Au sein des sols forestiers, la richesse taxonomique et le rôle des microorganismes eucaryotes (en grande partie des champignons) restent encore largement méconnus. L’espèce d’arbre est un des facteurs qui structurent les communautés de ces microorganismes. Nous avons étudié l’impact de l’essence forestière (hêtre et épicéa) sur la diversité taxonomique et fonctionnelle de ces communautés par une approche métatranscriptomique et une approche biochimique (focalisée sur les champignons ectomycorhiziens). Nous avons montré un effet de la séquence étudiée (ADNr 18S, ADNc) sur la distribution taxonomique des communautés et développé un nouveau marqueur moléculaire mitochondrial pour l’étude des communautés de champignons métaboliquement actifs. L’identification de gènes d’intérêt écologique et industriel par séquençage systématique des banques métatranscriptomiques ainsi que l’identification fonctionnelle d’une nouvelle famille de transporteursmembranaires montrent l’intérêt de l’approche métatranscriptomique. L’approche biochimique a consisté en un dosage à haut débit, sur des extrémités racinaires ectomycorhizés, d’activités enzymatiques liées à la dégradation de la matière organique et à la mobilisation de l’azote et du phosphore du sol. L’ensemble de ces approches a permis de montrer un impact de l’essence forestière sur la nature des espèces présentes plutôt que sur la richesse taxonomique et une préférence d’hôte de certains groupes fongiques ectomycorhiziens. L’approche biochimique a montré une redondance fonctionnelle importante pour certaines activités enzymatiques tandis qu’une autre activité enzymatique était spécifique d’un groupe taxonomique fongique. / In forest soils, taxonomic richness and functional diversity of eukaryotic microorganisms (mainly Fungi) remain largely unknowned. Tree species is one of the main factors that structure eukaryotic microbial communities. We have studied the impact of tree species (beech and spruce) on taxonomic and functional diversity of these communities by using a metatranscriptomic approach and a biochemical one focusing on ectomycorrhizal fungi. We showed an effet of different sequences (18S rDNA, cDNA) on taxonomic composition of eukaryotic microbial communities and we developped anew mitochondrial molecular marker for the study of metabolically active fungal communities. Identification of ecologically and industrially important genes by the shotgun sequencing of metatranscriptomic libraries and also identification of a new family of transmembrane transporter demonstrate the great potential of the metatranscriptomic approach. The biochemical approachconsisted in a multiple enzymatic test carried out on ectomycorrhizal roots, of enzyme activities linked to organic matter degradation and phosphorus and nitrogen mobilization. All these approaches revealed an impact of tree species on the microbial species composition but not on taxonomic richness and also host preference for some ectomycorrhizal taxonomic groups. The biochemical approach showed a high functional redundancy for some enzyme activities while one activity was very specific of an ectomycorrhizal taxonomic group.

La communauté scientifique, en relation avec les gestionnaires forestiers, travaille depuis trente ans à l'élaboration d'outils d'aide à la décision. Cependant, aucune approche de modélisation ne permet une évaluation simultanée de l'impact sur la forêt des changements globaux et de la gestion des services écosystémiques. L'élaboration d'une nouvelle génération de modèles dédiés au couplage sol-plante est indispensable pour aider les gestionnaires forestiers à adapter leurs pratiques sylvicoles face aux changements globaux. Les modèles phénoménologiques issus de la dendrométrie proposent des estimations de croissance et de production tenant compte des pratiques sylvicoles. Leur utilisation est limitée par leur dépendance à un indice de fertilité combinant de manière indifférenciée l'influence du climat et des cycles biogéochimiques. La remise en jeu de la notion d'indice de fertilité nécessite de tirer avantage des concepts issus des modèles à base écophysiologiques et biogéochimiques. La modélisation de la dynamique mensuelle du renouvellement foliaire par le modèle Stand Leaf Canopy Dynamics a permis d'estimer: i) la dynamique de l'indice foliaire, ii) la production de litière foliaire. Ce modèle probabiliste tient compte de l'influence du climat, de la disponibilité en eau de l'écosystème et repose sur des hypothèses écologiques fortes sur les mécanismes impliqués dans la longévité des feuilles. Ce modèle pose les bases de l'intégration du cycle de l'eau aux modèles dendrométriques par couplage avec un modèle écophysiologique. Le modèle de décomposition de la matière organique le long d'un profil de sol vertical