans certains assemblages macrofossiles de taxons typiques de milieux humides (tels que les characées). L'importante couche de matière organique qui caractérise les refuges semble entraver le développement d'espèces de début de succession telles que Betula papyrifera et Populus tremuloïdes. Les îlots refuges doivent leur persistance dans le paysage forestier à un certain nombre de facteurs biotiques et abiotiques qui limitent le passage du feu. Les résultats issus des simulations du comportement du feu, suggèrent un rôle mineur des coupe-feu (lacs, tourbières, et monticules rocheux essentiellement), de la charge en combustible et de la topographie dans l'occurrence des refuges. L'humidité semble être le seul facteur déterminant leur développement au sein de la mosaïque paysagère. Les refuges se mettent en place au sein de faibles dépressions humides qui favorisent l'accumulation de la matière organique. La structure des refuges et des autres îlots résiduels révèle deux principales caractéristiques permettant de les distinguer sur le terrain : le diamètre moyen des arbres et l'épaisseur de la matière organique. Les arbres des refuges ont un plus petit diamètre que ceux des autres îlots résiduels. L'importante épaisseur de la matière organique des refuges affecte négativement la croissance des arbres. Ces caractéristiques pourront être utilisées comme outils d'aide à la décision dans les stratégies d'aménagement forestier. / Fire is the main natural disturbance shaping boreal forest landscapes. In North American boreal ecosystems, wildfires contribute to the creation of a complex mosaic of stands of varying age, composition, and structure, within which other disturbances and processes can interact. A burned area usually includes tree patches that partially or entirely escaped fire, called post-fire residual patches. The spatially occurrence of post-fire residual patches has been extensively described. However, the presence of fire refuges has been reported in Fennoscandia and in United-States, which can escape fire for several millennia. The aim of this study was to characterize temporal dynamics in post fire residual patches in mixedwood boreal forest of eastern Canada. The analyses concern the reconstruction of fire and forest dynamics history though Holocene and identify characteristics features of these patches. This research aimed to contribute significantly to the objectives of ecosystemic management to preserve biological diversity in the forest mosaics.Thirteen post-fire residual patches which escaped the last fire have been sampled. At each stand, cores and monoliths were extracted for paleoecological analyses. The reconstitution of fire history and forest dynamics were studies by using macroscopic charcoals and macroremains. The characteristics features of stands were also sampled, to differentiate fire refuges from other post-fire residual patches. The fuel load was also measured, and all these data were used as inputs for fire behavior modeling (Fire Behavior Prediction System, BehavePlus, FlamMap3), to identify stand characteristics prevent fire refuges to burn in comparison with other residual stands and forest matrix.The results showed the presence in the landscaped of two types of post-fire residual patches in mixedwood boreal forest: fire refuges and other post-fire residual patches. The fire refuges present less fire susceptibility than other post-fire residual patches, which escape only the last fire probably by chance. On the other hand, fire refuges can persist in the landscape for several millennia, burning in the most severe fires. The forest dynamics reconstruction in fire refuges, highlight major shift in the vegetation from Larix laricina/Picea sp. to late successional species Abies balsamea/Thuja occidentalis. Occuring at all stands, but at different periods of Holocene, these changes can be attributed to internal processes. The presence of Larix laricina was associated to the occurrence of aquatic taxa (e.g. Characear). The late successional species (Abies balsamea/Thuja occidentalis) can persist in the landscape for several centuries due to moisture conditions. The thickness of organic matter recorded in fire refuges seems to inhibit the recruitment of early successional species such as Betula papyrifera et Populus tremuloïdes.The fire refuges owe their persistence in the landscape to abiotoc and biotic factors that limit fire occurrence. Then results obtained from fire behavior simulations, suggest a minor role of fire breaks (lakes, rocks), fuel load and topography in persistence of fire refuges. Local moisture condition seems to be key factor in their occurrence in the landscape. The fire refuges occur likely in depressions, which favor organic matter accumulation. The structure of fire refuges and other residual patches revealed two main characteristics, which distinguish between the two types of residual patches: Mean diameter of trees and thickness of organic matter. The trees of fire refuges present smaller tree diameter than other post-fire residual patches. The thickness of organic matter accumulation in fire refuges affects negatively the growth of trees. These features can be used as tools for decision support in forest management strategies.