proposé par Bosatta et Ågren (1996) a été analysé mathématiquement afin d'étudier le devenir des chutes de litières dans le sol forestier. Nous avons proposé: i) une preuve d'existence et l'unicité de solutions à l'équation de transport intégro-différentielle du modèle, ii) des schémas de différences finies implicites-explicites convergents estimant les solutions du modèle et iii) une discussion autour des hypothèses sous-jacentes à une troncature du modèle proposée par Bosatta et Ågren. Ces deux étapes sont des leviers indispensables à l'étude des cycles biogéochimiques dans une approche à base dendrométrique. L'influence du climat et de la phénologie sur le cycle de l'eau, la décomposition des litières foliaires et la chimie du sol constituera une prochaine étape de modélisation. / The scientific community, in collaboration with forestry managers, developed decision support tools since thirty years. However, current modelling approaches do not allow simultaneous estimations of global changes impact management policies on forests. The design of a new generation of models dedicated to soil-plant coupling is necessary to help forest managers to adapt forestry practices to face global changes. Phenomenological models arising from dendrometry estimate forest growth \& yield and take into account of silvicultural practices. Their use is limited by their dependence to a fertility index, which combines implicitly the influence of climate and biogeochemical cycles. A re-examination of fertility index concept is necessary to take advantage of concepts developed in ecophysiological and biogeochemical models. Modelling the monthly dynamics of foliar renewal with the Stand Leaf Canopy Dynamics model permited: i) to estimate leaf area index dynamics, ii) to model foliar litter production. This probabilistic model takes into account climate influence, ecosystem water availability and lies on strong ecological hypothesis on mechanisms involved in leaf longevity. This model, associated with an ecophysiological model, permits to integrate water cycle to dendrometric models. The soil organic matter decomposition along a vertical soil profile model introduced by Bosatta et Ågren (1996) was analyzed to study the future of litterfall in forest soil. We proposed: i) a proof of existence and uniqueness of solutions to the integro-differential transport equation of the model, ii) convergent implicit-explicit finite differences schemes estimating model solutions and iii) a discussion on hypothesis underlying a model truncation introduced by Bosatta et Ågren. These two modelling steps are essential to consider biogeochemical cycle with a dendrometric approach. Climate and phenology influence on water cycle, litterfall decomposition and soil chemistry are the elements of a future modelling phase.

Pendant plusieurs siècles, le sol a été labouré pour contrôler le développement des mauvaises herbes, incorporer des résidus de culture et préparer le sol avant le semis. Après le développement des herbicides la nécessité de labourer a été posée et des systèmes de travail du sol réduit ont été introduits. Ces systèmes de travail du sol réduit ont deux caractéristiques : (i) le sol n'est plus labouré et, (ii) le sol est toujours complètement ou partiellement couvert avec des résidus de culture. Le passage du labour profond au semis-direct (un système de travail du sol réduit) induit des modifications dans la structure du sol et la localisation de la matière organique du sol (MOS) et des résidus de culture. Ceci entraîne des modifications dans le climat du sol (température et humidité) et certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La combinaison de toutes ces modifications a une influence importante sur les transformations de l'azote et du carbone dans le sol. Les objectifs de notre étude ont été de (i) quantifier les différences des stocks et de flux de carbone et de l'azote entre différents systèmes de travail du sol différenciés depuis 32 années dans un sol limoneux de grande culture du bassin Parisien et, (ii) expliciter les effets du climat du sol, de la structure et des propriétés biologiques et physiques du sol sur les différences de fonctionnement des cycles du carbone et de l'azote du sol. Cette étude a été essentiellement focalisée sur les variables qui ont un impact agronomique ou environnemental : carbone et azote organique du sol, dynamique de l'azote minéral du sol et les émissions de CO2 et N2O. Deux systèmes de travail du sol ont été étudiés : le labour (CT) et le semis-direct (NT). Ces systèmes de travail du sol ont été suivis sur des parcelles en rotation maïs-blé du site expérimental de Boigneville (91) en France. NT présente des stocks de carbone 5 à 15 % plus importants et des stocks d'azote 3 à 10% supérieurs à ceux mesurés pour CT, mais ces différences n'ont pas toujours été statistiquement significatives. Les concentrations de C et N diminuent avec la profondeur en NT alors qu'elles sont distribuées de façon homogène dans la couche labourée en CT. La différence de stock d'azote organique associé aux argiles et limons et la différence de stock d'azote associé à la matière organique particulaire (MOP) ont chacune expliqué 50 % de la différence de stock d'azote total entre les deux systèmes. 66 % de la différence du stock de carbone total du sol ont été explicités par la différence de stock de carbone présent dans la MOP (58 %) et les résidus de culture (8 %). Le carbone et l'azote additionnel dans NT se situe dans des agrégats. Nos résultats suggèrent que les stocks de C et N plus importants pour NT peuvent être attribués à (i) la formation de macroagrégats plus prononcée dans la couche 0-5 cm due à l'activité microbienne et aux stocks de MOS plus importants et, (ii) la meilleure protection de la MOS dans la couche 5-20 cm due à une porosité du sol plus faible et à l'absence de la destruction de la structure du sol par le travail du sol ou le climat. Les modalités de travail du sol n'ont pratiquement pas eu d'influence sur les dynamiques de l'eau et de nitrates dans le profil (0-120 cm) du sol. L'interprétation des données avec le modèle LIXIM a permis de calculer des vitesses de minéralisation comparables pour les 2 systèmes que celles-ci soient calculées avec une échelle de temps exprimée en jours calendaires ou en jours normalisés (à une température et une humidité du sol de référence). Ces résultats montrent que la fourniture d'azote minéral par le sol est similaire dans les différents systèmes de travail du sol étudiés à Boigneville. Par ailleurs, les émissions de N2O ont eu tendance à être plus élevées pour NT que pour CT. Les émissions de CO2 en absence de couvert végétal ont pu être plus importantes pour l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol en fonction des conditions climatiques et de la localisation des résidus de culture. Le cumul des quantités de CO2 émis par NT a été significativement plus important que pour CT. Au cours d'une seconde partie du travail, nous avons cherché à montrer si les différences de stocks et de flux de C et N entre les différentes modalités de travail du sol étaient le résultat des modifications des conditions climatiques, de la localisation et des quantités de SOM et résidus de culture ou des propriétés biologiques ou physiques du sol. D'abord, nos résultats ont montré que la minéralisation potentielle du C et N en conditions contrôlées n'a pas été moins importante pour NT comparé à CT. Par ailleurs, la protection physique de la MOS contre la minéralisation du C et N a été évaluée par incubation d'échantillons de sol dont les structures entre 50 µm et 12.5 mm ont été progressivement détruites. Quatre zones structurales ont été considérées : zones avec une structure poreuse ou compacte pour CT et horizons 0-5 et 5-20 cm pour NT. Les résultats indiquent que la destruction de la structure de l'horizon 0-5 cm de NT induit une faible augmentation de la minéralisation de l'azote et pas d'augmentation pour la minéralisation du carbone. La protection de la MOS est en réalité la plus importante pour la couche 5-20 cm du NT. Ensuite, les différences de décomposition de la MOS entre CT et NT au champ ont été influencées par des différences de la température et de l'humidité du sol. Toutefois ces différences ont été souvent faibles et les conditions n'ont pas été systématiquement plus favorables pour la décomposition dans l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol. Néanmoins, la distribution et la quantité de pluie et l'évaporation d'eau ont eu une influence importante sur la dynamique des flux de CO2. Les pluies induisent une réhumectation rapide des résidus de surface qui entraîne une augmentation importante des flux de CO2 pour NT par rapport à CT. Après les pluies, la teneur en eau des résidus de surface diminue rapidement ce qui limite sérieusement leur décomposition entraînant des émissions plus faibles pour NT comparé à CT. Finalement, les flux de C et N ont été simulés avec le modèle PASTIS. Les simulations ont montré que la quantité cumulée plus importante de CO2 émise par NT a résulté d'une décomposition plus importante des résidus de culture et pas d'une différence de décomposition des MOS. En réalité, la plus grande quantité des résidus de culture accumulée à la surface du sol dans NT fait plus que compenser la plus faible vitesse de décomposition des résidus en surface pour NT comparé avec la situation de résidus enfouis pour CT. En définitive, c'est la teneur en eau du mulch de résidus qui contrôle le plus l'amplitude de la différence de vitesse de décomposition des résidus entre CT et NT.