Les objectifs de cette thèse sont d'étudier les effets respiratoires de la pollution atmosphérique en prenant en compte 3 niveaux d'exposition: les niveaux macroscopique, semi-individuel et individuel.Pour le niveau macroscopique, nous avons étudié les effets sanitaires des émissions des feux de forêts dans une étude de type écologique. Au travers d'une revue de la littérature, nous avons observé que plusieurs études épidémiologiques avaient mis en évidence l'association entre l'exposition aux émissions des feux et l'augmentation des maladies cardiopulmonaires et la mortalité pour les individus habitant à proximité. La principale limite à ces études est donnée par l'évaluation de l'exposition. Dans une étude de cas sur les incendies de Marseille de 2009, nous avons observé des effets à la limite de la signification 8 et 9 jours après l'exposition entre les concentrations des particules fines(PM2.5 ) issues des incendies et les effets respiratoires.Pour le niveau semi-individuel, nous avons étudié le lien entre la pollution domestique et professionnelle et les maladies respiratoires chez des agriculteurs auvergnats dans le cadre d'une étude de type transversale. Nous avons observé que les dérivés halogénés et l'étyl-butoxyacetate étaient associés de façon significative aux maladies des petites voies aériennes. La concentration de benzène dans la pièce de vie principale de la ferme était significativement associée à une augmentation du risque d'asthme. Enfin, l'utilisation de l'acide mercapturique, dans le cadre d'une étude de type cas témoin nichée nous a permis de mesurer la dose interne d'exposition du benzène parmi des enfants de l'étude et son lien avec l'asthme. / The objectives of this thesis were to study the respiratory effects of air pollution by taking into account three levels of exposure: the macroscopic, semi-individual and individual levels. For the macroscopic level, we studied the health effects of emissions from forest fires in an ecological study. Through a literature review, we found that several epidemiological studies have shown the association between exposure to wildfire emissions and increase cardiopulmonary disease and mortality for the people living nearby. The main limitation of these studies is given by the exposure assessment. In a case study of the wildfire occurred in Marseille in the summer 2009, we observed effects at the limit of significance 8 and 9 days after exposure between concentrations of fine particles (PM2.5) from fire and respiratory effects .For semi-individual level, we have studied the link between domestic and occupational pollution and respiratory diseases among farmers from Auvergne using a cross-sectional study. We observed that the halogenated hydrocarbons and Etyl-butoxyacetate were significantly associated with the small airways disease. Benzene concentration in the living room of the farm was significantly associated with an increased risk of asthma. Finally, the use of a biomarker (the mercapturic acid) in the context of a case-control study allowed us to measure the internal dose of the exposure to benzene and its link with asthma among children included the study.

Les sols des régions de montagne sont confrontés à de fortes modifications climatiques et d'usages qui les rendent particulièrement sensibles à trois menaces : l'érosion, la perte de matière organique et de biodiversité. Cette thèse aborde la question de la qualité des sols sous l'angle de processus clés (décomposition et agrégation de la matière organique) au sein de différents compartiments de la partie superficielle du sol vivant (épipédon). Ces processus clés interviennent dans l'intensité des services rendus par les sols comme la séquestration de carbone, la fertilité des sols et le maintien de leur activité biologique. Parmi les indicateurs utilisés dans l'évaluation de la qualité des sols, nous avons choisi de tester des indicateurs simples et composites reliés aux processus clés de deux types d'écosystèmes subissant de fortes contraintes environnementales. Deux sites d'étude situés dans les massifs du Dévoluy (Isère) et des Maures (Var) ont été utilisés. Tous deux sont marqués par un fort gradient de végétation induit par des contraintes naturelles (sols à permafrost pour le site du Dévoluy) ou anthropiques (incendies pour le site des Maures). Dans ce travail, nous formulons trois hypothèses : (i) il existe au niveau des sols une signature originale des modifications environnementales influençant le fonctionnement des écosystèmes forestiers ; (ii) cette signature est liée à la qualité des sols et recouvre une partie biologique largement sous estimée ; (iii) la réflectance du sol résume cette signature et permet sa caractérisation dans des conditions contrastées. Les résultats de la thèse démontrent que les contraintes liées au pédoclimat et aux incendies induisent de fortes modifications des variables décrivant les processus de décomposition et d'agrégation dans les sols. Le compartiment biologique du sol (microflore ou microfaune) est particulièrement affecté par ces contraintes, révélant des modifications dans les processus liés aux chaînes trophiques des sols (voies préférentielles de décomposition et d'agrégation biologique, nitrification et dénitrification potentielles). La spectroscopie proche infrarouge se révèle être un outil pertinent pour rendre compte des modifications de qualité physico-chimiques mais aussi biologiques des sols soumis à de fortes contraintes.