Les sols de montagne constituent un réservoir majeur de carbone stocké sous forme de matière organique (carbone organique du sol, COS), potentiellement hautement vulnérable aux changements des conditions climatiques. Afin de comprendre les répercussions des changements des conditions climatiques sur la dynamique du COS des sols de montagne, cette thèse s'appuie sur une expérimentation de transplantation altitudinale de monolithes de sol de prairie subalpine calcaire, mise en place dans le Jura Suisse en 2009. Cette expérimentation permet de simuler deux scénarios réalistes de changements climatiques attendus au cours du 21éme siècle, visant à réchauffer et assécher le climat (+2°C et +4°C ; -20% et -40% de précipitations).La démarche conceptuelle de cette thèse a été d'étudier les effets des changements des conditions climatiques (variations saisonnières et manipulation climatique) au bout de quatre années d'expérimentation sur (i) la dynamique des communautés microbiennes et de leur activité enzymatique de décomposition du COS, (ii) la dynamique de différents pools de COS qui constituent la ressource énergétique des micro-organismes décomposeurs, (iii) les interactions s'établissant entre les communautés microbiennes et leurs ressources énergétiques et (iv) les stocks de COS du sol.Nos résultats montrent une très forte dynamique saisonnière du processus de décomposition microbienne se traduisant par de fortes activités enzymatiques de décomposition, une biomasse microbienne plus importante et une structure des communautés microbienne différente lors de la saison hivernale par rapport à la saison estivale. Ces résultats sont en lien avec la dynamique observée des pools les plus labiles du COS (C organique extractible à l'eau et C organique particulaire libre), et des modèles d'équations structurelles montrent que les conditions climatiques (variations saisonnières et manipulation climatique) modifient les interactions s'établissant entre les communautés microbiennes et leurs ressources pour contrôler la décomposition enzymatique du COS.Enfin, ce travail de thèse montre une forte diminution des concentrations en COS sous l'effet de la manipulation climatique, qui ne peut être expliquée par une décomposition microbienne accrue du COS. Au contraire, nos résultats suggèrent que la diminution de la concentration en COS pourrait être due à l'accélération des processus pédologiques naturels sous les scénarios de changement climatique au sein de ces sols calcaires de prairies subalpines, avec une décarbonatation accrue favorisant la lixiviation du carbone organique dissous et le lessivage du pool de COS associé aux argiles. Ces résultats inédits offrent de nouvelles perspectives de recherche sur les effets des changements climatiques sur l'évolution des stocks de COS. / Mountain soils stocks huge quantities of carbon as soil organic matter (SOM) which may be highly vulnerable to climate change and thus alter the atmospheric greenhouse gases concentration at a decadal timescale. To understand the effect of climate conditions on the dynamics of mountain soil organic carbon (SOC), a climate change experiment was set up in October 2009 in Swiss Jura subalpine grassland soils. The climate change experiment (soil transplantation) simulated two realistic climate change scenarios, with increased air temperatures ranging between 2 °C and 4 °C and decreased precipitation ranging between 20% and 40%. These changes reflect current predictions of climate change for the 21th century in temperate mountain regions.We studied the effect of climate conditions (climate manipulation and seasonal changes) after four years of climate experiment on (i) the dynamic of microbial decomposition, microbial abundance and community structure, (ii) the dynamic soil organic matter pools with contrasted turnover rate and representing the energetic resource of microbial communities, (iii) the interactions between microbial communities and soil organic matter pools and (iv) the soil organic carbon stocks.This work shows a strong seasonal dynamics of microbial decomposition with higher enzymatic activities, higher microbial abundance and shift of microbial community structure in winter than in summer. These results were linked to the seasonal organic matter labile pools dynamics. Moreover structural equation modeling shows that climate manipulation differently influences the drivers of SOC enzymatic decomposition in summer and winter.Finally, this work shows a strong decrease of soil organic carbon concentration under the climate change manipulation which cannot be explained by an increase of microbial activities. In contrast, our results suggest that the observed climate-induced decrease in bulk soil organic C content was due a SOC decrease in the most biogeochemically stable SOM fraction associated with a decrease in clay content and a decrease of soil calcareous concentration. Thus, our results hint more so towards an effect of SOM leaching (Gavazov, 2013) to explain the climate effect on SOC content than an effect of microbial and/or plant activities.

Le sol est une des composantes essentielles au soutien du fonctionnement de l’écosystème. Il est lesupport de la production primaire, un habitat pour la diversité biologique et remplit de nombreux processus écologiques. Les activités anthropiques, et parmi elles, les pratiques agricoles intensives, ont conduit à des déséquilibres au sein du sol causant un fort déclin de leur biodiversité. En réponse à ces effets, de nouvelles pratiques agricoles ont été développées pour préserver les sols et les services écosystémiques qu’ils fournissent. Ces pratiques dites innovantes s’appuient principalement sur la réduction du travail du sol, une gestion intégrée des résidus de culture, l’installation d’un couvert végétal permanent ou encore l’introduction de légumineuses dans les rotations de culture. C’est dans ce contexte de mutation des pratiques agricoles que s’inscrit ce sujet de thèse qui vise à mieux comprendre les effets de l’adoption de ces gestions innovantes sur (i) la diversité des communautés de la macro- et de la mésofaune du sol et (ii) sur le fonctionnement du sol en termes de stockage ducarbone organique (source de nourriture de base), de structure du sol et de distribution de la taille des pores (milieu de vie). Au cours des différents chapitres de ce travail, nous avons mis en évidence trois actions liées à des pratiques agricoles innovantes combinant des approches expérimentales in et ex situ. L’objectif de la première action visait à étudier l’effet combiné de l’introduction de légumineuse (féverole) et de la réduction du travail du sol sur le compartiment endogé. Pour y répondre, nous avons développé une conception expérimentale empirique faite avec la combinaison des situations rencontrées dans les fermes. Nos résultats ont montré que l’interaction entre les deux pratiques innovantes n’a pas entrainé d'augmentation significative de la diversité de la faune du sol. Les fonctions microbiennes ainsi que la dynamique du carbone (C) et de l’azote (N) ne semblent pas non plus être affectées par ces pratiques. Il s’avère que les effets bénéfiques de ces pratiques innovantes ne peuvent être envisagés sans prendre en compte la manière dont elles sont mises en oeuvre à l’échelle des rotations culturales et des itinéraires techniques. Cela nous a permis de valoriser une seconde action dont l’objectif était de suivre dans les mêmes conditions pédoclimatiques et mêmes itinéraires techniques, l'effet à long terme (quatre ans) de cinq régimes de gestion différents sur les communautés de faune du sol. Les traitements comprenaient des combinaisons de différentes cultures (annuelles, vivaces), de différents taux de fertilisation azotée (ajout d'azote, azote réduit),incorporation ou élimination de résidus de culture et différentes intensités de labour (labour vs. travail superficiel). Les résultats ont montré que la réduction de l’intensité du travail du sol a favorisé la diversité des collemboles et ses groupes fonctionnels grâce à l’amélioration des conditions de l’habitat à travers l’augmentation de la biomasse microbienne de carbone (source trophique). Par ailleurs, les autres composantes de la gestion, soit la « réduction des apports d’azote » et la « restitution / exportation des résidus de culture», n’ont pas eu d’effet sur les collemboles (abondance et richesse), notamment sur ceux vivants dans le sol, qu'ils soient hémi ou euédaphiques. Toutefois, cette étude démontre que la dissemblance dans la composition des assemblages de collemboles augmente avec la différenciation temporelle des pratiques agricoles et le travail du sol est le premier facteur responsable de cette trajectoire. Cette assertion a donné lieu à une troisième action dont l’objectif était de suivre sur une saison de végétation la conversion de la perturbation mécanique résultant du travail du sol sur la résistance et résilience fonctionnelle des assemblages biotiques édaphiques. / Soil is one of the essential components supporting the functioning of the ecosystem. It is the support of primary production; an habitat for biodiversity, and it fulfills many ecological processes. Human activities, including intensive agricultural practices, have led to impaired the soil causing a sharp decline in their biodiversity. In response to these effects, new agricultural practices have been developed to preserve the soils and the ecosystem services they provide. These so-called innovative practices rely mainly on the reduction of tillage, integrated management of crop residues, the installation of permanent plant cover or the introduction of legumes into crop rotations. It is in this context of changes in agricultural practices that this thesis topic lays. This thesis aims to better