L’évaluation de performance de modèles est une étape fondamentale de leur développement et amélioration. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit est consacré l’évaluation des modèles de propagation des incendies des forêts. Une revue des travaux a montré que si de nombreux éléments étaient disponibles, aucune solution normalisée et automatisable était proposée dans ce champ applicatif. Une solution à ce problème est proposée en déclinant une approche formelle développée dans le cadre de la théorie de la modélisation et simulation. Cette étape a permis de déterminer conceptuellement quels composants devaient être développés et comment les interconnecter.La réalisation de ce cadre a requis premièrement la normalisation de données disponibles pour les incendies de forêts, aucun standard de fichier ou même nomenclature n’étant disponible et/ou utilisé par les modélisateurs ou ingénieurs (observations ou simulation). Un ensemble de nom, notation et format d’encodage des données dans un conteneur NetCDF a pour cela été proposée. Une seconde étape a consisté à déterminer les métriques nécessaires à quantifier les erreurs de simulation (score de simulation). Si quatre méthodes standard ont pu être identifiées dans la littérature, nous avons pu montrer qu’elles se limitaient à la comparaison à un instant donné, ne pouvant donc rendre compte de la performance de la dynamique d’une simulation incendie. Cette problématique a été traitée en proposant deux nouvelles méthodes de calcul de score spécifiques. Ces différentes méthodes d’évaluations ont étés implantées au sein d’une bibliothèque de calcul. Enfin la réalisation d’une évaluation de modèles a été réalisée à l’aide d’une implantation du cadre définit précédemment. Cette évaluation a consisté à confronter quatre formulations de modèles de vitesse de front de flammes effectué sur 80 simulations d’incendies réels de manière complètement automatique. L’automatisation, et le non ajustement de paramètres, a ainsi permis de se rapprocher au plus près du contexte opérationnel où peu d’information locale est disponible, peu de temps après l’alerte de l’éclosion d’un incendie. Les résultats ont démontrés que cette approche est de nature à laisser apparaître une hiérarchie des performances de paramétrisations ou formulation relativement à une autre, sans toutefois être en mesure de donner une mesure absolue et objective de l’erreur modèle. / Performance evaluation of models is a fundamental step towards an efficient development and improvement. The research work presented in this manuscript is devoted to the evaluation of forest fire simulation models. Review of current work showed that if many elements were available, there were not any standardized and automated solutions proposed in this field. A solution for this problem is thus proposed, built upon a formal approach from the theory of modelling and simulation. This formal framework allowed to identify conceptually which components should be developed and how they would be interconnected.Realization of this frame required to start with a normalization of available wildfires data, as no standardized file or even nomenclature were available and/or used by all modellers and engineers (observations or simulation). A set of standard notation and name as well as a standard encoding data format in a scientific container NetCDF is proposed along with associated software.A second step is devoted to the identification of the scoring methods required to quantify the simulation error. If four standard methods have been defined in the literature, we have shown that these methods were limited for the comparison at specific time, not reporting clearly the performance of the simulation dynamics. This issue has been solved by proposing two new specific score calculation. These different evaluations methods are implanted in an open source computation library.Eventually, the realization of models evaluation was performed using an implementation of the proposed experimental frame. This evaluation consisted to confront four formulations of flame front velocity models on 80 real wildfire simulations in a fully automatic way. Because it was automatic, it implied that no parameters adjustments could be performed by an operator after the fire was observed; being more representative of an operational context with little information available immediately after a fire has been reported.The results have shown that this approach, while unable to provide an absolute measure of the model error is capable to reveal a hierarchy of performances between parameterizations or formulations.

Les chutes de blocs constituent un aléa naturel majeur dans les Alpes françaises en raison de leur probabilité d'occurrence spatiale et temporelle très élevée. Les forêts peuvent constituer une solution naturelle et efficace pour atténuer ce phénomène tout en protégeant les populations et leurs infrastructures. Cependant, ce service écosystémique peut être perturbé par d'autres aléas naturels comme les feux de forêts, susceptibles d'être plus fréquents et intenses dans le contexte actuel et futur de changements climatiques.Cette thèse propose ainsi d'évaluer les effets des incendies sur la capacité de protection des forêts contre les chutes de blocs dans les Alpes françaises.Une méthodologie pour évaluer la capacité de protection d'une forêt contre les chutes de blocs est d'abord développée et consiste à utiliser des simulations de propagation de chutes de blocs réalisées sur 3886 placettes forestières des Alpes françaises pour calculer trois indicateurs quantitatifs évaluant la réduction de la fréquence (BARI), de l'intensité (MIRI) et la réduction globale (ORPI) de l'aléa chutes de blocs dues à la présence d'une forêt. Ces indicateurs sont utilisés pour identifier les variables forestières prépondérantes pour évaluer la capacité de protection : la longueur boisée sur le versant, la surface terrière et le diamètre moyen. Les peuplements présentant une distribution