understand the effects of the adoption of these innovative management practices on (i) the diversity of the macro and mesofauna communities soil and (ii) soil functioning in terms of organic carbon storage (basic food source), soil structure and pore size distribution (living environment). During the different chapters of this work, we highlighted three actions related to innovative agricultural practices combining in situ and ex situ experimental approaches. The aim of the first action was to study the combined effect of the introduction of legume (faba bean) and the reduction of tillage on the endogenous compartment. To answer this question, we developed an empirical experimental design made with the combination of situations encountered on farms. Our results showed that theinteraction between the two innovative practices did not result in a significant increase in the diversity of soil fauna. Microbial functions and the dynamics of carbon (C) and nitrogen (N) also do not seem to be affected by these practices. It turns out that the beneficial effects of these innovative practices cannot be considered without taking into account how they are implemented at the scale of crop rotations and technical itineraries. This allowed us to promote a second action whose objective was to follow, under the same pedoclimatic conditions and the same technical itineraries, the long-term effect (four years) of five different management regimes on the communities of soil fauna. Treatments included combinations of different crops, different rates of nitrogen fertilization, incorporation or removal of crop residues and different plowing intensities. The results showed that the reduction of tillage intensity favored the diversity of Collembola and its functional groups by improving habitatconditions through the increase of microbial carbon biomass (trophic source). In addition, the other components of management, namely the "reduction of nitrogen inputs" and the "restitution / export of crop residues", had no effect on springtails (abundance and wealth), in particular on those living in the soil, whether hemi or euedaphic. However, this study demonstrates that the dissimilarity in the composition of Collembola assemblages increases with the temporal differentiation of agricultural practices, and tillage was the main factor responsible for this trajectory.

La réutilisation des eaux usées traitées pour l’irrigation est globalement acceptée et pratiquée pour faire face à la pénurie d'eau et économiser les ressources de haute qualité. Bien que cette pratique présente des avantages indéniables et contribue à un usage plus durable de l'eau douce, elle n’est pas exempt de problèmes liés à l'impact potentiel sur la qualité des sols récepteurs et sur les cultures de micropolluants contenus dans l'eau réutilisée. Parmi ces polluants, les métaux lourds (ML) en concentrations traces jouent un rôle primordial en raison de leur présence systématique dans l'eau utilisée et de leur persistance une fois libéré dans l'environnement. Le devenir des ML dans les sols peut difficilement être prédit parce que les mécanismes de mobilité à travers les sols sont extrêmement variés et liés à des phénomènes simultanés et très complexes impliquant différents équilibres chimiques. Les ML, comme beaucoup d'autres contaminants, ne sont pas seulement partagé entre la phase immobile (le sol) et les phases mobiles présentes dans l'eau. En effet, les colloïdes et les nanoparticules agissent comme une troisième phase mobile, avec leurs propres propriétés rhéologiques et des vitesses de migrations qui leur sont propres. Ce dernier aspect a été l'un des principaux objectifs d’étude de la thèse. Plusieurs essais expérimentaux ont été menés en irriguant un sol standard selon l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) avec une eau usés traités réel et / ou synthétiques, contenant des ML en concentrations traces. Pour chaque test, un sol spécifique (avec différentes teneurs en matière organique) et des eaux usées traitées de composition différente (avec différentes concentrations en métaux traces, de salinité, de la teneur en matière organique pour les eaux usées synthétiques, ou des eaux usées traitées réelles) ont été choisi afin d'évaluer les effets des conditions différentes sur le devenir global des ML. L'augmentation de la matière organique du sol de 2,5 à 10% a linéairement amélioré la mobilité des Cd, Cu et Ni avec une augmentation de la mobilité maximum de 35,6, 43,7 et 49,19% pour le Cd, Cu et Ni, respectivement. Pour la plupart des expériences, les ML ont été capturés dans la couche superficielle du sol (0,5 à 1 cm). Néanmoins, des pics de contamination ont été détectés à des profondeurs différentes dans les couches plus profondes du sol. L’étude de la composition des lixiviats montre des variations de concentrations fonction du métal étudié et des caractéristiques du sol et des eaux usées. Des pics de métaux dans le lixiviat sont apparus en même temps que la libération de la matière et / ou la libération de silicates organiques, ce qui démontre l'implication significative des colloïdes dans le transport des métaux. La concentration en sodium (20 mM) a été démontrée un impact fort sur la réduction de la mobilisation colloïdale et que plus de 95% du métal apporté a été détecté dans la couche superficielle du sol en dépit de sa teneur en matière organique. La salinité affiche donc des effets significatifs. L'irrigation avec des eaux usées traitées présentant une très haute teneur en Ca et Mg (111 et 134 mg / L, respectivement) a abouti à la libération moyenne plus élevée de silicium à partir de la matrice inorganique du sol (8,2 mg / L) par rapport à la faible salinité des eaux usées artificielle (1,9 mg / L). Par conséquent, la mobilisation ultérieure de Cd, Cu, Ni et Zn a été observée lorsque le sol a été irrigué avec des eaux usées traitées réelles. Une caractérisation spectroscopique avancée des lixiviats a été réalisée pour identifier les agrégats colloïdaux libérés par le sol dans le but d’en déterminer leur nature, leurs propriétés chimiques et leur état d'agrégation / Reuse of treated wastewater for agricultural purposes is worldwide accepted and practiced to face water scarcity and save high quality resources. Although such practice has undoubtable advantages and is certainly more sustainable respect to the use of fresh water, it is not exempt from severe concerns related to the potential impact on the receiving soil and on the crops of potentially harmful pollutants contained in the reused water at trace levels. Among these pollutants, trace heavy metals (HMs) play a primary role due to their spread presence in the used water and to their persistence once released in the environment. The fate of HMs in the soils can be hardly predicted as mechanisms of mobility through soils are extremely diverse and related to highly complex simultaneous phenomena and chemical equilibria. HMs, in fact, as many other contaminants, are not only partitioned between the solid immobile and the water mobile phases. Indeed, colloids and nanoparticles act as a third mobile phase, with their own rheological properties and velocity. This latter aspect has been one of the main focus of the thesis. In details the thesis describes the results of several experiments conducted irrigating the OECD standard soil with real and/or synthetic wastewater, containing HMs in trace. For each test a specific soil (e.g. varying the organic matter content) and wastewater composition (e.g. varying the metals concentration, the salinity, the organic matter content, or testing real treated wastewaters) has been chosen in order to evaluate the effects of different conditions on the overall HMs fate. The increase of soil organic matter from 2,5 to 10% linearly enhanced the mobility of Cd, Cu and Ni up to a maximum mobility increase of 35.6, 43.7 and 49.19 % for Cd, Cu and Ni, respectively. In most experiments metals accumulated in the top soil layer (0.5 - 1 cm). Nevertheless peaks of contamination were detected at different depths in the soil deeper layers and at different leaching time in the leachates depending on the metal and on the soil and wastewater characteristics. Peaks of metals in the leachate appeared simultaneously with release of organic matter and/or release of silicates, demonstrating outstanding involvement of colloids in metals transport. Sodium concentration (20mM) decidedly reduced colloidal mobilization whereas more than 95 % of the influent metal was detected in the top layer despite the soil organic matter content. Salinity displayed different effects. The irrigation with real treated wastewater with quite high content of Ca and Mg (111 and 134 mg/L, respectively) resulted in higher average release of silicon from the soil inorganic matrix (8.2 mg/L) compared to the low salinity artificial wastewater (1.9 mg/L). Consequently higher mobilization of Cd, Cu, Ni and Zn was observed when the soil was irrigated with real treated wastewater. An advanced spectroscopical characterization of the leachates was performed to identify such colloidal aggregates. The observation of 3D excitation-emission matrix demonstrated in all the leachates samples the presence of fulvic (230-450 nm ex-em fluorescence area) and humic (330-445 nm ex-em) substances. In this context, a novel analytical method was developed to quantify phenolic substances in soil matrices allowing the monitoring of humic matter migration in soil profiles. The novel method was more accurate and more precise respect to the traditional one, allowing to obtain higher recovery of total phenols in peat soil (15.5 % increase) with a decrease of the coefficient of variation (30.1% decrease). Organic water soluble colloids were extracted from the peat used to prepare the OECD standard soil and characterized. Results of size exclusion chromatography highlighted the supramolecular structure of the extracted organic matter. Such structure was further confirmed through fluorescence and 1H-NMR spectroscopy