hétérogène des diamètres et composés de plusieurs essences offrent généralement une meilleure protection que les peuplements monospécifiques et réguliers, soulignant ainsi l'influence de la diversité forestière. Cette thèse montre ainsi que les taillis présentent les capacités de protection les plus élevées, suivis par les futaies feuillues et les futaies mixtes ; les peuplements résineux venant en dernier.Les évolutions spatiales et temporelles des conditions climatiques favorables aux incendies, étudiées sur la période 1959-2015, révèlent un contraste majeur entre les Alpes du Sud qui ont connu une forte augmentation (en intensité, fréquence, durée et saisonnalité) surtout à haute altitude, et les Alpes du Nord, où une légère hausse est observée à basse altitude, mais aucune tendance significative n'est observée à haute altitude. Ces résultats sont ensuite utilisés pour définir trois types de feux (d'hiver, d'été moyen et d'été très sec) pour lesquels la mortalité post-incendie est étudiée à l'échelle de l'arbre et du peuplement forestier. Ces analyses montrent que seuls les feux d'été sont susceptibles d'affecter significativement les peuplements, en particulier à basse altitude où les peuplements feuillus (notamment les taillis) dominent.L’effet des incendies sur la capacité de protection des forêts est évalué en comparant les simulations de propagation de chutes de blocs sans feu aux simulations après chaque type de feu pour lesquelles les arbres avec une forte probabilité de mortalité post-feu ne sont pas pris en compte. Les valeurs de ORPI pour chaque placette forestière et chaque type de feu sont ainsi calculées et comparées au scénario de référence sans feu, permettant ainsi d'évaluer quantitativement la réduction de la capacité de protection. Les peuplements de basse altitude, soumis à des conditions climatiques plus chaudes et sèches, présentent des réductions de la capacité de protection après des feux d'été de l'ordre de 60 à 100 %. Il s'agit principalement de taillis et de futaies feuillues. À plus haute altitude, la réduction est de l'ordre de 30 à 65 %.En conclusion, ce travail de thèse propose une méthode originale pour quantifier la capacité de protection d'une forêt contre les chutes de blocs avant et après un incendie et alimente les connaissances sur ces deux aléas naturels et les risques associés. L'analyse multi-aléas conduite en fin de thèse permet d'appréhender les effets cascades potentiels à l'échelle du peuplement forestier et de quatre territoires bioclimatiquement homogènes des Alpes françaises. / Rockfalls are a major natural hazard in the French Alps due to their high probability of spatial and temporal occurrence. Forests constitute an efficient nature-based solution to mitigate this hazard while protecting human lives and assets. However, this ecosystem service may be disrupted by others natural hazards such as wildfires likely to be more frequent and intense in the current and future context of climate changes.This PhD thesis proposes to assess the effects of fires on the protection capability of forests against rockfalls in the French Alps.A methodology to evaluate the protection capability of a forest against rockfalls is first developed. It consists in modeling rockfalls propagations on 3886 forest plots taken in the French Alps to calculate three quantitative indicators that assess the reduction of the frequency (BARI), the intensity (MIRI) and the overall reduction (ORPI) of rockfalls due to the presence of a forest. These indicators are used to identify the predominant forest variables for assessing the protective effect: the length of forest along the slope, the basal area and the mean diameter. Forest stands with a heterogeneous distribution of diameters and made up of several tree species generally offer a better protection than monospecific and regular stands, thus underlining the influence of forest diversity. This work shows that coppices have the highest protection capabilities, followed by hight stands dominated by deciduous species and mixed stands; coniferous stands coming last.Spatio-temporal trends in fire weather in the French Alps are investigated over the period 1959-2015 and reveal a major contrast between Southern Alps which experienced a strong increase (in intensity, frequency, duration and seasonality) especially at high elevation, and Northern Alps, where a slight increase at low elevation and no significant trends at high elevation are observed. These results are then used to define three types of fires (winter, summer, and dry summer) for which post-fire tree mortality is studied at the tree and forest stands levels. These analyses show that only summer fires are likely to significantly affect the forest ecosystems, particularly at low elevations where deciduous stands (especially coppice) dominate.The effect of fires on the protection capabilities of forests is assessed by comparing rockfalls propagation simulations without fire to simulations after each type of fire in which the trees with a high post-fire mortality are not taken into account. The ORPI values for each forest plot and fire type are thus calculated and compared to the reference scenario without fire thus making it possible to quantitatively assess the reduction of the protection capabilities. Low elevation stands, subject to warmer and drier climatic conditions, show reductions of the protective effect in the range 60-100%. It mainly concerns coppices and deciduous stands. At high elevation, the reduction is in the range 30- 65%.In conclusion, this PhD thesis proposes an original method to quantify the protection capabilities of a forest against rockfalls before and after a fire and improve the knowledge of these two natural hazards and their associated risks. The multi-hazard analysis conducted at the end of the thesis makes it possible to understand the potential cascading effects in the main forest types and for four bioclimatically homogeneous territories of the French Alps.