Les sols de montagne représentent d'importants réservoirs de carbone (C) potentiellement vulnérables aux changements climatiques et changements d'usage qui les affectent de manière amplifiée. Or la grande variabilité de ces milieux, leur faible accessibilité ainsi que le manque d'outils de mesure appropriés limitent nos connaissances qui restent aujourd'hui très fragmentaires en ce qui concerne les stocks, la chimie et la réactivité du carbone organique des sols (COS). Ces informations sont pourtant nécessaires pour appréhender l'évolution de ces sols et de leur C dans ce contexte de changements globaux. Les objectifs de ce travail de thèse étaient (i) d'accéder à une meilleure compréhension de la nature, de la stabilité et de la vulnérabilité du COS dans une mosaïque d'écosystèmes des Préalpes calcaires (massif du Vercors), (ii) de rechercher des outils de caractérisation rapides et fiables adaptés à l'étude et au suivi du COS à l'échelle du paysage, et enfin (iii) de proposer des indices pour l'évaluation et le suivi de la qualité des sols en milieu de montagne. Dans un premier temps, nous avons testé l'application de la pyrolyse Rock-Eval pour l'étude du COS à grande échelle sur un ensemble d'unités écosystémiques. Nous avons ensuite comparé la pyrolyse Rock-Eval à deux techniques classiques d'étude de la matière organique du sol (MOS) : le fractionnement granulodensimétrique de la MOS et la spectroscopie moyen infrarouge. Ces approches analytiques couplées nous ont permis de quantifier les stocks de C à l'échelle de la zone d'étude et d'expliquer la stabilité et la vulnérabilité du COS sous des angles variés. Les facteurs responsables des patrons observés dans les différentes unités écosystémiques sont discutés. Ce travail a également confirmé la pertinence de l'outil Rock-Eval pour répondre aux objectifs fixés. Parallèlement, des approches biologiques nous ont permis d'évaluer l'importance de la composante microbienne dans ces sols. Enfin, des indices évaluant le statut organique des sols (stockage de COS, fertilité des sols, vulnérabilité du COS) sont proposés pour constituer des outils de gestion et d'aide à la décision. / Mountain soils are major reservoirs of carbon (C), potentially vulnerable to climate and land use changes that affect them significantly. However, the great variability of these soils, their limited accessibility and the lack of appropriate measurement tools restrict our knowledge. Today, our comprehension of the biogeochemistry of mountain soils remains very incomplete regarding stocks, chemistry and reactivity of soil organic carbon (SOC). Yet this information is necessary to understand the evolution of soil carbon in the current context of global change. The objectives of this work were (i) to gain a better understanding of the nature, stability and vulnerability of SOC in a mosaic of ecosystems in a calcareous massif in the Alps (Vercors massif), (ii) to search for fast and reliable characterization tools, suitable for the study and monitoring of COS at the landscape scale, and (iii) to propose indicators for the assessment and monitoring of soil quality in mountain regions. As a first step, we tested the application of Rock-Eval pyrolysis for the study of COS at large-scale on a set of ecosystem units. Then, we compared the Rock-Eval approach to two conventional techniques for soil organic matter (SOM) study: the particle-size fractionation of SOM, and the mid-infrared spectroscopy. These coupled analytical approaches allowed us to quantify C stocks across the study area, and explain the stability and the vulnerability of COS at various angles. Factors responsible for the patterns observed in the different eco-units are discussed. This work also confirmed the relevance of the Rock-Eval tool to achieve our previous objectives. Biological approaches allowed us to assess the significance of microbial pool in these soils. Finally, indices assessing the status of SOM (SOC storage, soil fertility, vulnerability COS) were proposed and constituted interesting management tools for decision-makers.